История исследования явления кавитации. Часть 2

Вначале пытались подойти к проблеме кавитации с точки зрения гидродинамики и принимали во внимание только внешние обстоятельства – скорость потока воды, давление в потоке и зависимость того и другого от времени. Позднее поняли, что необходимо также учитывать и физические условия в жидкости – температуру, плотность, поверхностное натяжение, вязкость. Эти факторы, каждый по-своему, влияют на процесс образования паровых пузырей, на их устойчивость и интенсивность воздействия с твёрдой поверхностью.

Одни из первых опытов с растяжением жидкости провели Бертелло (1850 г.), Рейнольдс (1885 г.), Вортингтон (1892 г.), Диксон (1909 г.) и Мейер (1911 г.). Бертелло и Диксон для этих целей использовали прямую стальную капиллярную трубку. Им удалось растянуть воду до 50 и 200 атм., соответственно. Вортингтон «растянул» этиловый спирт давлением в 17 атм. Рейнольдс вращал U-образную трубку с жидкостью и вызывал растяжение действием центробежных сил.

В 1932 году Ньютон Гейнес разработал акустический метод создания кавитационных пузырей c использованием магнитострикционного генератора. Метод оказался удачным и используется в лабораторных исследованиях до настоящего времени. Опыты Гейнеса показали, что после нескольких минут работы генератора торцовая поверхность никелевого стержня оказывалась повреждённой, а характер повреждений в точности напоминал обычные язвовидные кавитационные повреждения.

Особо важный вклад в понимание кавитации внес британский физик и Нобелевский лауреат Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей), который занимался теоретическим изучением явления кавитации в период с 1908 по 1924 г. г.

В 1917 году Рэлей опубликовал статью, в которой на основе энергетического подхода рассмотрел случай захлопывания пустой полости в безграничном объеме жидкости под действием постоянного давления. Считая полость сферически симметричной и, исходя из условия, что кинетическая энергия движущейся жидкости равна работе, действующих на полость сил давления
equ01Рэлей определил скорость движения стенки полости в функции ее радиуса
equ02где ρ – плотность жидкости, R – радиус полости; P0 – внешнее давление, приложенное к полости.

Далее, рассматривая уравнение движения сферически симметричного потока
equ03и, используя граничное условие, что на стенке полости r = R, Рэлей получил выражение для максимального давления, возникающего при схлопывании пустой полости:
equ04Для  P0 = 10 атм. и  Rmax/R давление воды вне захлопывающейся сферы по расчетам Рэлея равно 5500 атм. Отметим, что работа Рэлея заложила теоретические основы изучения кавитации на многие годы вперед.

Несколько по-иному рассмотрел задачу о схлопывании пустой сферы Кук, который предположил, что при захлопывании кавитационной полости жидкость устремляется с большой скоростью к ее центру и ударяет по поверхности твердого тела, находящегося внутри полости. Кук предложил выражение для расчета давления, возникающего на поверхности сферического тела в тот момент, когда жидкость достигает его поверхности:

equ05где K – модуль объемной упругости жидкости. Расчет давления по формуле Кука при тех же параметрах дает значение, равное 77000 атм.

Идея Кука нашла развитие в работах других авторов (Корнфельд, Суворов). Было высказано предположение, что вследствие деформации кавитационного пузырька, находящегося вблизи твердой поверхности, между средой и пузырьком могут возникнуть гидродинамические силы, вызывающие образование кумулятивных микроструек жидкости ударяющихся с большой скоростью о поверхность твердого тела (см. рисунок ниже). В силу стохастического характера схлопывания пузырьков, сопровождающегося многочисленными гидроударами струек о стенку, процесс ее разрушения носит характер язвовидного изнашивания.

В начальный момент пузырек слегка деформирован, вследствие чего при его захлопывании образуется микроструйка жидкости – кумулятивная струя. Ско-рость движения микроструйки может достигать сотни метров в секунду.

В начальный момент пузырек слегка деформирован, вследствие чего при его захлопывании образуется микроструйка жидкости – кумулятивная струя. Скорость движения микроструйки может достигать сотни метров в секунду.

Ряд авторов объясняют кавитационное разрушение материала наличием трещин и пор на его поверхности. Впервые это предположение высказал немецкий инженер-гидравлик Дитер Тома в 1924 году. По его мнению, в жидкости, которая находится в трещинах и порах, могут развиваться кавитационные полости, которые при захлопывании создают значительные давления. Тома показал, что в трещине длиной 10 мм и шириной 1 мм при внешнем давлении 1 атм. могут возникать давления до 50 атм.

В работе Шатлера и Меслера были высказаны сомнения, что струя жидкости может вызвать разрушения даже непрочных материалов. Авторы мотивируют это тем, что на основании данных высокоскоростной киносъемки в месте соприкосновения струи с поверхностью тела повреждений обнаружено не было, а эрозия поверхности вызывается импульсом сил давления от сжатия газа в полости при достижении минимального объема при захлопывании.

Ряд авторов настаивают на термическом механизме кавитационного разрушения. Оценочные расчеты показывают, что микрообъемы металла, соприкасающиеся с кавитационной полостью, могут нагреваться до температуры 300…600 °С. При этом для обоснования этой гипотезы обычно ссылаются на следующие экспериментальные факты:

  • зависимость интенсивности эрозии от температуры плавления металла;
  • быстрое окисление металлов при непродолжительном кавитационном воздействии, что объясняется тем, что при высоких температурах химическое взаимодействие воды и металлов значительно ускоряется.

Однако, следует признать, что термические гипотезы имеют только косвенное подтверждение и не могут объяснить ряда явлений, которые сопутствуют процессу кавитационной эрозии.

Много исследователей придерживается точки зрения, что причиной кавитационного разрушения является ударная волна, которая возникает в жидкости в тот момент, когда кавитационная полость достигнув минимального объема, затем снова начинает расширяться под действием давления пара, сжатого в полости (см., например, работу Б. Беньямина).

Анализ обширной литературы, посвященный исследованиям механизмов зарождения и схлопывания кавитационных пузырьков, показывает, что этот вопрос все еще остается открытым.

(продолжение следует…)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *