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.

Читать далее

История исследования явления кавитации

На явление кавитации и ее последствия инженеры и ученые обратили внимание ещё в конце девятнадцатого века, когда существенно выросли скорости и мощности создаваемых машин и кавитация стала существенным препятствием на некоторых направлениях развития техники, прежде всего в судостроении. Однако до сих пор можно сказать, что это явление изучено все еще недостаточно.

Впервые с явлением кавитации инженеры-кораблестроители столкнулись вовремя испытаний британского эскадренного миноносца «Дэринг». Во время скоростных испытаний эсминец развил максимальную скорость 24 узла вместо 27 узлов, предусмотренных проектом. И только увеличение площади винта на 45% позволило конструкторам выйти на проектную скорость. Поначалу предполагали, что обнаруженная проблема связана с повышенным сопротивлением корпуса судна и с неисправностями в главных двигателях. Однако британский инженер Роберт Фруд (младший сын Уильяма Фруда – основоположника корабельной гидродинамики) выдвинул другую гипотезу, теоретическую предсказанную Эйлером еще в 1754 году. Проанализировав результаты испытаний миноносца, он пришел к заключению, что потеря скорости вызвана неизвестным до этого явлением, которому он дал название «кавитация» (от латинского «cavus» – пустой, полый).  В этом же году неудача постигла и другое судно – «Турбинию», спроектированное британским инженером Чарлзом Парсонсом. «Турбиния» была самым скоростным судном своего времени и первым судном с паротурбинной установкой мощностью 1000 л. с.

Малая кавитационная труба парсонса (1985 г.)

Малая кавитационная труба Парсонса (1985 г.)

Во время первых ходовых испытаний «Турбиния» развила скорость 19,25 узла, а затем судно внезапно потеряло ход. Как выяснилось при последующем подводном осмотре, у судна оказались повреждёнными винты – они были покрыты странного вида раковинами. Повторные испытания с новыми винтами показали те же результаты.

Неудача, постигшая Парсонcа при испытаниях «Турбинии», побудила его приступить к экспериментальным исследованиям. В 1895 году он построил первую в мире кавитационную трубу и получил первые фотографии кавитации на гребном винте. Диаметр модельного винта равнялся 50,8 мм, шаг 71, 2 мм. Кавитация отчетливо наблюдалась при скорости вращения 1500 об/мин. Парсонс обнаружил четкую связь между кавитацией и наблюдаемыми повреждениями на винте, и указал на большую роль парообразования в процессе кавитации. Спустя два года, решив все проблемы, связанные с кавитацией, Парсонсу удалось довести скорость судна до 32,25 узлов.

В 1910 году Парсон построил вторую гидродинамическую трубу, позволяющую испытывать винты большего диаметра (до 305 мм). Это событие можно считать отправной точкой для всех последующих экспериментальных исследований явления кавитации. Однако примерно до 40-х годов двадцатого века развитие исследований кавитации гребных винтов и насосов шло очень медленно в связи с трудностью создания экспериментальных лабораторных установок и стендов, способных обеспечить большие скорости движения жидкости. Кроме того, следует учитывать и малые размеры типичных кавитационных пузырьков и кавитационных кластеров: даже при современном уровне техники прямые измерения параметров этих пузырьков практически невозможны. Непосредственному измерению доступны лишь интегральные параметры квазистационарных зон кавитации.

Большая кавитационная труба Парсонса, построенная в Уоллсенде (Англия) в 1910 году.

Большая кавитационная труба Парсонса, построенная в Уоллсенде (Англия) в 1910 году.

Читать далее