АНАЛИЗ ЯВЛЕНИЯ КАВИТАЦИИ И ЕГО НЕОДНОЗНАЧНОСТЬ

Введение

На данном этапе развития человечества известно большое количество различных физических процессов, которые используются в различных сферах жизнедеятельности. Многие процессы, даже хорошо изученные, зачастую полностью не оценены. Одним из таких уникальных и малоизвестных в широких кругах процессов является кавитация. Говоря о данном процессе, хотелось бы выделить его неоднозначность, – так как данное явление носит, как негативный, так и широко распространённый положительный характер.

Процесс кавитации в жидкости понимают, как явление парообразования и выделения воздуха, обусловленное понижением давления в жидкости до давления насыщенных паров. Необходимо отметить, что понижение давления в жидкости до давления насыщенных паров возможно, также при кипении или вакуумировании жидкости. Но эти процессы распространяются по всему объему жидкости в отличие от кавитации, которая имеет ограниченную область.

Различают гидродинамическую кавитацию, образующуюся за счет местного снижения давления, в струе жидкости, при обтекании жесткого тела, причем появляются растягивающие напряжения, приводящие к разрыву жидкости. Впоследствии попадания в зону высоких давлений каверны (паровые пузырьки) "захлопываются", появляется гидравлический удар. Это сопровождается с местным увеличением давления. Схлопывание каверн вблизи плоскости обтекаемой детали возможно приведет к разрушению поверхности.

И акустическую кавитацию, проявляющуюся при прохождении сквозь жидкость акустических колебаний. Существует два различных вида ультразвуковой кавитации. Первый из них — инерционная кавитация, происхождение которой связана с образованием в жидкости парогазовых полостей из за растяжения жидкости во время отрицательного полупериода колебаний в акустической волне. После наступления полупериода сжатия эти полости резко захлопываются, при этом возникают местное повышение температуры и гидродинамические возмущения в виде микроударных волн, кумулятивных струек и микропотоков жидкости. Второй вид, это неинерционная кавитация, характеризующаяся колебаниями длительно существующих, размеренных газовых пузырьков. В случае если порог инерционной кавитации превышен, то в одно и тоже время имеют все шансы проявляться оба вида кавитации, тем более если учесть, что акустическое поле, как правило, неоднородно.

Применение

Большое количество физических явлений, которые лежат в основе промышленных процессов, довольно давно утратили свою эффективность и актуальность, по сравнению с некоторыми, ранее непризнанными процессами, потенциал которых позволяет достичь более высокой производительности в некоторых областях промышленности, а так же уменьшить негативное влияние на окружающую среду. Физическое явление кавитации позволяет вывести многие производственные установки (агрегаты) на новый уровень по производительности техпроцессов. Кавитационный эффект уже успешно использован во многих сферах жизни человека:

• В настоящее время разрабатывается большое количество сверхкавитационных подводных аппаратов, которые активно применяются в военных целях. Такие аппараты обладают высокой скоростью передвижения, благодаря уменьшению площади контакта с водой. Одним из наиболее известных примеров является – торпеда «Шквал», способна развивать скорость до 500 км/ч, в зависимости от плотности водной среды.
• Для обеспечения максимально экономичного отопления жилых, подсобных и промышленных помещений в последнее время начинают использовать кавитационные теплогенераторы, которые представляют собой простые устройства, при работе которых происходит преобразование энергии рабочей жидкости в тепловую. Принцип работы заключается в том, что насос повышает давление воды и подает его в рабочую камеру. В рабочем корпусе вода должна получить увеличенную скорость и давление, что осуществляется при помощи труб различного диаметра, сужающихся по ходу потока. В центре рабочей камеры происходит смешение нескольких напорных потоков, приводящее к явлению кавитации.
• Кавитация применяется для стабилизации игольчатых пуль подводных боеприпасов (например, боеприпасы автомата АПС или патроны 5.54x39 ПСП для автомата АДС).
• В индустрии кавитация нередко применяется для гомогенизации и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, к примеру, смеси красок или молоке. Многие промышленные смесители, работают на базе принципа кавитации. Конструктивно они могут выполняться в виде гидротурбины или кольцевидного отверстия с узким входом и широким выходом. Разница давлений и стремление жидкости в сторону большего объема и приводит к возникновению кавитации. Этот процесс может регулироваться гидравлическими устройствами, которые будут изменять диаметр входного кольца, в зависимости от среды. Внешняя сторона смесительных клапанов, по которой кавитационные пузыри перемещаются в противоположную сторону, чтобы вызвать имплозию (внутренний взрыв), подвергается огромному давлению и часто выполняется из сверхпрочных или жестких материалов, например, из нержавеющей стали, стеллита или даже поликристаллического алмаза (PCD).
• Кавитацию используют в нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности:
  1. Для подготовки нефти для транспортировки по трубопроводам, что приводит к уменьшению вязкости нефти и позволяет снизить необходимый нагрев, а также увеличить дисперсность распыления, деструкция парафинов приводит к уменьшению отложений на стенках труб;
  2. Создание водно-мазутных и водно-топливных эмульсий и смесей, которые используются для повышения эффективности горения или утилизации обводнённых видов топлива;
  3. Предкрекинговая обработка нефти с целью увеличения выхода легких фракций;
  4. На нефтеперерабатывающих заводах производство много компонентных топлив, смесевых бензинов, биотоплив, зимнего дизеля;
  5. Нефтебазы – использование для улучшения качества топлив (смесевые бензины, зимний дизель).
• Кавитационные процессы имеют высокую разрушительную силу, которую используют для дробления твёрдых веществ, которые находятся в жидкости. Одним из применений таких процессов является измельчение твёрдых включений в тяжёлые топлива, что используется для обработки котельного топлива с целью увеличения калорийности его горения.
• На основе данного процесса разработаны кавитационные водные очистители, которые способны уничтожить как загрязняющие вещества, так и органические молекулы, присутствующие в жидкости.
• Ультразвуковая кавитация применяется для очистки твердых тел (в частности, хирургических инструментов), механические эффекты ультразвуковой энергии могут быть полезны как для ускорения растворения, так и для отделения частиц от очищаемой поверхности. Ультразвук также эффективно используют в процессе ополаскивания. Остаточные химикалии моющих сред удаляются ультразвуковым ополаскиванием.
• Также с помощью свойств ультразвуковой кавитации проводится диспергирование твёрдых веществ в жидкостях. При высокоинтенсивной обработке жидкостей ультразвуком звуковые волны, которые распространяются в жидкой среде, приводят к чередованию циклов высокого (компрессия) и низкого (разрежение) давления, что вызывает появление струй, скорость которых достигаем 1000 км/час (около 600 м/час). Такие струи давят на жидкость при высоком давлении между частицами и отделяют их друг от друга. Меньшие частицы ускоряются вместе со струями жидкости и сталкиваются друг с другом с высокой скоростью. Это делает ультразвук эффективным средством для диспергирования.
• Кавитация нашла применение в биомедицине. Она используется для удаления камней в почках, желчном и мочевом пузырях, данный эффект достигается путем пропускания ударной волны литотрипсии через мягкие ткани. Это помогает проводить операции без хирургического вмешательства.
• Кавитацию также используют в стоматологи. Благодаря данному эффекту стало возможным ультразвуковое очищение зубов.
• В настоящее время исследованиями показано, что кавитация также может быть использована для перемещения макромолекул внутрь биологических клеток (сонопорация).
• Кавитация, занимает почетное место в косметологии, с её помощью проводят процедуры по снижению веса и коррекции фигуры без скальпеля. Под действием высокоинтенсивного ультразвукового излучения в жировых клетках вызывается эффект акустической кавитации, и в результате происходит «вскипание» внутриклеточной жидкости, что стимулирует процессы эмульгирования и разрушения жировых клеток.

Не смотря на столь широкое применение кавитационного эффекта в отраслях нашей жизни, гидродинамическая кавитация оказывает разрушающее воздействие на материалы поверхностей. Независимо от того, насколько крепкими бы ни были материалы, при длительном воздействии кавитации, разрушению будет подвержен материал практически любой твердости. С негативным воздействием сталкиваются в различных областях:

• Автосервисы практически постоянно сталкиваются с проблемой разрушения внешней поверхности поршневых гильз (точечная коррозия). Предпосылкой предоставленного парадокса считаются перепады давления, которые в двигателях внутреннего сгорания появляются из-за движения поршня. Механическое движение предается на водяную рубашку, чем вызывает ,в свою очередь, ее колебания. При возвращении стенки поршня цилиндра в исходное положение в конце фазы колебания в охлаждающей жидкости формируется вакуум, приводящий к образованию кавитационных пузырьков. При возвратном движении водяного столба эти пузырьки взрываются, выбивая при этом отдельные атомы из поверхности поршня цилиндра. В результате чего появляется точечная коррозия.
• Кавитация возникает при внешнем обтекании тел, в частности, на лопастях гребных винтов, рабочих колес гидравлических турбин и насосов. Желательное увеличение скоростей вращения рабочих колес насосов, гидравлических турбин и гребных винтов приводит к тому, что скорости становятся настолько большими, что в некоторой области давление падает до давления парообразования, и возникает кавитация. Проблемами, возникающими в связи с кавитацией, являются кавитационные разрушения материала твердых стенок устройств, при схлопывании пузырей вблизи границ течения. Гидродинамические устройства перестают выполнять свое назначение при появлении кавитации. Влияние кавитации небезопасно именно на лопастях, оно приводит к понижению производительности и более быстрому износу частей насосов, турбин, гребных винтов.
• В военном судостроении, одним из важнейших критериев эффективности военного судна является его скрытность и боеспособность. На ряду с разрушением гребных винтов подводных лодок, явление схлопывания пузырьков газа в близи стенок винтов, также вызывает образование шумового облака, которое значительно уменьшает скрытность подводной лодки.

Вывод

Таким образом, изучив процесс кавитации и рассмотрев перечень вариантов его полезного применения в различных областях жизнедеятельности человека, можно заключить, что потенциал данного физического явления раскрыт не полностью. Об этом свидетельствует малая степень информированности и не признанность в отдельных областях науки.    Негативные проявления кавитационного эффекта в судо- и автомобилестроении заставляют нас более углубленно изучить физику данного процесса, для того чтобы избавиться от отрицательного эффекта, или же наоборот, использовать его как новое технологическое решение. Рассмотрев вышеизложенные варианты применения кавитационного эффекта можно выделить его уникальность в практичности использования разрушительных свойств стихии во благо инженерной мысли.

Список литературы:

1. Биркгоф Г., Сарантонелло Э. Струи, следы и каверны. пер. с англ. М.: Мир, 1964. – 466 с.
2. И. Пирсол. Кавитация. Пер. с англ. Ю.Ф. Журавлева. Ред., предисл. и дополн. Л.А.Эпштейна. М., «Мир», 1975 – 25-60 с.
3. Перник А. Д. Проблемы кавитации. 2-ое изд. Л.: Судостроение, 1966. 435 с.
4. Рождественский В. В. Кавитация. Л.: Судостроение, 1977. - 248c.
5. dic.academic.ru Словари и энциклопедии на Академике: [Электронный ресурс] – Режим доступа – URL: https://text.ru/rd/aHR0cHM6Ly9kaWMuYWNhZGVtaWMucnUvZGljLm5zZi9ydXdpa2kvMTQyNTY0 (дата обращения 12.05.2018)