Kavitation

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 25 februari 2020; kontroller kräver 29 redigeringar .

Kavitation (från latin cavita s - tomhet) är den fysiska processen för bildandet av bubblor (hålrum) i flytande medier, följt av deras kollaps och frigörandet av en stor mängd energi, som åtföljs av buller och hydrauliska stötar. Kavitationsbubblor kan innehålla förtärnad ånga. Kavitation uppstår som ett resultat av en lokal minskning av trycket i vätskan, vilket kan uppstå antingen med en ökning av dess hastighet , till exempel bakom fartygets propeller (hydrodynamisk kavitation), eller när en akustisk våg av hög intensitet passerar under sällsyntheten halvcykel ( akustisk kavitation ). Det finns andra orsaker till utseendet av effekten som ett resultat av yttre fysisk påverkan. När den rör sig med flödet till ett område med högre tryck eller under en halv kompressionscykel kollapsar kavitationsbubblan samtidigt som den avger en stötvåg . I sin kärna har kavitation samma verkningsmekanism som en stötvåg i luft som uppstår när en solid kropp övervinner ljudbarriären .

Fenomenet kavitation är lokalt till sin natur och förekommer endast där det finns förhållanden. Studier har visat att den ledande rollen i bildandet av bubblor under kavitation spelas av gaser som frigörs inuti de bildade bubblorna. Dessa gaser finns alltid i vätskan, och med en lokal minskning av trycket börjar de intensivt släppa ut i dessa bubblor.

Eftersom bubblorna under påverkan av ett variabelt lokalt tryck av vätskan kan dra ihop sig och expandera kraftigt, varierar temperaturen på gasen inuti bubblorna kraftigt och kan nå flera hundra grader Celsius. Det finns beräknade data på att temperaturen inuti bubblorna kan nå 1500 °C [1] . Man bör också ta hänsyn till att gaserna som är lösta i vätskan innehåller mer syre i procent än luft, och därför är gaserna i bubblorna under kavitation kemiskt mer aggressiva än atmosfärisk luft - de orsakar så småningom oxidation (reaktion) av många vanligtvis inerta material.

Akustisk kavitation används inom estetisk medicin.

Skadliga konsekvenser

Den kemiska aggressiviteten hos gaser i bubblor, som också har en hög temperatur, orsakar korrosion av material som vätskan kommer i kontakt med, där kavitation utvecklas. Denna korrosion är en av faktorerna för de skadliga effekterna av kavitation. Den andra faktorn beror på stora överskott av tryck som uppstår från kollapsen av bubblor och som påverkar ytan av dessa material [2] .

Kavitationskorrosion av metaller orsakar förstörelse av propellrar på fartyg, arbetande delar av pumpar, hydrauliska turbiner, etc., kavitation orsakar också buller, vibrationer och en minskning av effektiviteten hos hydrauliska enheter.

Kollapsen av kavitationsbubblor leder till att energin i den omgivande vätskan koncentreras till mycket små volymer. Således bildas platser med hög temperatur och stötvågor uppstår, som är källor till buller och leder till korrosion av metallen. Bullret som genereras av kavitation är ett särskilt problem i ubåtar, eftersom det minskar deras smygförmåga. Experiment har visat att även ämnen som är kemiskt inerta mot syre ( guld , glas , etc.) utsätts för skadliga, destruktiva effekter av kavitation, men mycket långsammare. Detta bevisar att förutom faktorn för kemisk aggressivitet hos gaserna i bubblorna, är faktorn för tryckstegringar som uppstår när bubblorna kollapsar också viktig. Kavitation leder till högt slitage på de fungerande delarna och kan avsevärt minska propellerns och pumpens livslängd. Inom metrologi , vid användning av ultraljudsflödesmätare , modulerar kavitationsbubblor vågor inom ett brett spektrum, inklusive vid frekvenser som emitteras av flödesmätaren, vilket leder till förvrängning av dess avläsningar.

Förebyggande av konsekvenser

Det bästa sättet att förhindra de skadliga effekterna av kavitation på maskindelar är att ändra deras design på ett sådant sätt att det förhindrar bildandet av kaviteter eller förhindrar att dessa kaviteter förstörs nära delens yta. Om det är omöjligt att ändra designen kan skyddande beläggningar användas , till exempel termisk sprutning av koboltbaserade legeringar .

Hydrauliska drivsystem använder ofta laddningssystem . För att uttrycka det enkelt är de en extra pump, varifrån vätskan börjar strömma genom en speciell ventil in i hydraulsystemet när trycket i det senare faller under det tillåtna värdet. Om trycket i hydraulsystemet inte sjunker under den tillåtna nivån tappas vätskan från den extra pumpen ut i tanken. Sminksystem installeras till exempel i många grävmaskiner .

Användbar applikation

Även om kavitation är oönskad i många fall, finns det undantag. Till exempel är superkavitationstorpeder som används av militären insvepta i stora kavitationsbubblor. Genom att avsevärt minska kontakten med vatten kan dessa torpeder röra sig mycket snabbare än konventionella torpeder. Så superkavitationstorpeder (" Shkval " och " Barracuda "), beroende på vattenmiljöns täthet, når hastigheter på upp till 370 km / h. Kavitation används också för att stabilisera nålkulorna från undervattensammunition (till exempel ammunition för APS -geväret eller 5,45x39 PSP-patroner för ADS -geväret ).

Kavitation används vid ultraljudsrengöring av fasta ytor. Specialanordningar skapar kavitation med hjälp av ljudvågor i en vätska. Kavitationsbubblor, när de kollapsar, genererar chockvågor som förstör partiklar av föroreningar eller separerar dem från ytan. Detta minskar behovet av farliga och ohälsosamma rengöringsmedel i många industriella och kommersiella processer där rengöring krävs som ett tillverkningssteg.

Inom industrin används ofta kavitation för att homogenisera (mixa) och avsätta suspenderade partiklar i en kolloidal flytande sammansättning, såsom färgblandningar eller mjölk. Många industriella blandare är baserade på denna princip. Detta uppnås vanligtvis genom utformningen av hydrauliska turbiner eller genom att blandningen passerar genom en ringformig öppning som har ett smalt inlopp och ett mycket större utlopp: den påtvingade tryckminskningen leder till kavitation då vätskan tenderar mot en större volym. Denna metod kan styras av hydrauliska anordningar som styr storleken på inloppet, vilket gör att processen kan justeras i olika miljöer. Utsidan av blandningsventilerna, på vilka kavitationsbubblorna rör sig i motsatt riktning för att orsaka implosion (inre explosion), utsätts för ett enormt tryck och är ofta gjord av ultrastarka eller styva material som rostfritt stål, stellit eller t.o.m. polykristallin diamant (PCD).

Kavitation används för att behandla bränsle. Under bearbetningen renas bränslet ytterligare (under kemisk analys upptäcks omedelbart en betydande minskning av mängden faktiska hartser) [3] , och förhållandet mellan fraktioner omfördelas (i riktning mot lättare). Dessa förändringar, om bränslet omedelbart levereras till konsumenten, ökar dess kvalitet och kaloriinnehåll, som ett resultat uppnås en mer fullständig förbränning och en minskning av massandelen av föroreningar. Forskning pågår fortfarande om effekten av kavitation på bränsle. De genomförs av privata företag och institutioner, såsom det ryska statliga universitetet för olja och gas. I. M. Gubkin.

Kavitationsvattenreningsanordningar har också utvecklats, där kavitationsgränsförhållanden kan förstöra föroreningar och organiska molekyler. Spektralanalys av ljuset som emitteras som ett resultat av en sonokemisk reaktion visar de kemiska och plasma bakomliggande mekanismerna för energiöverföring. Ljuset som emitteras av kavitationsbubblor kallas sonoluminescens .

Kavitationsprocesser har en hög destruktiv kraft, som används för att krossa fasta ämnen som finns i en vätska. En av tillämpningarna för sådana processer är malning av fasta ämnen i tunga bränslen, som används för att behandla pannbränsle för att öka värmevärdet av dess förbränning.

Kavitationsanordningar minskar viskositeten hos kolvätebränslen, vilket gör det möjligt att minska den erforderliga uppvärmningen och öka spridningen av bränslesprayen.

Kavitationsanordningar används för att skapa vatten-olja och vatten-bränsleemulsioner och blandningar, som ofta används för att förbättra förbränningseffektiviteten eller för att göra sig av med vattnade bränslen.

Kavitation kan användas för att mala olika material (inklusive malmer ). För dessa processer produceras industriell utrustning [4] , där kavitation erhålls med hjälp av kraftultraljud.

Medicinska applikationer

Kavitation orsakad av riktade ultraljudsanordningar används inom medicin.

Kavitation spelar en viktig roll i urologin för att krossa stenar i njurar och urinrör genom chockvågen av litotripsi. En litotriptor är en anordning utformad för att förstöra stenar i könsorganen utan öppen kirurgi.

Forskning har nu visat att kavitation även kan användas för att flytta makromolekyler in i biologiska celler (sonoporation).

Kavitationen som skapas av passage av ultraljud i ett flytande medium används vid driften av kirurgiska instrument för blodlös excision av vävnader av täta organ (se CUSA ).

Kavitation används också inom tandvården under ultraljudsrengöring av tänder, förstör tandsten och pigmenterad plack ("rökare plack"), såväl som i kosmetologi för icke-injektion av fettsugning (cellulitbehandling och minskning av lokala fettavlagringar).

Vinkelpumpar och fartygspropellrar

Vid kontaktpunkterna för en vätska med fasta föremål som rör sig snabbt (arbetskropparna för pumpar, turbiner, fartygspropellrar, bärplansbåtar, etc.), inträffar en lokal tryckförändring. Om trycket vid någon tidpunkt faller under det mättade ångtrycket, kränks mediets integritet. Eller, rättare sagt, vätskan kokar. Sedan, när vätskan kommer in i ett område med högre tryck, "kollapsar ångbubblorna", vilket åtföljs av buller, såväl som uppkomsten av mikroskopiska områden med mycket högt tryck (när bubblornas väggar kolliderar). Detta leder till att ytan av fasta föremål förstörs. Det är som att de "korroderas". Om zonen med lågt tryck är tillräckligt stor uppstår en kavitationshålighet - en kavitet fylld med ånga. Som ett resultat störs den normala driften av bladen och till och med ett fullständigt fel på pumpen är möjligt. Det är kuriöst, men det finns exempel när kavitationshålan är speciellt fastlagd vid beräkning av pumpen. I de fall det är omöjligt att undvika kavitation undviker en sådan lösning den destruktiva effekten av kavitation på pumpens arbetande delar. Regimen där en stabil kavitationskavitet observeras kallas "superkavitationsregimen".

Vane pumpar. Kavitation på sugsidan

Som regel observeras kavitationszonen nära sugzonen, där vätskan möter pumpbladen. Ju högre sannolikhet för kavitation

ju lägre tryck vid inloppet till pumpen;
ju högre rörelsehastighet för arbetskropparna i förhållande till vätskan;
ju mer ojämnt vätskeflödet runt en fast kropp (hög attackvinkel för bladet, förekomsten av veck, ytojämnheter etc.)

Centrifugalpumpar. Kavitation i pumphjulstätningen

I klassiska centrifugalpumpar passerar en del av vätskan från högtrycksområdet genom gapet mellan pumphjulet och pumphuset till lågtrycksområdet. När pumpen arbetar med en betydande avvikelse från konstruktionsläget i riktning mot ökande utloppstryck, ökar flödeshastigheten för läckage genom tätningen mellan pumphjulet och huset (på grund av ett ökat tryckfall mellan sug- och utloppskaviteterna ). På grund av vätskans höga hastighet i tätningen kan kavitationsfenomen uppstå, vilket kan leda till att pumphjulet och pumphuset förstörs. Som regel, i hushålls- och industrifall, är kavitationsläget i pumphjulet möjligt med ett kraftigt tryckfall i värme- eller vattenförsörjningssystemet: till exempel när en rörledning, värmare eller radiator går sönder. Med ett kraftigt tryckfall i området för pumphjulet bildas ett vakuum, vattnet börjar koka vid lågt tryck. I det här fallet sjunker trycket kraftigt. Kavitationsläget leder till erosion av pumphjulet och pumpen går sönder.

Kavitation i motorer

Vissa stora dieselmotorer lider av kavitation på grund av hög kompression och små cylinderväggar. Som ett resultat bildas hål i cylinderns väggar, vilket leder till att kylvätskan börjar komma in i motorcylindrarna. Det är möjligt att förhindra oönskade fenomen med hjälp av kemiska tillsatser till kylvätskan, som bildar ett skyddande lager på de yttre (yttre) väggarna av cylinderhylstypen. Detta lager kommer att utsättas för samma kavitation, men det kan reparera sig själv.

Kavitationsnummer

Kavitationsflödet kännetecknas av en dimensionslös parameter (kavitationsnummer):

\mathrm{X} ={\frac {2(P-P_{s})}{\rho V^{2}}}

, var

$P$ — hydrostatiskt tryck för det inkommande flödet, Pa; är trycket av mättade ångor av vätskan vid en viss omgivningstemperatur, Pa; — medeldensitet, kg/m³; är flödeshastigheten vid systeminloppet, m/s.
$P_{s}$
$\rho$
$V$

Det är känt att kavitation uppstår när flödet når gränshastigheten när trycket i flödet blir lika med förångningstrycket (mättade ångor). Denna hastighet motsvarar gränsvärdet för kavitationskriteriet. $V=V_{c}$

Beroende på storleken kan fyra typer av flöden särskiljas: $\mathrm{X}$

pre-kavitationellt - kontinuerligt (enfas) flöde vid , $\mathrm{X} >1$
kavitation - (tvåfas) flöde vid , $\mathrm{X} \approx 1$
film - med en stabil separation av kavitationskaviteten från resten av det kontinuerliga flödet (filmkavitation) vid , $\mathrm{X} <1$
supercavitational - kl . $\mathrm{X} \ll 1$

Dimension

Kavitationsnivån mäts (vanligtvis i relativa enheter) med hjälp av instrument som kallas kavitometrar [5] .

Se även

Anteckningar

↑ (se till exempel Bashta T. M. "Machine-building hydraulics", M .: "Engineering", 1971, s. 44-46.)
↑ Kavitation // Kazakstan. Nationalencyklopedin . - Almaty: Kazakiska uppslagsverk , 2005. - T. III. — ISBN 9965-9746-4-0 . (ryska) (CC BY SA 3.0)
↑ testrapport på http://cavitron.ru/documents Arkiverad 23 oktober 2013 på Wayback Machine
↑ CJSC "Atlant" - ultraljudsinstallation "Hammer" . Datum för åtkomst: 29 december 2010. Arkiverad från originalet den 5 mars 2014. (obestämd)
↑ Kavitometer . Hämtad 1 juli 2022. Arkiverad från originalet 5 juni 2022. (obestämd)

Litteratur

Birkhoff G., Sarantonello E. Strålar , spår och grottor. per. från engelska. M.: Mir, 1964. 466s.
Kornfeld M. Elasticitet och styrka hos vätskor. M. : GITTL, 1951. 200-tal.
Knapp R., Daly J., Hammit F. Cavitation. Moskva : Mir, 1974. 678 sid.
Akulichev VA Kavitation i kryogena och kokande vätskor. M. : Nauka, 1978. 280c.
Levkovsky Yu. L. Struktur för kavitationsflöden. L.: Skeppsbyggnad, 1977. 222s.
Ivanov AN Hydrodynamik av utvecklade kavitationsflöden. L.: Skeppsbyggnad, 1980. 237s.
Pirsol I. Kavitation / Per. från engelska. Yu. F. Zhuravlev; Red., med förord. och ytterligare L. A. Epstein .. - M . : Mir , 1975. - 96 sid. — ( I vetenskapens och teknikens värld ). (reg.)
Pernik AD Problem med kavitation. 2:a uppl. Leningrad: Shipbuilding, 1966. 435 sid.
Rozhdestvensky VV Kavitation. L.: Skeppsbyggnad, 1977. 248c.
Fedotkin I. M., Gulyi I. S. Kavitation, kavitationsutrustning och teknik, deras användning inom industrin (teori, beräkningar och design av kavitationsapparater). Del 1. - K .: Polygraphkniga, 1997. - 940 sid.
A. Gavrilov. Cabines Russie magazine, mars 2011. [1]

Ordböcker och uppslagsverk

I bibliografiska kataloger
BNE : XX4661462 BNF : 119793369 GND : 4163525-5 J9U : 987007284987105171 LCCN : sh85021547 NDL : 00566940 NKC : ph516962 SUDOC : 027837939

↑ A. Gavrilov. kavitation . Mediolan . CabinesRussie magazine (mars 2011). Hämtad 24 november 2019. Arkiverad från originalet 9 juli 2012. (obestämd)