Таинственный киногерой
В конце XIX века английский военно-морской флот должны были пополнить два совершенных для того времени корабля. "Дерингу" и "Турбинии" оставалось пройти последнее испытание - на быстроходность, которая, кстати, выдвигалась конструкторами как главное их преимущество. Увы, расчетной скорости достичь не удалось. Детальное исследование возможных причин неудачи показало: гребные винты на быстром ходу очень интенсивно изнашиваются, покрываясь выбоинами, кавернами, а виной всему - многочисленные паровоздушные пузырьки, возникающие на лопастях.
При таких обстоятельствах техника впервые познакомилась с кавитацией. Именно техника. Потому что науке это явление было известно уже двадцать лет. Его теоретически предсказал английский физик О. Рейнольдс. И будь конструкторы внимательнее к фундаментальным исследованиям своего соотечественника, возможно, не случилось бы конфуза.
Да, теоретик мог бы предостеречь инженеров от чрезмерных надежд. Но не более того. Если бы его спросили: как построить действительно сверхбыстроходный корабль, обойдя каким-либо образом кавитацию, у учёного вряд ли нашёлся бы ответ.
И по сей день, спустя больше века как открыта кавитация, наука, исследующая это явление, в долгу перед техникой. Даже сделать точный расчёт того порога, за которым наступает разрушительная для машины или конструкции кавитация, не всегда возможно. По прежнему крошит, изъявляет она металл гребных винтов, лопасти насосов и турбин, бетонные тела плотин, каналов, шлюзов.
Еще труднее - а заманчивые мысли об этом родились не вчера - превратить разрушительные силы кавитации и сделать их союзниками.
Почему пасует перед самыми главными секретами кавитации могучая современная наука?
Вначале давайте вспомним то, что она знает об этом явлении достаточно определённо. Кавитационные пузырьки возникают в жидкости, если в ней создать пониженное давление. Это бывает, например, при обтекании с большой скоростью какого-либо твердого тела или, что по сути, равнозначно, когда само тело быстро движется в жидкости. Звуковые и ультразвуковые волны, проходя через жидкость, так же создают области пониженного давления, вызывают кавитацию. Живут кавитационные пузырьки очень недолго. С огромной быстротой, за ничтожные доли секунды они схлопываются. Это схлопывание, подобно взрыву, порождает ударную волну. Пусть это всего лишь микровзрывы. В краткие мгновения их происходит сотни, тысячи. Они накладываются друг на друга, умножая свои силы. В разных точках жидкости температура мгновенно подскакивает до тысяч градусов, давление - до многих десятков атмосфер. У пузырьков могут возникать тончайшие лучи-жала, действующие на твердую поверхность подобно разящему броню кумулятивному снаряду! Вот откуда невероятные силы у невесомых пузырьков.
Чаще всего, к сожалению, эти силы разрушительные. Только в немногих случаях они начинают сегодня работать с пользой - например, очищают поверхность деталей, помогают выявить природный рисунок у отделочных камней, перемешивают "несовместимые" жидкости вроде бензина и воды. Чтобы лучше бороться с вредной, разрушительной кавитацией и полнее использовать её на благо, есть только один путь - глубже проникнуть в её тайны.
В чём отличие кавитационного пузырька от обычного? Что происходит внутри? По каким законам идет в нем превращение энергии? Знай сегодня ученые ответы на эти вопросы, глядишь, завтра реальными бы стали и сверхбыстроходные корабли. Но пока есть только многочисленные, спорящие между собой гипотезы. И, значит, инженер не в силах с нужной точностью рассчитать новую конструкцию или машину, в которой хотел бы запрячь силы кавитации.
Сколь недостаточны пока знания об этом явлении, говорит такой пример. Почти полвека назад открыли сонолюминисценцию - свечение жидкостей под действием ультразвука, а также звукохимические реакции, идущие только при облучении реагентов звуком. Оба этих явления очень энергоёмки, и вызвать их способна только кавитация. Эффекты и стали своеобразным тестом на кавитацию. Однако механизм, природа их до сих пор остается загадкой.
Почему же кавитация столь неприступна? Какие преграды стоят на пути к ее тайнам? Чтобы яснее представить происходящие С кавитационным пузырьком превращения, надо первым делом внимательно проследить за тем, как он рождается, движется, исчезает, словом, за всеми этапами его жизни.
Кавитационный пузырёк стал одним из главных героев научного кино. В десятках лабораторий мира он отснят на бесчисленных метрах киноплёнки. Но увы, за мгновениями его жизни не успевает даже сверхскоростная киносъёмка. Наш киногерой живёт всего лишь стотысячные или даже миллионные доли секунды! Надо ещё учесть: размеры пузырьков состовляют сотые, тысячные доли миллиметра. Наконец, кавитация - это не один и даже не тысяча рождающихся в одно мгновение пузырьков. В одне кубическом сантиметре так называемого кавитационного поля их пульсирует сразу около миллиарда! Не случайно одним из первых героев голографического кино, едва появилось оно в лабораторном, экспериментальном варианте, опять-таки стал кавитационный пузырек... А загадок не убавлялось.
Ежи в пробирке
В науке часто бывает так: для решения какой-либо сложной проблемы, над которой многие годы бьются лучшие умы, вооруженные самой совершенной техникой, не хватает какой-то очень простой идеи, какого-нибудь элементарного, почти школьного опыта. В проблеме кавитации этот, возможно, решающий шаг посчастливилось сделать ученым сектора химической физики из Всесоюзного научно-исследовательского института органического синтеза.
В то время как одни исследователи уповали на все более совершенную аппаратуру, новейшие методы решения необычайно сложных систем дифференциальных уравнений движения пузырьков, специалисты ВНИИОСа искали нелобовое, обходное решение. В чем состоял задуманный ими маневр? Рассуждали примерно так. Толком разглядеть кавитационные пузырьки мешает их мизерность и крайне малое время жизни. Зависит это от частоты колебаний, которыми возбуждают кавитацию. Сумей исследователи получить кавитацию, скажем, при частотах 10-100 Гц - пузырьки согласно расчетам могли бы жить уже десятые доли секунды и иметь размеры до сантиметра. Вот тогда мы бы увидели своего киногероя действительно крупным планом.
Неужели эта нехитрая идея никому прежде не приходила в голову? Разумеется, приходила. Попыток было много. Статья с результатами последней из них, которую предприняли американские исследователи, лежала на столе заведующего сектором М. А. Маргулиса. И в ней ничего утешительного. В который раз получено подтверждение привычной точки зрения: кавитация - явление пороговое, то есть возникает начиная с определенной частоты, и частота эта исчисляется, увы, килогерцами... И все-таки что-то заставило воспроизвести заведомо неудачный опыт. К этому подталкивали и хорошая злость на неподдающуюся проблему, и исследовательский азарт, упорство, интуиция.
Проделать эксперимент американцев не составляло особого труда. Схема его была проста: колеблющийся стержень опускают в сосуд с жидкостью, а спектрометр, если возникнет кавитация, должен зарегистрировать свечение. Все сделали как надо - ничего похожего на кавитацию. Попробовали увеличить амплитуду колебаний стержня,- мол, возбуждение станет интенсивнее. Сверхчувствительный спектрометр "молчит". Бурление, турбулентность в жидкости усиливается, но растяжения нет как нет. Жидкость как бы слишком эластична, она хотя и завихряется, но все же успевает обтекать небыстро колеблющийся стержень. А ведь надо, чтобы она воспринимала колебания стержня словно удары. Как этого достичь?
Достаточно было исключить обтекание колеблющегося стержня, и низкочастотная кавитация открыта
Новый эксперимент поставили с аппаратурой, какая, наверное, найдется даже в школьном кабинете физики: пробирка, штатив, выточенный из оргстекла стержень, 25-ваттный динамик, старенький ламповый усилитель... Единственная его тонкость - колеблющийся стержень в виде поршня изготовили так, что зазор со стенками пробирки составлял всего десятую долю миллиметра. При этом жидкость уже не могла столь легко, как прежде, обтекать стержень.
Звуковой генератор включен на частоте 90 Гц. О том, что происходило дальше, М. А. Маргулис рассказывает:
С минуту ничего особенного мы не замечали. Затем на небольшом участке у стенки пробирки, заполненной жидкостью, под колеблющимся поршнем возникли мелкие сферические пузырьки. Число их быстро нарастало. Они образовывали крупный сгусток, внешне напоминающий ежа. Этот еж заметно пульсировал. Стали постепенно прибавлять частоту. При 200 Гц и выше можно было создать уже двух и даже больше необыкновенных ежей. Они рождались в разных частях пробирки. Время от времени они устремлялись друг к другу, сливались и тут же с треском разлетались. Сразу же бросалось в глаза, что ежи не похожи на конгломераты - скопления отдельных пульсирующих пузырьков, а представляют собой крупные, причудливой формы пузырьки...
Но не все успевал схватывать невооруженный взгляд. Ученые воспользовались привычным своим инструментом - скоростной киносъемкой. Прокрутили отснятый ролик, но... никаких ежей не обнаружили. Протуберанцы, довольно толстые отростки, затейливо изогнутые щупальца, которые словно бы выстреливались из тела крупного пузырька, никак не походили на иголки симпатичного обитателя леса. И ученые дали этому необычному созданию более прозаическое имя - большой деформированный пузырек (сокращенно БДП). На экране удалось разглядеть, как от БДП отрывались, а затем устремлялись обратно мелкие прозрачные пузырьки сферической формы.
Что это было? Кавитация, порождающая тысячеградусные температуры, колоссальные давления? Или, быть может, какое-то новое, впервые наблюдаемое явление? Для проверки, как мы уже знаем, есть особые тесты, своеобразные лакмусовые бумажки, выявляющие кавитацию - звукохимические реакции и свечение жидкостей.
Разрушая преграды
В первом же проверочном эксперименте низкочастотный звук легко запустил цепную реакцию превращения малеиновой кислоты в фумаровую. Сомнения еще оставались - реакция эта хотя и слывет у химиков сложной и капризной, но для инициирования требует сравнительно небольшой энергии. Но когда в лабораторной пробирке двухвалентное железо превратилось в трехвалентное, когда молекулы воды стали расщепляться в ней, словно орехи под ударом молотка, двух мнений быть уже не могло - возбуждена самая настоящая кавитация. Сами исследователи поначалу с трудом верили своиv же результатам. Однако многократные проверки подтверждали: звукохимические реакции можно вести уже при частоте звука в 7 Гц, а некоторые растворы начинали светиться при 30 Гц.
Мы ведем рассказ об открытии, которое можно назвать горячим. Исследования низкочастотной кавитации еще только начались.
Однако уже с первых дней они приносят интереснейшие результаты. Например, едва ученые увидели БДП своими глазами и убедились, что они кавитируют, как рухнула одна из самых авторитетных теорий кавитации. Считалось, что на поверхности рождающегося кавитационного пузырька возникают разноименные заряды. В определенный момент наступает электронный пробой. Отсюда - большое энерговыделение, свечение, инициирование труднейших химических реакций. Единственное условие для такого хода вещей - кавитационный пузырек должен быть... безукоризненно правильной линзообразной формы. На экране же, как мы знаем, исследователи увидели скорее какое-то фантастической формы растение.
"Досталось" не только электрической, но и другой - тепловой теории кавитации. Она гласила: в процессе быстрого сжатия и схлопывания кавитационного пузырька парогазовая смесь нагревается до тысячеградусных температур. При этом она, естественно, начинает светиться подобно нити накаливания обычной электролампочки, а плазменная температура расщепляет молекулы, инициирует самые невероятные химические реакции. Однако теперь в результате тщательнейших исследований установлено: сонолюминесценция - это такое же холодное свечение, как у мерцающих в ночи светляков.
Почти каждый новый эксперимент показывал привычную уже кавитацию с неожиданной стороны, открывал необыкновенные ее способности. Скажем, разрушительная сила высокочастотной кавитации была хорошо известна. Гладкую поверхность металлов она в считанные минуты могла превратить в шероховатую, выкрашивая довольно крупные частицы. Низкочастотная кавитация оказалась, напротив, орудием тонким, деликатным. Ей не составляло труда сгладить, отполировать самую шершавую поверхность, выкалывая лишь микроскопические частички металла.
Низкочастотная кавитация легко и быстро готовила эмульсии из несмешивающихся в обычных условиях жидкостей, дробила погруженные в жидкость гранулы твердого вещества, запускала самые энергоемкие химические реакции... Конечно, все это умеет и ультразвуковая, высокочастотная кавитация. Но чтобы создать ее, как известно, необходима особая аппаратура, генераторы. Теперь же подключай источник колебаний в сеть, какая питает домашний радиоприемник, и все полезные способности кавитации - к твоим услугам. Допустим, надо с предельной тщательностью и быстротой перемешивать вещества в химическом реакторе емкостью в несколько железнодорожных цистерн. Задача эта - самая рядовая, обычная для химической, фармацевтической, микробиологической промышленности. Традиционное решение: в качестве мешалки берут нечто вроде пропеллера или винтового шнека, изготовленные из самых дорогих, химически стойких сплавов. А можно вмонтировать в реактор несложный источник колебаний, включить его в розетку обычной сети - эффект, как свидетельствуют расчеты, будет еще лучший.
Вряд ли кто сможет сегодня предсказать разнообразные практические приложения "второго" открытия кавитации. Пока оно лишь расчищает дорогу для более глубокого понимания этого интереснейшего явления, опрокидывает барьеры, многие десятилетия стоявшие на пути исследователей. Понимание подлинного механизма кавитации, как и откуда возникают ее необычайные силы, еще впереди. А за ним, как всегда бывает в науке,- новые возможности для инженера, конструктора, технолога, которые сегодня невозможно и предвидеть.
Л. ГАЛАМАГА, инженер-физик
Рисунки А. МАТРОСОВА
Периодически появляются описания непонятных объектов движущихся под водой со скоростью более 300 км/час. В результате появляются рассуждения о чудесах, сверхестественном. Но ничего сверхестественного в этом нет.
Кавитация.
О кавитации в Wikipedia пишут:
При движении струи жидкости с ростом ее скорости падает местное давление ниже порогового и образуются паро-газовые полости. При попадании такого кавитационного пузыря в область где давление выше порогового он схлопывается и образует ударную волну.
Число кавитации
Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):
P - гидростатическое давление набегающего потока, Па;
P s - давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па;
ρ - плотность среды, кг/м³;
V - скорость потока на входе в систему, м/с.
Как уже говорилось выше, кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости V = V c , когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.
В зависимости от величины Χ можно различать четыре вида потоков:
- докавитационный - сплошной (однофазный) поток при Χ >1,
- кавитационный - (двухфазный) поток при Χ ~1,
- пленочный - с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при Χ < 1,
- суперкавитационный - при Χ <<1.
Результат работы кавитации
Кавитация работает в промышленности в системах ультразвуковой очистки деталей от загрязнений.
Общеизвестно, что проявление кавитации имеет отрицательный эффект. Она разрушает поверхность узлов находящихся в контакте с кавитирующим потоком.Известно применение кавитации в военной технике.
Ранее разработки в области сверхкавитации применялись при создании оружия:
ЭтоРоссийская подводная ракета "Шквал" способна развивать скорость до 200 узлов (около 100 метров в секунду) и крайне эффективна в борьбе с надводными и подводными кораблями.
Германской антиторпедной ракеты Barracuda с подводной скоростью движения 200 узлов и выше, а также,
Новой иранской торпеды.
В США была создана авиационная система быстрого разминирования Rapid Airborne Mine Clearance System, в которой вертолет отстреливал сверхкавитационные снаряды.
Известны также специализированное личное оружие для подводной стрельбы – автомат Симонова АПС и подводный пистолет Heckler & Koch P11, которые стреляют стальными стрелами и используют эффект сверхкавитации.
Кавитационная "Ракето-торпеда"
Факторы сдерживающие применение кавитации и суперкавитации
Еще в декабре 2006 появилось сообщение:
| Управление перспективных оборонных проектов Пентагона DARPA выбрало подрядчиков
для проектирования так называемого "Подводного Экспресса" - сверхбыстрой
перспективной подводной лодки, способной перемещаться под водой со скоростью до
100 узлов - свыше 150 км/ч. По сообщениям издания C4I Journal, компания Electric
Boat (дочерняя фирма General Dynamics) и Northrop Grumman Electronic Systems
получили контракты на общую сумму более $11 млн. (с опционным продолжением до
$71 млн.). По заданию управления DARPA, разработчики должны обеспечить технический прорыв в области сверхкавитации – эффекта, связанного с обтеканием быстродвижущихся под водой тел пузырьками газа. По данным DARPA, сверхкавитация позволяет снизить сопротивление движению подводного объекта на 70%. |
Но, прошло более 5лет, пока об результатах этой работы неизвестно. Хотя при малейшем успехе у американских компаний звон стоит изрядный.
Попробуем разобраться
Движение под водой в суперкавитационной паро-газовой оболочке снижает гидродинамическое сопротивление движению, за счет создания оптимального обтекания и снижения трения на границе раздела жидкость - паро-газовая оболочка.
Физика явления кавитации и суперкавитации говорит: - "нет проблем в достижении и применении этих эффектов, надо просто разогнать подводную лодку до скорости более 75 - 100 км/час".
Так ли это просто?
Практика показывает, что для достижения подводной лодкой скорости 30 узлов, в зависимости от ее размеров (лобового сопротивления), массы и других параметров, требуется мощность привода ходовых винтов более 35000 л.с. (35000 - 200000 л.с.). Для достижения скорости выхода на суперкавитационный режим нужна многократно большая мощность (более 10 раз).
Правда с помощью создания искусственной парогазовой оболочки можно снизить требуемое увеличение мощности энергоустановки для выхода на кавитационный до 3-5 раз.
Сопротивление движению в режиме суперкавитации снижается на 70% по сравнению с сопротивлением движению на той же скорости без паро-газовой суперкавитационной оболочки.
Но все равно, для современных АПЛ и аппаратов подобного водоизмещения (подводных танкеров), это мощности 100 - 1000 тыс. л.с.
Проблемы
Есть несколько проблем маячащих на горизонте при создании суперкавитационных скоростных подводных аппаратов.
Первая проблема
Это мощность двигательной установки.
Для достижения скоростей необходимых для выхода на скорости необходимые для перехода в кавитационный режим необходимы мощности многократно превосходящие мощности современных подводных аппаратов.
Поскольку технический прогресс идет в направлении увеличения мощности двигательных установок транспортных средств, можно предположить, что решение этой проблемы нас ожидает в близком будущем.
Вторая и наиболее важная проблема
Это движитель подводного аппарата движущегося в суперкавитационном режиме.
Та самая сверх кавитационная паро-газовая оболочка, которая помогает выходу подводного аппарата на сверхскоростной режим движения лишает его возможности отталкиваться от среды и двигаться. Поскольку винт оптимизированный для движения в воде попадая в воздушную (паро-газовую) среду почти полностью теряет свою тягу (работает в газовой среде), применение винта, как движителя, не допустимо.
Да и сам винт (его поверхности расположенные на максимальном расстоянии от оси его вращения) имеет линейную скорость приближающуюся к скоростям при которых возникает кавитация и не может служить движителем подводных аппаратов.
Из имеющихся сейчас движителей, только ракетный может работать при движении подводного аппарата в суперкавитационном режиме. Он и используется в существующих моделях таких подводных аппаратов - например ракетной торпеде Шквал.
Получается, что для движения в водной среде в суперкавитационном режиме нужен движитель с тягой создаваемой без взаимодействия с окружающей средой. пока таких двигателей нет.
Третья проблема
Управление подводным аппаратом движущимся в суперкавитационной каверне.
Та самая паро-газовая каверна, которая позволяет двигаться с огромными скоростями под водой лишает подводный аппарат связи со средой и воздействия на нее для создания управляющих движением моментов.
Получается для управления движением в нашем случае нужен управляемый вектор тяги. Управляемый вектор тяги известен и применяется в современной авиации и ракетной технике.
И самое последнее
Наличие в этом режиме движения среды многократно меняющейся плотности (твердая поверхность аппарата -> паро-газовая каверна -> плотная водная среда) не позволяет, при существующем уровне развития техники, поддерживать связь, контролировать курс и окружающее пространство, управлять аппаратом.
Так можно ли создать подводные аппараты со скоростью самолета?
Смею утверждать - можно!
Но, самое главное, для этого надо этого энергетическая установка с мощностью по крайней мере на порядок - несколько большей существующих. И возможно еще на порядок большими мощностями двигательной установки для обеспечения требуемой управляемости - ведь законы физики отменить нельзя.
Не менее важно, чтобы они имели движитель нового уровня, работающий без механического контакта с внешней средой, а для обеспечения управления подводным аппаратом движущимся в режиме сверхкавитации он должен иметь управляемый вектор тяги. И вполне возможно это совсем не движитель построенный на принципе реактивной тяги.
Вам это ничего не напоминает?
Одно можно сказать торпеда это реальность, а подводный обитаемый (да и автомат тоже) аппарат продолжительность плавания которого измеряется часами и сутками - это дело не года - пяти, а существенно более дальних времен.
И что самое главное, такие подводные аппараты смертельно опасны для всего живого на их пути!
Мощное звуковое поле в жидкости порождает маленькие парогазовые пузырьки, которые под действием этого поля могут расти захлопываться и вызывать такие эффекты, как химические реакции, эрозия, звуколюминесценция и излучение звука (шума) в широкой полосе частот. Эти эффекты характеризуют физическое явление, называемое акустической кавитацией. Гидродинамическая кавитация, или образование и захлопывание парогазовых пузырьков (полостей), или образование разрывов в жидкости в местах локального понижения давления при обтекании тел, течений в трубах, в кильватерной струе и т. д., отличается только способом возбуждения и имеет много общего с явлением акустической кавитации.
Важность исследования кавитации была понята в начале нашего века, когда судостроители столкнулись с быстрым разрушением корабельных винтов из-за кавитационной эрозии. Первое математическое описание поведения кавитационной полости в жидкости было дано Рэлеем в 1917 г. . Предложенная им модель сферической пустой полости, захлопывающейся в несжимаемой жидкости, помогла частично понять эрозионное действие кавитационных пузырьков. Дальнейшие исследования акустической кавитации были вызваны широким использованием звука и ультразвука в технологических процессах, где кавитация является одним из сильно действующих факторов, а также необходимостью повышения мощности акустических преобразователей в гидроакустике, где кавитация ставит предел максимальной интенсивности звука, излучаемого акустическими антеннами.
В общих чертах акустическую кавитацию можно представить себе следующим образом. В фазе разрежения звуковой волны на имеющихся в жидкости микропузырьках образуется разрыв в виде полости, которая заполняется насыщенным паром и диффундирующим в нее растворенным газом. В фазе сжатия пар конденсируется, а имеющийся в полости газ подвергается сильному адиабатическому сжатию. В момент захлопывания давление и температура газа достигают больших значений, что порождает в близкой окрестности пузырька импульс высокого давления. Акустическая кавитация представляет собой эффективный механизм концентрации энергии. При кавитации относительно низкая средняя плотность энергии
звукового поля трансформируется в высокую плотность энергии в малом объеме внутри и вблизи захлопывающегося пузырька. Полная энергия захлопывающегося пузырька невелика, однако сферическая сходимость пузырька приводит к образованию очень больших локальных плотностей энергии, а следовательно, высоких температур и давлений.
Теория образования, роста и захлопывания газовых пузырьков (газовая кавитация) первоначально развивалась для несжимаемой идеальной жидкости для случая одиночного сферического пузырька. Далее были уточнены уравнения динамики пузырька с учетом сжимаемости, вязкости и теплопроводности, конечности амплитуды колебаний стенки пузырька. Наконец, в этой теории был произведен учет несферичности колебаний пузырька, в особенности вблизи его резонансных частот и при достаточно больших амплитудах звука. Было показано, что несферичность колебаний и возникновение струек жидкости у захлопывающихся пузырьков, если они находятся вблизи твердой поверхности, является одной из причин кавитационной эрозии твердых тел. Теоретические исследования далее стали развиваться применительно к динамике паровых пузырьков (паровая кавитация), которая имеет много общего с динамикой газового пузырька, однако имеются и существенные различия.
Большая часть теоретических работ посвящена теории движения одиночного пузырька, тогда как в экспериментальных исследованиях и приложениях приходится иметь дело главным образом с кавитационной областью, т. е. совокупностью большого числа взаимодействующих пузырьков, различающихся своими размерами.
Распространение звука в гетерофазных средах, таких, например, как жидкость с пузырьками газа или пара, кавитационная область, кильватерная струя, верхние слои океана, содержащие большое количество газовых пузырьков различного радиуса, криогенная жидкость, содержащая паровые пузырьки, и т. д., отличается особенностями: газовые, паровые или парогазовые пузырьки приводят к рассеянию звука, вызывают увеличение поглощения звука и дисперсию.
Акустическая кавитация и распространение звука в пузырьковой (и вообще гетерофазной) среде представляет собой большую и сложную область исследований, имеющую существенное прикладное значение. В этой главе будут затронуты только основные аспекты акустической кавитации: динамика газовых и паровых пузырьков, кавитационная область, кавитационая прочность жидкостей, явления, сопровождающие кавитацию, а также ряд вопросов распространения акустических волн в жидкости с пузырьками.
Содержание статьи
КАВИТАЦИЯ, образование газовых пузырьков в жидкости. Термин был введен ок. 1894 британским инженером Р.Фрудом. Если давление в какой-либо точке жидкости становится равным давлению насыщенного пара этой жидкости, то жидкость в этом месте испаряется и образуется паровой пузырек. Примером может служить кипение воды. При нагревании воды давление ее насыщенного пара повышается. Когда достигается температура кипения, давление пара становится равным давлению окружающей среды, и в воде появляются паровые пузырьки.
Паровые пузырьки в жидкости легче образуются при пониженном давлении. Когда же давление окружающей среды становится больше давления насыщенного пара жидкости, кавитационный пузырек с силой схлопывается. Такое схлопывание пузырьков создает шум, вызывает вибрацию и повреждения конструкций, неблагоприятно отражается на работе соответствующих машин и механизмов. Местное понижение давления в жидкости происходит при быстром относительном движении тела и жидкости.
Закон Бернулли.
Согласно закону Бернулли, в жидкости без трения энергия постоянна вдоль линии тока. Это можно выразить равенством
где p – давление, r – плотность, а v – скорость. Индексы 0, 1 и 2 относятся к любым трем точкам на данной линии тока.
Из указанного равенства следует, что при увеличении скорости понижается местное давление (пропорционально квадрату скорости). Всякая частица жидкости, движущаяся по искривленной линии тока, например, огибающей профиль (рис. 1), ускоряется и претерпевает понижение местного давления. Если давление снижается до давления насыщенного пара, то возникает кавитация. Таков механизм явления кавитации на подводных крыльях, гребных винтах, лопатках турбин и лопастях насосов.
В случае жидкости, текущей по трубе, согласно закону сохранения массы (уравнению неразрывности), скорость жидкости увеличивается в местах сужения трубы, где также возможна кавитация.
Кавитационный коэффициент.
Явление кавитации совершенно одинаково и для потока, обтекающего неподвижное тело, и для среды, в которой движется тело. В обоих случаях важны лишь относительная скорость и абсолютное давление. Соотношение между давлением и скоростью, при которых происходит кавитация, дается безразмерным критерием s , который называется кавитационным коэффициентом (числом кавитации) и определяется выражением
где p v – давление насыщенного пара жидкости при данной температуре.
Типы кавитации.
На рис. 2 представлена кавитация на неподвижном подводном крыле, снятая в высокоскоростной гидродинамической трубе. При определенной скорости течения воды местное давление у поверхности крыла понижается до давления водяного пара. На поверхности крыла появляются кавитационные каверны. Пузыри растут, смещаясь в направлении течения. (Поскольку пузыри образуются возле поверхности крыла, они имеют полусферическую форму.) Такой тип кавитации называется нестационарной (сбегающей) пузырьковой кавитацией. Если на поверхности имеется какой-нибудь выступ, то пузыри концентрируются на нем. Такая стационарная кавитация тоже показана на рис. 2.
Кавитация может происходить в зоне вихрей, образующихся в местах повышенного сдвига и пониженного давления. Вихревая кавитация часто наблюдается на передней кромке подводных крыльев, на передних кромках лопастей и позади ступицы гребного винта. Возможно одновременное возникновение разных типов кавитации. На рис. 3 представлен морской гребной винт с вихревой кавитацией на передних кромках лопастей, стационарными кавитационными кавернами на поверхности лопастей и присоединенной вихревой кавитацией позади ступицы. Кавитация в жидкости, вызываемая звуковой волной, называется акустической.
Кавитация и техника.
Скорость течения обычно сильно снижается у задней кромки профиля. Здесь давление становится выше давления пара. Как только условия, благоприятные для кавитации, исчезают, пузырьки тут же схлопываются. Энергия, высвобождающаяся при схлопывании пузырей, весьма значительна.
Эрозия.
Большая энергия, рассеиваемая при схлопывании кавитационных пузырей, может приводить к повреждению поверхностей подводных конструкций, гребных винтов, турбин, насосов и даже узлов ядерных реакторов. Масштабы такого явления, называемого гидравлической эрозией, могут быть разными – от точечной поверхностной эрозии после многих лет эксплуатации до катастрофического выхода из строя больших конструкций.
Вибрация.
Кавитация на гребных винтах может вызывать периодические колебания давления, действующего на корпус судна и силовые установки. Кавитационная вибрация судна создает дискомфортные условия для пассажиров и команды.
КПД и скорость.
Кавитация может существенно увеличивать гидродинамическое сопротивление, в результате чего снижается коэффициент полезного действия гидравлического оборудования. Чрезмерная кавитация на гребном винте может уменьшить его тягу и ограничить максимальную скорость судна; кавитация может также быть причиной снижения производительности турбины или насоса и даже срыва его работы.
Шум.
Некоторая часть энергии, высвобождающейся при схлопывании кавитационных пузырей, преобразуется в звуковые волны. Такой шум особенно нежелателен на военно-морских судах, поскольку повышает вероятность их обнаружения.
Как правило, кавитация нежелательна (в морской и турбонасосной технике). Но в некоторых случаях ее вызывают намеренно. Примером может служить кавитационный гидромонитор. Большая энергия, высвобождающаяся при схлопывании кавитационных пузырей в водяной струе, используется для бурения (за счет эрозии) горных пород и для обработки поверхностей.
Это понятие разъясняется так: образование разрывов сплошности жидкости в результате местного понижения давления в ней. Разрывы жидкости, это конечно же пузырьки. Слово «кавитация» происходит от латинского слова cavitas, что означает пустота.
Временно поставим перед собой иную цель: ознакомимся с основной закономерностью, которой подчиняется жидкость, текущая в трубке. Представим себе горизонтальную трубку переменного сечения, по которой течет жидкость. Там, где площадь сечения поменьше, жидкость течет быстрее, а там, где побольше, - медленнее. Согласно закону сохранения энергии, можно утверждать следующее. Над выделенным объемом текущей жидкости совершается работа сил давления, вынуждающих ее течение. Если жидкость не обладает вязкостью, то эта работа будет расходоваться только на изменение ее кинетической энергии. Закон сохранении энергии дает право приравнять работу сил давления изменению кинетической энергии жидкости. Из этого равенства следует уравнение Даниила Бернулли, которое выполняется в любом сечении трубки:
В этом уравнении - плотность жидкости, - скорость ее течения, - давление жидкости в потоке, а - величина постоянная. Прочесть ее можно так: сумма плотности кинетической энергии и давления в текущей жидкости остается неизменной.
Записанное уравнение является фундаментальным в науке о жидкости.
Всмотримся в формулу внимательно. Вот что формула гласит: чем уже сечение трубки, тем больше , чем больше, тем меньше, а это означает», что может оказаться настолько большим, что давление станет меньше некоторого критического. Газовые или паровые пузырьки, имеющиеся в движущейся жидкости и попавшие зону, где, начинают увеличиваться в объеме, жидкость «кавитирует», превращаясь в пенообразную среду. Перемещаясь вместе с потоком в область, где давление, пузырьки начинают схлопываться и исчезают.
Итак, мы с уверенностью предсказываем появление пузырьков в текущей жидкости, основываясь, как на фундаменте, только на законе сохранения энергии. Фундамент надежный и пузырьки искать следует.
В действительности кавитация может происходить и тогда, когда в жидкости по какой-либо причине возникают участки, в которых скорость ее движения различна. Например, вблизи вращающихся лопастей теплохода, или вблизи стержня, вибрирующего в воде.
«Капля камень точит»- это известно всем. А вот, что пузырек металл разрушает, - это кажется не общеизвестно. Зарегистрировано множество случаев разрушения гребных винтов быстроходных кораблей кавитационными пузырьками. Эти разрушения иной раз выводят винт из строя всего за несколько часов хода корабля. Кавитационная зона вблизи вращающегося гребного винта строителям кораблей тщательно исследуется с целью избрать оптимальную форму, при которой без ущерба для прочих характеристик корабельного винта его кавитационнная стойкость будет наибольшей. Это важный этап в конструировании и изготовлении корабля.
А вот еще один пример разрушающего воздействия кавитации. Если в воде будет вибрировать металлический стержень, его торцевая поверхность покроется очагами кавитационного разрушения: пузырьки металл разрушают.
Есть несколько предположений о механизме передачи летящего пузырька поверхности металла. Достигнув поверхности препятствия, пузырек может быстро схлопнуться, возбудить ударную волну, и это повлечет за собой удар воды по поверхности. Физики, подробно, изучавшие кавитационные разрушения металлов, убедились в том, что импульсные давления, воспринимаемые поверхностью, оказываются достаточными, чтобы пузырьки создавали и развивали очаги разрушений на поверхности металла. Например, так: многократно повторяющиеся импульсные напряжения приводят к локальным усталостным разрушениям.