Kawitacja

W przypadku innych zastosowań zobacz Kawitacja (ujednoznacznienie) .
Model kawitującego śmigła w eksperymencie w tunelu wodnym .
Uszkodzenia kawitacyjne płyty zaworowej osiowej pompy hydraulicznej tłokowej .
Ten film przedstawia zjawisko kawitacji w pompie zębatej .
Widoczne uszkodzenia kawitacyjne na śrubie napędowej skutera wodnego.
Śmigło z brązu na barce rzecznej z płytą antykawitacyjną nad śmigłem.

Kawitacja to zjawisko, w którym ciśnienie statyczne cieczy spada poniżej ciśnienia pary cieczy , co prowadzi do powstawania w cieczy małych wypełnionych parą wnęk. Pod wpływem wyższego ciśnienia wnęki te, zwane „pęcherzykami” lub „pustkami”, zapadają się i mogą generować fale uderzeniowe , które mogą uszkodzić maszyny. Te fale uderzeniowe są silne, gdy znajdują się bardzo blisko implodowanej bańki, ale szybko słabną, gdy rozchodzą się od implozji. Kawitacja jest istotną przyczyną zużycia w niektórych inżynierskich . Zapadające się puste przestrzenie, które implodują w pobliżu metalowej powierzchni, powodują cykliczne naprężenia poprzez powtarzającą się implozję. Powoduje to zmęczenie powierzchni metalu, powodując rodzaj zużycia zwany także „kawitacją”. Najczęstszymi przykładami tego rodzaju zużycia są wirniki pomp i zagięcia, w których następuje nagła zmiana kierunku przepływu cieczy. Kawitację zwykle dzieli się na dwie klasy zachowań: kawitację inercyjną (lub przejściową) i kawitację nieinercyjną.

Proces, w którym pustka lub pęcherzyk w cieczy gwałtownie zapada się, tworząc falę uderzeniową , nazywa się kawitacją bezwładnościową. Kawitacja bezwładnościowa występuje w naturze w uderzeniach krewetek modliszkowych i pistoletowych , a także w tkankach naczyniowych roślin. W obiektach sztucznych może występować w zaworach regulacyjnych , pompach , śmigłach i wirnikach .

Kawitacja nieinercyjna to proces, w którym pęcherzyk w płynie jest zmuszany do oscylacji rozmiaru lub kształtu z powodu jakiejś formy wkładu energii, takiej jak pole akustyczne . Taka kawitacja jest często stosowana w ultradźwiękowych kąpielach czyszczących i można ją również zaobserwować w pompach, śmigłach itp.

Ponieważ fale uderzeniowe powstające w wyniku zapadania się pustych przestrzeni są wystarczająco silne, aby spowodować znaczne uszkodzenia części, kawitacja jest zwykle zjawiskiem niepożądanym w maszynach (chociaż jest pożądana, jeśli jest celowo stosowana, na przykład do sterylizacji zanieczyszczonych narzędzi chirurgicznych, rozkładania zanieczyszczeń w oczyszczaniu wody systemów, emulgować tkanki do operacji usunięcia zaćmy lub litotrypsji kamieni nerkowych lub homogenizować płyny). Bardzo często zapobiega się temu w projektowaniu maszyn, takich jak turbiny lub śmigła, a wyeliminowanie kawitacji jest głównym obszarem badań nad dynamiką płynów . Jednak czasami jest to przydatne i nie powoduje uszkodzeń, gdy pęcherzyki zapadają się od maszyn, na przykład w superkawitacji .

Fizyka

Kawitacja bezwładnościowa

Kawitację bezwładnościową po raz pierwszy zaobserwowano pod koniec XIX wieku, biorąc pod uwagę zapadanie się kulistej pustki w cieczy. Gdy objętość cieczy zostanie poddana wystarczająco niskiemu ciśnieniu , może pęknąć i utworzyć wnękę. Zjawisko to jest wymyślone jako inicjacja kawitacji i może wystąpić za łopatą szybko obracającej się śruby napędowej lub na dowolnej powierzchni wibrującej w cieczy z wystarczającą amplitudą i przyspieszeniem. Szybko płynąca rzeka może powodować kawitację na powierzchniach skał, szczególnie w przypadku spadku, na przykład na wodospadzie.

Inne sposoby generowania pustek kawitacyjnych obejmują lokalne osadzanie energii, takie jak intensywny skupiony impuls laserowy (kawitacja optyczna) lub wyładowanie elektryczne przez iskrę. Gazy parowe odparowują do wnęki z otaczającego ośrodka; w ten sposób wnęka wcale nie jest próżnią, ale raczej pęcherzykiem pary (gazu) pod niskim ciśnieniem. Gdy warunki, które spowodowały powstanie pęcherzyka, nie są już obecne, na przykład gdy pęcherzyk porusza się w dół rzeki, otaczająca ciecz zaczyna implodować z powodu wyższego ciśnienia, narastając bezwładność, gdy porusza się do wewnątrz. Gdy bańka ostatecznie się zapada, wewnętrzna bezwładność otaczającej cieczy powoduje gwałtowny wzrost ciśnienia i temperatury pary wewnątrz. Pęcherzyk ostatecznie zapada się do niewielkiego ułamka swojego pierwotnego rozmiaru, w którym to momencie gaz w nim rozprasza się do otaczającej cieczy za pomocą dość gwałtownego mechanizmu, który uwalnia znaczną ilość energii w postaci akustycznej fali uderzeniowej i światła widzialnego . W momencie całkowitego zapadnięcia się, temperatura pary wewnątrz bańki może wynosić kilka tysięcy kelwinów , a ciśnienie kilkaset atmosfer.

Kawitacja bezwładnościowa może również wystąpić w obecności pola akustycznego. Mikroskopijne pęcherzyki gazu, które są zwykle obecne w cieczy, zostaną zmuszone do oscylacji z powodu przyłożonego pola akustycznego. Jeśli intensywność akustyczna jest wystarczająco wysoka, pęcherzyki najpierw powiększą się, a następnie szybko zapadną. W związku z tym kawitacja bezwładnościowa może wystąpić, nawet jeśli rozrzedzenie cieczy jest niewystarczające, aby wystąpiła pustka podobna do Rayleigha. Ultradźwięki o dużej mocy zwykle wykorzystują kawitację bezwładnościową mikroskopijnych pęcherzyków próżniowych do obróbki powierzchni, cieczy i zawiesin.

Fizyczny proces powstawania kawitacji jest podobny do wrzenia . Główną różnicą między nimi są termodynamiczne , które poprzedzają tworzenie się pary. Wrzenie następuje, gdy lokalna temperatura cieczy osiąga temperaturę nasycenia , a dodatkowe ciepło jest dostarczane, aby umożliwić cieczy wystarczającą przemianę fazową w gaz. Początek kawitacji występuje, gdy lokalne ciśnienie spada wystarczająco daleko poniżej prężności pary nasyconej, wartości określonej przez wytrzymałość cieczy na rozciąganie w określonej temperaturze.

Aby nastąpiło zapoczątkowanie kawitacji, „pęcherzyki” kawitacyjne na ogół potrzebują powierzchni, na której mogą zarodkować . Ta powierzchnia może być zapewniona przez boki pojemnika, zanieczyszczenia w cieczy lub małe nierozpuszczone mikropęcherzyki w cieczy. Ogólnie przyjmuje się, że hydrofobowe stabilizują małe pęcherzyki. Te istniejące wcześniej bąbelki zaczynają rosnąć bez ograniczeń, gdy są wystawione na ciśnienie poniżej ciśnienia progowego, zwanego progiem Blake'a. Obecność nieściśliwego rdzenia wewnątrz jądra kawitacyjnego znacznie obniża próg kawitacji poniżej progu Blake'a.

Prężność pary różni się tutaj od meteorologicznej definicji prężności pary, która opisuje ciśnienie cząstkowe wody w atmosferze przy pewnej wartości mniejszej niż 100% nasycenia. Prężność pary w odniesieniu do kawitacji odnosi się do prężności pary w warunkach równowagi i dlatego może być dokładniej zdefiniowana jako równowaga (lub nasycenie) prężność pary .

Kawitacja nieinercyjna to proces, w którym małe pęcherzyki w cieczy są zmuszane do oscylacji w obecności pola akustycznego, gdy natężenie pola akustycznego jest niewystarczające, aby spowodować całkowite zapadnięcie się pęcherzyka. Ta forma kawitacji powoduje znacznie mniejszą erozję niż kawitacja bezwładnościowa i jest często stosowana do czyszczenia delikatnych materiałów, takich jak płytki krzemowe .

Kawitacja hydrodynamiczna

Kawitacja hydrodynamiczna to proces parowania, wytwarzania pęcherzyków i implozji pęcherzyków, który zachodzi w przepływającej cieczy w wyniku spadku, a następnie wzrostu lokalnego ciśnienia. Kawitacja wystąpi tylko wtedy, gdy lokalne ciśnienie spadnie do pewnego punktu poniżej prężności pary nasyconej cieczy, a następnie odzyska się powyżej prężności pary. Jeśli ciśnienie odzysku nie jest wyższe niż ciśnienie pary, mówi się, że nastąpiło odparowanie. W systemach rur kawitacja zwykle występuje albo w wyniku wzrostu energii kinetycznej (poprzez zwężenie powierzchni), albo w wyniku wzrostu wysokości rury.

Kawitację hydrodynamiczną można wytworzyć przepuszczając ciecz przez zwężony kanał z określoną prędkością przepływu lub mechanicznie obracając obiekt w cieczy. W przypadku zwężonego kanału i w oparciu o specyficzną (lub unikalną) geometrię systemu, połączenie ciśnienia i energii kinetycznej może stworzyć hydrodynamiczną jaskinię kawitacyjną poniżej lokalnego zwężenia, generującą pęcherzyki kawitacyjne o wysokiej energii.

Na podstawie diagramu termodynamicznej przemiany fazowej wzrost temperatury może zapoczątkować znany mechanizm przemiany fazowej znany jako wrzenie. Jednak spadek ciśnienia statycznego może również pomóc przejść schemat wielofazowy i zainicjować inny mechanizm zmiany fazy, znany jako kawitacja. Z drugiej strony lokalny wzrost prędkości przepływu mógłby doprowadzić do spadku ciśnienia statycznego do punktu krytycznego, w którym mogłaby rozpocząć się kawitacja (na podstawie zasady Bernoulliego). Krytycznym punktem ciśnienia jest ciśnienie nasycenia parą. W zamkniętym układzie płynowym, w którym nie wykryto wycieku przepływu, zmniejszenie pola przekroju poprzecznego prowadziłoby do wzrostu prędkości, a tym samym do spadku ciśnienia statycznego. Jest to zasada działania wielu hydrodynamicznych reaktorów kawitacyjnych do różnych zastosowań, takich jak uzdatnianie wody, pozyskiwanie energii, poprawa wymiany ciepła, przetwarzanie żywności itp.

Istnieją różne wzorce przepływu wykrywane w miarę postępu przepływu kawitacyjnego: inicjacja, przepływ rozwinięty, superkawitacja i przepływ zdławiony. Incepcja to pierwszy moment, w którym w układzie pojawia się druga faza (faza gazowa). Jest to najsłabszy przepływ kawitacyjny wychwycony w układzie odpowiadający najwyższej liczbie kawitacyjnej . Kiedy ubytki rosną i stają się większe w ujściach lub strukturach zwężki Venturiego, rejestrowany jest rozwinięty przepływ. Najbardziej intensywny przepływ kawitacyjny jest znany jako superkawitacja, w której teoretycznie cały obszar dyszy otworu jest wypełniony pęcherzykami gazu. Ten reżim przepływu odpowiada najniższej liczbie kawitacji w systemie. Po superkawitacji system nie jest w stanie przepuszczać większego przepływu. W związku z tym prędkość nie zmienia się, gdy ciśnienie wlotowe wzrasta. Prowadziłoby to do wzrostu liczby kawitacji, co świadczy o wystąpieniu przepływu zdławionego.

Proces powstawania pęcherzyków, a następnie wzrost i zapadanie się pęcherzyków kawitacyjnych skutkuje bardzo wysokimi gęstościami energii oraz bardzo wysokimi lokalnymi temperaturami i lokalnymi ciśnieniami na powierzchni pęcherzyków przez bardzo krótki czas. Ogólne środowisko ciekłego medium pozostaje zatem w warunkach otoczenia. Niekontrolowana kawitacja jest szkodliwa; kontrolując przepływ kawitacji, moc można jednak wykorzystać i nieniszczącą. Kontrolowaną kawitację można wykorzystać do wzmocnienia reakcji chemicznych lub propagacji pewnych nieoczekiwanych reakcji, ponieważ w procesie powstają wolne rodniki w wyniku dysocjacji oparów uwięzionych w kawitujących pęcherzykach.

Podaje się, że otwory i zwężka Venturiego są szeroko stosowane do generowania kawitacji. Zwężka Venturiego ma nieodłączną przewagę nad otworem ze względu na jej gładkie zbieżne i rozbieżne sekcje, dzięki czemu może generować większą prędkość przepływu w gardzieli przy danym spadku ciśnienia na niej. Z drugiej strony kryza ma tę zaletę, że może pomieścić większą liczbę otworów (większy obwód otworów) w danym polu przekroju poprzecznego rury.

Zjawisko kawitacji można kontrolować w celu zwiększenia wydajności szybkich statków morskich i pocisków, a także w technologiach obróbki materiałów, w medycynie itp. Kontrolowanie przepływów kawitacyjnych w cieczach można osiągnąć tylko poprzez rozwinięcie matematycznych podstaw kawitacji procesy. Procesy te manifestują się na różne sposoby, z których najczęstszymi i obiecującymi do opanowania są kawitacja pęcherzykowa i superkawitacja. Pierwsze dokładne klasyczne rozwiązanie należy być może przypisać dobrze znanemu rozwiązaniu Hermanna von Helmholtza z 1868 r. Najwcześniejsze wybitne badania typu akademickiego nad teorią przepływu kawitacyjnego ze swobodnymi granicami i superkawitacją zostały opublikowane w książce Jets, wakes and wnęki , a następnie teoria strumieni płynu doskonałego . Szeroko stosowana w tych książkach była dobrze rozwinięta teoria konforemnych odwzorowań funkcji zmiennej zespolonej, pozwalająca na wyprowadzenie dużej liczby dokładnych rozwiązań problemów płaskich. Inne miejsce łączące istniejące dokładne rozwiązania z modelami przybliżonymi i heurystycznymi zostało zbadane w pracy Hydrodynamics of Flows with Free Boundaries, która udoskonaliła zastosowane techniki obliczeniowe oparte na zasadzie niezależności ekspansji wnęki, teorii pulsacji i stabilności wydłużonych wnęk osiowosymetrycznych itp. oraz Metody wymiarowości i podobieństwa w problemach hydromechaniki statków .

Naturalną kontynuacją tych badań została niedawno przedstawiona w The Hydrodynamics of Cavitating Flows – encyklopedycznym dziele obejmującym wszystkie najlepsze osiągnięcia w tej dziedzinie ostatnich trzech dekad, łączące klasyczne metody badań matematycznych z nowoczesnymi możliwościami technologii komputerowych. Obejmują one opracowanie nieliniowych numerycznych metod rozwiązywania problemów kawitacji 3D, udoskonalenie znanych płaskich teorii liniowych, rozwój asymptotycznych teorii przepływów osiowosymetrycznych i prawie osiowosymetrycznych itp. W porównaniu z klasycznymi podejściami, nowy nurt charakteryzuje się rozszerzeniem teorię przepływów 3D. Odzwierciedla to również pewną korelację z aktualnymi pracami o charakterze aplikacyjnym nad hydrodynamiką ciał superkawitujących.

Kawitacja hydrodynamiczna może również usprawnić niektóre procesy przemysłowe. Na przykład kawitowana gnojowica kukurydziana wykazuje wyższą wydajność w etanolu w porównaniu z gnojowicą kukurydzianą bez kawitacji w urządzeniach do mielenia na sucho.

Jest to również wykorzystywane do mineralizacji związków bioogniotrwałych, które w przeciwnym razie wymagałyby ekstremalnie wysokich temperatur i ciśnień, ponieważ w procesie powstają wolne rodniki w wyniku dysocjacji oparów uwięzionych w kawitujących pęcherzykach, co skutkuje albo intensyfikacją reakcję chemiczną lub może nawet spowodować rozprzestrzenianie się pewnych reakcji, które nie są możliwe w innych warunkach otoczenia.

Aplikacje

Inżynieria chemiczna

W przemyśle kawitacja jest często stosowana do homogenizacji lub mieszania i rozkładania zawieszonych cząstek w koloidalnej cieczy, takiej jak mieszanki farb lub mleko. Wiele przemysłowych maszyn mieszających opiera się na tej zasadzie konstrukcyjnej. Zwykle osiąga się to poprzez konstrukcję wirnika lub przetłaczając mieszaninę przez pierścieniowy otwór, który ma wąski otwór wlotowy ze znacznie większym otworem wylotowym. W tym drugim przypadku drastyczny spadek ciśnienia, gdy ciecz przyspiesza do większej objętości, wywołuje kawitację. Metodą tą można sterować za pomocą hydraulicznych kontrolujących wielkość otworu wlotowego, co pozwala na dynamiczną regulację w trakcie procesu lub modyfikację dla różnych substancji. Powierzchnia tego typu zaworu mieszającego, o którą uderzają pęcherzyki kawitacyjne powodujące ich implozję, podlega ogromnym miejscowym naprężeniom mechanicznym i termicznym; dlatego często są zbudowane z niezwykle mocnych i twardych materiałów, takich jak stal nierdzewna , stellit , a nawet diament polikrystaliczny (PCD).

Zaprojektowano również kawitacyjne urządzenia do oczyszczania wody , w których ekstremalne warunki kawitacji mogą rozkładać zanieczyszczenia i cząsteczki organiczne. Analiza spektralna światła emitowanego w reakcjach sonochemicznych ujawnia chemiczne i plazmowe mechanizmy przenoszenia energii. Światło emitowane przez pęcherzyki kawitacyjne nazywane jest sonoluminescencją .

Wykorzystanie tej technologii zostało z powodzeniem wypróbowane w zasadowej rafinacji olejów roślinnych.

Hydrofobowe chemikalia są przyciągane pod wodą przez kawitację, ponieważ różnica ciśnień między pęcherzykami a ciekłą wodą zmusza je do połączenia. Efekt ten może pomóc w fałdowaniu białek .

Biomedyczne

Kawitacja odgrywa ważną rolę w niszczeniu kamieni nerkowych w litotrypsji falą uderzeniową . Obecnie prowadzone są testy, czy kawitację można wykorzystać do przenoszenia dużych cząsteczek do komórek biologicznych ( sonoporacja ). Kawitacja azotowa to metoda wykorzystywana w badaniach do lizy błon komórkowych przy jednoczesnym pozostawieniu nienaruszonych organelli.

Kawitacja odgrywa kluczową rolę w nietermicznym, nieinwazyjnym frakcjonowaniu tkanek w leczeniu różnych chorób i może być stosowana do otwierania bariery krew-mózg w celu zwiększenia wychwytu leków neurologicznych w mózgu.

Kawitacja odgrywa również rolę w HIFU , termicznej nieinwazyjnej metodologii leczenia raka .

W ranach powstałych w wyniku uderzeń z dużą prędkością (jak np. rany postrzałowe) występują również skutki kawitacji. Dokładny mechanizm ranienia nie jest jeszcze w pełni poznany, ponieważ występuje czasowa kawitacja i trwała kawitacja wraz ze zgniataniem, rozdzieraniem i rozciąganiem. Również duże zróżnicowanie gęstości w ciele utrudnia określenie jego skutków.

Ultradźwięki są czasami używane do przyspieszenia tworzenia kości, na przykład w zastosowaniach pooperacyjnych.

Sugerowano, że dźwięk „pękających” kostek wynika z załamania się kawitacji w płynie maziowym w stawie.

Kawitacja może również tworzyć mikro-nanopęcherzyki ozonu , co jest obiecujące w zastosowaniach dentystycznych.

Czyszczenie

W zastosowaniach związanych z czyszczeniem przemysłowym kawitacja ma wystarczającą moc, aby pokonać siły przylegania cząstek do podłoża, rozluźniając zanieczyszczenia. Ciśnienie progowe wymagane do zainicjowania kawitacji jest silną funkcją szerokości impulsu i mocy wejściowej. Metoda ta polega na wytwarzaniu kawitacji akustycznej w płynie czyszczącym, zbieraniu i usuwaniu cząstek zanieczyszczeń w nadziei, że nie przyczepią się one ponownie do czyszczonego materiału (co jest możliwe, gdy przedmiot jest zanurzony np. w ultradźwiękowej kąpieli czyszczącej) ). Te same siły fizyczne, które usuwają zanieczyszczenia, mogą również uszkodzić czyszczony cel.

Jedzenie i napoje

Jajka

Do pasteryzacji jaj zastosowano kawitację. Wypełniony otworami rotor wytwarza pęcherzyki kawitacyjne, podgrzewając ciecz od wewnątrz. Powierzchnie sprzętu pozostają chłodniejsze niż przepływająca ciecz, więc jaja nie twardnieją, tak jak na gorących powierzchniach starszego sprzętu. Intensywność kawitacji można regulować, co umożliwia dostrojenie procesu do minimalnego uszkodzenia białka.

Produkcja oleju roślinnego

Kawitacja jest stosowana do odśluzowywania i rafinacji olejów roślinnych od 2011 roku i jest uważana za sprawdzoną i standardową technologię w tym zastosowaniu. Zastosowanie kawitacji hydrodynamicznej w procesie odśluzowywania i rafinacji pozwala na znaczne ograniczenie zużycia środków pomocniczych, takich jak chemikalia, woda i glinka bieląca.

Biopaliwa

Biodiesel

Kawitacja jest stosowana w produkcji biodiesla od 2011 roku i jest uważana za sprawdzoną i standardową technologię w tym zastosowaniu. Zastosowanie kawitacji hydrodynamicznej w procesie transestryfikacji pozwala na znaczne ograniczenie zużycia katalizatora, poprawę jakości oraz zwiększenie mocy produkcyjnych.

Uszkodzenia kawitacyjne

Uszkodzenia kawitacyjne turbiny Francisa .

Kawitacja jest w wielu przypadkach zjawiskiem niepożądanym. W urządzeniach takich jak śmigła i pompy kawitacja powoduje duży hałas, uszkodzenia podzespołów, wibracje i utratę wydajności. Hałas powodowany przez kawitację może być szczególnie niepożądany na okrętach wojennych, gdzie taki hałas może sprawić, że będą one łatwiej wykrywane przez pasywny sonar . Kawitacja stała się również problemem w sektorze energii odnawialnej, ponieważ może wystąpić na powierzchni łopatek turbin pływowych .

Kiedy pęcherzyki kawitacyjne zapadają się, wtłaczają ciecz energetyczną do bardzo małych objętości, tworząc w ten sposób plamy o wysokiej temperaturze i emitując fale uderzeniowe, z których te ostatnie są źródłem hałasu. Hałas wytwarzany przez kawitację jest szczególnym problemem dla wojskowych okrętów podwodnych , ponieważ zwiększa szanse wykrycia przez pasywny sonar .

Chociaż zawalenie się małej wnęki jest zdarzeniem stosunkowo niskoenergetycznym, wysoce zlokalizowane zapadnięcia mogą z czasem powodować erozję metali, takich jak stal. Wżery spowodowane zapadaniem się wnęk powodują duże zużycie komponentów i mogą radykalnie skrócić żywotność śruby napędowej lub pompy.

Po tym, jak powierzchnia zostanie początkowo dotknięta kawitacją, ma tendencję do erozji w coraz szybszym tempie. Wgłębienia kawitacyjne zwiększają turbulencje przepływu płynu i tworzą szczeliny, które działają jako miejsca zarodkowania dla dodatkowych pęcherzyków kawitacyjnych. Wgłębienia zwiększają również powierzchnię elementów i pozostawiają naprężenia szczątkowe. To sprawia, że ​​powierzchnia jest bardziej podatna na korozję naprężeniową .

Pompy i śmigła

Główne miejsca występowania kawitacji to pompy, śmigła lub ograniczenia w przepływającej cieczy.

Gdy łopatki wirnika (w pompie) lub śruby napędowej (jak w przypadku statku lub łodzi podwodnej) poruszają się przez płyn, powstają obszary niskiego ciśnienia, gdy płyn przyspiesza i przepływa obok łopatek. Im szybciej porusza się ostrze, tym mniejsze może być ciśnienie wokół niego. Gdy osiągnie prężność pary , płyn odparowuje i tworzy małe pęcherzyki gazu. To jest kawitacja. Kiedy pęcherzyki zapadają się później, zwykle powodują bardzo silne lokalne fale uderzeniowe w płynie, które mogą być słyszalne, a nawet mogą uszkodzić ostrza.

Kawitacja w pompach może występować w dwóch różnych formach:

Kawitacja ssania

na ssaniu występuje, gdy ssanie pompy znajduje się w warunkach niskiego ciśnienia/wysokiej próżni, w których ciecz zamienia się w parę w oku wirnika pompy. Ta para jest przenoszona na tłoczną stronę pompy, gdzie nie widzi już próżni i jest ponownie sprężana do cieczy pod wpływem ciśnienia tłoczenia. To działanie implodujące następuje gwałtownie i atakuje czoło wirnika. Wirnik, który pracował w warunkach kawitacji na ssaniu, może mieć usunięte duże kawałki materiału z czoła lub bardzo małe kawałki materiału, przez co wirnik wygląda jak gąbka. Oba przypadki spowodują przedwczesną awarię pompy, często z powodu awarii łożyska. Kawitację na ssaniu często rozpoznaje się po odgłosie żwiru lub kulek w obudowie pompy.

Częstymi przyczynami kawitacji ssania mogą być zatkane filtry, niedrożność rur po stronie ssawnej, niewłaściwa konstrukcja rur, pompa pracuje zbyt daleko w prawo na krzywej pompy lub warunki niespełniające wymagań NPSH ( dodatnia wysokość ssania netto).

W zastosowaniach motoryzacyjnych zatkany filtr w układzie hydraulicznym (wspomaganie kierownicy, wspomaganie hamulców) może powodować kawitację ssania, powodując hałas, który wznosi się i opada synchronicznie z obrotami silnika. Dość często jest to piskliwy pisk, jakby zestaw nylonowych kół zębatych nie do końca zazębiał się prawidłowo.

Kawitacja rozładowania

Kawitacja tłoczenia występuje, gdy ciśnienie tłoczenia pompy jest bardzo wysokie, zwykle występujące w pompie, która pracuje z mniej niż 10% punktu najlepszej wydajności. Wysokie ciśnienie tłoczenia powoduje, że większość płynu krąży wewnątrz pompy, zamiast wypływać przez tłoczenie. Gdy ciecz przepływa wokół wirnika, musi przejść przez mały prześwit między wirnikiem a obudową pompy z bardzo dużą prędkością przepływu. Ta prędkość przepływu powoduje powstanie podciśnienia na ściance obudowy (podobnie jak w zwężce Venturiego ) , które zamienia ciecz w parę. Pompa pracująca w takich warunkach wykazuje przedwczesne zużycie końcówek łopatek wirnika oraz korpusu pompy. Ponadto ze względu na warunki wysokiego ciśnienia można spodziewać się przedwczesnej awarii uszczelnienia mechanicznego i łożysk pompy. W ekstremalnych warunkach może to spowodować pęknięcie wału wirnika.

Uważa się, że kawitacja wyładowcza w płynie stawowym powoduje trzaskający dźwięk wytwarzany przez pękanie stawów kostnych , na przykład przez celowe pękanie kostek.

Roztwory kawitacyjne

Ponieważ wszystkie pompy wymagają dobrze rozwiniętego przepływu wlotowego, aby wykorzystać swój potencjał, pompa może nie działać lub nie być tak niezawodna, jak oczekiwano z powodu wadliwego układu rurociągów ssawnych, takiego jak kolano blisko sprzężone na kołnierzu wlotowym. Kiedy słabo rozwinięty przepływ wpływa do wirnika pompy, uderza w łopatki i nie jest w stanie nadążyć za kanałem wirnika. Następnie ciecz oddziela się od łopatek, powodując problemy mechaniczne z powodu kawitacji, wibracji i problemów z wydajnością z powodu turbulencji i słabego wypełnienia wirnika. Skutkuje to przedwczesną awarią uszczelnień, łożysk i wirnika, wysokimi kosztami konserwacji, wysokim zużyciem energii oraz spadkiem ciśnienia i/lub przepływem niższym od określonego.

Aby uzyskać dobrze rozwinięty wzorzec przepływu, instrukcje producenta pompy zalecają około (10 średnic?) prostego przebiegu rury przed kołnierzem wlotowym pompy. Niestety, projektanci rurociągów i personel zakładu muszą zmagać się z ograniczeniami przestrzennymi i rozmieszczeniem sprzętu i zwykle nie mogą zastosować się do tego zalecenia. Zamiast tego często stosuje się kolano blisko przyłącza ssącego pompy, co powoduje powstanie słabo rozwiniętego schematu przepływu na ssaniu pompy.

W przypadku pompy z podwójnym ssaniem podłączonej do kolanka o krótkim sprzężeniu rozkład przepływu do wirnika jest słaby i powoduje spadek niezawodności i wydajności. Kolanko rozdziela przepływ nierównomiernie, kierując więcej na zewnątrz kolanka. W rezultacie jedna strona wirnika z podwójnym ssaniem otrzymuje większy przepływ przy wyższej prędkości przepływu i ciśnieniu, podczas gdy strona pozbawiona przepływu otrzymuje wysoce turbulentny i potencjalnie szkodliwy przepływ. Pogarsza to ogólną wydajność pompy (dostarczaną wysokość podnoszenia, przepływ i zużycie energii) oraz powoduje nierównowagę osiową, która skraca żywotność uszczelnień, łożysk i wirnika. Aby przezwyciężyć kawitację: Zwiększ ciśnienie ssania, jeśli to możliwe. Jeśli to możliwe, obniż temperaturę cieczy. Zredukować przepustnicę na zaworze wylotowym, aby zmniejszyć natężenie przepływu. Odpowietrzyć obudowę pompy.

Zawory regulacyjne

zaworach regulacyjnych może wystąpić kawitacja . Jeśli rzeczywisty spadek ciśnienia na zaworze określony przez ciśnienie przed i za zaworem w systemie jest większy niż pozwalają na to obliczenia doboru, może wystąpić migający spadek ciśnienia lub kawitacja. Przejście ze stanu ciekłego do stanu gazowego wynika ze wzrostu prędkości przepływu w miejscu lub tuż za największym ograniczeniem przepływu, którym zwykle jest otwór zaworu. Aby utrzymać stały przepływ cieczy przez zawór, prędkość przepływu musi być największa w żyle kontraktowej lub w punkcie, w którym pole przekroju poprzecznego jest najmniejsze. Temu wzrostowi prędkości przepływu towarzyszy znaczny spadek ciśnienia płynu, które jest częściowo odzyskiwane w dół w miarę zwiększania się powierzchni i zmniejszania prędkości przepływu. Ten powrót ciśnienia nigdy nie jest całkowicie równy poziomowi ciśnienia przed zaworem. Jeśli ciśnienie w żyle kontraktowej spadnie poniżej prężności pary pęcherzyków płynu, utworzą się w strumieniu przepływu. Jeśli ciśnienie powróci za zaworem do ciśnienia ponownie przekraczającego ciśnienie pary, wówczas pęcherzyki pary zapadną się i nastąpi kawitacja.

Przelewy

Kiedy woda przepływa przez przelew zaporowy, nierówności na powierzchni przelewu spowodują małe obszary separacji przepływu w przepływie z dużą prędkością, aw tych obszarach ciśnienie zostanie obniżone. Jeśli prędkości przepływu są wystarczająco wysokie, ciśnienie może spaść poniżej lokalnego ciśnienia pary wodnej i utworzą się pęcherzyki pary. Kiedy są one przenoszone w dół rzeki do obszaru wysokiego ciśnienia, pęcherzyki zapadają się, powodując wysokie ciśnienie i możliwe uszkodzenia kawitacyjne.

Badania eksperymentalne pokazują, że uszkodzenia zsypów betonowych i przelewów tunelowych mogą rozpocząć się przy prędkościach przepływu czystej wody w zakresie od 12 do 15 m/s (27 do 34 mil/h), aż do prędkości przepływu 20 m/s (45 mil/h), ochrona powierzchni może być możliwa poprzez usprawnienie granic, poprawę wykończenia powierzchni lub użycie odpornych materiałów.

Gdy w wodzie znajduje się trochę powietrza, powstała mieszanina jest ściśliwa, co tłumi wysokie ciśnienie spowodowane zapadaniem się pęcherzyków. Jeżeli prędkości przepływu w pobliżu rewersu przelewu są wystarczająco duże, należy wprowadzić aeratory (lub urządzenia napowietrzające) zapobiegające kawitacji. Chociaż są one instalowane od kilku lat, mechanizmy napowietrzania na aeratorach i powolny ruch powietrza z powierzchni przelewu nadal stanowią wyzwanie.

Konstrukcja urządzenia napowietrzającego przelew jest oparta na niewielkim odchyleniu koryta przelewu (lub ściany bocznej), takim jak rampa i przesunięcie w celu odchylenia przepływu o dużej prędkości od powierzchni przelewu. We wnęce utworzonej pod płaszczykiem wytwarzane jest miejscowe podciśnienie pod płaszczem, przez które powietrze jest zasysane do strumienia. Kompletny projekt obejmuje urządzenie odchylające (rampa, offset) oraz system zasilania powietrzem.

Silniki

Niektóre większe silniki Diesla cierpią na kawitację z powodu wysokiego sprężania i niewymiarowych ścian cylindrów . Drgania ścianki cylindra powodują naprzemienne niskie i wysokie ciśnienie płynu chłodzącego na ściankę cylindra. Rezultatem są wżery na ściance cylindra, co ostatecznie doprowadzi do płynu chłodzącego do cylindra i wycieku gazów spalinowych do płynu chłodzącego.

Można temu zapobiec stosując dodatki chemiczne w płynie chłodzącym, które tworzą warstwę ochronną na ściance cylindra. Ta warstwa będzie narażona na taką samą kawitację, ale odbudowuje się. Dodatkowo regulowane nadciśnienie w układzie chłodzenia (regulowane i utrzymywane przez nacisk sprężyny korka wlewu płynu chłodzącego) zapobiega powstawaniu kawitacji.

Od około lat 80. nowe konstrukcje mniejszych silników benzynowych również wykazywały zjawisko kawitacji. Jedną z odpowiedzi na zapotrzebowanie na mniejsze i lżejsze silniki była mniejsza objętość płynu chłodzącego i odpowiednio większa prędkość przepływu płynu chłodzącego. Spowodowało to szybkie zmiany prędkości przepływu, a co za tym idzie gwałtowne zmiany ciśnienia statycznego w obszarach o dużej wymianie ciepła. Gdy powstające pęcherzyki pary zapadały się na powierzchnię, powodowały najpierw rozrywanie ochronnych warstw tlenków (materiałów odlewanych z aluminium), a następnie wielokrotnie uszkadzały nowo utworzoną powierzchnię, uniemożliwiając działanie niektórych rodzajów inhibitorów korozji (takich jak inhibitory na bazie krzemianów) . Ostatnim problemem był wpływ podwyższonej temperatury materiału na względną reaktywność elektrochemiczną metalu nieszlachetnego i jego składników stopowych. Rezultatem były głębokie doły, które mogły powstać i wniknąć w głowicę silnika w ciągu kilku godzin, gdy silnik pracował z dużym obciążeniem i dużą prędkością. Efektów tych można w dużej mierze uniknąć stosując organiczne inhibitory korozji lub (korzystnie) projektując głowicę silnika w taki sposób, aby uniknąć pewnych warunków wywołujących kawitację.

W naturze

Geologia

Niektóre hipotezy [ przez kogo? ] [ Potrzebny przykład ] w odniesieniu do formowania się diamentów zakłada możliwą rolę kawitacji — mianowicie kawitacji w rurach kimberlitu , zapewniającej ekstremalne ciśnienie potrzebne do przemiany czystego węgla w rzadki alotrop , jakim jest diament. Najgłośniejsze trzy dźwięki, jakie kiedykolwiek zarejestrowano podczas erupcji Krakatau w 1883 roku , są teraz [ kiedy? ] rozumiane jako wybuchy trzech ogromnych pęcherzyków kawitacyjnych, każdy większy od poprzedniego, powstałych w gardle wulkanu. Wznosząca się magma, wypełniona rozpuszczonymi gazami i znajdująca się pod ogromnym ciśnieniem, napotkała inną magmę, która łatwo się kompresowała, umożliwiając wzrost i łączenie się pęcherzyków.

Rośliny naczyniowe

Kawitacja może wystąpić w ksylemie roślin naczyniowych . Sok , tak że elementy naczynia lub cewki są wypełnione parą wodną. Rośliny są w stanie naprawić kawitowany ksylem na wiele sposobów. W przypadku roślin o wysokości poniżej 50 cm nacisk korzeni może być wystarczający do ponownego rozpuszczenia oparów. Większe rośliny kierują substancje rozpuszczone do ksylemu przez komórki promieniste lub w tracheidach poprzez osmozę przez obrzeżone dołki . Substancje rozpuszczone przyciągają wodę, ciśnienie wzrasta i para może się ponownie rozpuścić. Na niektórych drzewach odgłos kawitacji jest słyszalny szczególnie latem, kiedy tempo ewapotranspiracji jest największe. Niektóre drzewa liściaste muszą jesienią zrzucać liście, częściowo dlatego, że kawitacja nasila się wraz ze spadkiem temperatury.

Rozsiewanie zarodników w roślinach

  Kawitacja odgrywa rolę w mechanizmach rozprzestrzeniania się zarodników niektórych roślin. Na przykład u paproci zarodnia paproci działa jak katapulta, która wyrzuca zarodniki w powietrze. Faza ładowania katapulty jest napędzana parowaniem wody z pierścienia , co powoduje spadek ciśnienia. Gdy ciśnienie ściskające osiągnie wartość około 9 MPa , dochodzi do kawitacji. To szybkie zdarzenie wyzwala rozproszenie zarodników z powodu energii sprężystej uwalnianej przez strukturę pierścienia. Początkowe przyspieszenie zarodników jest niezwykle duże – do 10 5 razy większe od przyspieszenia grawitacyjnego .

życie morskie

Podobnie jak pęcherzyki kawitacyjne tworzą się na szybko obracającej się śrubie napędowej łodzi, mogą również tworzyć się na ogonach i płetwach zwierząt wodnych. Dzieje się tak głównie w pobliżu powierzchni oceanu, gdzie ciśnienie wody otoczenia jest niskie.

Kawitacja może ograniczać maksymalną prędkość pływania potężnych zwierząt pływających, takich jak delfiny i tuńczyki . Delfiny mogą być zmuszone do ograniczenia prędkości, ponieważ zapadanie się pęcherzyków kawitacyjnych na ich ogonie jest bolesne. Tuńczyki mają kościste płetwy bez zakończeń nerwowych i nie odczuwają bólu spowodowanego kawitacją. Są spowalniane, gdy pęcherzyki kawitacyjne tworzą warstwę pary wokół ich płetw. Na tuńczyku znaleziono uszkodzenia, które są zgodne z uszkodzeniami kawitacyjnymi.

Niektóre zwierzęta morskie znalazły sposoby na wykorzystanie kawitacji na swoją korzyść podczas polowania na zdobycz. Krewetka pistoletowa łamie wyspecjalizowany pazur, tworząc kawitację, która może zabić małe ryby. Krewetki modliszkowe ( odmiany rozbijającej ) również wykorzystują kawitację do ogłuszania, rozbijania lub zabijania skorupiaków, którymi się żywią.

Rekiny młocarnie używają „uderzeń ogonem”, aby osłabić swoją małą ofiarę, a pęcherzyki kawitacyjne unoszą się z wierzchołka łuku ogona.

Erozja wybrzeża

W ostatnim półdziesięcioleciu [ kiedy? ] powszechnie akceptowana jest erozja brzegów w postaci kawitacji bezwładnościowej. Pęcherzyki w nadchodzącej fali są wciskane w szczeliny erodującego klifu. Zmienne ciśnienie rozpręża niektóre kieszenie oparów, które następnie implodują. Powstałe piki ciśnienia mogą rozerwać frakcje skały.

Historia

Już w 1754 roku szwajcarski matematyk Leonhard Euler (1707-1783) spekulował na temat możliwości kawitacji. W 1859 roku angielski matematyk William Henry Besant (1828–1917) opublikował rozwiązanie problemu dynamiki zapadania się kulistej wnęki w płynie, które przedstawił anglo-irlandzki matematyk George Stokes (1819–1903 ) jako jeden z problemów i jeźdźców Senatu Cambridge [Uniwersytetu] na rok 1847. W 1894 r. Irlandzki specjalista od dynamiki płynów Osborne Reynolds (1842–1912) badał powstawanie i zapadanie się pęcherzyków pary we wrzących cieczach iw zwężonych rurkach.

Termin kawitacja pojawił się po raz pierwszy w 1895 roku w artykule Johna Isaaca Thornycrofta (1843–1928) i Sydneya Walkera Barnaby'ego (1855–1925) — syna Sir Nathaniela Barnaby'ego (1829–1915), który był głównym konstruktorem Royal Navy — któremu zasugerował to brytyjski inżynier Robert Edmund Froude (1846–1924), trzeci syn angielskiego hydrodynamika Williama Froude'a (1810–1879). Wczesne eksperymentalne badania kawitacji zostały przeprowadzone w latach 1894-1855 przez Thornycrofta i Barnaby'ego oraz anglo-irlandzkiego inżyniera Charlesa Algernona Parsonsa (1854-1931), który skonstruował aparat stroboskopowy do badania tego zjawiska. Thornycroft i Barnaby byli pierwszymi badaczami, którzy zaobserwowali kawitację na tylnych stronach łopat śmigła.

W 1917 roku brytyjski fizyk Lord Rayleigh (1842–1919) rozszerzył prace Besanta, publikując matematyczny model kawitacji w płynie nieściśliwym (pomijając napięcie powierzchniowe i lepkość), w którym określił również ciśnienie w płynie. Matematyczne modele kawitacji, które zostały opracowane przez brytyjskiego inżyniera Stanleya Smitha Cooka (1875–1952) i Lorda Rayleigha, ujawniły, że zapadające się pęcherzyki pary mogą generować bardzo wysokie ciśnienia, które były w stanie spowodować uszkodzenia obserwowane na śrubach okrętowych . Eksperymentalne dowody kawitacji powodującej tak wysokie ciśnienie zostały początkowo zebrane w 1952 roku przez Marka Harrisona (dynamistę płynów i akustyka w US Navy's David Taylor Model Basin w Carderock, Maryland, USA), który zastosował metody akustyczne, aw 1956 roku przez Wernfrieda Gütha (fizyk i akustyk z Uniwersytetu w Göttigen, Niemcy), który wykorzystał fotografię optyczną Schlierena .

Uderzenie strumienia płynu z dużą prędkością w nieruchomą powierzchnię.

W 1944 r. Radzieccy naukowcy Mark Iosifovich Kornfeld (1908–1993) i L. Suvorov z Leningradzkiego Instytutu Fizyczno-Technicznego (obecnie: Fizyczno-Techniczny Instytut Ioffe Rosyjskiej Akademii Nauk w Sankt Petersburgu w Rosji) zaproponowali, że podczas kawitacji bąbelki w pobliżu stałej powierzchni nie zapadają się symetrycznie; zamiast tego na bańce tworzy się dołek w punkcie przeciwnym do powierzchni ciała stałego, który przekształca się w strumień cieczy. Ten strumień cieczy uszkadza stałą powierzchnię. Hipoteza ta została poparta w 1951 r. teoretycznymi badaniami Maurice'a Rattraya Jr., doktoranta w California Institute of Technology . Hipoteza Kornfelda i Suworowa została potwierdzona eksperymentalnie w 1961 roku przez Charlesa F. Naudé i Alberta T. Ellisa, specjalistów od dynamiki płynów z California Institute of Technology.

Szereg badań eksperymentalnych propagacji silnej fali uderzeniowej (SW) w cieczy z pęcherzykami gazu, które pozwoliły ustalić podstawowe prawa rządzące tym procesem, mechanizm transformacji energii SW, tłumienie SW i formowania struktury oraz eksperymenty nad analizą tłumienia fal w ekranach bąbelkowych o różnych właściwościach akustycznych zapoczątkowały pionierskie prace radzieckiego naukowca prof. VF Minina w Instytucie Hydrodynamiki (Nowosybirsk, Rosja) w latach 1957-1960, który zbadał także pierwszy wygodny model ekranu - sekwencję naprzemiennych płaskich jednowymiarowych warstw cieczy i gazów. W eksperymentalnych badaniach dynamiki form pulsujących gazowych wnęk i interakcji SW z chmurami bąbelkowymi w latach 1957-1960 VF Minin odkrył, że pod działaniem SW bańka zapada się asymetrycznie z utworzeniem skumulowanego strumienia, który tworzy się w proces zapadania się i powoduje fragmentację bańki.

Zobacz też

Dalsza lektura

  • Informacje na temat kawitacji w roślinach można znaleźć w artykule Plant Physiology autorstwa Taiza i Zeigera.
  • Informacje na temat kawitacji w dziedzinie inżynierii można znaleźć na stronie [1]
  • Kornfelt, M. (1944). „O niszczącym działaniu kawitacji”. Journal of Applied Physics . 15 (6): 495–506. Bibcode : 1944JAP....15..495K . doi : 10.1063/1.1707461 .
  • Aby zapoznać się z kawitacją hydrodynamiczną w polu etanolu, odwiedź [2] i Ethanol Producer Magazine: „Tiny Bubbles to Make You Happy” [3]
  • Barnett, S. (1998). „Kwestie nietermiczne: kawitacja - jej natura, wykrywanie i pomiary;”. Ultradźwięki w medycynie i biologii . 24 : S11–S21. doi : 10.1016/s0301-5629(98)00074-x .
  • Kawitacja na turbinach strumieni pływowych, patrz   Buckland, Hannah C; Mistrzowie, Ian; Orme, James AC; Piekarz, Tim (2013). „Początek i symulacja kawitacji w teorii pędu elementów łopatek do modelowania turbin strumieni pływowych”. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, część A: Journal of Power and Energy . 227 (4): 479. doi : 10.1177/0957650913477093 . S2CID 110248049 .

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cavitation&oldid=1136200490 ”