КАВИТАЦИЯ (от лат. cavitas— пустота)
Кавитация — разрыв сплошности жидкости с образованием полостей (каверн), заполненных паром, газом или их смесью; бывает гидродинамической, вибрационной и акустической, а также искусственной; вызывает эрозию, вибрацию и шум, ухудшает работу гребных винтов и подводных крыльев, но управляемая искусственная кавитация снижает сопротивление; рассмотрены ядра кавитации, присоединённая и пузырьковая кавитация и моделирование в кавитационной трубе.
Кавитация (от латинского cavitas — «пустота») — явление разрыва сплошности внутри жидкости и образования в ней полостей, заполненных парами жидкости, газом или их смесью, так называемых кавитационных пузырьков, или каверн. Термин ввёл У. Фруд. Каверны возникают в результате местного понижения давления в жидкости до некоторого критического значения (для реальной жидкости оно приблизительно равно давлению насыщенного пара при данной температуре), при нагревании жидкости или при подаче газа в заполненное жидкостью пространство.
В судостроении наибольшее практическое значение имеет кавитация, которая возникает из-за понижения давления в жидкости и из-за подачи в неё газа. Области пониженного давления образуются при обтекании тел (из-за больших местных скоростей потока — гидродинамическая кавитация), вблизи колеблющихся поверхностей (вибрационная), а также при распространении в жидкости акустических волн (акустическая). Разновидность гидродинамической кавитации — искусственная кавитация, возникающая при подаче газа к поверхности тел, обтекаемых потоком жидкости. Каверны тогда можно создавать при малых скоростях обтекания, когда давление понижается так мало, что при отсутствии подачи газа сплошность жидкости не нарушилась бы.
Вредные последствия. Во многих случаях кавитация приводит к негативным последствиям:
- кавитационная эрозия, вызванная схлопыванием каверн вблизи поверхности тела;
- вибрация судовых конструкций и акустическое излучение, вызванные пульсацией каверн;
- ухудшение гидродинамических характеристик кавитирующих элементов судов — рост сопротивления и снижение подъёмной силы, когда размеры каверн соизмеримы с размерами этих элементов.
Полезное применение. Искусственная кавитация даёт положительный эффект. Подачей газа (воздуха) можно создавать каверны на подводной части корпуса судна, что снижает гидродинамическое сопротивление. Подачу газа к поверхности подводных крыльев быстроходных судов можно использовать для управления подъёмной силой крыла.
Физика возникновения. В чистых жидкостях связь между молекулами настолько прочна, что для её разрыва нужны растягивающие напряжения в несколько тысяч килограммов на квадратный сантиметр. В реальных условиях разрыв сплошности обычно происходит при положительных значениях давления, близких к давлению насыщенных паров (1000—2000 Па). Основная причина — нерастворённые газы в жидкости, ядра кавитации; их условный диаметр — от тысячных долей миллиметра до нескольких миллиметров. Под действием внешнего давления жидкости, собственного внутреннего давления и сил поверхностного натяжения ядро может находиться в состоянии устойчивого равновесия. Но если оно попадает в зону пониженного давления, при определённых значениях давления равновесие нарушается: ядро за время около 10⁻³ с расширяется до максимальных размеров. Объём получившейся каверны на много порядков превосходит объём ядра, и она заполняется преимущественно паром жидкости.
Начальные стадии. На возникновение и развитие начальной стадии кавитации влияют главным образом распределение давлений по поверхности тела и состояние течения в пограничном слое в докавитационном режиме.
- *С отрывом пограничного слоя.* Для тел с разрывом касательной или кривизны поверхности вдоль линии тока (тонкое крыло с острой передней кромкой при малом угле атаки, полусфера, сопряжённая с цилиндром и т. п.) вблизи разрыва пограничный слой отрывается и образует вихрь, ось которого неподвижна относительно тела. В центре вихря давление минимально, и попавшие туда ядра кавитации в виде множества пузырьков вырастают до сравнительно больших размеров и заполняют центр вихря. По мере понижения давления пузырьки сливаются в единую каверну. Точка присоединения передней части границы каверны практически не меняет положения со временем (присоединённая каверна); при дальнейшем понижении давления каверна удлиняется и утолщается. Похожая картина — в самых начальных стадиях кавитации в свободных вихрях крыла конечного размаха.
- *Без отрыва пограничного слоя.* Начало кавитации принципиально иное. Из-за капиллярности и вязкости присоединённая каверна возникает с «запаздыванием». Ей предшествуют режимы течения с зонами отрицательного давления на поверхности тела. Если в потоке достаточно ядер кавитации, они в этих зонах вырастают до видимых глазом каверн (пузырьковая кавитация). Поток сносит каверны, и они схлопываются в кормовой части тела. При дальнейшем понижении давления возникает присоединённая каверна ниже по потоку от зоны минимальных давлений; она растёт вверх и вниз по потоку и постепенно вытесняет пузырьковую кавитацию. Часто присоединённая каверна оказывается малоустойчивой, и тогда наблюдается нестационарная кавитация с периодическим разрушением каверны.
Моделирование. При моделировании кавитации в кавитационной трубе добиваются равенства чисел кавитации для модели и натуры. Но равенства других безразмерных критериев — чисел Рейнольдса и Вебера — достичь не удаётся, поэтому появляются масштабные эффекты возникновения и развития кавитации.