Если подобрать набор факторов: шероховатость тела, содержание растворенного в жидкости газа, скорость движения потока этой жидкости, а также давления, то можно снять собственный эпизод передачи «Галилео» с Пушным, кричащим «Ээээксперименты!».
Достаточно даже частично заполненной пивной бутылки, которую нужно хлопнуть по горлышку сверху, когда она на весу. И даже в этом эксперименте будут различия в зависимости от того, чем заполнена бутылка. Результатом будет или фонтан вверх для пенистых напитков, или дно на полу для обезгаженных жидкостей. В общем, наглядная иллюстрация детской песенки со строфой «А теперь похлопаем, пузыри полопаем».
За этот наглядный результат эксперимента ответственно явление, называемое кавитацией.
Физическая сущность данного явления — это образование в жидкости очагов разрежения, в которых происходит локальное «закипание» жидкости с образованием кавитационных пузырьков, образующихся в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения, приблизительно равного давлению насыщенного пара этой жидкости при определенной температуре, с последующим их ростом, а затем резким их схлопыванием.
В процессе схлопывания на месте пузырька образуется зона с огромным перепадом давления (до 1000 МПа) и резко возрастающей температурой (с теоретическим пределом до 10000 С). Процесс этот занимает очень короткое время (микро- и миллисекунды), и все начинается по новой. В динамике процесс схлопывания пузырька можно увидеть на рисунке.
Причем чем больше скорость потока жидкости, тем больше образуется этих очагов. Вплоть до того, что вокруг тела, движущегося в потоке жидкости, образуется сплошная парогазовая полость, и тело уже не контактирует с жидкостью. Эти эффекты могут визуально наблюдаться и приводить к гидравлическим ударам, вибрациям, звукам, локальному нагреву, и даже к эффекту сонолюминесценции.
Мастерски живо и эмоционально описали воздействие вибрации, источником которой служила кавитация винтов океанского лайнера «Нормандия», Ильф и Петров в «Одноэтажной Америке»: «Все задрожало на корме, где мы помещались. Дрожали палубы, стены, иллюминаторы, шезлонги, стаканы над умывальником, сам умывальник. Вибрация парохода была столь сильной, что начали издавать звуки даже такие предметы, от которых никак этого нельзя было ожидать. Впервые в жизни мы слышали, как звучит полотенце, мыло, ковер на полу, бумага на столе, занавески, воротничок, брошенный на кровать».
Проблемы типа «мы поставили самый мощный двигатель и самый большой винт, а быстрее оно не едет», связанные с гребными винтами на кораблях в конце 19 и начале 20 века, как раз и привели к началу и существенному развитию исследований в области гидродинамики в целом и кавитации в частности.
На данный момент есть различные теории, что отвечает за все перечисленное: это и создание микроскопической сверхзвуковой струи (видна начиная с кадра 11 рисунка 2), при котором она воздействует на тело примерно как кумулятивная, и радиальная ударная волна от схлопывания пузырька в целом, или все вместе. А также различные эффекты, связанные с химическими свойствами жидкости и тела, тоже могут вносить свои коррективы. В общем, готовый сценарий для передачи «Самые шокирующие гипотезы».
Несмотря на то, что рассчитывать кавитацию без добавления в основополагающее для гидродинамики уравнение Навье-Стокса дополнительных условий, уравнений и упрощений не получится, люди научились ее моделировать с достаточной степенью точности, а также различными, в т.ч. и эмпирическими, путями с ней бороться и даже обращать во благо.
Если с механизмом воздействия кавитации на объекты у теоретиков физики есть вопросы, то у практиков нет вопросов, связанных с тем, как выглядят результаты ее воздействия. Металлические поверхности, на которых, собственно, это все происходит, выглядят примерно так. В гидросистемах кавитация приводит к порче элементов гидрооборудования, разрушению деталей проточной части и выходу из строя отдельных блоков и агрегатов гидропривода. Но во многих конструкциях от нее избавиться не получится никак в связи с конструктивными особенностями – ярким примером являются шестеренные насосы, процесс кавитации в которых заложен конструктивно и показан на рисунке и видео.
Стоит упомянуть еще такую практическую характеристику, связанную с кавитацией, как кавитационный запас насоса и его связь с температурой. В первом приближении это разрежение на входе в насос, при котором его работа будет происходить без кавитации. Зачастую он весьма существенен и при проектировании на него могут не обратить внимание.
Производители насосного оборудования приводят его в виде графика, на котором приведены зависимости запаса от давления на выходе насоса, и расхода. Однако, когда температура рабочей жидкости, перекачиваемой насосом, будет увеличиваться, то при установившемся давлении разрежения жидкость начнет закипать, и результаты будут выглядеть, как описано выше, вплоть до кавитационного срыва и полной потери подачи.
С этой ситуацией можно столкнуться, например, в быту при работе системы отопления.
Для борьбы с кавитацией хороши все средства: создание материалов с особой твердостью, доведение гладкости поверхности до идеальной, уменьшение скоростей потока жидкости до приемлемых значений за счет увеличения, например, диаметра труб, расчет условий ее возникновения и оптимизация формы рабочих тел. Также есть немало примеров использования этой разрушительной силы на благо - например, при очистке подводных конструкций.
Автор: Александр Сагайда.