Представьте себе горизонтальную трубу, по которой течет вода. Пусть на каком-то участке трубы из каких-то конструктивных соображений выполнили сужение. Когда поток воды будет проходить суженный участок, скорость воды возрастет.
Неизбежное возрастание скорости легко объясняется законом сохранения вещества: через каждое сечение трубы за одно и то же время пройдет одно и то же количество воды. А чтобы то же количество успело пройти через малое сечение, вода вынуждена двигаться быстрее. При этом с уменьшением диаметра трубы вдвое скорость возрастает в четыре раза, т. е. зависимость здесь квадратичная.
Увеличение скорости означает увеличение кинетической энергии потока. На основании закона сохранения энергии последняя из ничего появиться не может. Поэтому рост кинетической энергии неизбежно вызовет падение потенциальной энергии, а роль потенциальной энергии в потоке воды выполняет давление.
Таким образом, чем меньше диаметр, тем выше в нем будет скорость и тем ниже упадет давление. В наших возможностях довести диаметр до сколь угодно малых размеров. Возрастет ли при этом скорость до бесконечности? Упадет ли давление до нуля? Нет, ничего этого не произойдет.
Как только в своем падении давление приблизится по величине к давлению насыщенных паров, начнется бурное выделение растворенных в воде газов с одновременным парообразованием. Короче говоря, вода, какой бы холодной она ни была, закипит! Кипение будет сопровождаться образованием великого множества пузырьков. Подхваченные потоком воды, пузырьки устремятся из суженного участка в широкую часть трубы. Но здесь скорость движения должна резко снизиться, а давление соответственно возрасти. Увеличение давления приведет к обратному процессу: конденсации пара, растворению газов в воде, т. е. к исчезновению пузырьков. Тут-то и начинается самое неприятное. Пузырьки будут лопаться. Их стенки, смыкаясь в тысячные доли секунды, вызовут скачок давления до сотен тысяч атмосфер. Исчезая, пузырек оставляет след — гидравлический удар. Он подобен уколу иголки.
В итоге «иголочки» сделают свое коварное дело: кристалл за кристаллом начнут они «съедать» металл трубы и, если им не препятствовать, то на стенке сначала появятся раковины, а затем и сквозные дыры.
На рисунке V1 и P1 — скорость и давление перед сужением. При значительном сужении скорость V в трубопроводе возрастает до некоторого критического значения V2=Vкp, а давление падает до давления насыщенных паров Р2 = Рн.п. Вода закипит. При выходе из сужения скорость V падает до V3, а давление возрастет до Р3. Здесь вода и начнет «поедать» трубу. Описанное явление получило в гидравлической технике название кавитации.
И так, что же такое кавитация?
Кавита́ция (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром. Существует два вида кавитации: гидродинамическая и акустическая. Гидродинамическая кавитация возникает при снижении давления в жидкости при увеличении ее скорости движения. Акустическая кавитация возникает в жидкости при пропускании через нее акустической волны большой интенсивности. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырёк захлопывается, излучая при этом ударную волну.
Кавитация способна возникнуть не только в сужении трубы, но всюду, где изменение профиля обтекаемого тела вызовет местное возрастание скорости, значит и местное падение давления.
Кавитация — непримиримый и коварный враг гидравлической техники. Она накладывает жесткое вето на увеличение скорости потока или скорости тела в потоке. Стоит нарушить запрет, и самый прочный металл, способный выдержать даже прямое попадание бронебойного снаряда, будет обращен в пыль от воздействия пузырьков обыкновенной воды.
Вредные последствия кавитации.
Первым фактором является химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает эрозию материалов, с которыми соприкасается жидкость, в которой развивается кавитация.
Второй фактор обусловлен большими забросами давления, возникающими при схлопывании пузырьков и воздействующими на поверхности указанных материалов. Поэтому кавитация во многих случаях нежелательна. Например, она вызывает разрушение гребных винтов судов, рабочих органов насосов, гидротурбин и т. п., кавитация вызывает шум, вибрации и снижение эффективности работы.
Когда схлопываются кавитационные пузыри, энергия жидкости сосредотачивается в очень небольших объемах. Тем самым, образуются места повышенной температуры и возникают ударные волны, которые являются источниками шума. Шум, создаваемый кавитацией, является особой проблемой на подводных лодках (субмаринах), так как из-за шума их могут обнаружить. При разрушении каверн освобождается много энергии, что может вызвать повреждения. Эксперименты показали, что вредному, разрушительному воздействию кавитации подвергаются даже химически инертные к кислороду вещества (золото, стекло и др.), хотя и намного более медленному. Это доказывает, что помимо фактора химической агрессивности газов, находящихся в пузырьках, важным является также фактор забросов давления, возникающих при схлопывании пузырьков. Кавитация ведёт к большому износу рабочих органов и может значительно сократить срок службы винта и насоса.
Говорят, что нет худа без добра. Кавитация — враг гидравлической техники. Она съедает тысячи тонн металла в год, ограничивает возможности гидравлических машин. Но она же подсказала инженерам и замечательную возможность использования разрушительной способности пузырьков.
Полезное применение кавитации
Хотя кавитация нежелательна во многих случаях, есть исключения.
Например, сверхкавитационные торпеды, используемые военными, обволакиваются в большие кавитационные пузыри. Существенно уменьшая контакт с водой, эти торпеды могут передвигаться значительно быстрее, чем обыкновенные торпеды. Такие исследования проводились, например, в Институте гидромеханики НАН Украины.
Кавитация используется при ультразвуковой очистке поверхностей твёрдых тел. Специальные устройства создают кавитацию, используя звуковые волны в жидкости. Кавитационные пузыри, схлопываясь, порождают ударные волны, которые разрушают частицы загрязнений или отделяют их от поверхности. Таким образом, снижается потребность в опасных и вредных для здоровья чистящих веществах во многих промышленных и коммерческих процессах, где требуется очистка как этап производства.
В промышленности кавитация часто используется для гомогенизации (смешивания) и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, например, смеси красок или молоке. Многие промышленные смесители основаны на этом принципе.
Также были разработаны кавитационные водные устройства очистки, в которых граничные условия кавитации могут уничтожить загрязняющие вещества и органические молекулы. Спектральный анализ света, испускаемого в результате сонохимической реакции, показывает химические и плазменные базовые механизмы энергетической передачи. Свет, испускаемый кавитационными пузырями, называется сонолюминесценцией.
Кавитационные процессы имеют высокую разрушительную силу, которую используют для дробления твердых веществ, которые находятся в жидкости. Одним из применений таких процессов является измельчение твердых включений в тяжёлые топлива, что используется для обработки котельного топлива с целью увеличения калорийности его горения. Кавитационные устройства снижают вязкость углеводородного топлива, что позволяет снизить необходимый нагрев и увеличить дисперсность распыления топлива. Кавитационные устройства используются для создания водно-мазутных и водно-топливных эмульсий и смесей, которые часто используются для повышении эффективности горения или утилизации обводнённых видов топлива.
Также кавитация активно применяется в медицине. Кавитация играет важную роль для уничтожения камней в почках посредством ударной волны литотрипсии. Литотриптор — прибор, предназначенный для разрушения камней в желчном и мочевом пузырях без хирургического вмешательства. Кавитация, создаваемая прохождением ультразвука в жидкостной среде, используется в работе хирургических инструментов для бескровного иссечения тканей плотных органов. Кавитация также применяется в стоматологии при ультразвуковой чистке зубов, разрушая зубной камень и пигментированный налет («налет курильщика»), а также косметологии.
http://nplit.ru/books/item/f00/s00/z0000051/st025.shtml — общие сведения
http://www.ntpo.com/patents_heat/heat_1/heat_64.shtml — кавитационный теплогенератор
http://eegroup.ru/page_bit/tehno — применение в быту