Кавитационные режимы течения

В некоторых случаях при движении жидкости в закрытых рус­лах происходят явления, связанные с изменением агрегатного со­стояния жидкости, т. е. с превращением ее в пар, а также с вы­делением из жидкости растворенных в ней газов.

Например, при течении жидкости через местное сужение трубы происходит увеличение скорости и падение давления. Если абсо­лютное давление при этом достигает значения, равного упругости насыщенных паров этой жидкости при данной температуре, то в данном месте потока начинается интенсивное парообразование и выделение газов, т. е. местное кипение жидкости. В расширяю­щейся части потока скорость уменьшается, а давление возрастает и кипение прекращается; выделившиеся пары частично или полно­стью конденсируются, а газы постепенно растворяются.

Это местное закипание жидкости, обусловленное местным падением давления в потоке, с последующей конденсацией паров в области повышенного давления называется кавитацией.

Наглядно это явление можно продемонстрировать на простом устройстве (рис. 42). Вода или другая жидкость под давлением в несколько атмосфер подводится к регулировочному крану (вентилю) А и далее протекает через стеклянную трубку, которая сна­чала плавно сжимает поток, затем еще более плавно его расширя­ет и

выводит в атмосферу через кран Б.

При небольшом открытии регулировочного крана и, следова­тельно, при малых значениях расхода и скорости, падение давле­ния в узком месте трубки незначительно, поток вполне прозрачен и кавитации нет. При постепенном открывании крана А в трубке происходит увеличение скорости и падение абсолютного давления.

При p_абс=p_t, где p_t—упругость насыщенных паров, в трубке появляется отчетливо видимая зона кавитации, размеры которой возрастают по мере дальнейшего открытия крана.

Кавитация сопровождается характерным шумом, а при длитель­ном ее воздействии также эрозионным разрушением металличе­ских стенок. Последнее объясняется тем, что конденсация пузырь­ков пара происходит со значительной скоростью, частицы жидко­сти, заполняющие полость конденсирующегося пузырька, устрем­ляются к его центру и в момент завершения конденсации вызыва­ют местный гидравлический удар, т. е. значительное местное по­вышение давления. Разрушение материала при кавитации проис­ходит не там, где выделяются пузырьки, а там, где они конденси­руются.

Кавитация в обычных случаях является нежелательным явлени­ем и ее не следует допускать в трубопроводах и других гидравли­ческих системах. При возникновении кавитации значительно воз­растает сопротивление трубопроводов и, следовательно, уменьшает­ся их пропускная способность.

Кавитация может возникать во всех устройствах, где поток пре­терпевает местное сужение с последующим расширением, напри­мер, в кранах, вентилях, задвижках, диафрагмах, жиклерах и др. В отдельных случаях возникновение кавитации возможно также и без расширения потока вслед за его сужением, а также в трубах постоянного сечения при увеличении нивелирной высоты и гидрав­лических потерь.

Кавитация может иметь место в гидравлических машинах (на­сосах и гидротурбинах), а также на лопастях быстро вращаю­щихся гребных винтов. В этих случаях следствием кавитации яв­ляется резкое снижение коэффициента полезного действия машины и затем постепенное разрушение ее деталей, подверженных воз­действию кавитации.

В самолетных гидравлических системах кавитация может воз­никать в связи с уменьшением наружного давления при подъеме на высоту. В этом случае область кавитации распространяется на значительную часть трубопровода низкого давления (всасывающе­го трубопровода) или даже на всю его длину. Поток в трубопрово­де при этом делается двухфазным, состоящим из жидкой и паро­вой фаз.

В начальной стадии паровыделения паровая фаза может быть в виде мелких пузырьков, приблизительно равномерно распреде­ленных по объему движущейся жидкости (рис. 43, а). При даль­нейшем паровыделении паровая фаза увеличивается и происходит укрупнение пузырьков, которые в горизонтальной трубе движутся преимущественно в верхней части сечения (рис. 43,6). Наконец, возможны случаи полного разделения паровой и жидкой фаз и дви­жения их самостоятельными потоками: первая — в верхней, вто­рая — в нижней части сечения трубопровода (рис. 43, в). При не­больших диаметрах трубопровода возможно образование паровых пробок и движение фаз чередующимися столбиками (рис. 43, г).

Очевидно, что с увеличением паровой фазы пропускная способ­ность трубопровода значительно уменьшается. Конденсация выде­лившихся паров (частичная или полная) происходит в насосе, где давление значительно повышается, и в напорном трубопроводе, по которому жидкость движется под большим давлением от на­соса к потребителю.

Явление кавитации происходит по-разному в однокомпонентных (простых) и многокомпонентных (сложных) жидкостях. Для одно­компонентной жидкости давление, соответствующее началу кави­тации, вполне определяется упругостью насыщенных паров, зависящей только от температуры, и явление кавитации протекает так, как было описано выше.

Многокомпонентная жидкость состоит из так называемых лег­ких и тяжелые фракций. Первые обладают большим значением упругости паров, чем вторые, поэтому при кавитации сначала вски­пают легкие фракции, а затем тяжелые. Конденсация же паров происходит в обратном порядке: сначала выпадают тяжелые фрак­ции, затем—легкие.

При наличии легких фракций многокомпонентные жидкости более склонны к кавитации и паровая фаза в них удерживается дольше, но процесс кавитации выражен менее резко, чем у жидко­стей однокомпонентных.

Для характеристики режимов течения в отношении кавитации применяется безразмерный критерий, называемый числом кавита­ции и равный

где р и  — соответственно абсолютное давление и скорость по­тока.

Очевидно, что по своему смыслу число кавитации аналогично числу Еu. Однако иногда оказывается удобнее приме­нять несколько иное выражение числа кавитации, а именно

где Н—полный напор потока (z=0).

Из предыдущего изложения ясно, что в месте возникновения кавитации =0 и =1. Но обычно число кавитации  (или ) опре­деляют на входе в тот или иной агрегат, внутри которого возможно возникновение кавитации.

Значение  (или ) при котором в агрегате начинается кави­тация,. называется критическим числом кавитации. При >_кр коэффициент сопротивления агрегата  от  не зависит, а при <_кр  возрастает с уменьшением .

Обычно стремятся к тому, чтобы кавитацию в гидравлических системах не допускать. Но иногда это явление может оказаться полезным. Например, оно используется в так называемых кавитационных регуляторах расхода.

Принцип действия такого регулятора можно рассмотреть, вер­нувшись к схеме, показанной на рис. 42. Предположим, что дав­ление в сечении 1—1 (p₁) является постоянным (степень открытия крана А—неизменная), а давление в сечении 3—3 (р₃) постепен­но уменьшается увеличением степени открытия крана Б. Благодаря этому расход через трубку увеличивается, а давление в узком се­чении 2—2 (p₂) уменьшается.

Так будет происходить до тех пор, пока давление p₂ не сдела­ется равным давлению насыщенных паров p_t и в сечении 2—2 не возникнет кавитации. При дальнейшем увеличении степени откры­тия крана Б область кавитации в узком месте трубки будет уве­личиваться, а давление р₂, будет оставаться равным p_t. Расход при этом будет оставаться постоянным, несмотря на падение дав­ления р₃.

Таким образом удается стабилизировать расход жидкости через регулятор в условиях, когда противодавление р_з меняется в пре­делах от критического (р_з)_кр, соответствующего началу кавитации, до нуля.

Описанная стабилизация расхода вследствие кавитации ана­логична явлениям, возникающим при истечении газа через отвер­стия и насадки, когда скорость истечения делается равной местной скорости звука.