10. Кавитация

Кавитацией называется образование в капельной жидкости полостей, заполненных паром, газом, или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков или каверн). Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения р_кр (в реальной жидкости р_кр приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре). Если пони­жение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидко­сти, то кавитация называется гидродинамической, а если вследствие прохождения звуковых волн большой интенсивности — акустической.

Гидродинамическая кавитация обычно возникает в результате местного понижения давления, вызван­ного возникновением больших местных скоростей в потоке. Мельчайшие пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком и попадая в область давления р < р_кр, сильно расширяются в результате того, что давление содер­жащегося в них пара и газа оказывается больше, чем суммарное действие поверхностного натяжения и дав­ления в жидкости. В результате на участке потока с пониженным давлением, например в трубе с местным сужением, создается довольно четко ограниченная кавитационная зона, заполненная движущимися пу­зырьками.

Выделившиеся из жидкости пузырьки пара и газа увлекаются потоком и переносятся в область более высокого давления, в которой пузырьки паров жидкости конденсируются и переходят в жидкое состояние, а воздушные сжимаются или полностью смыкаются. Так как сокращение кавитационного пузырька проис­ходит мгновенно, частицы жидкости перемещаются к его центру с большой скоростью. В результате кине­тическая энергия соударяющихся частиц вызывает в момент смыкания пузырьков местные гидравличе­ские микроудары, сопровождающиеся высокими забросами давления и температуры в центрах пузырь­ков. По расчетам температуры могут достигать значений 1 500 °С и выше, а местное давление — до 200 МПа.

Большая энергия, рассеиваемая при охлопывании кавитационных пузырей вблизи поверхности обтекае­мого тела, может приводить к ее повреждению. Масштабы такого явления, называемого гидравлической эро­зией, могут быть разными — от точечной поверхностной эрозии после многих лет эксплуатации до катастро­фического выхода из строя насосов, гидроаппаратов и т.п.

Кавитация может существенно увеличивать гидродинамическое сопротивление, в результате чего снижа­ется коэффициент полезного действия гидравлического оборудования, может стать причиной снижения пода­чи насоса и даже срыва его работы.

Для избежания опасности возникновения кавитации в гидросистемах, рекомендуется соблюдать, как ми­нимум, следующие условия:

• давление в потоке жидкости должно быть больше давления насыщенных паров;

• режим течения жидкости по возможности должен быть ламинарным;

• температура рабочей жидкости не должна превышать значение, при котором может начаться образова­ние газовых пузырьков;

• максимально возможное ограничение попадания воздуха в рабочую жидкость.

Наиболее эффективным способом предотвращения возникновения кавитации в гидросистемах является повышение рабочего давления в проблемных зонах. В частности, радикальным способом борьбы с кавитаци­ей в насосах является применение насосов подкачки.

Для уменьшения разрушающего эффекта кавитации используют противоэрозионные материалы, специ­альные покрытия из бронзы, хрома и др.

Наиболее стойкими к гидравлической эрозии являются титан, бронза и нержавеющая сталь, а наименее стойкими — чугун и углеродистая сталь.

Полностью устранить разрушительное действие кавитации путем применения стойких против коррозии материалов не представляется возможным.