3. Физические основы кавитации
Под кавитацией в жидкости понимают образование заполненных паром и газом полостей или пузырьков при локальном понижении давления в жидкости до давления насыщенных паров. Соотношение содержания газа и пара в полости может быть различным (теоретически от нуля до единицы). В зависимости от концентрации пара или газа в полости их называют паровыми или газовыми.
Процесс кавитации включает в себя 2 этапа:
Этап 1: Переход жидкости в парообразное состояние.
Этап 2: Переход пара в жидкое состояние.
Кавитация возможна в любой рабочей среде, где может иметь место превращение жидкости в пар. Основной предпосылкой ее возникновения является большой перепад скоростей потока.
Кавитация возникает:
Вода в трубопроводе находится под давлением, которое выше давления, необходимого для испарения
В начальный момент в резервуаре вся энергия воды является потенциальной. Попав в трубу, потенциальная энергия преобразуется в
Кинетическую энергию
Энергию давления
Потери энергии
При сужении потока увеличивается его скорость,а с ней и кинетическая энергия. В самом узком месте (в проходном сечении) та доля энергии, что приходится на энергию давления, становится совсем малой.
Если давление в результате перераспределения энергии в пользу кинетической падает ниже давления насыщенного пара – вода начинает испаряться, появляются пузырьки, что приводит к росту давления, благодаря чему, в конце концов, пузырьки схлопываются. Пузырьки, схлопывающиеся внутри трубопровода вдали от его стенок, не представляют никакой опасности; интенсивность данного процесса зависит от давления.
При переходе в жидкое состояние пузырьки мгновенно разрушаются (происходит микровзрыв), и окружавшая пузырек жидкость резко ускоряется, чтобы заполнить возникшую пустоту, в результате возникают так называемые «микроструи» со скоростью свыше 1000 м/с
Основные факторы возникновения кавитации:
Высокий перепад давления
Низкое противодавление
Высокая скорость потока
Кавитация – физическое явление, возможность ее возникновения зависит от условий эксплуатации.На стадии разработки и конструирования, а также при выборе арматуры для технологических трубопроводов следует учитывать кавитацию, предотвращая ее возникновение. Когда же это невозможно, надежную работу должны обеспечить правильно подобранная арматура,
стойкая к кавитационным процессам.
4. Потери напора, местные сопротивления
Рассмотрим потерю механической энергии потоком, находящемся в неподвижном русле, обусловленную работой только сил трения, возникающих в реальной жидкости при ее движении. Именно эта потеря энергии hfучитывалась при рассмотрении уравнения Бернулли (широко употребляется обозначение ее hw).
Различают два вида потерь напора hf. Потери напора, обусловленные сопротивлением движению жидкости со стороны внутренней поверхности русел (касательными напряжениями, действующими со стороны твердых границ на поток), при равномерном движении пропорциональны длине l участка русла (канала, трубопровода), поэтому их называют потерями напора по длинеи обозначают через hℓ или hдл.
Потери напора при резкоизменяющемся движении связаны с изменением скорости по величине или направлению, сопровождающемся образованием водоворотных областей. Потери напора при резкоизменяющемся движении считаются сосредоточенными в месте, где поток деформируется, и их называют местными потерями напора; каждую из местных потерь будем обозначать в обобщенном виде через hм.
Участок, где поток претерпевает резкую деформацию (изменение скорости), называется местным сопротивлением. К местным сопротивлениям относятся внезапное расширение, внезапное сужение, поворот, вход в трубу из резервуара, выход из трубы под уровень, задвижка, тройник и др. В дальнейшем местную потерю напора на конкретном сопротивлении будем обозначать соответствующим индексом: hвн.р., hвн.с., hпов., hвх., hвых и т.п.
Таким образом, в общем случае для участка потока (например трубопровода) можно записать:
∑ hf =∑ hℓ +∑ hм.
Потери напора в первую очередь зависят от скорости движения жидкости и режима движения.