Кавитационная эрозия

Среди многих негативных проявлений кавитации (таких как шум, вибрация, эрозия), способствующих разрушению материалов, эрозия является наиболее важным с практической точки зрения. Эрозионные разрушения могут развиваться настолько быстро, что делают ту или иную конструкцию не-работоспособной уже через несколько часов эксплуатации.

В настоящее время рабочей является гипотеза Корнфельда – Суворова, согласно которой эрозионное разрушение материала вызывает «прошиваю щая» пузырек кумулятивная микроструйка, образующаяся при несимметричном замыкании пузырька вблизи твердой стенки (рис. 10.2: 1 4 фазы схлопывания кавитационного микропузырька).

Рис. 10.2

Рис. 10.3

По гипотезе Корнфельда – Суворова можно представить механизм раз-рушения материала конструкции в целом следующим образом (рис. 10.3: 1 – коллапсирующий пузырек; 2 – кумулятивная струйка; 3 – стенка ; 4 – «вы-давленный» материал (стадия пластической деформации); 5 – зона пластической деформации): при воздействии на обтекаемую поверхность, производи- мом кумулятивными струйками (процесс является импульсным и нестационарным), происходит деформация поверхности и, как следствие снижения усталостной прочности материала, выкрашивание, выбивание отдельных частиц. Начиная с этого момента интенсивность эрозии резко возрастает и существенную роль начинают играть гидродинамические факторы, определяющие разрушения в рамках теории ударной волны: вибрация, акустическое излучение и в определенных случаях химические и коррозионные факторы и т. п. На начальной стадии (пластическая деформация ) процесс возможно описать, решив гидродинамическую задачу проникания с учетом прочности материала.

Опыты показали, что кавитационному разрушению подвержены все материалы, даже самые прочные и твердые. В связи с этим неоднократно ис-следовался вопрос о том, какие характеристики материала определяют его эрозионную стойкость.

Е. П. Георгиевской была предложена эмпирическая формула для опре-деления введенного Тирувенгадамом понятия энергии деформации как пара-метра, характеризующего сопротивление материала эрозии:

где S_e расчетная величина энергии деформации; Т – временное сопротивление; Y – предел текучести; ᶓ-относительное удлинение.

Энергия деформации – это, по существу, мощность поглощения энергии на единицу объема металла до момента образования излома.

В значительной мере на развитие кавитационной эрозии влияют условия обтекания поверхностей: скорость, давление, градиент давления, температура. Установлено, что при фиксированном значении числа кавитации интенсивность эрозии очень сильно зависит от скорости потока. Опытные данные хорошо аппроксимируются степенной зависимостью

где U_кр критическая скорость, соответствующая моменту начала кавитационных разрушений; n – показатель степени. Большинство результатов экспериментов по определению интенсивности эрозии в зависимости от скорости потока показывают, что n=6.