Разрушительные эффекты развитой кавитации
Вообще говоря, существует два механизма, оказывающих разрушительное воздействие на тела в зоне развитой кавитации:
-механизм образования кумулятивной струйки по Корнфельду – Суворову вследствие несимметричного схлопывания кавитационного микропузырька вблизи стенки или обтекаемой потоком поверхности, обусловливающий кавитационную эрозию;
-механизм действия сферичных ударных волн, возникающих при симметричном схлопывании пузырьков в «безграничной» жидкости при отсутствии в жидкости достаточно больших по размеру твердых примесей.
Как правило, эффекты, связанные с кавитацией, крайне нежелательны в технике (разрушение рабочих органов насосов, гидротурбин, корабельных винтов; вибрация оборудования; износ трубопроводов и гидроарматуры и многое другое).
По данным различных исследователей, максимальное давление внутри пузырька достигает от 20 до 100 МПа (в зависимости от принятых граничных условий). Причем давление в ударной волне затухает по геометрическому за-кону: обратно пропорционально расстоянию от центра пузырька.
При несферическом схлопывании пузырька с образованием кумулятивной ультраструйки давление удара можно получить из уравнения гидравлического удара
где и a – плотность и скорость звука; V0 – скорость струи. Индекс s-относится к материалу поверхности, о которую ударяется струя.
Расчеты без учета теплообмена и пространственно-временного распределения температуры в сжимающемся пузырьке и прилегающей к нему области не дают полной картины процесса и не позволяют построить достоверную и полную модель образования ударных волн, физического механизма их возникновения.
Максимальная скорость стенки пузырька R меньше скорости звука при учете теплообмена (не более 600 м/с), и образование ударных волн, наблюдаемое экспериментально, трудно объяснить.
По-видимому, описать все возможные схемы взаимодействий схлопывающихся микропузырьков и дисперсной фазы не представляется возможным. Имеет смысл остановиться на наиболее очевидных (табл. 10.2), предполагая, что равновероятно существование множества других схем и их возможных комбинаций. В табл. 10.2 отмеченные схемы можно рассматривать как элементарные «трибологические ячейки» взаимодействия кавитационных микропузырьков и дисперсной фазы; сферическая форма частиц дисперсной фазы только первое приближение к реальной форме, которая в общем случае произвольна.
Таблица 10.2
Схемы силового взаимодействия ударных волн и полидисперсной фазы в жидкости
п/п |
Схема |
Описание |
|
|
|
|
|
|
2 |
3 |
|
Взаимодействие одиночной частицы дис-персной фазы с фронтом ударной волны
Взаимодействие частицы с кумулятивной струйкой при несимметричном коллапсе пузырька
(при соответствующем размере частицы)
Кроме гидродинамического, проявляется и трибомеханическое разрушение частиц из-за воз-никающих при таком контакте сил трения, качения
и сдвиговых деформаций
Взаимодействие одиночной частицы с сис-темой ударных волн при схлопывании групп пу-
зырьков
Воздействие ударных волн при схлопывании групп пузырьков на скопление частиц дисперсной
фазы
Одновременное воздействие ударных волн и кумулятивных ультраструек