Течение капельной жидкости с кавитацией

Выше были рассмотрены ламинарный и турбулентный режимы течения жидкости, которые имеют место в гидравлических систе­мах при их нормальной эксплуатации. Но существуют течения, в которых происходит изменение агрегатного состояния капельной жидкости — часть ее переходит в газообразноесостояние. Это в

Рис. 4.4. Схема кавитации в местном Рис. 4.5. Изменение коэффициента сопротивлении местного сопротивления ζ при

кавитации

большинстве случаев приводит к нарушению сплошности среды и, как следствие, к сбою нормальной работы гидравлических систем.

Подобные проблемы могут возникать в местных гидравлических сопротивлениях и в гидромашинах.

Рассмотрим движение жидкости через трубу с местным суже­нием (рис. 4.4). В узком сечении 2— 2 существует повышенная ско­рость жидкости v₂ и в соответствии с уравнением Бернулли — пониженное давление р₂. Увеличение давления р_х в начальном сечении 1—1 приводит к увеличению расхода, что влечет за собой еще большее повышение скорости v₂ и дальнейшее снижение давления р₂. Причем последняя величина может достиг­нуть значения давления насыщенных паров р_{н п}.

В этом случае в сечении 2—2 начинается интенсивный переход капельной жидкости в газообразное состояние, т. е. образуется мно­жество парогазовых пузырьков. Такое явление в быту называют кипением, а в гидромеханике его принято называть кавитацией. Это приводит к нарушению сплошности потока и образованию «воздушных пробок».

Существенно больший вред может принести последующая кон­денсация паров и газов, находящихся в пузырьках. Рассмотрим это явление.

Пузырьки паров и газов, образовавшиеся в узком сечении 2—2, движутся вместе с жидкостью (вправо на рис. 4.4) и попадают в зону более высокого давления. Повышение давления происходит на участке от сечения 2—2 до сечения 3—3. В зоне более высокого давления пары конденсируются, т. е. переходят в жидкое агрегат­ное состояние, а газы растворяются в жидкости. Полость конден­сирующегося пузырька (пустота) заполняется жидкостью с боль­шой скоростью — пузырьки «схлопываются». Этот процесс сопро­вождается местными гидроударами, т.е. скачками давления в от­дельных точках. Такие точечные скачки давления способствуют об­разованию микротрещин и каверн в стенках, что может привести к их кавитационному разрушению, а в дальнейшем — к выходу из строя всего гидравлического устройства.

Необходимо отметить, что при кавитации резко возрастают коэффициенты местных сопротивлений ζ. На рис. 4.5 представлена зависимость ζ от давления в узком сечении 2—2 для трубки, изоб­иженной на рис. 4.4. Из анализа графика следует, что значение коэффициента сопротивления в широком диапазоне изменения давления р₂ остается постоянным, а при р₂ = р_нп, т.е. при кавитации, резко увеличивается. Это объясняется следующим: при кавитации в сечении 2—2 в любой момент времени присутствует некоторое количество пузырьков, поэтому фактическое проходное сечение потока уменьшается.

В связи с негативными явлениями, сопровождающими кавитацию, ее возникновение в большинстве гидросистем недопустимо.