§ 7.10. Кавитация
Кавитацией называется возникновение в движущейся жидкости областей, заполненных газом (паром). Причиной их образования является падение давления в жидкости до величин, меньших величин давления насыщения при данной температуре. При дальнейшем повышении давления может происходить конденсация с исчезновением (схлопыванием) пузырьков пара. При этом поверхности оборудования, вблизи которых находятся пузырьки пара, испытывают удар, что может приводить к ее эрозии (выбивание материала поверхности), к повышенной вибрации оборудования, а также к его разрушению.
Рис. 7.19
Кавитационные явления могут возникать в тех местных сопротивлениях, где наблюдается значительное увеличение скорости из-за сужения потока с последующим его расширением, например в трубках Вентури, диффузорах, соплах и т.д.. (рис. 7.19).
В узкой части потока (сечение 2-2) происходит падение давления и создаются условия для возникновения кавитации. При дальнейшем расширении потока (сечение 3-3) происходит возрастание давления (так как уменьшается скорость) и может происходить схлопывание пузырьков.
Расчет кавитации сводится к определению минимального давления p2 в узком сечении, равного давлению насыщения, при котором возникает кавитация. Для определения p2 запишем уравнение Бернулли применительно к сечениям 1-1 и 2-2 (рис. 7.19), разместив плоскость сравнения по центру канала, т.е. z1= z2= 0
.
Отсюда
или
.
Кавитационные явления приводят к увеличению коэффициентов местных сопротивлений и, следовательно, местных потерь напора. В качестве безразмерного критерия, определяющего кавитационные свойства местных сопротивлений, используют так называемое число кавитации
,
где p1, 1 – давление и скорость перед местным сопротивлением;
pкp – минимальное давление, при котором возникает кавитация (обычно оно равно давлению насыщения).
Величину давления парообразования pкр для различных жидкостей можно найти в физических справочниках. Величина pкр для воды приведена в таблице.
t, oC |
200 |
100 |
40 |
20 |
4 |
pкр мм рт. ст. |
11660 |
760 |
55,3 |
17 |
4 |
Из приведенных данных следует, что при
вода закипает при давлении 17 мм рт.ст.
Кавитация возникает не только при движении жидкости в трубах и каналах, но и при внешнем обтекании тел, например, на лопатках гидромашин,
гребных винтов и т.п. При больших скоростях их вращения скорости течения среды могут быть настолько большими, что в некоторых областях давление падает до давления парообразования. Как следствие, возникает кавитация, которая приводит к увеличению сопротивления (потерь энергии), появлению вибрации и кавитационных шумов и, возможно, к разрушению конструкции. В связи с этим при проектировании гидромашин необходимо стремиться к обеспечению такого кавитационного числа , при котором кавитационные явления должны быть исключены.
Задача 1 Построить характеристики
двух последовательно соединенных
трубопроводов и найти их суммарную
характеристику при следующих исходных
данных (рис. 7.20):
;
;
;
;
;
,
где
- эквивалентная шероховатость. Потери
напора в местных сопротивлениях не
учитывать.
Решение. Потеря напора определяется по формуле
,
(а)
где
; 
.
Рис. 7.20
Задаваясь рядом значений , по формуле (а) находится потеря напора . По этим результатам строятся характеристики первого и второго трубопроводов (1 и 2) (рис. 7.21). Затем находится их суммарная характеристика 1+2 путем сложения потерь напора при неизменном расходе.
Рис. 7.21