Автор работы: Пользователь скрыл имя, 21 Июня 2013 в 13:31, реферат
Кавитация — явление разрыва капельной жидкости под дей¬ствием растягивающих напряжений, возникающих при разреже¬нии в рассматриваемой точке жидкости. При разрыве капельной жидкости образуются полости — кавитационные пузырьки, за¬полненные паром, газом или их смесью. Следовательно, разрыв жидкости обусловлен изменением характеристик поля скоростей и давлений.
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет
им. И.И.Ползунова»
Заочный факультет
Кафедра «Машины и аппараты пищевых производств»
РЕФЕРАТ
По дисциплине
«Физические основы вибрационных технологий»
НА ТЕМУ: КАВИТАЦИЯ
Шифр: 10143030
Введение
Явление кавитации было теоретически предсказано Рейнольдсом [56] задолго до того, как его впервые обнаружили при испытаниях эскадренного миноносца английского военно-морского флота «Дэринг» в 1893 г. Скорость миноносца оказалась значительно ниже предполагаемой, что было вызвано ухудшением характеристик винта вследствие возникновения пузырьков пара на его лопастях. С аналогичными трудностями пришлось столкнуться несколькими годами позже на первом турбинном корабле «Турбиния». На этом судне поочередно устанавливали семь различных винтов, но ни с одним из них не удалось достигнуть расчетной скорости. В конце концов признали необходимым вместо одного вала поставить три с тремя винтами на каждом. Оборудованный таким образом корабль достиг скорости 32 узла (~59 км/ч).
Кавитация — явление
разрыва капельной жидкости
Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости р становится ниже некоторого критического ркр.
Если давление снижается вследствие возрастания местных скоростей потока капельной жидкости, то кавитация называется гидродинамической, если снижение давления вызвано прохождением акустических волн, то кавитация называется акустической.
Критическое давление, при котором происходит разрыв жидкости, зависит от многих факторов: от чистоты жидкости, содержания воздуха, состояния поверхности, на которой возникает кавитация.
Кавитация может возникать в потоке жидкости, имеющем переменное поле давления, а также вблизи и на поверхности тел различной формы — в местах наибольшего разрежения. Переменное поле давления создается различным образом: в результате изменения скорости потока (движения тела), влияния формы тела, вследствие механических воздействий на жидкость (вибраторы гидроакустических станций).
Различают две стадии кавитации: начальную и развитую.
Разрежение на теле зависит от скорости его движения (скорости потока): при возрастании скорости оно увеличивается. Поэтому явление кавитации характерно для больших скоростей движения тел.
Начальная стадия появляется при больших разрежениях, приводящих к разрыву жидкости. Существуют различные формы начальной стадии кавитации: пузырчатая, пленочная, в виде вихревых шнуров.
Если представить себе жидкость, свободную от примесей, то при давлении, равном давлению ее насыщенных паров, происходит вскипание жидкости. Это явление называется паровой кавитацией. Образовавшиеся при этом пузырьки пара переносятся потоком в область повышенного давления, пар конденсируется, и пузырьки схлопываются.
В потоке жидкости, как правило, содержится некоторое количество газа, мельчайшие пузырьки которого имеют радиус ~10-9 м и невидимы для невооруженного глаза. Эти пузырьки воздуха — нуклеоны (зародыши) — переносятся потоком жидкости и, попадая в область более низкого давления, начинают расти. Через поверхность пузырька происходит диффузия газа: внутрь пузырька или из него в зависимости от концентрации газа в пузырьке и окружающей его жидкости. Это явление называется газовой кавитацией. Практически всегда наблюдается парогазовая кавитация.
При попадании в область повышенного давления кавитационный пузырек не всегда схлопывается: он может лишь уменьшиться в размере вследствие сжимаемости газа. При этом повышается температура газа в пузырьке и при очень больших давлениях возможно свечение газа.
Если пузырек содержит достаточно много газа, то, достигнув минимальных размеров, он начинает снова расти и, таким образом, совершает несколько циклов затухающих колебаний.
Если в пузырьке газа мало, то под действием повышенного давления размеры пузырька быстро уменьшаются, а схлопывание пузырька сопровождается звуковым импульсом и гидравлическими ударами, способными разрушать поверхность обтекаемого тела (кавитационная эрозия).
Однако в ряде случаев начальная стадия кавитации сопровождается образованием на теле тонкой пленки (пленочная кавитация). Экспериментальные исследования на моделях профилей, тел вращения, винтов в кавитационных трубах показывают, что форма начальной стадии кавитации зависит от многих факторов (размеров модели, состояния ее поверхности, типа экспериментальной установки).
Для выяснения картины начальных стадий кавитации на телах вращения по решению Международной конференции ученых, работающих в опытовых бассейнах разных стран мира, были проведены кавитационные испытания стандартного тела вращения с эллипсоидальной головкой и с полусферическим носиком в кавитационных трубах. Было замечено, например, что при испытании тела вращения с полусферической головкой пузырчатая кавитация возникает в районе минимального давления по длине тела.
Пленочная кавитация в виде пояска возникает в районе, значительно смещенном в корму модели от места минимального давления па теле. Возможно возникновение пленочной кавитации в виде пятен.
Таким образом, для тел вращения наиболее типичны три формы начальной кавитации: пузырчатая; пленочная в виде пояска; пленочная в виде пятен (рис. 1).
Рис. 1. Начальные стадии кавитации на теле вращения: а — пузырчатая; б — пленочная в виде пояска; в — пленочная в виде пятен.
При рассмотрении начальной
кавитации крыла конечного
Кавитация, возникающая на поверхности крыла, удаленной от кромок (профильная), может быть пузырчатой и пленочной;
пузырчатая сопровождается образованием пузырьков, пленочная— образованием каверны, вытянутой в продольном направлении и замыкающейся на профиле.
Кавитация на кромке крыла (кромочная) может быть различной формы в зависимости от относительной толщины крыльевого профиля, его кривизны, степени скругления носика и угла атаки. Первая форма кавитации характеризуется образованием пленочной каверны и возникает на засасывающей стороне относительно толстых профилей с большим радиусом скругления носика.
Рис. 2. Начальная стадия кавитации на эллиптическом крыле при х = 1,64; а = 8°, V = 15,4 м/с.
Вторая форма кавитации представляет собой полый шнур, тянущийся вдоль входящей кромки на некотором расстоянии от нее, и возникает на профилях с острым носиком, а также на нагнетающей стороне изогнутых профилей.
Кавитация в вихревых шнурах, сбегающих с крыла конечного размаха (вихревая), представляет собой в сущности кавитацию в следе за крылом. При достаточном разряжении в центре вихревого шнура нерастворимые пузырьки воздуха, попадая туда, начинают интенсивно расти (первая фаза). Когда давление в центре вихревого шнура достигает значения, близкого к упругости паров воды, происходит разрыв жидкости и образуются сплошные полости, тянущиеся на некотором расстоянии за крылом (вторая фаза). На рис. 2 приведена фотография кавитирующего эллиптического крыла с вихревыми шнурами.
При развитой кавитации каверна имеет вид прозрачной полости, замыкающейся на теле (частичная кавитация) или оканчивающейся за телом (суперкавитация). В районе замыкания каверны образуется струйка, которая, попадая в полость каверны,
где /?«,, Voo — давление и скорость потока на бесконечности; рк — давление в каверне; р — плотность жидкости.
Описанная выше кавитация
называется естественной, так как
ее возникновение связано с
Если в какую-либо разреженную область жидкости подавать воздух или иной газ, то возникает явление, называемое искусственной кавитацией (вентиляцией). Искусственную кавитацию можно создавать на телах различных форм: на крыльях, телах вращения, гребных винтах. Вследствие образования искусственных каверн (воздушных полостей) изменяются ноле давления на теле и гидродинамические силы, действующие на тело. Например, при вдувании воздуха на поверхности крыла изменяются его подъемная сила, момент, лобовое сопротивление.
Для создания на теле области разрежения предусматривают местные конструктивные изменения формы тела — выступы, или кавитаторы. Вдувание воздуха используют в лабораторных условиях для исследования физических процессов, характеризующих кавитацию, так как для получения естественной кавитации необходимы весьма большие скорости потока жидкости, обтекающей тело, а искусственную кавитацию можно получить при сравнительно малых скоростях потока.
При развитой искусственной кавитации каверна имеет вид прозрачной пленки, которая в хвостовой части либо сворачивается в две вихревые трубки, либо заканчивается обратной струйкой жидкости.
За один из основных параметров, характеризующих кавитацию, принимают число кавитации
Число кавитации
Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):
P — гидростатическое давление
набегающего потока, Па;
Ps — давление
насыщенных паров жидкости при определенной
температуре окружающей среды, Па;
ρ — плотность среды, кг/м³;
V — скорость
потока на входе в систему, м/с.
Известно, что кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости V = Vc, когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.
В зависимости от величины Χ можно различать четыре вида потоков:
Измерение
Уровень кавитации измеряют (как правило в относительных единицах) с помощью приборов, называемых кавитометрами.
Отрицательные свойства кавитации.
Наличие кавитации неблагоприятно сказывается на работе гидравлических машин, насосов, кавитационных тепловых нагревателей, турбин, судовых гребных винтов, приводящих к разрушению поверхности, или так называемой кавитационной эрозии. Необходимо знать, что на плохо обтекаемых телах, обладающих острыми кромками, формирование струйного вида кавитации происходит очень быстро. Если кавитационная волна встречает на своем пути препятствие, то она создаёт шум, вызывает вибрацию и разрушает его поверхность. Необходимо обращать особое внимание действие кавитации на организм человека. Например, при ультразвуковом медицинском обследовании в тканях человека могут возникать, и расти кавитационные пузырьки. При наличии кавитации ультразвук большой интенсивности может вызвать повреждение тканей и так далее…
Полезные свойства кавитации.
Хотя кавитация и нежелательна во многих случаях, существуют исключения ее полезного применения. В промышленности кавитация часто используется для гомогенизирования, или смешивания, и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, например, смеси красок или молоке. Кавитация способствует эмульгированию обычно не смешиваемых продуктов (например, мазут – вода), для интенсификации химических реакций в десятки, стерилизации обрабатываемой жидкости, для измельчения (диспергирования) до микронного уровня твердых частиц в жидкости, для гомогенизации обрабатываемого продукта, для ультразвуковой очистки устройств от вредных химических веществ на производстве и так далее. Способ приготовления грубых кормов, включающий обработку их раствором щелочи, отличающийся тем, что с целью размягчения и ускорения влагонасыщения корма, обработку его осуществляют в кавитационном режиме. Кавитация играет важную роль для уничтожения камней в почках посредством ударной волны литотрипсии. Для перемещения торпед под водой, военные используют кавитационные пузыри, которые существенно уменьшают контакт корпуса торпеды с водой и увеличивают её скорость.
Литература