Kavitation

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 25. februar 2020; checks kræver 29 redigeringer .

Kavitation (fra latin cavita s - tomhed) er den fysiske proces med dannelse af bobler (hulrum) i flydende medier, efterfulgt af deres kollaps og frigivelse af en stor mængde energi, som er ledsaget af støj og hydrauliske stød. Kavitationsbobler kan indeholde fortyndet damp. Kavitation opstår som et resultat af et lokalt trykfald i væsken, som kan opstå enten med en stigning i dens hastighed , for eksempel bag skibets propel (hydrodynamisk kavitation), eller når en akustisk bølge af høj intensitet passerer under sjældenheden halvcyklus ( akustisk kavitation ). Der er andre grunde til effektens udseende som følge af ydre fysiske påvirkninger. Bevæger kavitationsboblen sig med strømmen til et område med et højere tryk eller under en halv cyklus med kompression, kollapser kavitationsboblen, mens den udsender en chokbølge . I sin kerne har kavitation den samme virkningsmekanisme som en chokbølge i luft, der opstår, når et solidt legeme overvinder lydbarrieren .

Fænomenet kavitation er lokalt af natur og forekommer kun, hvor der er forhold. Undersøgelser har vist, at hovedrollen i dannelsen af bobler under kavitation spilles af gasser frigivet inde i de dannede bobler. Disse gasser er altid indeholdt i væsken, og med et lokalt trykfald begynder de intensivt at frigives til disse bobler.

Da boblerne under påvirkning af et variabelt lokalt tryk af væsken kan trække sig sammen og udvide sig kraftigt, varierer temperaturen på gassen inde i boblerne meget og kan nå flere hundrede grader Celsius. Der er beregnede data om, at temperaturen inde i boblerne kan nå 1500 °C [1] . Det skal også tages i betragtning, at de gasser, der er opløst i væsken, indeholder mere ilt i procent end luft, og derfor er gasserne i boblerne under kavitation kemisk mere aggressive end atmosfærisk luft - de forårsager til sidst oxidation (reaktion) af mange normalt inerte materialer.

Akustisk kavitation bruges i æstetisk medicin.

Skadelige konsekvenser

Den kemiske aggressivitet af gasser i bobler, som også har en høj temperatur, forårsager korrosion af materialer, som væsken kommer i kontakt med, hvori der udvikles kavitation. Denne korrosion er en af faktorerne til de skadelige virkninger af kavitation. Den anden faktor skyldes store overskridelser af tryk som følge af kollaps af bobler og påvirker overfladen af disse materialer [2] .

Kavitationskorrosion af metaller forårsager ødelæggelse af propeller af skibe, arbejdende dele af pumper, hydrauliske turbiner osv., kavitation forårsager også støj, vibrationer og et fald i effektiviteten af hydrauliske enheder.

Kavitationsboblernes kollaps fører til, at den omgivende væskes energi er koncentreret i meget små volumener. Der dannes således steder med høj temperatur, og der opstår stødbølger, som er kilder til støj og fører til korrosion af metallet. Støjen genereret af kavitation er et særligt problem i ubåde, da det reducerer deres stealth. Eksperimenter har vist, at selv stoffer, der er kemisk inerte over for ilt ( guld , glas , osv.) udsættes for skadelige, ødelæggende virkninger af kavitation, selvom de er meget langsommere. Dette beviser, at ud over faktoren for kemisk aggressivitet af gasserne i boblerne, er faktoren for trykstigninger, der opstår, når boblerne kollapser, også vigtig. Kavitation fører til højt slid på de arbejdende dele og kan reducere levetiden på propellen og pumpen betydeligt. I metrologi , ved brug af ultralydsflowmålere , modulerer kavitationsbobler bølger i et bredt område, herunder ved frekvenser udsendt af flowmåleren, hvilket fører til forvrængning af dets aflæsninger .

Forebyggelse af konsekvenser

Den bedste måde at forhindre de skadelige virkninger af kavitation på maskindele er at ændre deres design på en sådan måde, at det forhindrer dannelsen af hulrum eller for at forhindre ødelæggelsen af disse hulrum nær overfladen af delen. Hvis det er umuligt at ændre designet, kan der anvendes beskyttende belægninger , for eksempel termisk sprøjtning af koboltbaserede legeringer .

Hydrauliske drivsystemer bruger ofte genopladningssystemer . For at sige det enkelt er de en ekstra pumpe, hvorfra væsken begynder at strømme gennem en speciel ventil ind i det hydrauliske system, når trykket i sidstnævnte falder under den tilladte værdi. Hvis trykket i hydrauliksystemet ikke falder under det tilladte niveau, drænes væsken fra den ekstra pumpe ind i tanken. Make-up-systemer er f.eks. installeret i mange gravemaskiner .

Nyttigt program

Selvom kavitation i mange tilfælde er uønsket, er der undtagelser. For eksempel er superkavitationstorpedoer brugt af militæret pakket ind i store kavitationsbobler. Ved at reducere kontakten med vand markant, kan disse torpedoer bevæge sig meget hurtigere end konventionelle torpedoer. Så superkavitationelle torpedoer (" Shkval " og " Barracuda "), afhængigt af tætheden af vandmiljøet, når hastigheder på op til 370 km / t. Kavitation bruges også til at stabilisere nålekuglerne fra undervandsammunition (f.eks. ammunition til APS -geværet eller 5,45x39 PSP-patroner til ADS -geværet ).

Kavitation anvendes til ultralydsrensning af faste overflader. Særlige enheder skaber kavitation ved hjælp af lydbølger i en væske. Kavitationsbobler, når de kollapser, genererer chokbølger, der ødelægger partikler af forurening eller adskiller dem fra overfladen. Dette reducerer behovet for farlige og usunde rengøringsmidler i mange industrielle og kommercielle processer, hvor rengøring er påkrævet som et produktionstrin.

I industrien bruges kavitation ofte til at homogenisere (blande) og afsætte suspenderede partikler i en kolloid flydende sammensætning, såsom malingsblandinger eller mælk. Mange industrielle blandere er baseret på dette princip. Dette opnås normalt gennem design af hydrauliske turbiner eller ved at lede blandingen gennem en ringformet åbning, der har et smalt indløb og et meget større udløb: den tvungne reduktion i tryk fører til kavitation, da væsken har en tendens til et større volumen. Denne metode kan styres af hydrauliske enheder, der styrer størrelsen af indløbet, hvilket gør det muligt at justere processen i forskellige miljøer. Ydersiden af blandeventilerne, hvorpå kavitationsboblerne bevæger sig i den modsatte retning for at forårsage implosion (indvendig eksplosion), er udsat for et enormt tryk og er ofte lavet af ultrastærke eller stive materialer såsom rustfrit stål, stellit eller endda polykrystallinsk diamant (PCD).

Kavitation bruges til at behandle brændstof. Under forarbejdning renses brændstoffet yderligere (under kemisk analyse opdages øjeblikkeligt et signifikant fald i mængden af faktiske harpikser) [3] , og forholdet mellem fraktioner omfordeles (i retning af lettere). Disse ændringer, hvis brændstoffet straks leveres til forbrugeren, øger dets kvalitet og kalorieindhold, som følge heraf opnås en mere fuldstændig forbrænding og et fald i massefraktionen af forurenende stoffer. Der er stadig forskning i gang i effekten af kavitation på brændstof. De udføres af private virksomheder og institutioner, såsom det russiske statsuniversitet for olie og gas. I. M. Gubkin.

Der er også udviklet kavitationsvandrensningsanordninger, hvor kavitationsgrænseforhold kan ødelægge forurenende stoffer og organiske molekyler. Spektralanalyse af det lys, der udsendes som et resultat af en sonokemisk reaktion, viser de kemiske og plasmamæssige underliggende mekanismer for energioverførsel. Lyset, der udsendes af kavitationsbobler, kaldes sonoluminescens .

Kavitationsprocesser har en høj destruktiv kraft, som bruges til at knuse faste stoffer, der er i en væske. En af anvendelserne af sådanne processer er formaling af faste stoffer i tunge brændstoffer, som bruges til at behandle kedelbrændstof for at øge brændværdien af dets forbrænding.

Kavitationsanordninger reducerer viskositeten af kulbrintebrændstoffer, hvilket gør det muligt at reducere den nødvendige opvarmning og øge spredningen af brændstofsprayen.

Kavitationsanordninger bruges til at skabe vand-olie og vand-brændstof emulsioner og blandinger, som ofte bruges til at forbedre forbrændingseffektiviteten eller til at bortskaffe vandet brændstof.

Kavitation kan bruges til at male forskellige materialer (inklusive malme ). Til disse processer fremstilles industrielt udstyr [4] , hvor kavitation opnås ved hjælp af power ultralyd.

Medicinske applikationer

Kavitation forårsaget af retningsbestemte ultralydsanordninger bruges i medicin.

Kavitation spiller en vigtig rolle i urologien til at knuse nyre- og urinrørssten gennem chokbølgen af lithotripsi. En lithotriptor er en enhed, der er designet til at ødelægge sten i genitourinary-kanalen uden åben kirurgi.

Forskning har nu vist, at kavitation også kan bruges til at flytte makromolekyler ind i biologiske celler (sonoporation).

Kavitationen skabt af passage af ultralyd i et flydende medium bruges i driften af kirurgiske instrumenter til blodløs udskæring af væv af tætte organer (se CUSA ).

Kavitation bruges også i tandplejen under ultralydsrensning af tænder, ødelæggelse af tandsten og pigmenteret plak ("rygerplak") samt i kosmetologi til ikke-injektion af fedtsugning (cellulitebehandling og reduktion af lokale fedtdepoter).

Vingepumper og skibspropeller

Ved kontaktpunkterne for en væske med faste genstande, der bevæger sig hurtigt (arbejdslegemer af pumper, turbiner, skibspropeller, hydrofoils osv.), sker der en lokal trykændring. Hvis trykket på et tidspunkt falder under det mættede damptryk, krænkes mediets integritet. Eller mere enkelt, væsken koger. Derefter, når væsken kommer ind i et område med højere tryk, "kollapser dampboblerne", hvilket er ledsaget af støj, såvel som udseendet af mikroskopiske områder med meget højt tryk (når boblernes vægge kolliderer). Dette fører til ødelæggelse af overfladen af faste genstande. Det er som om de bliver "tæret". Hvis lavtrykszonen er stor nok, opstår et kavitationshulrum - et hulrum fyldt med damp. Som et resultat afbrydes den normale drift af knivene, og endda en fuldstændig fejl i pumpen er mulig. Det er kuriøst, men der er eksempler på, når kavitationshulrummet er specielt fastlagt ved beregning af pumpen. I tilfælde, hvor det er umuligt at undgå kavitation, undgår en sådan løsning den ødelæggende effekt af kavitation på pumpens arbejdende dele. Regimet, hvor et stabilt kavitationshulrum observeres, kaldes "superkavitationsregimet".

Vingepumper. Kavitation på sugesiden

Som regel observeres kavitationszonen nær sugezonen, hvor væsken møder pumpebladene. Jo højere sandsynlighed for kavitation

jo lavere er trykket ved indløbet til pumpen;
jo højere bevægelseshastigheden af arbejdslegemerne i forhold til væsken;
jo mere ujævn væskestrømmen omkring et fast legeme (høj angrebsvinkel for bladet, tilstedeværelsen af knæk, overfladeuregelmæssigheder osv.)

Centrifugalpumper. Kavitation i pumpehjulstætningen

I klassiske centrifugalpumper passerer en del af væsken fra højtryksområdet gennem mellemrummet mellem pumpehjulet og pumpehuset til lavtryksområdet. Når pumpen arbejder med en betydelig afvigelse fra designtilstanden i retning af stigende udløbstryk, øges strømningshastigheden af lækager gennem tætningen mellem pumpehjulet og huset (på grund af en stigning i trykfaldet mellem suge- og udløbshulrummet ). På grund af væskens høje hastighed i tætningen kan der opstå kavitationsfænomener, som kan føre til ødelæggelse af pumpehjulet og pumpehuset. Som regel er kavitationstilstanden i pumpehjulet i husholdnings- og industritilfælde mulig med et kraftigt trykfald i varme- eller vandforsyningssystemet: for eksempel når en rørledning, varmelegeme eller radiator går i stykker. Ved et kraftigt trykfald i området af pumpehjulet dannes et vakuum, vand begynder at koge ved lavt tryk. I dette tilfælde falder trykket kraftigt. Kavitationstilstanden fører til erosion af pumpehjulet, og pumpen svigter.

Kavitation i motorer

Nogle store dieselmotorer lider af kavitation på grund af høj kompression og små cylindervægge. Som et resultat dannes huller i cylinderens vægge, hvilket fører til, at kølevæsken begynder at komme ind i motorcylindrene. Det er muligt at forhindre uønskede fænomener ved hjælp af kemiske tilsætningsstoffer til kølevæsken, som danner et beskyttende lag på de ydre (ydre) vægge af cylindermanchettypen. Dette lag vil være underlagt den samme kavitation, men det kan reparere sig selv.

Kavitationsnummer

Kavitationsflowet er karakteriseret ved en dimensionsløs parameter (kavitationsnummer):

\mathrm{X} ={\frac {2(P-P_{s})}{\rho V^{2}}}

, hvor

$P$ — hydrostatisk tryk af den indgående strøm, Pa; er trykket af væskens mættede dampe ved en bestemt omgivelsestemperatur, Pa; — middel massefylde, kg/m³; er strømningshastigheden ved systemindløbet, m/s.
$P_{s}$
$\rho$
$V$

Det er kendt, at kavitation opstår, når flowet når grænsehastigheden, når trykket i flowet bliver lig med fordampningstrykket (mættede dampe). Denne hastighed svarer til grænseværdien for kavitationskriteriet. $V=V_{c}$

Afhængigt af størrelsen kan der skelnes mellem fire typer strømme: $\mathrm{X}$

præ-kavitationel - kontinuerlig (enfaset) strømning ved , $\mathrm{X} >1$
kavitation - (to-faset) flow ved , $\mathrm{X} \ca. 1$
film - med en stabil adskillelse af kavitationshulrummet fra resten af det kontinuerlige flow (filmkavitation) ved , $\mathrm{X} <1$
superkavitationel - kl . $\mathrm{X} \ll 1$

Dimension

Kavitationsniveauet måles (normalt i relative enheder) ved hjælp af instrumenter kaldet kavitometre [5] .

Se også

Noter

↑ (se f.eks. Bashta T. M. "Machine-building hydraulics", M .: "Engineering", 1971, s. 44-46.)
↑ Kavitation // Kasakhstan. National Encyclopedia . - Almaty: Kazakh encyclopedias , 2005. - T. III. — ISBN 9965-9746-4-0 . (Russisk) (CC BY SA 3.0)
↑ testrapport på http://cavitron.ru/documents Arkiveret 23. oktober 2013 på Wayback Machine
↑ CJSC "Atlant" - ultralydsinstallation "Hammer" . Dato for adgang: 29. december 2010. Arkiveret fra originalen 5. marts 2014. (ubestemt)
↑ Kavitometer . Hentet 1. juli 2022. Arkiveret fra originalen 5. juni 2022. (ubestemt)

Litteratur

Birkhoff G., Sarantonello E. Jets, spor og huler. om. fra engelsk. M.: Mir, 1964. 466s.
Kornfeld M. Elasticitet og styrke af væsker. M. : GITTL, 1951. 200-tallet.
Knapp R., Daly J., Hammit F. Kavitation. Moskva : Mir, 1974. 678 s.
Akulichev VA Kavitation i kryogene og kogende væsker. M. : Nauka, 1978. 280c.
Levkovsky Yu. L. Struktur af kavitationsstrømme. L.: Skibsbyggeri, 1977. 222s.
Ivanov AN Hydrodynamik af udviklede kavitationsstrømme. L.: Skibsbyggeri, 1980. 237s.
Pirsol I. Kavitation / Pr. fra engelsk. Yu. F. Zhuravlev; Red., med forord. og yderligere L. A. Epstein .. - M . : Mir , 1975. - 96 s. — ( I videnskabens og teknologiens verden ). (reg.)
Pernik AD Problemer med kavitation. 2. udg. Leningrad: Skibsbyggeri, 1966. 435 s.
Rozhdestvensky VV kavitation. L.: Skibsbyggeri, 1977. 248c.
Fedotkin I. M., Gulyi I. S. Kavitation, kavitationsudstyr og teknologi, deres anvendelse i industrien (teori, beregninger og design af kavitationsapparater). Del 1. - K .: Polygraphkniga, 1997. - 940 s.
A. Gavrilov. Cabines Russie magazine, marts 2011. [1]

Ordbøger og encyklopædier

I bibliografiske kataloger
BNE : XX4661462 BNF : 119793369 GND : 4163525-5 J9U : 987007284987105171 LCCN : sh85021547 NDL : 00566940 NKC : ph516962 SUDOC : 027837939

↑ A. Gavrilov. kavitation . Mediolan . CabinesRussie magazine (marts 2011). Hentet 24. november 2019. Arkiveret fra originalen 9. juli 2012. (ubestemt)