Явление кавитации

В некоторых случаях при движении жидкости в закрытых руслах происходят явления, связанные с изменением агрегатного состояния жидкости, т.е. с превращением ее в пар, а также с выделением из жидкости растворенных в ней газов. Например, при течении жидкости через местное сужение трубы увеличивается скорость и падает давление. Если давление при этом достигает значения, равного давлению насыщенных паров этой жидкости при данной температуре, или давлению, при котором начинается выделение из нее растворенных газов, то в данном месте потока начинается интенсивное парообразование (кипение) и выделение газов. В расширяющейся части скорость потока уменьшается, а давление возрастает, поэтому образование паров и выделение газов прекращается. Выделившиеся пары конденсируются, а газы постепенно вновь растворяются в жидкости.

Это местное нарушение сплошноти течения с образованием паровых и газовых пузырьков (каверн), обусловленное местным падением давления в потоке, называется кавитацией. Кавитация сопровождахарактерным шумом, а при ее длительном воздействии – эрозионным разрушением металлических стенок. Это объясняется тем, что конденсация пузырьков пара (и сжатие пузырьков газа) происходит со значительной скоростью. Частицы жидкости, заполняющие полость конденсирующегося пузырька, устремляются к его центру и в момент завершения конденсации, т.е. при схлопывании пузырька, вызывают местные удары, т.е. занчительное повышение давления в отдельных точках. Поэтому материал при кавитации разрушается не там, где выделяются пузырьки, а там, где они конденсируются.

Каитация, обусловленная выделением паров жидкости, происходит по-разному в однокомпонентных и многокомпонентных жидкостях. В многокомпонентных жидкостях, состоящих из разных фракций, при кавитации сначала вскипают легкие фракции, а затеем тяжелые. Конденсация же паров происходит в обратном порядке – сначала выпадают тяжелые фракции, затем – легкие. Паровая фаза в многокомпонентных жидкостях удерживается дольше, и процесс кавитации выражен менее резко, чем в однокомпонентных жидкостях.

В отдельных случаях возникновение кавитации возможно также и без расширения потока вслед за его сужением, а также в трубах постоянного сечения при увеличении геометрической высоты и гидравлических потерь.

Для характеристики местных гидравлических сопротивлений в отношении кавитации применяется безразмерный критерий, называемый числом кавитации:

где и – давление, и скорость потока в сечении трубы перед местным сопротивлением (например, сужением). Значение , при котором в местном сопротивлении начинается кавитация, называется критическим числом кавитации . Число определяется в основном формой местного сопротивления, хотя в некоторой степени на него может влиять и число Рейнольдса.