В.В. Рождественский - Кавитация

КАВИТАЦИЯ допущаио Министетством вмсыаго и опедпвго специальиого1 сбравоваиип СССР в иачвствв учаонога посолил длп студентов вуасв, опучаьлщнхсл по специальности «Гидроаародинамнип» Ивдательотао , Судостроаипи" Лвииигрлд лпуу УДК 880.18.001.11 1 888.6И Р62 Рецензенты: канд. техн. наук А. С. Гершвин, докт. техн. наук проф. А. Н. Патрашев Научный редактоР докт. техн. наук проф. И. т. Вееров Р 8 — 77 81808 — 071 018~01) — 77 © Издательство «Судостроение», 1977 г.

Учебное пособие написано в соответствии с программой одноименного нурса лекций. читаемых автором в Ленинградском кораблестроительном институте студентам специальности «Гндроаэродинамнка». В книге раскрывается физическая природа явления кавитации. Рассматриваются начальная стадия кавитацни гпузырчатая) и развитая навигация. Приведены схемы изучения начальной стадии кавитации и поназано исследование движения парогазового пузырька в безграничной жидкости и вблизи твердой стенки.

Основное внимание уделено изучению ваавитых кавитационных течений при использовании методов иелннеиной и линейной теорий. Рассматривается решение задач о нестационарных кавитациониых течениях методом поинциала ускорения. Показано. что многие задачи о стационарных и нестационариых кавнтационных течениях сводятся и задаче Римана — Гнльберта для полуплоскосги и успешно решмотся с помощью формулы Келдьшш — Седова. Рассматривается искусственная кавитацня как метод физического исследования явления, а также как способ изменения гидродииамическнх характеристик различных тел. Приведены некоторые результаты экспериментальных исследований искусственных каверн, образованных на телах простых форм. Учебное пособие предназначено для студентов кораблестроительных институтов специальности «Гндроаэродннамика», может быль полезен студентам других специальностей, а также аспирантам н инженерам, завитым исследованием проблем кавитации.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ р — давление жидкости в проиэвольной точке. рк — давление гаэа в каверне. и — число навигации, л — ускорение силы тяжести. Н вЂ” глубина погружения тела. гг — число Фруда Л вЂ” радиус навитационного пузырька. а — угол атаки. р — половина угла раствора клипа. р — динамическая вяакость.

т — кииематическая вязкость. р — плотность жидкости. о — коэффициент поверхностного натяжения. ге — комплексный потенциал скорости течения (характеристическая функция). ф — потенциал скорости. ф — функция тока. Иге 1в — ='г' ~ р~е — комплексная скорость тече<ах ния, где ٠— мцкуль функцвн; 0 — аргумент. 'г'„— скорость потока на бесконечности, рк — скорость частицы жидкости иа границе каверны. ух, гэ — проекции вектора скорости на оси прямоугольной системы координат.

ох, оа — проекции вызванных скоростей. ы — функция Н, Е. Жуковского. Х вЂ” сила сопротивления. г' — подъемная сила. М вЂ” гидродниамический момент. Сл — безразмерный коэффициент сопротивления. Св — безразмерный коэффициент подъемной силы. Сэг — безразмерный коэффициент момента. Со — коэффициент раскода газа.

Ф вЂ” потенциал уснорения. Р (в, ~) = Ф + гэр — комплеисный потенциал ускорения. ВВЕДЕНИЕ Кавитация — явление разрыва капельной жидкости под действием растягивающих напряжений, возникаюших при разрежении в рассматриваемой точке жидкости. При разрыве капельной жидкости образуются полости — кавитационные пузырьки, заполненные паром, газом или их смесью. Следовательно, разрыв жидкости обусловлен изменением характеристик поля скоростей и давлений.

Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости р становится ниже некоторого критического р„р. .Если давление снижается вследствие возрастания местных скоростей потока капельиой 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, имеюгцем 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: н а ч а л ь н у ю и р а звитую. 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 появляегся прн больших разрежениях, приводящих к разрыву жидкости. Существуют различные формы начальной стадии кавитацин: пузырчатая, пленочная, в виде вихревых шнуров. Если представить себе жидкость, свободную от примесей, то прн давлении, равном давлению ее насыщенных паров, происходит вскппание 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' ' м и невидимы для невооруженного глаза. Эти пузырьки воздуха— нуклеоны (зародышн) — переносятся потоком жидкости и, попадая в область более низкого давления, начинают расти. Через поверхность пузырька происходит диффузия газа: внутрь пузырька нли из него в зависимости от концентрации газа в пузырьке и окружающей его жидкости. Это явление называется газовой кавитацией. Практически нсегда 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 схлопываиие пузырька сопровождается звуковым импульсом и гидравлическими ударами, способными разрушать поверхность обтекаемого тела (кавитационная эрозия). Однако в ряде случаев начальная стадия кавитацин сопровождается образованием на теле тонкой пленки (пленочная кавнтация). Экспериментальные исследования на моделях профилей, тел вращения, винтов в кавнтацпонных 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 минималыюго давления по длине тела. 6 Пленочная кавитация в виде пояска возникает в районе, значитечьно смещешюм в корму модели от места минимального давления па теле. Возможно возникновение пленочной кавитацип в виде пятен.

Таким образом, для тел вращения наиболее типичны три формы начальнои кавитации: пузырчатая; пленочная в виде пояска; пленочная в виде пятен (рис. 1). Рнс. ц Начальные стадии кавитапни на теле враптенитн а— пузырчатая; б — пленочная в виде пояска; в — пленочная в виде пятен. При рассмотрении начальной кавитацип крыла конечного размаха учитывают особенности ее возникновения и развития па различных участках поверхности крыла и за крылом: на поверхности крыла, удалеьшой от кромок; на кромке крыла; в концевых вихрях.

Кавитация, возникающая на поверхности крыла, удаленной ог кромок (профильная), может быть пузырчатой н пленочной; ? пузырчатая сопровождается образованием пузырьков, пленочпая— образованием каверны, вытянутой в продолыюм направлении и замыкающейся на профиле. Кавитацня 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 скруглепия носика. Ркс. 2. Нлчелькек стлляк кекктелкк кк эллклткческон крыле прк к =-.