Голямина И.П. - Ультразвук (маленькая энциклопедия) (1040516), страница 58
Текст из файла (страница 58)
А. Агрокат. КАВИТАЦИЯ вЂ” образование в жидкости пульсирующих пузырьков (каверн, полостей], заполненных паром, гаваи или их смесью. Различают акустическую К., возникающую при прохождении звуковой волны болыиой интенсивности, и гидродинамическую, обугловлеиную сильным локальным понижением давления в жидкости вследствие болыпих скоростей течении. В интенсивной звуковой волне во время полуперподов раврежеиия воаникагот кавитационные пузырьки, к-рые резко захлопываются после перехода в область повышенного давления, порождая сильные гидродинамич. возмущения в жидкости, интенсивное излучение акустич. волн и вызыван разрушение поверхностей твердых тел, граничащих с кавитирующей жидкостью.
Возникновение навитации. Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление Р в жидкости становится ниже некоторого критич, значенвя Рк, соответствующего порогу К. Для идеальной однородной чистой жидкости вероятность спонтанного обравования пузырьков становится заметной лишь при достаточно больших растягивающих напряжениях, напр. для воды теоретич.
величина Ри блиака к — 1,5 10'Па =- =- — 1500 кгсг'смз; реальные жидкости менее прочны. Максимальное растяжение тщательно очищенной воды, достигнутое нри 10 'С, составляет — 2,8.10'Па = — — 280 кгс)см'". В обычных условиях раарыны оплошности жидкости возникают при давлениях, лишь немного меньших давления насыщенного пара при данной темп-ре. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием н них т. н. зяродмшей кавитаиии — микроскогцш, газовых пузырьков, твйрдых частиц с трещинами, ваполненными гааом, н т.
д. К. возникает в результате потери устойчивости зародышей, попадаюп1их в область пониженного давления в звуковой волне, н быстрого их роста. Процесс расширения пузырьков-зародыпгей обусловлен рядом эффектовг давлением газа и пара в пузырьке, превышаюнгим давление в окружающей жидкости; диффузией газа в пу- КАВИТАЦИЯ вирек из жидкости; испарением жидкости и увеличением массы пара в пузырьке; коагуляцией аародьзшеп. Первый иэ перечисленных механизмов играет основную роль в образовании каверны при резком понижении давления в жидкости с малым содержанием газа в области темп-р, далекпх от точки кипения.
Чикроскопич, пузырек, попадая в область разрежения, сильно расширяется в результате того, что давление содержащихся в нем пара и газа оказывается превосходящим суммарное действие поверхностного натяжения п давления Р в жидкости. Скорость расширения пузырька в этом случае определяется импульсом, к-рый получают окружающие слои жидкости под действием давления (З пара п газа в пузырьке, и приближенно выражается ф-лои: и У())р, где (3,д Р, р — плотность жидкости. При 0 .= 10'Па и = 10« см(с, т.
е. при достаточно резком понижении давления пузырек быстро расширяется. Диффузионный механизм обычно проявляется при сравнительно медленных изменениях давления (т. е. при низких частотах) в жидкости с большим газосодержанием. При расширении пузырька концентрация газа в нем падает, и газ диффундирует из жидкости в пузырек. Скорость диффузионного расширения пуаырька з - — ')г —, где р, — плотность гааа с ° / гз =ив ,У вЂ” ~ ° в пузырьке, С вЂ” массовая концентрация растворенного газа, 1) — коэфф.
диффузия газа в жидкости (для воздуха в воде 10 2 10-« смз/с), с— время. Скорость этого процесса невелика; так, напр., 'в свежей водопроводной воде (С = 10 ' г(см«) пуаырек достигает радиуса )1 = — 10-' см аа время 1 = 10 мин. При повышении звукового давления пузырек сжимается, и происходит диффузия газа из пузырька в жидкость. Количество продиффундировавшего газа пропорционально площади поверхности пузырька, к-рая в стадии расширения больше, чем в стадни сжатия.
В силу этого полной компенсации дяффувионных потоков ие происходит; масса газа, ааполнившего пузырек в процессе его расширения, превышает массу газа, ушедшего из пузырька при его сжатии, так что в целом за период количество газа в пузырьке возрастает. Это явление наз. в ы и р я м л е н н о й д и фф узией(или направленной д и ф ф у э и е й), оно вызывает рост пузырька в поле переменного давленин. Процесс диффузии может существенно ускориться при поступатольном движении пузырька, когда происходит непрерывная замена слоев жидкости с обедненным содержанием газа свежими слоями. По этой причине диффузионные эффекты заметно сказываются на эволюции осциллируюп(ик пузырьков илв пузырьков, находящихся в неоднородном по пространству поле давления, а также пузырьков, у к-рых возбуждены несферич.
моды пульсаций, что вызывает интенсивные перемещения пуаырька («танцующий пузырек«) и генерацию мккропотоков, омыва|ощих пузырек. Вели темп-ра жидкости близка к точке кипения, то доминярующий вклад в образование пузырька вносит испарение жидкости; такие процессы наблюдаются, напр., при возникновении К.
в криогенных жидкостях. При понижении давления в жидкости пуаырбк-зародыпт начинает расширяться под действием разности давлений внутри и вне его. При этом происходит интенсивное испарение жидкости с поверхности пузырька, лриводящее к охлаждению прилегающих слоев жидкости и пара в пузырьке. Разность темп-р вызывает поток тепла от жидкости к пузырьку, идущий на испарение жидкости, что и обеспечивает рост пузырька, При повышении звукового давления в жидкости картина обратна. Конденсация пара на поверхности пузырька приводит к повышению темп-ры и выравниванию давлений в пузырьке и в жидкости, после чего процесс эахлопывания происходит в результате отвода тепла иа пузырька в жидкость. Однако, так же как и в случае диффузионного механизма, иэ-за неполной компенсации потоков тепла на стадиях расширения и сжатия пузырька имеет место эффект выпрямленной теплопередачи, приводящий к росту пузырька в среднем ва период.
Этот механизм оказывается определяющим в случае достаточно малых пуаырьков. Рост более крупных аародышей (Л ) 10 «см) обычно бы- 188 КАВИТАЦИЯ зает обусловлен другим механизмом. При пульсации паровых пузырьков вследствие неадиабатичности процесса изменения состояния вещества в них в пувырьках выделяется энергия, приводящая к нагреванию и испарению жидкости в пузырек. Звуковое поле в жидкости, вызыва)ощее К., обычно неоднородно по пространству.
Это приводит к тому, что, наряду с пульсациями, пузырек двигается поступательно. В стоячей УЗ-вой волне направление движения пузырька зависит от соотношения между его радиусом Л и радиусом Лрзз пузырька, частота собственных колебаний к-рого совпадает с частотой УЗ-вой волны. При размере пузырька меньше резонансного ()( с" у( „) пузырьки пульсиру(от в фазе с колебаниями давления и мигрируют по направлению к кучности давления, а при у( ) Яре, пузырьки перемещаются к уж!ам давления. Скорость таких поступательных (т.и. трансляционных) движений пузырька радиуса )(з при гидростатич. давлении Р„ находящегося в звуковом поле, равна: к„' др и —. (сч(Р>ч."заузн,)ра дх Здесь р, — звуковое давление, создаваемое звуковым полем, >) — коэфф. вязкости жидкости, о — коэфф.
поверхностного натяжения, х — пространственная координата. Для пузырька с Л,у =- 10 ' см в поле стоячей волны, длина к-рой й = 10 см, амплитуда давления ра== 0,4 атм и т! — — 10-з пуаз, к =- 10 см(с при Р„== 1 атм. Трансляционное движение пузырьков является причиной коагуляционного механизма роста каверн, Напр., навигационная каверна в фокусе УЗ-ваго кз яцек тра тара может образоваться в результате коагуляцин движущихся центростремительно пузырьков.
Одновременно с этим из фокальной области могут выбрасываться пузырьки, размеры к-рых превышают резонансный, образуя часто наблгодаемыс «развевающиеся> потоки пузырьков. При возникновении К. в реальных условиях описанные механизмы роста пувырьков проявляются в большей или меньшей степени в зависимости от состояния жидкости и характеристик звукового поля. Количественно момент воаникновения К. и степень ее развития характеризуют числом к а ни т а ц и и Р— Р к =- ' (где Є— давление насы- Р щенного пара, Р— амплитуда зву- Ркс. 1.
Зависимость критического зкачеикя зкпкктуяи звукового давления Р от газосодержз- кяя за>кузя (з ",> Х >одера те заз>у от насыщения) з коде(!)и Секзику (э) при «сккеткса темпе- ратуре к атмосФерном Кззлзккк. нового давления), т. е. амплитудой понижения давления в жидкости. Момент возникновения К. характеризуют критич. числом К. кк, к-рому соответствует иритич. значение звукового давления рк. Обе вти величины зависят от многих параметров, характерпчу)ощих как состояние жадности — газосодержание !э з з и (эз ! (э ю' у,куз Ряс. 3. Зззясикость кряткческсго зкачеккя акаактуяи ззуказогс дзвяеккя р, от частоты звука Вая свежей (!) и отстоя>щейся (3) езди крк ксиязткоэ температуре и зу- косферкси лязлекяи. (рис, 1), температура, наличие примесей, так и звуковое поле — частота (рис. 2), длительность излучаемого импульса и т, д.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
