Л. Прандтль - Гидроаэромеханика (1123861), страница 77
Текст из файла (страница 77)
Явлении, связанные с теплопередачей в текущих средах (вынужденнан и самопроизвольнан теплопередача и т.п.). А. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВУХ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ Э2. Кавнтация. Кавитаиией пазываетсн образование в текущей жидкости полостей, заполненных паром плп газом. Это явление возникает в тех случаях, когда в каких-нибудь мостах потока вследствие возникновения больших местных скоростей давление р снижаетсп настолько, что становится меньше давлении насыщения р, т.е.
давления, при котором начинается кипение жидкости (при этом предполагается, что невозмущенное давление ро больше р'). В этом состоянии в соответству!ощих местах потока начинается бурное испарение жидкости, и возникают полости в виде пузырей, наполненных паром под давлением р'. Так как в этих местах происходит увеличение объема потока, то свойства потоков при наличии кавитации, конечно, значительно отлича!отся от свойств обычных потоков.
Еслц при дальнейшем продвижении потока давление в нем повышается, то в образовавшихся полостях пар конденсируется и полости смыкаются. Такое смыкание кавитационных полостей обычно сопровождается резким треском'. Воздушные пузыри, увлекаемые движущейся водой, а также газы, растворенные в воде, значительно облегчают возникновение кавитации. Наоборот, в воде, почти свободной от примеси воэдуха,кавитацня в течение короткого промежутка времени не возникает не только при давлениях, меньших давления насыщения, но даже при значительных растлгивающих напряжениях. Это обнаруживается прн некоторых опытах, когда возникновение кавнтации начинается в том же месте, где происходит отрыв потока от стенки, т.е.
там, где частицы пограничного слоя, близкие к стенке, останавливаются и остаются в таком состоянии продолжительное время. Необходимо, впрочем, заметить, что, измеряя давление путем устройства отверстия в стенке, невозможно обнаружить в жидкости давление, меньшее давления насьццения, так как жидкость, находящаясн в отверстии в состоянии покоя, начинает кипеть, как только давление над нею становится меньше р'. В дальнейшем мы будет предполагать, что в текущей жидкости всегда содерясатся пузырьки воздуха плн другого газа, которые и разрастаются в полости, наполненные парами воды, при падении давления ниже давленин насыщения.
В практических условиях почти всегда именно так и бывает. Особенно простой и наглядный случай кавитацни возникает прп движении жидкости в канале, сначала суживающемся, а затем опять расширяющемся. Если расширение канала происходит постепенно, то !Эти калении подробно разобраны в статье АсьегеСЗ., РогзсЬипб, т. 1 (1930), стр. 1 и 63; см. также статью того же автора под названном енавитвпил» в Напдьос!э г!ег Кхрегипегзса!рьуз!Ь, т. Гх', часть 1, стр, 461-466. Многочисленные указании на литературу можно недти в книге НудгоглесЬапЫсЬе Ргоыегле с!ег Зсщ!Гаапьг!сьз, НмпЬшб, 1932, стр. 227-342.
См. также многочисленные рабаты В. Л. Поздюиина, например: П аз д ю н л н В, Л.. О некоторых задачах гидрамсхвинкп отрывного обтекание тел. Известил Отделенил технических наук Акад. Наук. СССР, 1946, Щ2. при большой скорости течения давление в расширяющейсн части может повыситьсн до атмосферного давления, в то время как вверх по течению, в узком месте канала, давление будет оставатьсл очень низким. Если давление здесь понижается до давления насыщения, то позади самого узкого сечения основная масса жидкости движется в виде свободной, правда, обычно очень неспокойной струи, сопровождаемой по бокам пенообразной смесью из пузырьков пара и жидкости. Дальше, вниз по течению струя внезапно замедллет свое движение, происходит своего рода скачок уплотнения, и вода заполняет все сечение канала'.
Здесь отдельные пузыри пара сталкиваются друг с другом и, вследствие повышения давленил, спадают, после чего в потоке остаютсн только маленькие пузырьки воздуха, находившегося ранее в воде в растворенном состоянии. Явлении только что описанного рода часто возникают в водопроводных кранах, особенно при высоком давлении подачи воды, и дают о себе знать своеобразным резким шумом.
Рис. 261. Область, охввтгнааемвн Рис. 262. Область, охватыеаемая квеитвцней при большом противо- кавнтвцией прн малом противо- давлении давлении Нумахи исследовал кавитацию в воде при различном содержании и пей воздуха и обнаружил, что в стеклянной трубе, сначала суживающейся, а затем расширяющейся, струн воды остается совершенно прозрачной и спокойной до тех пор, пока содержание воздуха меньше половины количества. требующегося для насыщения; по мере же увеличения содержанил воздуха около струи появляется все больше и больше пены. Длина свободной струи зависит от противодавления.
Она довольно точно совпадает с той длиной, которую дает вычисление па основании теоремы о количество движения для случая внезапного расширении трубы (36, гл. Ц). Следовательно, давление восстанавливает свою величину тем меньше, чем меньше отношение поперечного сече- гтеория такого скачке уплотнения лвнв Аккеретом 1см. А схегегде Рогвс1ишл, т. 1 [1930), стр. 63]. гМ и го а с1Ы Р., 1пх.-Агой.. т. 7 (1936), стр.
397; см. также т. 9 (1938), стр. 86. ния струи к поперечному сечению трубы. Поэтому при высоких противодавлениях кавнтацин охватывает меньшую область (рис. 261), чем при низких противодавленинх (рис. 262)'. При средних длинах области кавитации в струе часто возникают сильные колебания. На рис. 263 изображен результет измерений давления, выполнен- гслшстl~ ф~~~~~~Я4фУОФУЯ ных Гохшильдомз в канале, сначала сужива!ощемся, затем расширя!ощем-,.у ся (форма канала изображена в верхней части рисунка). Поперечное сече- ние канала имело прнмоугольную фор- 8 му с постоянной высотой.
Измерения р производились через отверстия, оде- б ланные в стенке канала. Через канал 4 перекачивалось все время одно и то же количество воды, но при этом из- 2 менялось противодавление (прн помощи дроссельного клапана). Мы видим, 020 О 20 4 0 80 80 100,им что при достаточно больших противодавленинх кривые измененнн давления вдоль канала переменного сече- вдоль длины канала почти параллель- ннл прн навигации ны друг другу (кривые а н о). Но когда давление в самом узком сечении канала делаетсл столь низким, что там начинается кавитация, давление в расширяющейся части канала не восстанавливается в соответствии с уменьшением скорости, и происходит значительная, а иногда почти полная потеря энергии (кривые с — !). То точки, в которых начинается подъем кривых и — я, отмечают конец области, охваченной кавитацией.
Капитания оказывает очень вредное действие на работу быстроходных водяных турбин и гребных винтов. Вследствие ряда соображений желательно, чтобы скорость вращения рабочих колец турбин и гребных винтов была возможно большей. Однако при слишком больших скоростях вращения на концах лопаток и лопастей возникают столь большие линейные скорости, что создаются необходимые условия для кавитации.
Между тем кавитация влечет за собой не только потерю энергии, г Если различны нвчвльныс давлснил, в аротиеодвалснил одинвиовые, та прн меньшем начальном двалсиин нваитвпил охватывает меньшую облвстяч в при большем начальном давлении — большую область. Н о с Ь я с Ь 118 Н., тегяпс!ге Оьег 81е Бггошилбятогхапбс 1п егше11еггеп инб тегспбгеп Клпв!еп. Рогясьипхяьеп Ю 114 боя Ъегсцхя 1!еи!ясь. 1лб., 1912.
но и другое вредное явление— так называемую каеипсационную коррозию лсегпаллп — своеобразное его разъедание (см. ниже). Поэтому при конструировании водлных турбин и гребных винтов являетсл чрезвычайно вазкной задачей предупредить возникновение кавитации. Простой способ ее предупреждения заключается в устранении возможности полвления низких давлений на концах лопаток и лопастей. Это достигаетсл путом применения слабо изогнутых профилей и очень малых углов атаки, следовательно, путем ограничения нагрузки на поверхность лопаток и лопастей.
В качестве величины, определяющей опасность возникновения кавитации, может служить отношение (,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Рнс. 264. Каентвционные поляры = р'-р' 2 -рги где ро есть невозмущенное давлешие, а р' — давлсппс насыщения. В настолщее время удалось получить хорошие гребные винты, для которых и = 0.,2. Хорошее представление о явлениях, возникающих на концах лопастей быстроходных гребных винтов, дают испытания моделей винтов, производимые в специальной кавитационной установке. Эта установка представллет собой камеру, где создается круговой поток воды, в котором абсолютное давление молсет произвольно менятьсн'. Более пристал, а потому и более отчетливая картина получается при испытании г описание такой усгвнавгги см. в статье Ь е г Ь в Н., Исегв, Ееенегей На(еп, г. 12 (1931), стр.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
