И. Пирсол - Кавитация (1163263), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Даже в том случае, когда местные давления известны достаточно точно, определить момент возникновения кавитацни весьма затруднительно, так как неизвестны распределение и размеры присутствующих в жидкости ядер. Ориентировочно это можно установить путем измерения суммарного содержания газа в жидкости, поскольку от него зависит величина давления, при котором возникает кавитация. Тем не менее без достаточно полного пониманиЯ Роли Ядеа1з невозможно точно пРедсказать момент образования кавитацпи.
Наличие в жидкости ядер в виде микроскопических пузырьков трудно объяснить теоретически. С однон стороны, силы поверхностного натяжения должны привести к схлопыванию мелких газовых пузырьков. С другой стороны, более крупные видимые глазом пузырьки должны всплывать и удаляться из жидкости через ее свободную поверхность. Для объяснения присутствия в жидкости газовых пузырьков предлагались различные гипотезы.
В частности, предполагалось, что мелкие пузырьки могут'образовываться в мельчайших трещинах на поверхностях, ограничивающих жидкость. Это до некоторой степени подтверждается тем фактом, что кавнтацня обычно начинается вблизи [нли иа) таких границ. Однако кавитация может возникать и вдали от ограничивающей стенки, например в центре вихря или в ультразвуковом поле. Если твердые частицы взвешены в жидкости, то гипотеза «поверхностных трещин» по-прежнему подтверждается: только теперь уже роль стенок, где образуются ядра' кавитацни, выполняют примесные частицы, Как показал Плессет [3], зта гипотеза вполне правз По расчетам я.
В, Зельдовича, вти значения являются завы. шеиными на порядок (см., например, [д4] в списке дополнительной лите]затуры), — Прим. рео. Эта гипотеза и ее экспериментальное доказательство были в 1Ч46 г. развиты в работе [дв].— Прим, ред. 12 доподобна. Высказывалось также предположение, что пузырьки окружены органической оболочкой, состоящей из примесей, которая действует как стабилизатор. Но имеющиеся экспериментальные данные не подтверждают эту гипотезу.
В ряде случаев образование ядер может происходить под действием заряженных частиц, в частности космического излучения. Кавитация сопровождается и другими физическими явлениями. Так, в мдмент схлопывания наблюдается слабое сваяение пузырька, причины которого до сих пор не известны. Ранее предполагалось, что оно вызвано рекомбйнацией свободных ионов, появившихся в результате тепловой или механической диссоциации молекул на поверхности пузырька.,Но Джермен и др. )53) убедительно, доказали, что причиной этого свечения является нагревание газа в пузырьке, обусловленное высокими давлениями при его схлопыванни. Вспышка может длнтьсн от '/эа до '/1осс с. Интенсивность света зависит от количества газа в пузырьке: если гаэ в пузырьке отсутствует, свечения не возникает. Световое излучение пузырька очень слабо и становится видимым только при значительном усилении или в полной темноте.
Обычно такие вспышки наблюдались при кавнтационных процессах в маслах и предполагалось, что они возникают благодаря статическим зарядам. При схлопывании пузырька внутри него возникают высокие давления и температуры. Предполагалось, что температура окружающей пузырек жидкости весьма высока и составляет около 10000'С '. Уилер [41 установил, что в материале вблизи схлопывающего пузырька температура повышается на 500 — 800'С. Схлопывлние пузырька происходит в течение милли- или даже микросекунд. Гаррисон ~54) показал, что возникающие ударные волны а могут привести к высоким перепадам давления (до 4000 атм) в окружающей пузырек жидкости.
В жизни кавитацнонного пузырька различаются две фазы — расширение и схлопывание, которые вместеобразуют полный термодинамический цикл. Для большинства ' Эту пифру следует считать завышенной на несколько порядков. — Прим. ред. ' по последним данныи )д22), высокие давления, вызыиаатщке разрущения, обусловлены сиумулятйвиымй струикзмй„образутощимкся при несимметрйчйом схлоййианий.— Прим, рестэ 13 целей изменением температуры в пузырьке и окружающей жидкости можно пренебречь. Однако температурные аффекты нередко оказываются весьма существенными, например вблизи критической точки; их необходимо также учитывать при сравнении жидкостей с различными термодянамическими свойствами.
2.2. Навигация в текущей иидкести Выше мы рассматривали кавитацию на примере роста и схлопывания отдельного пузырька. В текущей жидкости в точках наибольшей скорости„где давления наименьшие, возникают кавитационные полости (каверны), которые затем, попадая в области потока с низкими скоростями и высокими давлениями, схлопываются и разрушаются. Таким образом, происходит непрерывный процесс образования и схлопывания пузырьков, в результате чего увеличиваются размеры каверны, которая наблюдателю представляется стационарной. Каверна образуется тогда, когда давление равно или близко к давлению насыщенных паров жидкости. Схема такого рода течения представлена на рис.
1; здесь же показано изменение давления вдоль потока. Как можно заметить, область смыкания каверны неустойчива: отрывающиеся и схлопывающиеся пузырьки создают пульсации конца каверны. В тех случаях, когда каверны на противоположных сторонах тела симметричны, происходит поочередное схлопывание пузырьков, приводящее к вихревому следу за телом '. Скорость и давление связаны между собой уравнением Бернулли: рт зг + 2 +й~' + 2 +0лз+ потери из которого для горизонтального потока (при Е~ = ха) можно выделить безразмерный параметр (число кавигации): р охр 0=— ра р 2 1 ' Н действительности не поочередное схлопывание приводит к образованию вихревого следа, а, наоборот, вихревая природа от.
рыаа является причиной поочередного схлопывания. — Прим. ред. 14 Ааатбнкб Ь Скпв Рцс. Д Схема развития канатацкн па крмлообразпом теле, на ходащемся в потоке жидкости. жндкость, текущая слева направо, обтекая препятствие, ускоряется, н в самом узко» месте потока достигается максимум скорости н минимум давленая. Есле давленне Р, в набегающем потоке лостаточно велнно, то мнвнмальвое аяаченне дааленне на теле будет больше цавленяя васмщенпмд паров. С уменьшеннем велнчянм Р, начннается кавнтацня. которве распространяется вняв по потону.
где Р,р — значение давления, при котором возникает кавитацня, Обычно оно принимается равным давлению насыщенных паров жидкости, хотя, как указывалось выше, навигация может иметь место при величине давления, отличной от Р,. Значение о, при котором наступает кавитация, обычно обозначается о,р и соответствует режиму возникновения кавитации. Режим исчезновения кавитации определяется значением о, при котором существующая кавитаЬня прекращается с увеличением давления.
1б газосодержанин возникновение кавитации сопроэож. дается гистерезисыым эффектом. По этой причине обычно используют число кавитации, соответствующее ее исчезновению. Эта величина более стабильна. Установлено, что в случае обтекания неподвижных тел, таких, как цилиндры, оживала, подводные крылья (5, 61 эффект газосодержайвя йроявляется так, как показано иа рнс. 2. Этот эффект менее исследован в случае 44 (г ад Цд ЩЮ 44 йз 0 Ю Ю Ю яй йВ Рсеубалнллля яяяФэи ~0Я/аз) уе Рис. 8. Влкянне содерясаняя аоздуха на каеитацию н центробеж- ньтх насосах. гидромашин, где характеристики разрушения материала обычно важнее, чем возянкнование кавитации. Тем не менее при всех испытаниях машин независимо от их типа (турбины, насосы; винты) влияние газосодержаиия заключается в увелйчеиии числа кавитацин (рис.
3) (7 — 9) 2.4. Масштабные эффекты Время, на протяжении которого частица жадности находится в области низкого давления, зависит от скорости течения жидкости (и размеров тела — Ряд.). Поэтому прн малых скоростях потока, когда такая частица пребывает в зоне пониженного давления долыие, чем в случае больших скоростей, вероятность возникновения кавитанин выше. (Пузырьки имеют болыие времени для роста.) Экспериментально установлено, что нри мааых скоростях потока мы получаем менынне значения числа 'аг а И, Пирсон с««««« ьа««««««* к«Е«арк «ар«ч ««««игу ф СУ 1~$ а гд и уй( Скрггггп(5 лйбггйющггг лол(жа,ле/е е4 Ц дг а У а гв л э скбрбгта магггающггб лотуки, мгб Рис. г.
Зависимость числа кавитации о от скорости течения для различных диаметров модели (оживала). Диаметр оживала дан в миллииетрах. Поперечное сечение взято иа расстоянии 0,5 калибра (верхннй рисунок( н !,5 калибра (нижний рисунок( от перед- него края модели. я /Т=Ж . ЗаеС, б (Т=з(зе375еС (а=з,т! .г- 0,33М; ( а=0,76 г. 0,79Я.
кавитации, и этот факт известен как скоростной масштабный эффект 111 — 121 Из рис. 4 мы видим, как проявляется этот эффект в случае оживала. Масштабный эффект, обусловленный изменением геометрических размеров тел, выражен не столь отчетливо. Большинство испытаний по обтеканию неподвижных тел потоком показыва(от, что о увеличивается с размерами (испытания же гидромашин обычно дают обратную картину — число кавитации уменьшается с ростом ' размеров).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
