На сегодняшний день существует довольно много публикаций, посвященных проблеме кавитации и методам ее устранения, но лишь некоторые из них поясняют причины, по которым пузырьки оказывают такое разрушительное воздействие.

Появлению кавитации в центробежных насосах обычно предшествует кипение. Это вовсе не значит, что кипение само по себе представляет опасность, однако если образующиеся пузырьки не взрываются, то в этом случае они могут дать начало очень мощной силе. Кипение – это один из процессов, при котором происходит изменение состояния жидкости и переход в пар.

Вода в жидком состоянии и пузырьки водяного пара, образующиеся во время кипения, состоят из одних и тех же молекул. Главная разница между ними заключается в уровне энергии молекул и суммарного пространства, которое они занимают в результате полученной энергии. Молекулы пара имеют значительно более высокий уровень энергии. Для их быстрых и длинных перемещений требуется намного больше пространства, чем для молекул жидкости.

Кипение и образование пузырьков пара происходит, когда энергия молекул воды в жидком состоянии становится выше давления воды и атмосферного давления, действующего на ее поверхность. Обычно данный процесс поясняют с точки зрения нагревания, однако в насосной отрасли самое главное значение имеет изменение давления.

При атмосферном давлении на уровне моря 760 мм ртутного столба вода в котелке закипает при температуре 100ºС. Объем пузырька пара, который образуется при температуре кипения 100ºС, будет в 1673 раза больше, чем объем пузырька воды при такой же температуре. Когда он достигает поверхности воды, то взрывается, и высвобождается энергия тепла и давления. Основным источником энергии при этом все же является тепло. Взрывная волна, образующаяся при разрыве пузырька, имеет маленькую силу, поскольку давление в пузырьке составляет менее одной атмосферы, а энергия рассеивается во всех направлениях над поверхностью воды.

Если подогреть тот же котелок, например, в южной части Кисловодска, где высота над уровнем моря доходит до 1600 м, то вода в нем закипит уже при температуре 95ºС. Снижение точки кипения связано с более высоким положением над уровнем меря и более низким атмосферным давлением 632 мм ртутного столба. Когда давление на поверхность воды ниже, требуется меньше тепловой энергии, чтобы начался переход воды из одного состояние в другое. И по мере снижения давления будет требоваться все меньше тепла, и при уровне давления приблизительно 4,5 мм ртутного столба вода легко закипает при температуре замерзания.

Эта же закономерность работает и в обратном порядке: если увеличится давление на поверхность воды более чем на одну атмосферу, точка кипения тоже возрастет. Если давление становится выше во время кипения, то пузырьки пара не взрываются. Они схлопываются и возвращаются в исходное жидкое состояние.

Такой же процесс происходит в центробежном насосе во время кавитации. Кавитация всасывания, самая часто возникающая и легко прогнозируемая форма, возникает, когда давление эффективного положительного напора на всасывающей стороне насоса падает ниже давления пара воды, содержащейся во всасывающей части насоса (давление пара – это давление, необходимое, чтобы вода оставалась в жидком состоянии при заданной температуре). Наиболее восприимчивыми к воздействию этого типа кавитации оказываются те части лопастей крыльчатки, которые находятся в области самого низкого давления, то есть расположенные рядом с впуском. В этой части лопасти имеют максимальный изгиб, и когда вода их обтекает, давление на их поверхность становится ниже.

При достаточно низком давлении могут образоваться пузырьки (в результате кипения), которые схлопываются меньше чем за секунду, когда они попадают в область с чуть более высоким давлением. Высвобождаемая энергия при схлопывании пузырька водяного пара кардинально отличается от той, которая создается при его взрыве. В отличие от пузырька пара, который взрывается на поверхности воды, схлопнувшийся пузырек фактически возвращается обратно в жидкое состояние. Хотя во время этого процесса выделяется тоже тепло, но основным источником энергии в этом случае служат ударные волны, образующиеся в результате схлопывания пузырьков.

Ударные волны формируются при столкновении молекул воды, которые устремляются к месту схлопывания пузырька, чтобы заполнить образовавшуюся пустоту. Сила ударной волны зависит при этом от нескольких факторов. Исследования показывают, что время существования пузырька (от момента образования до схлопывания) составляет три миллисекунды (0,003 секунды), поэтому этот процесс происходит очень быстро. Чем быстрее сталкиваются молекулы воды, тем больше выделяется энергии.

Размер кавитационного пузырька пара может быть значительно больше, чем того пузырька, который образуется во время стандартного процесса кипения при нормальном атмосферном давлении. Например, при температуре 20ºС (стандартная температура в насосе) пузырек пара, сформированный в результате кавитации, почти в 35 раз крупнее образовавшегося при температуре 100ºС! И чем крупнее размеры пузырька, тем большая масса воды участвует в столкновении.

Вместе эти факторы (скорость и масса) дают общую кинетическую энергию схлопывающегося пузырька (KE = ½ mv²). Высокая скорость, возникающая в результате быстрого схлопывания пузырька, и большая масса из-за размеров пузырька приводят к высвобождению огромной энергии. При этом, происходит еще более важный процесс, который усиливает разрушительную силу схлопывающегося пузырька.

На рисунке 1 представлена серия фотографий, на которых изображено постепенное схлопывание пузырька пара. На этапе 1 пузырек имеет почти круглую форму, которая начинает сплющиваться на этапе 2. Этот процесс продолжается до этапа 18, за которым следует полное схлопывание.

Рисунок 1. Из книги «Кавитация и динамика пузырька», написанной Кристофером Бренненом
и опубликованной в 1995 году издательством «Oxford University Press»

Следует отметить интересный момент, происходящий на этапе 7, во время которого начинает формироваться углубление в нижней части пузырька. Это образование под названием «входная микроструя» формируется на одной из плоских поверхностей и продолжает увеличиваться в размерах до этапа 13. На этапе 14 эта струя пробивается через верхнюю поверхность пузырька и направляет силу схлопывания в одном направлении.

Исследование также показало, что если пузырек схлопывается возле стенок твердых предметов (лопасти или защитного кожуха), действие микроструи практически всегда направлено на стенки. Иначе говоря, вся энергия схлопывания направляется на какую-то микроскопическую область поверхности крыльчатки, и в результате начинается разрушение металла.

Именно сочетание высококонцентрированной энергии и ее сфокусированности в одном направлении наделяет схлопывающийся пузырек такой разрушительной силой. И даже если пузырьки схлопываются далеко от поверхности крыльчатки, и не разрушается металл, ударные волны все равно вызывают сильную вибрацию, которая может привести к появлению других повреждений насоса.

Инженер компании
ООО "Промышленные насосы"
Сергей Егоров

Кавитация как источник энергии

Кавитация в жидкости возникает как режим предкипения при нарушении (разрыве) ее сплошности. В образовавшиеся каверны поступает пар, в частности воды. Пузырьки пара вследствие малой кривизны поверхности имеют давление больше, чем жидкость, и поэтому растут. При некотором критическом размере, попадая в холодную зону пузырьки мгновенно схлопываются вследствие конденсации пара из-за мгновенного объединения вихрей электрино. В результате такого микровзрыва образуется сферическая ударная волна, распространяющаяся от эпицентра к периферии микрозоны взрыва. За фронтом ударной волны имеется зона разрежения, которая заполняет эту микрозону после ухода (вслед за уходом) ударной волны. Активированные на фронте волны молекулы воды попадают в зону разрежения и «лопаются» под действием разности давлений внутри и вне их, превышающей прочность молекул. Освободившиеся электроны сразу начинают свою работу по взаимодействию с положительными ионами: атомами кислорода, водорода и фрагментами воды – по генерации энергии – горению. Давление и температура в окружающей электрон сфере из ионов достигает предельных из известных в природе значений:

Р е = 1,459079 × 10 28 Дж/м 3 (Па);

Т е = 8, 563135 × 10 7 К.

Вполне естественны при этом процесс мгновенного нагревания воды в микрозоне за счет указанного выше, щадящего распада вещества на элементарные частицы, и процесс свечения потоков электрино – фотонов в оптическом диапазоне частот в микропламени кавитационных взрывов. При недостаточно интенсивной кавитации эти эффекты могут отсутствовать, но действие ударной волны в любом случае сохраняется, в том числе, как разрушающее различные материалы.

На кавитации основано действие известных водяных теплогенераторов, в которых количество полученной теплоты превосходит затраченную энергию в 10-15 и более раз за счет, по сути, атомной реакции воды.

При атмосферном давлении кавитация в воде начинается при 60-65 0 С (в среднем 63 0 С). С повышением температуры рост пузырьков пара интенсифицируется, они растут и лопаются (не схлопываются, а разрываются), давая начало режиму кипения, которое имеет развитый характер, как известно, при 100 0 С. Для получения тепловой энергии за счет кавитации, как видно, необходимо поддерживать режим именно кавитации как предкипения, не давая ему перерасти в развитое кипение, то есть отводить теплоту.

Кавитация при нагреве, например, вина до ~60 0 С дала в свое время возможность Пастеру уничтожить все бактерии за счет именно микровзрывов и ударных волн (вакуумные бомбы), а не за счет, как считают, термического действия, так как бактерии переносят и более высокие температуры. Впрочем, Пастер в то время этого понять не мог.

Кавитации способствуют звуковые и ультразвуковые колебания и волны. Однако, их механизм действия в свете традиционной науки остается не совсем ясным. Почему при движении источника колебаний порядка 1 м/с звуковая волна разгоняется в воздухе, например, до 300 м/с, а в воде – до 1400 м/с? Почему волна идет в направлении, заданном источником колебаний, а не от большего давления на фронте волны в сторону меньших давлений? Ответ на эти вопросы дан выше. Причиной распространения скорости звука, превышающей скорость движения источника колебаний (молекула, атом, стержень, поршень, язык и т.п.), является электродинамическое взаимодействие осцилляторов (молекул) источника колебаний с осцилляторами (молекулами) среды. При искусственном механическом сближении осцилляторов на некоторое расстояние меньше критического взаимодействие их электрических зарядов происходит с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Соответственно ускорение и скорость осцилляторов среды зависят от этой силы, а не от скорости источника колебаний (точнее – его стенки, торца…).

Сила взаимодействия осцилляторов зависит также от скоростей каждого в своей глобуле, которые не соизмеримы со скоростью источника. Например, скорость движения молекул воздуха в своих глобулах при нормальных условиях составляет величину порядка 47 км/с, что на 4 порядка больше скорости источника колебаний 1 м/с.

Взаимодействие осцилляторов при расстояниях, близких к критическому – электродинамическое, в том числе, при расстояниях равных или меньше критического – происходит с участием электрино – посредника и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах. Давление на фронте звуковой волны газа в результате взаимодействия осцилляторов возрастает и примерно в 4 раза превышает давление невозмущенной среды. Давление за фронтом волны в 3-4 раза меньше последнего. Температура на фронте волны соответствует давлению, то есть в 4 раза больше температуры невозмущенной среды.

В жидкости вследствие ее несжимаемости давление на фронте волны увеличивается примерно в 12 раз, а температура при звуковом течении – не меняется. Давление за фронтом волны как и в газе уменьшается в 3-4 раза. Причина разрежения за фронтом волны – каверна, в которую молекулы не успевают возвратиться мгновенно.

Рассмотрим физический механизм взаимодействия ударных осцилляторов: молекул – мишеней и молекул – снарядов. Из физики известно, что давление распространяется от большего к меньшему, и казалось бы, после возникновения большого давления на фронте волны оно будет распространяться в обе стороны от фронта: от большего к меньшему, и даже больше в область разрежения, то есть в сторону, обратную направлению движения волны. Но этого не происходит: волна движется все время в направлении, заданном источником колебаний. Почему?

При взаимодействии ударных осцилляторов источника колебаний с осцилляторами среды происходит деформация их глобул. Из сферических (при равномерном со всех сторон взаимодействии молекул с соседями) глобулы становятся выпукло-вогнутыми телами вращения, похожими, например, на каплю жидкости, деформированную гравитацией. Такая глобула среды в результате воздействия соседнего осциллятора – снаряда приобретает вогнутую поверхность (лунку) со стороны удара и – выпуклую поверхность с противоположной стороны. За счет большей скорости, полученной вследствие искусственного насильственного сокращения расстояния меньше критического, молекула – мишень газа в своей глобуле развивает, как указано выше, давление в 4 раза больше давления невозмущенной среды. Поэтому размер глобул соответственно уменьшается при сжатии их ударными молекулами – снарядами, что приводит к уплотнению среды на фронте ударной звуковой волны. На фронте волны деформированные глобулы молекул среды образуют цепочки как бы вставленных друг в друга тел, выпуклости которых входят в лунки впереди стоящих глобул (по ходу волны).

Скорость молекул в глобулах начинает увеличиваться сначала в первом ряду, граничащем с подвижной стенкой источника колебаний, молекулы – снаряды которой взаимодействуют с молекулами-мишенями среды этого, первого ряда. Затем таким же образом молекулы первого ряда, становясь снарядами, действуют на молекулы второго ряда и т.д. Возникает ударная звуковая волна, которая движется в сторону, определенную действием источника звука - малых возмущений. Молекулы в своих глобулах только передают это возмущение в среде, но сами глобулы остаются как бы неподвижными. Задние активированные молекулы электродинамически подталкивают неактивированные передние и далее по цепочке вперед. Отдав свою энергию, задние молекулы остаются в среде в своей глобуле, которая не бежит за волной, а тоже остается как бы на прежнем месте. На фронте волны давление повышенное, за волной - разрежение, обусловленное взаимодействием и вогнутой формой кормы глобулы молекул последнего ряда. В эту зону пониженного давления подтягиваются глобулы с молекулами из окружающей среды, в то время как само возмущение (волна) проходит вперед. Волна уходит в заданном источником звука направлении, а глобулы практически остаются на местах. В то же время молекулы в них движутся с повышенной скоростью и взаимодействуют с соседями с большими силами и ускорениями, причем практически в вакууме. Отсутствие сопротивления способствует прохождению волны на большие расстояния.

Большие молекулы воды, активированные на фронте волны, попадая в зону разрежения за волной лопаются, разрушаются под действием разности давлений внутри и вне их в случае, если разность давлений превосходит их прочность, прочность связей единичных молекул с соседями в большой молекуле. Разрыв сплошности среды приводит к появлению пузырьков пара и явлению кавитации.

Кавитацию различают как мягкую, жесткую и взрывную. Мягкая кавитация с образованием и схлопыванием пузырьков пара в жидкости происходит при обычном испарении воды с поверхности в паровое или газовое пространство /4, 5/. Жесткая кавитация происходит, например, в звуковых волнах, как описано выше. Значение разрежения за волной зависит от первоначального давления невозмущенной среды и поэтому – невелико. Кавитация происходит, как правило, в пучностях стоячих звуковых волн, то есть имеет локальный характер. Например, опускание в ультразвуковую ванну бумажного листа дает наглядное представление о регулярном построчном, как на разлинованном тетрадном листе, размещении пробитых взрывами пузырьков отверстий, ряды (строчки) которых отстоят друг от друга на расстояниях, равных половине длине волны. Малые разности давлений на фронте и за ним, частота и амплитуда колебаний, локальный (не объемный) характер возникновения пузырьков и, в целом, относительно слабые воздействия не позволяют образовываться крупным кавитационным пузырькам, схлопывание бы которых приводило бы к высоким давлениям, температурам и разрушению молекул воды, то есть – к взрывной кавитации, сопровождающейся описанным выше процессом горения воды – фазовым переходом высшего ряда (ФПВР) – энерговыделением за счет частичного атомного распада вещества на элементарные частицы.

При достаточно большом импульсном разрежении, создаваемом, например, поршнем в герметичном объеме, дросселируемой струей воды, на оси вращающегося потока воды, в дезинтеграторах и других устройствах для создания кавитации указанные недостатки звуковых волн исключаются. В таких устройствах многими исследователями получен режим взрывной кавитации с атомным процессом энерговыделения за счет приобретаемого водой незначительного дефекта (дефицита) массы, восполняемого в природных условиях и не влияющего на экологию окружающей среды. К сожалению в /10/ описана только жесткая, но не взрывная кавитация.

Все, что написано выше о воде, справедливо и для углеводородного топлива в связи с аналогичной структурой вещества в виде цепочек электронов, соединяющих отдельные молекулы между собой. Из этого следует, что топливо тоже можно разделить на две части (легкое и тяжелое топливо) и, применяя легкое, экономить топливо в 2 раза. Можно также топливо смешать на молекулярном уровне пополам с водой и тоже экономить в 2 раза, что подтверждено практически. Но, конечно, интереснее осуществлять горение воды непосредственно вместо топлива. Горение воды, наряду с другими процессами естественной энергетики /1, 2, 3/, позволит решить топливную и энергетическую проблему самыми чистыми и экономически эффективными способами.

Кавитационная эрозия наблюдается на поверхности твердых тел при схлопывании пузырьков, т. е. в области высокого давления в системе. При гидродинамической кавитации это происходит не в той области, где образуются пузырьки, а при вибрационной кавитации положение области разрушения зависит от того, сопровождается ли вибрация течением жидкости (как, па-пример, в гидравлических насосах) или нет. Следовательно, область разрушения часто пространственно удалена от области, в которой возникают кавитационные пузырьки, и это нередко приводит к тому, что кавитационную эрозию путают с другим процессом (чаще всего с коррозией). Подробно различные источники механического разрушения описаны в главе Мёрча и более кратко - ниже.[ ...]

Кавитационные пузырьки наблюдались при ударе капли как на контактной поверхности, так и на задней поверхности капли . Возникновение пузырьков на задней поверхности капли было приписано отражению волны сжатия от свободной поверхности как волны растяжения, а на контактной поверхности - вееру волн растяжения, которые, как известно, сопровождают сферическую волну сжатия. Высказывалось также предположение, что некоторые каверны на поверхности представляют собой пузырьки воздуха, захваченные жидкостью при ударе. Наблюдалось схлопывание пузырьков как вдали от поверхности твердого тела, так и на самой поверхности (рис. 6). Кроме того, схлопывание пузырьков на поверхности может явиться одной из причин образования неглубоких впадин, которыми отмечено начало эрозионного разрушения металлов .[ ...]

Кавитационное изнашивание металла происходит в результате воздействия на его поверхность микроударных нагрузок, возникающих при образовании и захлопывании кавитационных полостей и пузырьков. При замыкании кавитационных пузырьков поверхность металла испытывает значительные по величине многократные микро-Ударные воздействия, приводящие к возникновению усталостного разрушения пластичных зон и выкрашиванию хрупких составляющих на рабочей поверхности детали. Присутствие коррозионно-активной среды интенсифицирует процессы микроусталостного разрушения и электрохимического растворения металла.[ ...]

В действительности кавитационные пузырьки содержат пар низкого давления, который конденсируется во время охлопывания каверны. Поэтому механика схлопывания скоплений каверн тесно связана с механикой схлопывания пузырьков газа в жидкостях, подвергающихся воздействию сильных ударных волн, хотя сами пузырьки газа вряд ли являются источниками ударных волн, как это имеет место при схлопывании кавитационных пузырьков.[ ...]

Киносъемка показала, что кавитационный пузырек может вырасти за 0,002 с до 5 мм в диаметре и полностью разрушиться за 0,001 с. При интенсивной кавитации на площади 1 см2 в течение 1 с могут образоваться и разрушиться более 30 млн. кавитационных пузырьков. Воздействие на поверхность может быть столь значительным, что появляются глубокие каверны, впадины вследствие разупрочнения и перенаклепа материала с образованием очагов разрушения в виде микротрещин. Разрушается прежде всего менее прочная структурная составляющая (в сталях -■ феррит; в чугунах - графитовые включения), затем может последовать выкрашивание и более прочных составляющих.[ ...]

В проведены измерения параметров кавитационных пузырьков в стадиях разрежения и сжатия. Так, в стадиях максимального роста диаметр образующихся пузырьков составляет величину d=80± 10 мкм (в ходе экспериментов фиксировались пузырьки от 50 до 120 мкм). Линейные размеры полости в стадии замыкания (сжатия) в 3,8 раза меньше.[ ...]

Эллис сфотографировал схлопывание скоплений кавитационных пузырьков, образовавшихся при акустической кавитации. Он создавал почти полусферические скопления каверн на поверхности оптически поляризованного материала путем возбуждения стоячих волн большой частоты в цилиндрическом сосуде, наполненном водой, и показал, что в каждом цикле колебаний развивается и схлопывается скопление каверн. Пользуясь для освещения поляризованным светом, Эллис смог установить по смещению интерференционных полос в материале, что при схлопывании скопления пузырьков возникает крайне высокое давление на относительно небольшую площадку поверхности вблизи центра скопления, где схлопывается последняя каверна, и в момент ее схлопывания возникает импульс давления.[ ...]

Кавитацию можно также применять, используя свойство кавитационных пузырьков развивать при схлопывании очень высокое давление, а также малые размеры пузырьков, благодаря которым высокое давление развивается в очень малой области. Это свойство можно использовать как при чистке крупных предметов, например труб, так и мелких, например зубов.[ ...]

Ни кипение, ни газовая кавитация не имеют отношения к эрозии. Кавитационная эрозия связана со схлопыванием кавитационных пузырьков. Они образуются там (или тогда), где (или когда) давление падает ниже некоторой критической величины, обычно несколько меньшей давления насыщенных паров жидкости. Такие снижения давления на практике возникают из-за сужения или искривления трубок тока (в случае гидродинамической кавитации) или из-за движения поверхности раздела между жидкостью и твердым телом в направлении нормали к поверхности (в случае вибрационной кавитации). В большинстве случаев эти минимумы давления возникают на твердых границах или вблизи них, где кавитация развивается из ядер, имеющихся в жидкости или на стенке, ограничивающей жидкость, но она может развиваться также и вдали от твердых стенок.[ ...]

Испытание с вращением образцов можно приспособить для изучения кавитационной эрозии: от отверстий на периферии диска отрываются кавитационные пузырьки, а образцы помещаются в точках схлопывания этих пузырьков .[ ...]

Открытие в 1991 г. явления устойчивого синхронного колебания одиночного кавитационного пузырька в фокусированном акустическом поле поставило ряд новых вопросов о природе кавитации. Одиночные кавитационные пузырьки можно наблюдать только в фокусированном сферическом или цилиндрическом поле. Резонансное поглощение акустической энергии одним кавитационным пузырьком вызывает высокую скорость (до 1300 м/с) движения его стенки. Эффекты, вызванные одиночным кавитационным пузырьком, значительно отличаются от ’’обычной" многопузырьковой кавитации . Если спектр сонолюминесценции "обычных" пузырьков имеет длину волны от 800 до 200 нм и по интенсивности может иметь несколько максимумов, то однопузырьковое свечение простирается от видимой до УФ-области. Его интенсивность непрерывно возрастает по мере уменьшения длины волны и напоминает свечение черного тела. Причем однопузырьковое свечение можно наблюдать неадаптированным глазом.[ ...]

Цель этой главы - дать читателю всестороннее представление о динамике кавитационных пузырьков и о гидромеханических проблемах, связанных с кавитацией. Значительное внимание уделено росту и схлопыванию одиночных пузырьков. Хотя во встречающихся на практике кавитационных явлениях редко возникают одиночные каверны, их динамика составляет основу для понимания всего явления в целом. Современное состояние знаний в этой области позволило сделать большой шаг в объяснении механики пузырьков, являющейся причиной кавитационной эрозии.[ ...]

Экспериментально доказано (рис. 12) , что характерное время конечной стадии сжатия кавитационного пузырька составляет по порядку величины 10-6-10-7 с. При этом скорость изменения стенки пузырька превышает 400 м/с, а радиус изменяется от 500 до 100 мкм за один кадр скоростной киносъемки (10 6 с). Минимальный радиус пузырька составляет 5-10 мкм, но на основании экспериментов по рассеянию света может быть сравним с длиной световой волны (-0,5 мкм).[ ...]

Одновременное схлопывание двух идентичных пузырьков, находящихся на расстоянии 2Ь друг от друга в неограниченной жидкости, аналогично схлопыванию одиночного пузырька, находящегося на расстоянии Ь от твердой стенки, и пузырьки образуют струи, направленные навстречу друг другу;. Однако в большинстве практических случаев взаимодействуют несколько каверн. Обычно они имеют неодинаковые размеры и, следовательно, различные времена схлопывания; кроме того, в большой группе схлопывание начинается неодновременно для всех каверн. Вследствие этого схлопывание группы каверн является очень сложным процессом, но кумулятивный эффект может быть намного сильнее, а время действия - намного больше, чем при схлопывании отдельных каверн. Хотя жидкости, содержащие пузырьки газа, широко исследовались , совместному схлопыванию групп кавитационных пузырьков уделяли мало внимания.[ ...]

Влияние сжимаемости и поверхностного натяжения учитывается в аналогичном исследовании схлопывания кавитационного пузырька в сжимаемых жидкостях, выполненном Айвени , который показал, что из-за учета этих явлений в уравнении движения появляются два масштабных параметра. Для серии значений каждого из этих параметров существует свое решение задачи о движении пузырька.[ ...]

Нолтинг и Непайрас выдвинули тепловую теорию "горячего пятна”, согласно которой при адиабатическом охлопывании кавитационного пузырька внутри него развивается температура порядка 10000 К. Возникающее при этом свечение является термически равновесным излучением черного тела.[ ...]

Следует отметить, что с качественной стороны влияние замедленной релаксации диполей по своему действию на динамику кавитационного пузырька аналогично действию вязких сил - быстрое сжатие требует гораздо больших затрат энергии, чем медленное.[ ...]

В качестве примера рассмотрим механизм коагуляции полистирольного латекса . Под воздействием флотационного эффекта пульсирующих кавитационных пузырьков частицы дисперсной фазы суспензии собираются у поверхности пузырьков, где на них воздействуют ударные волны, разрушающие сольватную оболочку на частицах. При этом частицы коагулируют, образуя достаточно прочную пространственную структуру. Пузырьки, находящиеся вне этой структуры, способствуют построению новых слоев до коагуляции всей массы латекса.[ ...]

Действительно, амплитуды возмущения ап растут от их начальных значений до постоянных значений, увеличивающихся с возрастанием п в процессе роста пузырька, но относительные амплитуды возмущения an/R проходят через максимум, а затем стремятся к нулю. Следовательно, в процессе роста кавитационные пузырьки стремятся принять сферическую форму.[ ...]

В спектре однопузырьковой сонолюминесценции воды, в отличие от многопузырьковой, отсутствуют ОН и рекомбинационные полосы Н +ОН. Наконец, в одиночном кавитационном пузырьке возникают температуры порядка 50000 К , 130000 К , 300000 К . Экспериментальные исследования однопузырьковой кавитации показали наличие ядер дейтерия, что свидетельствует о термоядерном процессе. Поэтому можно полагать, что кавитация в многопузырьковых системах принципиально отличается от однопузырьковой. Теоретические работы о механизме процессов, протекающих в одиночных кавитационных пузырьках, в настоящее время проводятся М. А. Маргулисом и в научной школе академика РАН Р. И. Нигматуллина.[ ...]

Большое число электрохимических измерений проводилось на металлах, исследуемых в условиях вибрационной кавитации с целью определения роли коррозии в кавитационной эрозионной коррозии. Кавитация также усиливает коррозионный ток меди при всех потенциалах в воде и в водном растворе хлорида двухвалентного железа . Такое смещение потенциала и увеличение коррозионного тока связывается с удалением пленок из продуктов коррозии под действием схлопывающихся кавитационных пузырьков.[ ...]

Существуют также представления в рамках так называемой «новой электронной теории» , в основе которой лежит явление образования двойного ионного слоя у поверхности кавитационного пузырька. По мнению авторов, заряд двойного ионного слоя имеет большую плотность и вызывает пробой газа в оторвавшемся малом пузырьке.[ ...]

В соответствии с этой теорией протекание химических процессов в водной среде при воздействии акустического поля объясняется следующим образом. Первичные элементарные процессы в кавитационном пузырьке приводят в конечном счете к образованию в ультразвуковом поле радикалов Н ОН (так же, как при радиолизе водных растворов). Радикалы частично рекомбинируют и после попадания в жидкую фазу реагируют с растворенными веществами по косвенному механизму. Независимо от состава водного раствора химизм процессов при воздействии ультразвуком определяют всего два компонента - проникающие в полость растворенные газы и пары воды. Они могут либо распадаться на радикалы Н и ОН’, либо передавать энергию возбуждения другим молекулам, либо реагировать с растворенным веществом. Таким образом, процессы, происходящие в кавитационном пузырьке, сводятся к возбуждению и ионизации молекул воды.[ ...]

Для объяснения химических эффектов в неводных системах М. А. Маргулисом выдвинуты две гипотезы. По первой гипотезе возникновение электрических разрядов внутри пульсирующих и "охлопывающихся кавитационных пузырьков в жидкости, выделение энергии в локальных микроскопических областях системы и последующее быстрое охлаждение реагентов могут привести к резкому локальному увеличению скорости химических реакций и последующей "закалке" получаемых продуктов. При этом не успевает осуществляться разложение целевых продуктов, и селективность процесса возрастает, поскольку вся жидкость остается практически холодной.[ ...]

При прохождении ультразвука большой интенсивности через жидкость, содержащую растворенные газы или твердые частицы, возникают значительные сжимающие и растягивающие усилия. При сжимающих усилиях кавитационные пузырьки захлопываются и образуется сильная ударная волна, которая является источником кавитационного разрушения, что и обусловливает диспергирующее"действие ультразвука. В зависимости от величины воздействий преобладает коагуляция или диспергирование.[ ...]

Помещая фотографическую пластину под наконечник вибрационного устройства, колеблющийся с ультразвуковой частотой, Ниборг и др. обнаружили более интенсивное потемнение пластины вокруг одиночного кавитационного пузырька, находящегося на пластине, которое связывается с микрозавихрениями жидкости вокруг пузырька. Этот эффект схематически представлен на рис. 4,а. В случае скопления пузырьков, создаваемого наконечником ультразвукового вибратора, отмечаются микрозавихрения вблизи края этого наконечника (рис. 4,6).[ ...]

Следовательно, с точки зрения специальных проблем эрозии для получения решающих результатов, по-видимому, необходимо, чтобы в будущих исследованиях усилия были сосредоточены на взаимодействии между кавернами в процессе схлопывания групп кавитационных пузырьков. Конкретными предметами исследования, представляющими большой интерес, являются ударные волны, возникающие при несферическом схлопывании каверн, их распространение и поглощение соседними кавернами.[ ...]

Согласно современным представлениям, возникновение и интенсификация химических реакций в поле акустических колебаний объясняются процессом кавитации. Явление кавитации основано на двух теориях - электрической (возникновение электрического разряда внутри кавитационного пузырька в результате накопления на его стенах электрических зарядов) и тепловой (возникновение высоких температур и давлений в результате адиабатического сжатия кавитационного пузыря) .[ ...]

Другое устройство вибрационного типа использовалось Плессетом и Эллисом , и его основной частью являлся кольцевой преобразователь, который был расположен в стакане с жидкостью (рис. 5, б). Испытуемый образец размещается на дне стакана по центру, где создается облако кавитационных пузырьков. Благодаря этому образец подвергается воздействию поля напряжений, подобного тому, которое создается колеблющимся наконечником. Это устройство не получило такого широкого распространения, как вибратор с наконечником, вероятно, потому, что последний имеется в продаже.[ ...]

Для деструкции органических соединений тяжелых металлов, в î числе ртути, в природных водах и рассолах применяется безреагентный тод обработки водных проб ультразвуковым облучением с част i 18-24 кГц и интенсивностью не менее 12.5-20 Вт/см2 . Возни: вение в ультразвуковом поле кавитационных пузырьков, их рост, пульс; л и схлопывание приводит к локальному концентрированию энергии и с зованию множества радикалов, эффективно разрушающих органиче е соединения . Эффективность ультразвукового метода проверена N дом добавок. Аналогичная методика применена при определении рт; почвах .[ ...]

Ультразвуковые колебания применяются при разнообразных технологических процессах с целью воздействия на вещество. Для этого обычно применяют низкочастотный ультразвук, используя его механический эффект. В жидкости он связан с явлениями кавитации. Гидравлические удары, возникающие при захлопывании кавитационных пузырьков, обусловливают размельчающее и диспергирующее действие ультразвука, которые положены в основу многих технологических процессов, осуществляющихся с помощью ультразвука.[ ...]

Вейслер , Линдстром и Эльпинер обобщили данные о химических эффектах при ультразвуковой кавитации и нашли, что они подобны явлениям радиационной химии. При очень низких интенсивностях ультразвука, когда нет кавитации, нет и химических изменений. Однако при критической интенсивности ультразвука, т. е. при зарождении кавитационных пузырьков, образуется Н2О2, причем выход Н202 пропорционален содержанию растворенного кислорода в жидкости и интенсивности кавитации. БеЗО в 1,1 н. Н2304 в процессе ультразвуковой кавитации происходит окисление двухвалентных ионов железа в трехвалентные. Реакция окисления облегчается в присутствии кислорода, ослабляется при наличии водорода и полностью исключается при наличии гелия в растворе. Измеряя внутреннее трение, Джин и Мессино показали, что образцы тантала при выдержке в воде в условиях ультразвуковой кавитации поглощают атомы водорода, выделившиеся, по-видимому, при разложении молекул воды. Эти химические эффекты кавитации наблюдаются не только при ультразвуковой кавитации, но также в гидродинамических трубах и в гидравлических установках .[ ...]

На рис. 2.5 приведена обобщенная схема, описывающая работу по крайней мере трех устройств, предложенных в 1975--1976 гг. Е. Беком, К. Зенером и Дж. В основе способа преобразования энергии - подобие существующего в природе круговорота воды под действием солнечной радиации. Подъем воды на требуемый уровень осуществляется путем либо создания в столбе кавитационных пузырьков, либо вспениванием (эффекты аналогичные подъему жидкости с помощью эрлифта), либо созданием разрежения над ее поверхностью за счет образования тумана. Гидротурбина при этом может быть установлена и как показано на рис. 2.5, и непосредственно в трубопроводе теплой воды, забираемой с поверхности.[ ...]

В предыдущей главе показано, что кавитация является причиной деформации и эрозии материалов в самых разнообразных гидромеханических системах - как в текущих жидкостях (гидродинамическая кавитация), так и в жидкостях, подвергающихся воздействию пульсирующих импульсов давления (вибрационная кавитация). Целью этой главы является описание динамики одиночных кавитационных пузырьков и групп кавитационных пузырьков и выяснение механизмов, под действием которых может произойти наблюдаемая в технике эрозия. Кроме того, Плессет и Просперити опубликовали недавно обзор динамики кавитации и кавитационных пузырьков.[ ...]

С помощью существующих до настоящего времени теорий можно с определенными допущениями объяснить некоторые реакции, протекающие по радикальному механизму. Однако множество полученных экспериментальных данных по интенсификации химических реакций, протекающих не по радикальному , а по другим механизмам, нельзя объяснить электрическим разрядом, возникающим внутри кавитационных пузырьков, или созданием в них больших температур и давлений. Указанные условия должны непременно привести к разложению реагентов и снижению селективности целевых реакций.[ ...]

Реакцию проводили в ТГФ. Это свидетельствует о том, что в условиях акустического воздействия происходит поляризации связи 51-Х и отрыв галогена от кремния. Следует отметить, что без ультразвукового воздействия такая реакция не протекает. Процесс димеризации хлорсиланов значительно интенсифицировался при добавлении в реакционную массу небольшого количества антрацена. Молекулы антрацена не могут проникать в кавитационную полость и участвовать в процессах, которые описываются в ранее опубликованных теоретических работах различных исследователей. Однако они способны уменьшить скорость релаксационных явлений, протекающих вокруг кавитационного пузырька за счет их большого размера и увеличения вязкости жидкости, где протекают дипольно-ориентационные процессы.[ ...]

Более конкретная реализация описанного принципа с использованием парожидкостного тумана, образующегося над поверхностью теплой воды в том случае, когда конденсатор размещен значительно выше, поясняется рис. 2.6 (С. Риджуэй и А. Шомет, Калифорнийский университет). Парожидкостная смесь, с удельным объемом от 200 до 3000 см3/г, содержащая капельки воды размером около 200 мкм, поднимаясь в поле отрицательного градиента температур, выполняет работу по прокачиванию теплой поверхностной воды через турбину. Общая проблема при реализации подобных устройств в промышленных масштабах (лабораторные образцы уже осуществлены) - возможная нестабильность тумана, пены, кавитационных пузырьков .[ ...]

Чепмен и Плессет в предположении о постоянстве давлений р и роо выполнили исследование полной нелинейной задачи для двух случаев каверны, начальная форма которой отлична от сферической, а именно для вытянутого и сплющенного эллипсоидов в неограниченной жидкости. Они использовали численный метод, в котором схлопывание определялось малыми последовательными шагами по времени, на каждом из которых решали потенциальную задачу и находили скорость стенки каверны в большом числе точек. Рост возмущений приводил к столкновению противоположных участков стенки каверны друг с другом со скоростями в несколько сот метров в секунду еще до того, как средний радиус пузырька R обращался в нуль и происходило разрушение кавитационного пузырька. Оказалось, что в обоих случаях развитие начального возмущения сферической каверны и во втором приближении очень хорошо описывается линеаризованной теорией в той области, где она справедлива, но высшие гармоники, возникающие в результате нелинейных взаимодействий, существенно изменяют скорости стенок каверны в конце схлопывания по сравнению со скоростями, полученными по линеаризованной теории.[ ...]

Коррозия оказывает влияние на морфологию повреждений поверхности и скорость механической эрозии под действием кавитации. При измерениях остаточных напряжений указанные выше исследователи установили, что механическое повреждение, вызванное в поверхностном слое кавитацией, было значительно меньше, когда на металл накладывался анодный ток. Таким образом, представляется, что находящиеся в состоянии механического напряжения слои могут непрерывно удаляться приложенным током, и скопление кавитационных пузырьков будет воздействовать на свежую, нена-клепанную поверхность металла. С другой стороны, Хирс и Спекхардт наблюдали увеличение «механической» составляющей потери массы меди при наложении анодного тока. Однако область кавитации, вызванной неровностями поверхности металла, была в этих условиях более плоской и широкой. Это приписывалось преимущественному растворению гребней неровностей. Повреждения поверхности пассивных металлов (титана, алюминия и железа распределены неоднородно вследствие местного растрескивания пленки и ускоренной коррозии обнаженных участков. Местная коррозия (в особенности питтинг) усиливает механическую эрозию, так как шероховатая поверхность способствует образованию пустот в питтингах .[ ...]

Специфика эрозионного разрушения проявляется также в характере зависимости от времени скорости уноса массы при постоянных параметрах набегающего двухфазного потока. Существует начальный участок, инкубационный период, во время которого не происходит заметной потери массы. Затем наступает следующая стадия, во время которой скорость уноса массы, возрастая, достигает максимального значения. Отдельные кратеры от ударов частиц сливаются и покрывают всю поверхность преграды. На третьей стадии скорость уноса массы опять снижается и стремится к некоторому приблизительно постоянному значению. Все эти и многие другие смежные вопросы подробно освещены в предлагаемой книге, где обобщены результаты большого числа экспериментальных и теоретических исследований процессов соударения как твердых, так и жидких частиц, а также кавитационных пузырьков с поверхностями конструкционных материалов.[ ...]

Активное растворение может оказывать упрочняющее влияние на некоторые материалы. Иоффе показал, что при деформировании в воде кристаллы соли оказались до 25 раз более прочными и более пластичными, чем испытывавшиеся в воздухе. При растворении устраняются существующие надрезы и трещины на поверхности кристалла, и поэтому увеличивается усилие, требуемое для зарождения трещины в подобных хрупких материалах. Усталостную долговечность многих металлов можно увеличить промежуточными удалениями деформированных поверхностных слоев . Скорость разрушения стали вследствие кавитации уменьшается при наложении анодного тока на металл . Однако если растворение носит избирательный или локализованный характер, то анодная поляризация оказывает вредное влияние на механические свойства. Локальные неровности поверхности могут вызвать турбулентность протекающей жидкости и увеличение интенсивности механического разрушения в этих локальных зонах. Питерсон и Геринг показали, что при воздействии потока морской воды (31 м/с) образцы из углеродистой стали приобрели шероховатость в процессе испытаний, причем кавитационные пузырьки наблюдались у изъязвлений на поверхности; это приводило к возрастанию скорости массовых потерь со временем экспозиции в потоке воды.

Таинственный киногерой

В конце XIX века английский военно-морской флот должны были пополнить два совершенных для того времени корабля. "Дерингу" и "Турбинии" оставалось пройти последнее испытание - на быстроходность, которая, кстати, выдвигалась конструкторами как главное их преимущество. Увы, расчетной скорости достичь не удалось. Детальное исследование возможных причин неудачи показало: гребные винты на быстром ходу очень интенсивно изнашиваются, покрываясь выбоинами, кавернами, а виной всему - многочисленные паровоздушные пузырьки, возникающие на лопастях.

При таких обстоятельствах техника впервые познакомилась с кавитацией. Именно техника. Потому что науке это явление было известно уже двадцать лет. Его теоретически предсказал английский физик О. Рейнольдс. И будь конструкторы внимательнее к фундаментальным исследованиям своего соотечественника, возможно, не случилось бы конфуза.

Да, теоретик мог бы предостеречь инженеров от чрезмерных надежд. Но не более того. Если бы его спросили: как построить действительно сверхбыстроходный корабль, обойдя каким-либо образом кавитацию, у учёного вряд ли нашёлся бы ответ.

И по сей день, спустя больше века как открыта кавитация, наука, исследующая это явление, в долгу перед техникой. Даже сделать точный расчёт того порога, за которым наступает разрушительная для машины или конструкции кавитация, не всегда возможно. По прежнему крошит, изъявляет она металл гребных винтов, лопасти насосов и турбин, бетонные тела плотин, каналов, шлюзов.

Еще труднее - а заманчивые мысли об этом родились не вчера - превратить разрушительные силы кавитации и сделать их союзниками.

Почему пасует перед самыми главными секретами кавитации могучая современная наука?

Вначале давайте вспомним то, что она знает об этом явлении достаточно определённо. Кавитационные пузырьки возникают в жидкости, если в ней создать пониженное давление. Это бывает, например, при обтекании с большой скоростью какого-либо твердого тела или, что по сути, равнозначно, когда само тело быстро движется в жидкости. Звуковые и ультразвуковые волны, проходя через жидкость, так же создают области пониженного давления, вызывают кавитацию. Живут кавитационные пузырьки очень недолго. С огромной быстротой, за ничтожные доли секунды они схлопываются. Это схлопывание, подобно взрыву, порождает ударную волну. Пусть это всего лишь микровзрывы. В краткие мгновения их происходит сотни, тысячи. Они накладываются друг на друга, умножая свои силы. В разных точках жидкости температура мгновенно подскакивает до тысяч градусов, давление - до многих десятков атмосфер. У пузырьков могут возникать тончайшие лучи-жала, действующие на твердую поверхность подобно разящему броню кумулятивному снаряду! Вот откуда невероятные силы у невесомых пузырьков.

Чаще всего, к сожалению, эти силы разрушительные. Только в немногих случаях они начинают сегодня работать с пользой - например, очищают поверхность деталей, помогают выявить природный рисунок у отделочных камней, перемешивают "несовместимые" жидкости вроде бензина и воды. Чтобы лучше бороться с вредной, разрушительной кавитацией и полнее использовать её на благо, есть только один путь - глубже проникнуть в её тайны.

В чём отличие кавитационного пузырька от обычного? Что происходит внутри? По каким законам идет в нем превращение энергии? Знай сегодня ученые ответы на эти вопросы, глядишь, завтра реальными бы стали и сверхбыстроходные корабли. Но пока есть только многочисленные, спорящие между собой гипотезы. И, значит, инженер не в силах с нужной точностью рассчитать новую конструкцию или машину, в которой хотел бы запрячь силы кавитации.

Сколь недостаточны пока знания об этом явлении, говорит такой пример. Почти полвека назад открыли сонолюминисценцию - свечение жидкостей под действием ультразвука, а также звукохимические реакции, идущие только при облучении реагентов звуком. Оба этих явления очень энергоёмки, и вызвать их способна только кавитация. Эффекты и стали своеобразным тестом на кавитацию. Однако механизм, природа их до сих пор остается загадкой.

Почему же кавитация столь неприступна? Какие преграды стоят на пути к ее тайнам? Чтобы яснее представить происходящие С кавитационным пузырьком превращения, надо первым делом внимательно проследить за тем, как он рождается, движется, исчезает, словом, за всеми этапами его жизни.

Кавитационный пузырёк стал одним из главных героев научного кино. В десятках лабораторий мира он отснят на бесчисленных метрах киноплёнки. Но увы, за мгновениями его жизни не успевает даже сверхскоростная киносъёмка. Наш киногерой живёт всего лишь стотысячные или даже миллионные доли секунды! Надо ещё учесть: размеры пузырьков состовляют сотые, тысячные доли миллиметра. Наконец, кавитация - это не один и даже не тысяча рождающихся в одно мгновение пузырьков. В одне кубическом сантиметре так называемого кавитационного поля их пульсирует сразу около миллиарда! Не случайно одним из первых героев голографического кино, едва появилось оно в лабораторном, экспериментальном варианте, опять-таки стал кавитационный пузырек... А загадок не убавлялось.

Ежи в пробирке

В науке часто бывает так: для решения какой-либо сложной проблемы, над которой многие годы бьются лучшие умы, вооруженные самой совершенной техникой, не хватает какой-то очень простой идеи, какого-нибудь элементарного, почти школьного опыта. В проблеме кавитации этот, возможно, решающий шаг посчастливилось сделать ученым сектора химической физики из Всесоюзного научно-исследовательского института органического синтеза.

В то время как одни исследователи уповали на все более совершенную аппаратуру, новейшие методы решения необычайно сложных систем дифференциальных уравнений движения пузырьков, специалисты ВНИИОСа искали нелобовое, обходное решение. В чем состоял задуманный ими маневр? Рассуждали примерно так. Толком разглядеть кавитационные пузырьки мешает их мизерность и крайне малое время жизни. Зависит это от частоты колебаний, которыми возбуждают кавитацию. Сумей исследователи получить кавитацию, скажем, при частотах 10-100 Гц - пузырьки согласно расчетам могли бы жить уже десятые доли секунды и иметь размеры до сантиметра. Вот тогда мы бы увидели своего киногероя действительно крупным планом.

Неужели эта нехитрая идея никому прежде не приходила в голову? Разумеется, приходила. Попыток было много. Статья с результатами последней из них, которую предприняли американские исследователи, лежала на столе заведующего сектором М. А. Маргулиса. И в ней ничего утешительного. В который раз получено подтверждение привычной точки зрения: кавитация - явление пороговое, то есть возникает начиная с определенной частоты, и частота эта исчисляется, увы, килогерцами... И все-таки что-то заставило воспроизвести заведомо неудачный опыт. К этому подталкивали и хорошая злость на неподдающуюся проблему, и исследовательский азарт, упорство, интуиция.

Проделать эксперимент американцев не составляло особого труда. Схема его была проста: колеблющийся стержень опускают в сосуд с жидкостью, а спектрометр, если возникнет кавитация, должен зарегистрировать свечение. Все сделали как надо - ничего похожего на кавитацию. Попробовали увеличить амплитуду колебаний стержня,- мол, возбуждение станет интенсивнее. Сверхчувствительный спектрометр "молчит". Бурление, турбулентность в жидкости усиливается, но растяжения нет как нет. Жидкость как бы слишком эластична, она хотя и завихряется, но все же успевает обтекать небыстро колеблющийся стержень. А ведь надо, чтобы она воспринимала колебания стержня словно удары. Как этого достичь?

Достаточно было исключить обтекание колеблющегося стержня, и низкочастотная кавитация открыта

Новый эксперимент поставили с аппаратурой, какая, наверное, найдется даже в школьном кабинете физики: пробирка, штатив, выточенный из оргстекла стержень, 25-ваттный динамик, старенький ламповый усилитель... Единственная его тонкость - колеблющийся стержень в виде поршня изготовили так, что зазор со стенками пробирки составлял всего десятую долю миллиметра. При этом жидкость уже не могла столь легко, как прежде, обтекать стержень.

Звуковой генератор включен на частоте 90 Гц. О том, что происходило дальше, М. А. Маргулис рассказывает:

С минуту ничего особенного мы не замечали. Затем на небольшом участке у стенки пробирки, заполненной жидкостью, под колеблющимся поршнем возникли мелкие сферические пузырьки. Число их быстро нарастало. Они образовывали крупный сгусток, внешне напоминающий ежа. Этот еж заметно пульсировал. Стали постепенно прибавлять частоту. При 200 Гц и выше можно было создать уже двух и даже больше необыкновенных ежей. Они рождались в разных частях пробирки. Время от времени они устремлялись друг к другу, сливались и тут же с треском разлетались. Сразу же бросалось в глаза, что ежи не похожи на конгломераты - скопления отдельных пульсирующих пузырьков, а представляют собой крупные, причудливой формы пузырьки...

Но не все успевал схватывать невооруженный взгляд. Ученые воспользовались привычным своим инструментом - скоростной киносъемкой. Прокрутили отснятый ролик, но... никаких ежей не обнаружили. Протуберанцы, довольно толстые отростки, затейливо изогнутые щупальца, которые словно бы выстреливались из тела крупного пузырька, никак не походили на иголки симпатичного обитателя леса. И ученые дали этому необычному созданию более прозаическое имя - большой деформированный пузырек (сокращенно БДП). На экране удалось разглядеть, как от БДП отрывались, а затем устремлялись обратно мелкие прозрачные пузырьки сферической формы.

Что это было? Кавитация, порождающая тысячеградусные температуры, колоссальные давления? Или, быть может, какое-то новое, впервые наблюдаемое явление? Для проверки, как мы уже знаем, есть особые тесты, своеобразные лакмусовые бумажки, выявляющие кавитацию - звукохимические реакции и свечение жидкостей.

Разрушая преграды

В первом же проверочном эксперименте низкочастотный звук легко запустил цепную реакцию превращения малеиновой кислоты в фумаровую. Сомнения еще оставались - реакция эта хотя и слывет у химиков сложной и капризной, но для инициирования требует сравнительно небольшой энергии. Но когда в лабораторной пробирке двухвалентное железо превратилось в трехвалентное, когда молекулы воды стали расщепляться в ней, словно орехи под ударом молотка, двух мнений быть уже не могло - возбуждена самая настоящая кавитация. Сами исследователи поначалу с трудом верили своиv же результатам. Однако многократные проверки подтверждали: звукохимические реакции можно вести уже при частоте звука в 7 Гц, а некоторые растворы начинали светиться при 30 Гц.

Мы ведем рассказ об открытии, которое можно назвать горячим. Исследования низкочастотной кавитации еще только начались.

Однако уже с первых дней они приносят интереснейшие результаты. Например, едва ученые увидели БДП своими глазами и убедились, что они кавитируют, как рухнула одна из самых авторитетных теорий кавитации. Считалось, что на поверхности рождающегося кавитационного пузырька возникают разноименные заряды. В определенный момент наступает электронный пробой. Отсюда - большое энерговыделение, свечение, инициирование труднейших химических реакций. Единственное условие для такого хода вещей - кавитационный пузырек должен быть... безукоризненно правильной линзообразной формы. На экране же, как мы знаем, исследователи увидели скорее какое-то фантастической формы растение.

"Досталось" не только электрической, но и другой - тепловой теории кавитации. Она гласила: в процессе быстрого сжатия и схлопывания кавитационного пузырька парогазовая смесь нагревается до тысячеградусных температур. При этом она, естественно, начинает светиться подобно нити накаливания обычной электролампочки, а плазменная температура расщепляет молекулы, инициирует самые невероятные химические реакции. Однако теперь в результате тщательнейших исследований установлено: сонолюминесценция - это такое же холодное свечение, как у мерцающих в ночи светляков.

Почти каждый новый эксперимент показывал привычную уже кавитацию с неожиданной стороны, открывал необыкновенные ее способности. Скажем, разрушительная сила высокочастотной кавитации была хорошо известна. Гладкую поверхность металлов она в считанные минуты могла превратить в шероховатую, выкрашивая довольно крупные частицы. Низкочастотная кавитация оказалась, напротив, орудием тонким, деликатным. Ей не составляло труда сгладить, отполировать самую шершавую поверхность, выкалывая лишь микроскопические частички металла.

Низкочастотная кавитация легко и быстро готовила эмульсии из несмешивающихся в обычных условиях жидкостей, дробила погруженные в жидкость гранулы твердого вещества, запускала самые энергоемкие химические реакции... Конечно, все это умеет и ультразвуковая, высокочастотная кавитация. Но чтобы создать ее, как известно, необходима особая аппаратура, генераторы. Теперь же подключай источник колебаний в сеть, какая питает домашний радиоприемник, и все полезные способности кавитации - к твоим услугам. Допустим, надо с предельной тщательностью и быстротой перемешивать вещества в химическом реакторе емкостью в несколько железнодорожных цистерн. Задача эта - самая рядовая, обычная для химической, фармацевтической, микробиологической промышленности. Традиционное решение: в качестве мешалки берут нечто вроде пропеллера или винтового шнека, изготовленные из самых дорогих, химически стойких сплавов. А можно вмонтировать в реактор несложный источник колебаний, включить его в розетку обычной сети - эффект, как свидетельствуют расчеты, будет еще лучший.

Вряд ли кто сможет сегодня предсказать разнообразные практические приложения "второго" открытия кавитации. Пока оно лишь расчищает дорогу для более глубокого понимания этого интереснейшего явления, опрокидывает барьеры, многие десятилетия стоявшие на пути исследователей. Понимание подлинного механизма кавитации, как и откуда возникают ее необычайные силы, еще впереди. А за ним, как всегда бывает в науке,- новые возможности для инженера, конструктора, технолога, которые сегодня невозможно и предвидеть.

Л. ГАЛАМАГА, инженер-физик
Рисунки А. МАТРОСОВА

Периодически появляются описания непонятных объектов движущихся под водой со скоростью более 300 км/час. В результате появляются рассуждения о чудесах, сверхестественном. Но ничего сверхестественного в этом нет.

Кавитация.

О кавитации в Wikipedia пишут:

При движении струи жидкости с ростом ее скорости падает местное давление ниже порогового и образуются паро-газовые полости. При попадании такого кавитационного пузыря в область где давление выше порогового он схлопывается и образует ударную волну.

Число кавитации

Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):

P - гидростатическое давление набегающего потока, Па;

P s - давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па;

ρ - плотность среды, кг/м³;

V - скорость потока на входе в систему, м/с.

Как уже говорилось выше, кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости V = V c , когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.

В зависимости от величины Χ можно различать четыре вида потоков:

• докавитационный - сплошной (однофазный) поток при Χ >1,
• кавитационный - (двухфазный) поток при Χ ~1,
• пленочный - с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при Χ < 1,
• суперкавитационный - при Χ <<1.

Результат работы кавитации

Кавитация работает в промышленности в системах ультразвуковой очистки деталей от загрязнений.

Общеизвестно, что проявление кавитации имеет отрицательный эффект. Она разрушает поверхность узлов находящихся в контакте с кавитирующим потоком.Известно применение кавитации в военной технике.

Ранее разработки в области сверхкавитации применялись при создании оружия:

ЭтоРоссийская подводная ракета "Шквал" способна развивать скорость до 200 узлов (около 100 метров в секунду) и крайне эффективна в борьбе с надводными и подводными кораблями.

Германской антиторпедной ракеты Barracuda с подводной скоростью движения 200 узлов и выше, а также,

Новой иранской торпеды.

В США была создана авиационная система быстрого разминирования Rapid Airborne Mine Clearance System, в которой вертолет отстреливал сверхкавитационные снаряды.

Известны также специализированное личное оружие для подводной стрельбы – автомат Симонова АПС и подводный пистолет Heckler & Koch P11, которые стреляют стальными стрелами и используют эффект сверхкавитации.

Кавитационная "Ракето-торпеда"

Факторы сдерживающие применение кавитации и суперкавитации

Еще в декабре 2006 появилось сообщение:

Но, прошло более 5лет, пока об результатах этой работы неизвестно. Хотя при малейшем успехе у американских компаний звон стоит изрядный.

Попробуем разобраться

Движение под водой в суперкавитационной паро-газовой оболочке снижает гидродинамическое сопротивление движению, за счет создания оптимального обтекания и снижения трения на границе раздела жидкость - паро-газовая оболочка.

Физика явления кавитации и суперкавитации говорит: - "нет проблем в достижении и применении этих эффектов, надо просто разогнать подводную лодку до скорости более 75 - 100 км/час".

Так ли это просто?

Практика показывает, что для достижения подводной лодкой скорости 30 узлов, в зависимости от ее размеров (лобового сопротивления), массы и других параметров, требуется мощность привода ходовых винтов более 35000 л.с. (35000 - 200000 л.с.). Для достижения скорости выхода на суперкавитационный режим нужна многократно большая мощность (более 10 раз).

Правда с помощью создания искусственной парогазовой оболочки можно снизить требуемое увеличение мощности энергоустановки для выхода на кавитационный до 3-5 раз.

Сопротивление движению в режиме суперкавитации снижается на 70% по сравнению с сопротивлением движению на той же скорости без паро-газовой суперкавитационной оболочки.

Но все равно, для современных АПЛ и аппаратов подобного водоизмещения (подводных танкеров), это мощности 100 - 1000 тыс. л.с.

Проблемы

Есть несколько проблем маячащих на горизонте при создании суперкавитационных скоростных подводных аппаратов.

Первая проблема

Это мощность двигательной установки.

Для достижения скоростей необходимых для выхода на скорости необходимые для перехода в кавитационный режим необходимы мощности многократно превосходящие мощности современных подводных аппаратов.

Поскольку технический прогресс идет в направлении увеличения мощности двигательных установок транспортных средств, можно предположить, что решение этой проблемы нас ожидает в близком будущем.

Вторая и наиболее важная проблема

Это движитель подводного аппарата движущегося в суперкавитационном режиме.

Та самая сверх кавитационная паро-газовая оболочка, которая помогает выходу подводного аппарата на сверхскоростной режим движения лишает его возможности отталкиваться от среды и двигаться. Поскольку винт оптимизированный для движения в воде попадая в воздушную (паро-газовую) среду почти полностью теряет свою тягу (работает в газовой среде), применение винта, как движителя, не допустимо.

Да и сам винт (его поверхности расположенные на максимальном расстоянии от оси его вращения) имеет линейную скорость приближающуюся к скоростям при которых возникает кавитация и не может служить движителем подводных аппаратов.

Из имеющихся сейчас движителей, только ракетный может работать при движении подводного аппарата в суперкавитационном режиме. Он и используется в существующих моделях таких подводных аппаратов - например ракетной торпеде Шквал.

Получается, что для движения в водной среде в суперкавитационном режиме нужен движитель с тягой создаваемой без взаимодействия с окружающей средой. пока таких двигателей нет.

Третья проблема

Управление подводным аппаратом движущимся в суперкавитационной каверне.

Та самая паро-газовая каверна, которая позволяет двигаться с огромными скоростями под водой лишает подводный аппарат связи со средой и воздействия на нее для создания управляющих движением моментов.

Получается для управления движением в нашем случае нужен управляемый вектор тяги. Управляемый вектор тяги известен и применяется в современной авиации и ракетной технике.

И самое последнее

Наличие в этом режиме движения среды многократно меняющейся плотности (твердая поверхность аппарата -> паро-газовая каверна -> плотная водная среда) не позволяет, при существующем уровне развития техники, поддерживать связь, контролировать курс и окружающее пространство, управлять аппаратом.

Так можно ли создать подводные аппараты со скоростью самолета?

Смею утверждать - можно!

Но, самое главное, для этого надо этого энергетическая установка с мощностью по крайней мере на порядок - несколько большей существующих. И возможно еще на порядок большими мощностями двигательной установки для обеспечения требуемой управляемости - ведь законы физики отменить нельзя.

Не менее важно, чтобы они имели движитель нового уровня, работающий без механического контакта с внешней средой, а для обеспечения управления подводным аппаратом движущимся в режиме сверхкавитации он должен иметь управляемый вектор тяги. И вполне возможно это совсем не движитель построенный на принципе реактивной тяги.

Вам это ничего не напоминает?

Одно можно сказать торпеда это реальность, а подводный обитаемый (да и автомат тоже) аппарат продолжительность плавания которого измеряется часами и сутками - это дело не года - пяти, а существенно более дальних времен.

И что самое главное, такие подводные аппараты смертельно опасны для всего живого на их пути!