Возможные условия возникновения кавитации

Кавитация — процесс образования в жидкости пузырьков пара и последующего их схлопывания с выделением большого количества энергии в локальных областях. От возникновения пузырька до его схлопывания проходит несколько миллисекунд. В момент схлопывания в пузырьке возникает давление порядка 1000 атмосфер при температуре более 4000 К. И вся эта огромная энергия по тонкой струйке (рис. 1) направляется в небольшую площадку поверхности, на которой образовался пузырёк. В результате происходит разрушение материала в этой области. Помимо этого, кавитация порождает и другие эффекты:

  • взрывная волна, которая приводит к вибрации рабочих механизмов и ухудшает их производительность, а также порождает достаточно сильный шум;
  • световое излучение (сонолюминесценция);
  • расщепление воды и содержащихся в ней веществ на свободные радикалы.

Динамимика кавитационного пузыря
Рис.1. Динамимика кавитационного пузыря

Возможные условия возникновения кавитации:

1. Наиболее часто мы встречаемся с кавитацией в домашних условиях, когда что-нибудь кипятим. В момент начала кипения возле нагретой поверхности можно наблюдать появление пузырьков. Эти пузырьки лопаются, не всплывая на поверхность, — это и есть процесс кавитации.

2. В судоходстве это явление снижает срок работы гребных винтов и подводных крыльев. В результате перепада давления кавитационные пузырьки образуются на лопастях винта и кромках подводных крыльев. Схлопывающиеся пузырьки способны вырывать куски металла с поверхности, в результате чего образуются ямки, вызывающие увеличение трения о воду и турбулентность, что со временем приводит в негодность винт или крыло. Похожий эффект возникает в механизмах центробежных насосов, гидротурбинах ГЭС.

Кавитация на винте
Рис.2. Кавитация на винте

3. Кавитация также имеет положительные эффекты. К примеру, в ультразвуковых ваннах процесс кавитации, объединенный с химическим воздействием активных веществ моющей жидкости приводит к активному очищению поверхностей различных деталей, монет, украшений, печатных плат и др. от твердых отложений.

4. Кавитация нашла применение в медицине: с её помощью выводят камни из почек (литотрипсия), уменьшают лишние жировые отложения (липосакция), удаляют зубные камни и налёт.

Для обнаружения кавитации необходимо понять её механизм. Схлопывание пузырька порождает широкий спектр излучения, в том числе и акустических волн. Таким образом определить наличие кавитации можно при помощи сенсора, способного детектировать акустические волны. Однако любой процесс, при котором возможно возникновение кавитации, сопровождается всевозможными посторонними шумами: работа генераторов, шум винтов, трение поверхностей и т.п. Эти шумы в основном низкочастотные, в пределах 100 кГц, поэтому при проектировании датчика кавитации необходимо максимально отдалиться от низкочастотных шумов, чтобы не заглушить полезный сигнал. Для таких целей хорошо подходят либо резонансные, либо широкополосные датчики, у которых рабочие частоты выше 100 кГц.