Советские физики (А.М.Прохоров, Г.А.Аскарьян и Г.П.Шапи-
ро) установили, что мощные гидравлические волны можно получить
используя луч квантового генератора (открытие N65). Если луч
мощного квантового генератора пропустить через жидкость, то
вся энергия луча поглотится в жидкости, приводя к образованию
ударных волн с давлением, доходящим до миллиона атмосфер. Это
открытие находит, кроме обычных областей применения гидравли-
ческих ударов, очень широкое применение микроэлектронике, для
условий особо чистых поверхностей, для обработки таких матери-
алов и изделий, которые исключают пр электродов и т.д. Исполь-
зуя светогидравлический эффект, можно издалека, дистанционно,
возбуждать в жидкости гидравлические импульсы с помощью луча
света (см. также 17.7).
4.8. K а в и т а ц и я.
Кавитацией называется образование разрывов сплошности
жидкости в результате местного понижения давления. Если пони-
жение давления происходит вследствии возникновения больших
местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то
кавитация называется гидродинамической, а если вследствие про-
хождения в жидкости акустических волн, то акустической.
4.8.1. Гидродинамическая кавитация
Возникает в тех участках потока, где давление понижается
до некоторого критического значения. Присутствующие в жидкости
пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком жидкости и попадая
в облать давления меньше критического, приобретает способность
к неограниченному росту. После перехода в зону пониженного
давления рост прекращается и пузырьки начинают уменьшаться.
Если пузырьки содержат достаточно много газа, то при достиже-
нии ими минимального радиуса, они восстанавливаются и соверша-
ют несколько циклов затухающих колебаний, а если мало, то пу-
зырек схлопывается полностью в первом цикле.
Таким образом, вблизи обтекаемого тела создается
кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками. Сокра-
щение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и
сопровождается звуковым импульсом, тем более сильным, чем
меньше газа содержит пузырек. Если степень развития кавитации
такова, что возникает и захлопывается множество пузырьков, то
явление сопровождается сильным шумом со сплошным спетром от
несколько сотен герц до сотен кгц. Спектр расширяется в об-
ласть низких частот по мере увеличения максимального радиуса
пузырьков.
Если бы жидкость была идиально однороной, а поверхность
твердого тела, с которым она граничит идеально смачисваемой,
то разрыв происходил бы при давлении более низком, чем давле-
ние насыщенного паражидкости, при котором жидкость становится
нестабильной. Теоретическая прочность воды на разрыв равна
1500 кг/см. реальные жидкости менее прочны. Максимальная проч-
ность на разрыв тщательно очищенной воды, достигнутая при рас-
тяжении воды при 10 град. составляет 260 кг/см. Обычно же раз-
рыв наступает при давлениях, насыщенного пара. низкая
прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так на-
зываемых кавитационных зародышей - плохо смачиваемых участков
твердого тела, твердых частиц, частиц, заполненных газом мик-
роскопических газовы предохраняемых от растворения мономолеку-
лярными органическими оболочками, ионных образований, возника-
ющих под действием космических лучей.
Увеличение скорости потока после начала кавитаци влечет
за собой быстрое возрастание числа развивающихся пузырьков,
вслед за чем происходит их обьединение в общую кавитациверну и
течение переходит в струйное.
Для плохо обтекаемых тел, обладающих острыми кромками,
формирование струйного вида кавитации происходит очень быстро.
наличие кавитации неблагоприятно сказывается на работе гидрав-
лических машин, турбин, насосов, судовых гребных винтов и зас-
тавляет принимать меры к избежанию кавитации. Если это оказы-
вается невозможным, то в некоторых случаях полезно усилить
развитие кавитации, создать так называемый режим "суеркавита-
ции", отличающийся струйным характером обтекания и применив
специальное профилирование лопастей, обеспечить благоприятные
условия работы механизмов. Замыкание кавитационных пузырьков
вблизи поверхности обтекаемого тела часто приводит к разруше-
нию поверхности,- так называемой кавитационной эрозии. Чтобы
избежать захлопывание кавитационных пузырьков, надо подать в
область пониженного давления какой-нибудь газ, например воз-
дух.
Так сделали специалисты Гидропроекта. Они построили на
водосбросе Нурекской плотины в области максимальной кавитации
искуственный трамплин, создав тем самым большую зону понижен-
ного давления, которую соединили с атмосферой. Теперь кавита-
ция засасывала воздух из атмосферы и сама себя разрушила.
Очень часто используют происходящие при кавитации разруше-
ния для ускорения различных технологических процессов.
А.с. N 443663: Способ приготовления грубых кормов, включаю-
щий обработку их раствором щелочи, отличающийся тем, что с
целью размягчения и ускорения влагонасыщения корма, обработку
его осуществляют в кавитационном режиме.
4.8.2. Акустическая кавитация.
Это образование и захлопывание полостей и жидкости под воз-
действием звука. Полости образуются в результате разрыва жид-
кости во время полупериодов сжатия. Полости заполнены в основ-
ном насыщенным паром данной жидкости, поэтому процесс иногда
называется паровой кавитацией в отличие от газовой кавитаци-
иинтенсивных нелинейных колебаний газовых (обычно воздушных)
пузырьков в звуковом поле, существовавших в жидкости до вклю-
чения звука. Если газовая кавитация может протекать с большей
или меньшей интенсивностью при любых значениях амплитуды дав-
ления звуковой волны, то паровая лишь при достижении некоторо-
го критического значения амплитуды давления, так называемого
кавитационного порога. Величина этого порога - от давленияна-
сыщенного пара жидкости до нескольких десятков и даже сотен
атмосфер (в зависимости от содержания в жидкости зародышей).
Эксперементально установлено, что величина порога завист от
многих факторов. Порог повышается с ростом гидростатического
давления, после обжатия жидкости высоким (порядка 1000 атм.)
статистическим давлением,при обезгаживании и охлаждении жид-
кости, с ростом частоты звука и с уменьшением продолжительнос-
ти озвучивания. Порог выше для бегущей, чем для стоячей воды.
При захлопывании сферической полости давление в ней резко
возрастает, как при взрыве, что приводит к излучению импульса
сжатия. Давление при захлопывании особенно велико при кавита-
ции на низких частотах в обезгаженной жидкости с малым давлен
насыщенного пара. Если увеличить содержание газа в жидкости,
то диффузия газа в полости усилится, захлопывание полостей
станет неполным и подьем давления при захлопывании - неболь-
шим. При содержании газа в жидкости выше 50% от насыщения воз-
никает кавитационное обезгаживание жидкости - образование и
всплывание газовых пузырьков и вырождение паровой кавитации в
газовую.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67