Кавитация. Причина образования

1.

Кавитация.

2.

КАВИТАЦИЯ
Кавитация (от лат. cavitas — пустота) — образование в
жидкости полостей (пузырьков или каверн), заполненных
паром. Кавитация возникает в результате местного
понижения давления в жидкости, которое может
происходить либо при увеличении её скорости, либо при
прохождении акустической волны большой интенсивности
во время полупериода разрежения, существуют и другие
причины возникновения эффекта.

3.

4.

Причина образования
Паровые пузырьки в жидкости легче образуются при
пониженном давлении. Когда же давление окружающей
среды становится больше давления насыщенного пара
жидкости, кавитационный пузырек с силой схлопывается.
Такое схлопывание пузырьков создает шум, вызывает
вибрацию и повреждения конструкций, неблагоприятно
отражается на работе соответствующих машин и
механизмов. Местное понижение давления в жидкости
происходит при быстром относительном движении тела и
жидкости.

5.

К ЧЕМУ ПРИВОДИТ КАВИТАЦИЯ?
КОГДА ВОЗНИКАЕТ КАВИТАЦИЯ?
• Громкий шум
• Сильная вибрация
• Эрозия материала (кавитационный износ) –
повреждение оборудования!
• Основные факторы возникновения кавитации:
• Высокий перепад давления
• Низкое противодавление
• Высокая скорость потока

6.

ТИПИЧНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ
КАВИТАЦИИ
Пример повреждений
поворотного дискового
затвора
Условия эксплуатации
Из чего сразу видно, что поворотный
дисковый затвор
использовался неправильно, поскольку это
вид запорной
арматуры, а не регулирующей.

7.

Закон Бернулли
Согласно закону Бернулли, в жидкости без
трения энергия постоянна вдоль линии тока.
Это можно выразить равенством:
где p – давление, r – плотность, а v – скорость.
Индексы 0, 1 и 2 относятся к любым трем
точкам на данной линии тока.

8.

Из закона следует, что при увеличении скорости
понижается местное давление. Всякая частица жидкости,
движущаяся по искривленной линии тока, например,
огибающей профиль (рис. 1), ускоряется и претерпевает
понижение местного давления. Если давление снижается
до давления насыщенного пара, то возникает кавитация.
Таков механизм явления кавитации на подводных крыльях,
гребных винтах, лопатках турбин и лопастях насосов.

9.

Кавитационный коэффициент
Явление кавитации совершенно одинаково и для
потока, обтекающего неподвижное тело, и для
среды, в которой движется тело. В обоих случаях
важны лишь относительная скорость и
абсолютное давление. Соотношение между
давлением и скоростью, при которых
происходит кавитация, дается безразмерным
критерием s, который называется
кавитационным коэффициентом:
где Рv – давление насыщенного пара
жидкости при данной температуре.

10.

Типы кавитации:
Нестационарная кавитация;
Стационарная пузырьковая кавитация ;
Вихревая кавитация;
Акустическая кавитация.

11.

Нестационарная и стационарная
пузырьковая кавитация.
На рис. 2 представлена кавитация. При определенной
скорости течения воды местное давление у поверхности
крыла понижается до давления водяного пара. На
поверхности крыла появляются кавитационные каверны.
Пузыри растут, смещаясь в направлении течения. Такой тип
кавитации называется нестационарной пузырьковой
кавитацией. Если на поверхности имеется какой-нибудь
выступ, то пузыри концентрируются на нем. Такая
стационарная кавитация тоже
показана на рис. 2.

12.

Вихревая кавитация.
Кавитация может происходить в зоне вихрей,
образующихся в местах повышенного сдвига и
пониженного давления. Вихревая кавитация часто
наблюдается на передней кромке подводных крыльев, на
передних кромках лопастей и позади ступицы гребного
винта. Возможно одновременное возникновение разных
типов кавитации. На рис. 3 представлен морской гребной
винт с вихревой кавитацией на передних кромках
лопастей, стационарными кавитационными кавернами на
поверхности лопастей и присоединенной вихревой
кавитацией позади ступицы.

13.

Полезное применение кавитации:
сверхкавитационные торпеды;
ультразвуковой очистке поверхностей твёрдых
тел;
кавитационные водные устройства очистки;
измельчение твердых включений в тяжёлые
топлива и др.

14.

Кавитация в насосах
Меры борьбы
Для защиты насосов от кавитационного разрушения применяются меры,
не связанные и связанные с изменением конструкции насоса. К первым
относятся:
а) уменьшение сопротивления всасывающих линий (минимальная их
длина, оптимальный диаметр, отсутствие резких поворотов);
б) ограничение скорости жидкости во всасывающих трубопроводах
значениями 1–2 м/с при определении их диаметра;
в) недопущение воздушных мешков при трассировке всасывающих
трубопроводов (в противном случае предусматриваются устройства для
удаления воздуха).

15.

Лопастные насосы.
Как правило, зона кавитации наблюдается вблизи
зоны всасывания, где жидкость встречается с
лопастями насоса. Вероятность возникновения
кавитации тем выше,
чем ниже давление на входе в насос;
чем выше скорость движения рабочих органов
относительно жидкости;
чем более неравномерно обтекание жидкостью
твердого тела.

16.

Центробежные насосы
Когда насос работает с существенным отклонением от
расчетного режима в сторону повышения давления
нагнетания, расход утечек через уплотнение между
рабочим колесом и корпусом возрастает. Из-за высокой
скорости жидкости в уплотнении возможно появление
кавитационных явлений, что может привести к разрушению
рабочего колеса и корпуса насоса. При резком падении
давления в зоне рабочего колеса насоса образуется
вакуум, вода при низком давлении начинает вскипать. При
этом напор резко падает. Режим кавитации приводит к
эрозии рабочего колеса насоса, и насос выходит из строя.

17.

Кавитация в двигателях
Некоторые большие по размеру дизельные двигатели
страдают от кавитации из-за высокого сжатия и
малогабаритных стенок цилиндра. В результате в
стенках цилиндра образовываются дырки, которые
приводят к тому, что охлаждающая жидкость начинает
попадать в цилиндры двигателя. Предотвратить
нежелательные явления возможно при помощи
химических добавок в охлаждающую жидкость,
которые образуют защитный слой на стенках цилиндра.
Этот слой будет подвержен той же кавитации, но он
может самостоятельно восстанавливаться.

18.

Предотвращение последствий
Наилучшим методом предотвращения вредных
последствий кавитации для деталей машин
считается изменение их конструкции таким
образом, чтобы предотвратить образование
полостей либо предотвратить разрушение этих
полостей возле поверхности детали. При
невозможности изменения конструкции могут
применяться защитные покрытия, например,
газотермическое напыление сплавов на основе
кобальта.