Большая Энциклопедия Нефти и Газа. Кавитация нефти что это


Способ получения кавитации

Способ предназначен для использования кавитации при диспергации водогазовых смесей с целью воздействия на нефтяные пласты для повышения коэффициента извлечения нефти. Способ кавитации включает получение кавитационных разрывов с использованием скорости движения жидкости за счет взаимодействия поверхностей встречных потоков, при этом встречные потоки разгоняют до скоростей, где сумма модулей скоростей потоков удовлетворяет следующему соотношению:

,

где:

- модуль вектора скорости первого потока;

- модуль вектора скорости второго потока;

Р - гидростатическое давление жидкости,

ρ - плотность жидкости,

с - скорость распространения возмущения в жидкости.

Технический результат - повышение эффективности процесса кавитации. 1 ил.

 

Изобретение относится преимущественно к нефтегазовой отрасли промышленности, в частности, для использования кавитации для диспергации водогазовых смесей с целью воздействия на нефтяные пласты для повышения коэффициента извлечения нефти.

Известен способ кавитации потока жидкости, основанный на увеличении скорости потока жидкости, которое приводит к уменьшению давления до такой степени, что в жидкости образуются кавитационные разрывы, которые охлопываются, как только попадают в зону повышенного давления (Л.И.Седов. Механика сплошной среды. Т.2. Издательство «Наука», М., 1976 г., стр.34-35).

При этом определен параметр, называемый числом кавитации.

где: X - безразмерный параметр - число кавитации;

Ргст - гидростатическое давление жидкости;

Pd - давление, при котором происходит нарушение сплошности жидкости;

ρ - плотность жидкости;

V∞ - скорость потока жидкости вдали от зоны разгона;

Vк - скорость, при которой начинается кавитация жидкости. Если пренебречь в вышеуказанной формуле Pd и V∞, получается, что кавитация возникает при скорости потока

Реально при ρ=1000 кг/см3 это выглядит следующим образом:

при Ргст=10 атм = 1 Мпа; Vк=44,7 м/сек

при Ргст=40 атм = 4 Мпа; Vк=89,4 м/сек

при Ргст=100 атм = 10 Мпа; Vк=141 м/сек.

Отсюда следует, что при больших гидростатических давлениях получение кавитационного режима способом разгона жидкости весьма затруднительно, так как при больших гидростатических давлениях необходимы большие скорости движения жидкости. Наиболее близким способом к заявляемому является «Способ кавитации потока жидкости и устройство для его осуществления», патент Российской Федерации №2164629 F15D 1/02. Способ заключается в том, что получение разрыва жидкости осуществляется за счет прерывания ее потока - полностью или частично. Оценку скорости потока, при которой возможен разрыв жидкости за элементом, прерывающим данный поток, можно оценить по формуле:

,

где: Vp - скорость, при которой происходит разрыв жидкости, а значит, кавитация;

Ргст - гидростатическое давление в жидкости;

ρ - плотность жидкости;

с - скорость распространения возмущений в жидкости.

Таким образом, вышеуказанным способом можно получить кавитацию, например, для ρ=1000 кг/м3, с=1200 м/с при следующих соотношениях Ргст и Vp:

при Ргст=10 атм = 1 Мпа; Vк=0,8 м/сек

при Ргст=40 атм = 4 Мпа; Vк=3,3 м/сек

при Ргст=100 атм = 10 Мпа; Vк=8,3 м/сек.

Как видно из вышеприведенных данных, способ получения кавитационных разрывов жидкости путем механического прерывания ее потока намного эффективнее способа разгона жидкости. Необходимые для образования кавитационных разрывов скорости гораздо ниже скоростей, необходимых для реализации кавитации в предыдущем способе.

Однако способ механического прерывания потока жидкости для получения кавитации имеет существенные недостатки. Количество кавитационных каверн строго равно количеству прерываний потока жидкости, что во многих случаях использования кавитации для различных процессов недостаточно.

Кроме того, использование данного способа приводит к получению гидроудара перед элементом, перекрывающим поток жидкости. Этот фактор негативно сказывается на надежности работы устройств, работающих по данному принципу получения кавитации.

Таким образом, степень кавитации, получаемая вышеуказанными способами может быть недостаточна для каких либо технологических процессов, в которых используется кавитация, например, для приготовления мелкодисперсной водогазовой смеси, применяемой для увеличения коэффициента извлечения нефти.

Техническим эффектом предлагаемого изобретения является увеличение степени кавитации для увеличения эффективности процесса диспергации.

Заявленный технический эффект достигается решением технической задачи, направленной на повышение эффективности процесса кавитации.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в способе получения кавитации потока жидкости, включающем гидродинамическое воздействие на поток с добавлением в жидкость веществ, способствующих уменьшению усилия для разрыва потока при образовании кавитационных полостей, гидродинамическое воздействие на поток осуществляется за счет взаимодействия внешних поверхностей встречных потоков. При этом сумма модулей скоростей потоков должна удовлетворять следующему соотношению:

где - значения скоростей потоков, движущихся в противоположных направлениях,

Ргст - гидростатическое давление жидкости,

ρ - плотность жидкости,

с - скорость распространения возмущений в жидкости.

А в качестве потока может быть использована многофазная среда:

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что кавитация осуществляется за счет механизма получения кавитационных разрывов, основанного на инерционном движении в противоположных направлениях соприкасающихся поверхностями в какой-то момент неких объемов жидкости. По всей площади контакта поверхностей встречных потоков будут возникать множественные очаги кавитационных разрывов жидкости, процесс получения кавитационных разрывов будет идти непрерывно по всей площади соприкосновения поверхностей потоков, движущихся в противоположных направлениях, при этом сумма скоростей потоков должна удовлетворять следующему соотношению:

При соотношении меньше указанного, разрыв может не произойти.

Данный способ непрерывного образования множественных кавитационных разрывов может быть применен, например, для дополнительной диспергации жидкостно-газовой смеси. Действительно, если во встречных потоках используется жидкостно-газовая смесь, то образовавшиеся кавитационные разрывы жидкости в зоне соприкосновения встречных потоков при удалении от этой зоны начинают интенсивно охлопываться, высвобождать значительное количество энергии, которое в конечном итоге приводит к дополнительному дроблению газовых пузырьков. Например, это очень важно при закачке водогазовой смеси в нефтяной пласт с целью повышения коэффициента нефтеизвлечения (КИН), так как стабильность положительного воздействия на пористую среду, имеющую фильтрационные каналы достаточно малой раскрытости, зависит от диаметра газовых пузырьков, который должен быть сопоставим с вышеуказанной раскрытостью каналов.

На чертеже представлена схема взаимодействия поверхностей потоков, движущихся в противоположных направлениях.

Способ осуществляется следующим образом.

Два потока 1 и 2, направленных в противоположных направлениях, соприкасаются их внешними поверхностями, где поток 1 движется со скоростью а поток 2 движется со скоростью . При этом в пределах зоны взаимодействия внешних поверхностей встречных потоков 3 возникают множественные разрывы потока, локальные скачки давления способствуют возникновению заполненных пузырьками областей пониженного давления - каверн, а затем по ходу потоков за счет повышения давления происходит схлопывание пузырьков, при этом высвобождается энергия, дробящая имеющиеся газовые пузырьки на более мелкие. Затем мелкодисперсная водогазовая смесь, полученная за счет дополнительного диспергирования, выходит из диспергирующего устройства для закачки в нефтяной пласт.

Для облегчения разрыва потока жидкости при высоких гидростатических давлениях в прокачиваемую жидкость вводят вещества - реагенты, например, поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Пример конкретного исполнения.

Осуществлялись лабораторные исследования получения мелкодисперсной водогазовой смеси (МВГС), необходимой для закачки в пласт в целях увеличения коэффициента извлечения нефти.

Предварительно приготовленная в эжекторе водогазовая смесь разделялась на два потока 1 и 2 и подавалась в диспергирующее устройство, где потоки были направлены в противоположных направлениях и имели возможность взаимодействовать внешними поверхностями. При этом сумма модулей скоростей потоков была больше, чем Ргст/ρ·с. Пробы водогазовой смеси брались до входа в диспергирующее устройство и после выхода из него с целью определения среднего диаметра газовых пузырьков. Измерения производились косвенным методом, основанным на определении скорости всплытия пузырьков. При этом получено, что средний диаметр пузырьков до входа в диспергирующее устройство составил 80-100 мкм, а на выходе из диспергирующего устройства 20-40 мкм.

Преимущества данного способа заключаются в следующем:

1. Процесс кавитации идет непрерывно и с большой интенсивностью.

2. Данный способ непрерывного образования множественных кавитационных разрывов может быть применен, например, для дополнительной диспергации водо-газовой смеси.

3. Данный способ может быть реализован при достаточно высоких гидростатических давлениях, что позволяет применять его, например, для приготовления мелкодисперсной газовой смеси непосредственно на забое скважин.

В дополнение к вышесказанному этот способ достаточно легко можно реализовать без применения в устройствах для получения мелкодисперсной водогазовой смеси движущихся частей, которые могут нести значительные динамические нагрузки, которые приводят к разрушению движущихся элементов.

Таким образом, способ эффективен и достаточно прост в его реализации.

Способ кавитации, включающий получение кавитационных разрывов с использованием скорости движения жидкости за счет взаимодействия поверхностей встречных потоков, отличающийся тем, что встречные потоки разгоняют до скоростей, где сумма модулей скоростей потоков удовлетворяет следующему соотношению:где - модуль вектора скорости первого потока; - модуль вектора скорости второго потока;Р - гидростатическое давление жидкости;ρ - плотность жидкости;с - скорость распространения возмущения в жидкости.

www.findpatent.ru

Газовая кавитация - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4

Газовая кавитация

Cтраница 4

При быстром перемещении подвижных частей в гидросистемах, обусловливающих значительное увеличение рабочего объема, жидкость не всегда может быстро заполнить образующийся дополнительный объем, что является причиной появления кавитации в области отрицательных давлений. Эта область заполняется парами жидкости или газом, если последний был растворен в жидкости. В первом случае возникает кавитация кипения, во втором - газовая кавитация. При газовой кавитации пузырьки выделившегося газа быстро захлопываются, при этом возникают мгновенные большие давления и высокие температуры, давление образует сферические ударные волны, которые разрушают встречающиеся на их пути поверхности.  [46]

Следует отметить, что давление в торцовом зазоре распределителя во время работы может превышать давления на границах зазора. При расширяющемся зазоре давление в нем обычно ниже давления на его границах и может достигать значения вакуума. В зоне всасывания в зазоре может образоваться глубокий вакуум - 400 мм рпг. В результате возникает местная газовая кавитация, сопровождающаяся снижением несущей способности пленки и ее разрывом, что, в свою очередь, сопровождается повышенным износом скользящей пары и схватыванием материала.  [47]

В потоке жидкости, как правило, содержится некоторое количество газа, мельчайшие пузырьки которого имеют радиус - - - 10 - 9 м и невидимы для невооруженного глаза. Эти пузырьки воздуха - нуклеоны ( зародыши) - переносятся потоком жидкости и, попадая в область более низкого давления, начинают расти. Через поверхность пузырька происходит диффузия газа: внутрь пузырька или из него в зависимости от концентрации газа в пузырьке и окружающей его жидкости. Это явление называется газовой кавитацией. Практически всегда наблюдается парогазовая кавитация.  [48]

Исследования значения необходимого давления на входе в насос ( см. § 2.3) показывают, что расчеты для паровой кавитации совершенно не подходят для газовой. Введение различных поправок решает задачу инженерных расчетов, но не отражает физической сути явления. Акустическая модель кавитации объединяет понятия паровой и газовой кавитации, рассматривая ее как локальное возникновение в проточном тракте насоса сжимаемой среды, приводящей к запиранию каналов рабочего колеса. Вне зависимости от того - паровая или газовая кавитация возникла в насосе, она определяется сжимаемостью среды и числом Маха, равным единице. При этом понятны все моменты, которым раньше было трудно найти объяснение: это и влияние вязкости, и температуры, и свободного газа на кавитацию. Так, в работе [90] кавитацион-ные качества насоса на керосине лучше, чем на воде, при этом они улучшаются при увеличении температуры топлива. Это можно объяснить увеличением скорости звука с возрастанием температуры, но никак не размерами кавитационной зоны. Теория акустического запирания менее разработана, но лучше отражает физическую суть явления.  [49]

В высоковязких холодных нефтях, мазутах, маслах содержится значительное количество нерастворенных газов. Вязкие жидкости хорошо удерживают нерастворенные газы в виде мелких пузырьков, ослабляющих кавитационную прочность жидкости и являющихся зародышами кавитации. Например, в гидросистемах, работающих на маслах нефтяного происхождения, содержится до 9 - 11 % воздуха. Кавитация в таких жидкостя-х носит в основном характер газовой кавитации, когда при pK - ps метаста-бильные свойства жидкости проявляются слабо. С ростом вязкости - масел количество нерастворенного воздуха в них возрастает. В вязких нефтях в нерастверенном состоянии наблюдается также углекислый газ, сероводород.  [50]

При протекании жидкости через сужающее устройство в результате падения давления могут в некоторых случаях возникнуть условия для образования кавитации - разрывов сплошности жидкости газовыми или паровыми пузырями. Следует различать газовую и паровую кавитацию. Большинство промышленных жидкостей имеют контакт с воздухом или другим газом, и последний находится в жидкости в растворенном, а частично и в нерастворенном виде. Мелкие нерастворенные пузырьки воздуха, а также механические примеси существенно снижают прочность воды на разрыв и становятся центром образования газовой кавитации, при которой происходит переход воздуха или газа из растворенного в нерастворенное состояние по мере понижения давления жидкости при проходе ее через сужающее устройство. Если же давление падает до давления насыщенного парарн п, то возникает паровая кавитация - частичный переход жидкости в паровую фазу. Переходная зона может быть названа областью смешанной кавитации. В результате кавитации может возникнуть заметная погрешность при измерении расхода с помощью сужающих устройств. В связи с этим следует стремиться применять последние при бескавитационном режиме течения жидкости, что обеспечивается, если отношение Ар / Pi не превзойдет некоторого порогового значения.  [51]

Гидравлические потери во входной части насоса в этом случае незначительно отличаются от соответствующих, потерь при перекачке холодной воды, и поэтому поправку bhv можно не учитывать. Нефти должны обладать ньютоновскими свойствами. Маловязкие нефти и нефтепродукты в процессе кавитации находятся в метастабилыюм состоянии. Кроме того, сказываются также явления газовой кавитации, обусловленные присутствием остаточных газов, создающих зародыши кавитации и влияющих на давление в кавитационных зонах.  [52]

Медленный, в результате диффузии, рост пузырьков, наполненных газом или воздухом, обычно называют газовой кавитацией. Внезапное, мгновенное, расширение дает пузырьки, наполненные преимущественно паром. Этот процесс, соответственно, называют паровой кавитацией. Простейшей формой пузырька, наполненного газом, является маленький пузырек нерастворившегося воздуха. Для таких пузырьков возможно теоретическое определение критического давления, необходимого для начала как паровой, так и газовой кавитации.  [53]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

Кавитация - это... Что такое Кавитация?

Моделирование кавитации

Кавита́ция (от лат. cavitas — пустота) — процесс парообразования и последующей конденсации пузырьков воздуха в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырёк захлопывается, излучая при этом ударную волну.

Кавитация разрушает поверхность гребных винтов, гидротурбин, акустических излучателей и др.

Обзор

Согласно определению Кристофера Бреннена: «Когда жидкость подвергается давлению ниже порогового (напряжению растяжения), тогда целостность ее потока нарушается, и образуются парообразные полости. Это явление называется кавитацией. Когда местное давление жидкости в некоторой точке падает ниже величины, соответствующей давлению насыщения при данной окружающей температуре, тогда жидкость переходит в другое состояние, образуя, в основном, фазовые пустоты, которые называются кавитационными пузырями. Возможно и другое образование кавитационных пузырей путем местной подачи энергии. Это может быть достигнуто фокусировкой интенсивного лазерного импульса (оптическая кавитация) или искрой электрического разряда».

Во многих источниках физика этого явления объясняется следующим образом. Физический процесс кавитации близок процессу закипания жидкости. Основное различие между ними заключено в том, что при закипании изменение фазового состояния жидкости происходит при среднем по объёму жидкости давлении равном давлению насыщенного пара, тогда как при кавитации среднее давление жидкости выше давления насыщенного пара, а падение давления носит локальный характер.

Однако более поздние исследования показали, что ведущую роль в образовании пузырьков при кавитации играют газы, выделяющиеся внутрь образовывающихся пузырьков. Эти газы всегда содержатся в жидкости, и при местном снижении давления начинают интенсивно выделяться внутрь указанных пузырьков.

Поскольку под воздействием переменного местного давления жидкости пузырьки могут резко сжиматься и расширяться, то температура газа внутри пузырьков колеблется в широких пределах, и может достигать нескольких сот градусов по цельсию. Имеются расчётные данные, что температура внутри пузырьков может достигать 1500 градусов цельсия [1]. Следует также учитывать, что в растворённых в жидкости газах содержится больше кислорода в процентном отношении, чем в воздухе, и поэтому газы в пузырьках при кавитации химически более агрессивны, чем атмосферный воздух.

Вредные последствия

Повреждения, наносимые эффектом кавитации (часть насоса) Кавитационные повреждения гребного винта

Химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает эрозию материалов, с которыми соприкасается жидкость, в которой развивается кавитация. Эта эрозия и составляет один из факторов вредного воздействия кавитации. Второй фактор обусловлен большими забросами давления, возникающими при схлопывании пузырьков и воздействующими на поверхности указанных материалов.

Поэтому кавитация во многих случаях нежелательна. Например, она вызывает разрушение гребных винтов судов, рабочих органов насосов, гидротурбин и т. п., кавитация вызывает шум, вибрации и снижение эффективности работы.

Когда схлопываются кавитационные пузыри, энергия жидкости сосредотачивается в очень небольших объемах. Тем самым, образуются места повышенной температуры и возникают ударные волны, которые являются источниками шума. Шум, создаваемый кавитацией, является особой проблемой на подводных лодках (субмаринах), так как из-за шума их могут обнаружить. При разрушении каверн освобождается много энергии, что может вызвать повреждения. Эксперименты показали, что вредному, разрушительному воздействию кавитации подвергаются даже химически инертные к кислороду вещества (золото, стекло и др.), хотя и намного более медленному. Это доказывает, что помимо фактора химической агрессивности газов, находящихся в пузырьках, важным является также фактор забросов давления, возникающих при схлопывании пузырьков. Кавитация ведёт к большому износу рабочих органов и может значительно сократить срок службы винта и насоса. В метрологии, при использовании ультразвуковых расходомеров, кавитационные пузыри модулируют волны, излучаемые расходомером, что приводит к искажению его показаний.

Полезное применение кавитации

Хотя кавитация нежелательна во многих случаях, есть исключения. Например, сверхкавитационные торпеды, используемые военными, обволакиваются в большие кавитационные пузыри. Существенно уменьшая контакт с водой, эти торпеды могут передвигаться значительно быстрее, чем обыкновенные торпеды. Так сверхкавитационная торпеда "Шквал", в зависимости от плотности водной среды, развивает скорость до 500 км/ч. Такие исследования проводились, например, в Институте гидромеханики НАН Украины.[2]

Кавитация используется при ультразвуковой очистке поверхностей твёрдых тел. Специальные устройства создают кавитацию, используя звуковые волны в жидкости. Кавитационные пузыри, схлопываясь, порождают ударные волны, которые разрушают частицы загрязнений или отделяют их от поверхности. Таким образом, снижается потребность в опасных и вредных для здоровья чистящих веществах во многих промышленных и коммерческих процессах, где требуется очистка как этап производства.

В промышленности кавитация часто используется для гомогенизации (смешивания) и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, например, смеси красок или молоке. Многие промышленные смесители основаны на этом принципе. Обычно это достигается благодаря конструкции гидротурбин или путём пропускания смеси через кольцевидное отверстие, которое имеет узкий вход и значительно больший по размеру выход: вынужденное уменьшение давления приводит к кавитации, поскольку жидкость стремится в сторону большего объёма. Этот метод может управляться гидравлическими устройствами, которые контролируют размер входного отверстия, что позволяет регулировать процесс работы в различных средах. Внешняя сторона смесительных клапанов, по которой кавитационные пузыри перемещаются в противоположную сторону, чтобы вызвать имплозию (внутренний взрыв), подвергается огромному давлению и часто выполняется из сверхпрочных или жестких материалов, например, из нержавеющей стали, стеллита или даже поликристаллического алмаза (PCD).

Также были разработаны кавитационные водные устройства очистки, в которых граничные условия кавитации могут уничтожить загрязняющие вещества и органические молекулы. Спектральный анализ света, испускаемого в результате сонохимической реакции, показывает химические и плазменные базовые механизмы энергетической передачи. Свет, испускаемый кавитационными пузырями, называется сонолюминесценцией.

Кавитационные процессы имеют высокую разрушительную силу, которую используют для дробления твердых веществ, которые находятся в жидкости. Одним из применений таких процессов является измельчение твердых включений в тяжёлые топлива, что используется для обработки котельного топлива с целью увеличения калорийности его горения.

Кавитационные устройства снижают вязкость углеводородного топлива, что позволяет снизить необходимый нагрев и увеличить дисперсность распыления топлива.

Кавитационные устройства используются для создания водно-мазутных и водно-топливных эмульсий и смесей, которые часто используются для повышения эффективности горения или утилизации обводнённых видов топлива.

Применение в биомедицине

Кавитация играет важную роль для уничтожения камней в почках и мочеточнике посредством ударной волны литотрипсии. Литотриптор — прибор, предназначенный для разрушения камней в мочеполовом тракте без открытого хирургического вмешательства.

В настоящее время исследованиями показано, что кавитация также может быть использована для перемещения макромолекул внутрь биологических клеток (сонопорация).

Кавитация, создаваемая прохождением ультразвука в жидкостной среде, используется в работе хирургических инструментов для бескровного иссечения тканей плотных органов (см. CUSA).

Кавитация также применяется в стоматологии при ультразвуковой чистке зубов, разрушая зубной камень и пигментированный налет («налет курильщика»), а также косметологии.

Лопастные насосы и винты судов

В местах контакта жидкости с быстро движущимися твердыми объектами (рабочие органы насосов, турбин, гребные винты судов, подводные крылья и т. д.) происходит локальное изменение давления. Если давление в какой-то точке падает ниже давления насыщенного пара, происходит нарушение целостности среды. Или, проще говоря, жидкость закипает. Затем, когда жидкость попадает в область с более высоким давлением, происходит «схлопывание» пузырьков пара, что сопровождается шумом, а также появлением микроскопических областей с очень высоким давлением (при соударении стенок пузырьков). Это приводит к разрушению поверхности твердых объектов. Их как бы «разъедает». Если зона пониженного давления оказывается достаточно обширной, возникает кавитационная каверна — полость, заполненная паром. В результате нормальная работа лопастей нарушается и возможен даже полный срыв работы насоса. Любопытно, но есть примеры, когда кавитационная каверна специально закладывается при расчете насоса. В тех случаях, когда избежать кавитации невозможно, такое решение позволяет избежать разрушительного влияния кавитации на рабочие органы насоса. Режим, при котором наблюдается устойчивая кавитационная каверна, называют «режимом суперкавитации».

Лопастные насосы. Кавитация на стороне всасывания

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 (высокий угол атаки лопасти, наличие изломов, неровностей поверхности и т. п.)

Центробежные насосы. Кавитация в уплотнении рабочего колеса

У классических центробежных насосов часть жидкости из области высокого давления проходит через щель между рабочим колесом и корпусом насоса в зону низкого давления. 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 увеличения перепада давления между полостями всасывания и нагнетания). Из-за высокой скорости жидкости в уплотнении возможно появление кавитационных явлений, что может привести к разрушению рабочего колеса и корпуса насоса. Как правило, в бытовых и промышленных случаях режим кавитации в рабочем колесе насоса возможен при резком падении давления в системе отопления или водоснабжения: например, при разрыве трубопровода, калорифера или радиатора. 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.

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 отверстия, 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.

Сосудистые растения

Кавитация происходит в ксилемных сосудистых растениях, когда водный потенциал становится таким большим, что растворившийся в воде воздух расширяется, чтобы заполнить клетки растения, или элементы сосудов, капилляры. Обычно растения способны исправить кавитационную ксилему, например, при помощи корневого давления, но для других растений, таких как виноградники, кавитация часто приводит к гибели. В некоторых деревьях ясно слышен кавитационный шум. Осенью температурное понижение увеличивает образование воздушных пузырей в капиллярах некоторых видов растений, что вызывает опадание листьев.

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.

В системах гидропривода часто используют системы подпитки. Они, упрощённо говоря, представляют собой дополнительный насос, жидкость от которого начинает поступать через специальный клапан в гидросистему, когда в последней давление падает ниже допустимого значения. Если давление в гидросистеме не опускается ниже допустимого, жидкость от дополнительного насоса идёт на слив в бак. Системы подпитки установлены, например, во многих экскаваторах.

Другие области применения

Кавитация применяется для стабилизации игольчатых пуль подводных боеприпасов (например, боеприпасы автомата АПС или патроны 5.45x39 ПСП для автомата АДС), для увеличения скорости торпед (Шквал и Барракуда).

Кавитация может быть использована для измельчения разных материалов (в том числе руд). Для этих процессов выпускается промышленное оборудование [3], в котором кавитацию получают при помощи силового ультразвука.

Число кавитации

Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):

, где

 — гидростатическое давление набегающего потока, Па; — давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па; — плотность среды, кг/м³; — скорость потока на входе в систему, м/с.

Известно, что кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости , когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.

В зависимости от величины можно различать четыре вида потоков:

  • докавитационный — сплошной (однофазный) поток при ,
  • кавитационный — (двухфазный) поток при ,
  • пленочный — с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при ,
  • суперкавитационный — при .

Измерение

Уровень кавитации измеряют (как правило в относительных единицах) с помощью приборов, называемых кавитометрами[4].

Литература

  • Биркгоф Г., Сарантонелло Э. Струи, следы и каверны. пер. с англ. М.: Мир, 1964. 466с.
  • Корнфельд М. Упругость и прочность жидкостей. М.: ГИТТЛ, 1951. 200с.
  • Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. М.: Мир, 1974. 678 с.
  • Акуличев В. А. Кавитация в криогенных и кипящих жидкостях. М.: Наука, 1978. 280c.
  • Левковский Ю. Л. Структура кавитационных течений. Л.: Судостроение, 1977. 222с.
  • Иванов А. Н. Гидродинамика развитых кавитационных течений. Л.: Судостроение, 1980. 237с.
  • Пирсол И. Кавитация / Пер. с англ. Ю. Ф. Журавлёва; Под ред., с предисл. и доп. Л. А. Эпштейна.. — М.: Мир, 1975. — 96 с. — (В мире науки и техники). (обл.)
  • Перник А. Д. Проблемы кавитации. 2-ое изд. Л.: Судостроение, 1966. 435 с.
  • Рождественский В. В. Кавитация. Л.: Судостроение, 1977. 248c.
  • Федоткин И. М., Гулый И. С. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности (теория, расчеты и конструкции кавитационных аппаратов).Ч.1. — К.: Полиграфкнига, 1997. — 940 с.

Примечания

Ссылки

dic.academic.ru

КАВИТАЦИЯ - это... Что такое КАВИТАЦИЯ?

где p - давление, r - плотность, а v - скорость. Индексы 0, 1 и 2 относятся к любым трем точкам на данной линии тока. Из указанного равенства следует, что при увеличении скорости понижается местное давление (пропорционально квадрату скорости). 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.

В случае жидкости, текущей по трубе, согласно закону сохранения массы (уравнению неразрывности), скорость жидкости увеличивается в местах сужения трубы, где также возможна кавитация.

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 (числом кавитации) и определяется выражением

где pv - давление насыщенного пара жидкости при данной температуре.Типы кавитации. На рис. 2 представлена кавитация на неподвижном подводном крыле, снятая в высокоскоростной гидродинамической трубе. 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. (Поскольку пузыри образуются возле поверхности крыла, они имеют полусферическую форму.) Такой тип кавитации называется нестационарной (сбегающей) пузырьковой кавитацией. Если на поверхности имеется какой-нибудь выступ, то пузыри концентрируются на нем. Такая стационарная кавитация тоже показана на рис. 2.Рис. 2. КАВИТАЦИЯ НА ПОДВОДНОМ КРЫЛЕ. Сбегающая и стационарная кавитация на крыле, установленном в высокоскоростной гидродинамической трубе. 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. Кавитация в жидкости, вызываемая звуковой волной, называется акустической.Рис. 3. КАВИТАЦИЯ НА ГРЕБНОМ ВИНТЕ: вихревая на кромке лопасти (справа), вихревая на ступице (слева) и пузырьковая на лопасти (посередине).Кавитация и техника. Скорость течения обычно сильно снижается у задней кромки профиля. Здесь давление становится выше давления пара. Как только условия, благоприятные для кавитации, исчезают, пузырьки тут же схлопываются. Энергия, высвобождающаяся при схлопывании пузырей, весьма значительна.Эрозия. Большая энергия, рассеиваемая при схлопывании кавитационных пузырей, может приводить к повреждению поверхностей подводных конструкций, гребных винтов, турбин, насосов и даже узлов ядерных реакторов. Масштабы такого явления, называемого гидравлической эрозией, могут быть разными - от точечной поверхностной эрозии после многих лет эксплуатации до катастрофического выхода из строя больших конструкций.Вибрация. Кавитация на гребных винтах может вызывать периодические колебания давления, действующего на корпус судна и силовые установки. Кавитационная вибрация судна создает дискомфортные условия для пассажиров и команды.КПД и скорость. Кавитация может существенно увеличивать гидродинамическое сопротивление, в результате чего снижается коэффициент полезного действия гидравлического оборудования. Чрезмерная кавитация на гребном винте может уменьшить его тягу и ограничить максимальную скорость судна; кавитация может также быть причиной снижения производительности турбины или насоса и даже срыва его работы.Шум. Некоторая часть энергии, высвобождающейся при схлопывании кавитационных пузырей, преобразуется в звуковые волны. Такой шум особенно нежелателен на военно-морских судах, поскольку повышает вероятность их обнаружения. Как правило, кавитация нежелательна (в морской и турбонасосной технике). Но в некоторых случаях ее вызывают намеренно. Примером может служить кавитационный гидромонитор. Большая энергия, высвобождающаяся при схлопывании кавитационных пузырей в водяной струе, используется для бурения (за счет эрозии) горных пород и для обработки поверхностей.Биологическое действие. При ультразвуковом медицинском обследовании в биологических тканях могут возникать и расти кавитационные пузырьки. При наличии кавитации ультразвук большой интенсивности может вызвать повреждение тканей.См. такжеГИДРОАЭРОМЕХАНИКА;ГИДРОЛОКАТОР;УЛЬТРАЗВУК.ЛИТЕРАТУРА Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. М., 1974 Акуличев В.А. Кавитация в криогенных и кипящих жидкостях. М., 1978 Левковский Ю.Л. Структура кавитационных течений. Л., 1978 Иванов А.Н. Гиродинамика развитых кавитационных течений. Л., 1980

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество. 2000.

dic.academic.ru

Кавитация — WiKi

Кавитационный след гребного винта

Кавита́ция (от лат. cavita — пустота) — процесс образования и последующего схлопывания пузырьков вакуума в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или пустот), которые могут содержать разреженный пар. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырёк схлопывается, излучая при этом ударную волну. В своей основе кавитация имеет тот же механизм действия, что и ударная волна в воздухе возникающая в момент преодоления твердым телом звукового барьера.

Явление кавитации носит локальный характер и возникает только там, где есть условия. Перемещаться в среде возникновения не может. Кавитация разрушает поверхность гребных винтов, гидротурбин, акустических излучателей, деталей амортизаторов, гидромуфт и др. Кавитация также приносит пользу — её применяют в промышленности, медицине, военной технике и других смежных областях.

Обзор

Согласно определению Кристофера Бреннена: «Когда жидкость подвергается давлению ниже порогового (напряжению растяжения), тогда целостность её потока нарушается, и образуются парообразные полости. Это явление называется кавитацией. Когда местное давление жидкости в некоторой точке падает ниже величины, соответствующей давлению насыщения при данной окружающей температуре, тогда жидкость переходит в другое состояние, образуя, в основном, фазовые пустоты, которые называются кавитационными пузырями. Возможно и другое образование кавитационных пузырей путём местной подачи энергии. Это может быть достигнуто фокусировкой интенсивного лазерного импульса (оптическая кавитация) или искрой электрического разряда».

Во многих источниках физика этого явления объясняется следующим образом. Физический процесс кавитации близок процессу закипания жидкости. Основное различие между ними заключено в том, что при закипании изменение фазового состояния жидкости происходит при среднем по объёму жидкости давлении равном давлению насыщенного пара, тогда как при кавитации среднее давление жидкости выше давления насыщенного пара, а падение давления носит локальный характер.

Однако более поздние исследования показали, что ведущую роль в образовании пузырьков при кавитации играют газы, выделяющиеся внутрь образовывающихся пузырьков. Эти газы всегда содержатся в жидкости, и при местном снижении давления начинают интенсивно выделяться внутрь указанных пузырьков.

Поскольку под воздействием переменного местного давления жидкости пузырьки могут резко сжиматься и расширяться, то температура газа внутри пузырьков колеблется в широких пределах, и может достигать нескольких сот градусов по Цельсию. Имеются расчётные данные, что температура внутри пузырьков может достигать 1500 °C[1]. Следует также учитывать, что в растворённых в жидкости газах содержится больше кислорода в процентном отношении, чем в воздухе, и поэтому газы в пузырьках при кавитации химически более агрессивны, чем атмосферный воздух — вызывают в итоге окисление (вступление в реакцию) многих обычно инертных материалов.

Вредные последствия

  Повреждения, наносимые эффектом кавитации (часть насоса)   Кавитационные повреждения гребного винта

Химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает эрозию материалов, с которыми соприкасается жидкость, в которой развивается кавитация. Эта эрозия и составляет один из факторов вредного воздействия кавитации. Второй фактор обусловлен большими забросами давления, возникающими при схлопывании пузырьков и воздействующими на поверхности указанных материалов.

Кавитационная эрозия металлов вызывает разрушение гребных винтов судов, рабочих органов насосов, гидротурбин и т. п., кавитация также является причиной шума, вибрации и снижения эффективности работы гидроагрегатов.

Схлопывание кавитационных пузырей приводит к тому, что энергия окружающей жидкости сосредотачивается в очень небольших объёмах. Тем самым, образуются места повышенной температуры и возникают ударные волны, которые являются источниками шума и приводят к эрозии металла. Шум, создаваемый кавитацией, является особой проблемой на подводных лодках, так как снижает их скрытность. Эксперименты показали, что вредному, разрушительному воздействию кавитации подвергаются даже химически инертные к кислороду вещества (золото, стекло и др.), хотя и намного более медленному. Это доказывает, что помимо фактора химической агрессивности газов, находящихся в пузырьках, важным является также фактор забросов давления, возникающих при схлопывании пузырьков. Кавитация ведёт к большому износу рабочих органов и может значительно сократить срок службы винта и насоса. В метрологии, при использовании ультразвуковых расходомеров, кавитационные пузыри модулируют волны в широком спектре, в том числе и на частотах излучаемых расходомером, что приводит к искажению его показаний.

Полезное применение

Хотя кавитация нежелательна во многих случаях, есть исключения. Например, сверхкавитационные торпеды, используемые военными, обволакиваются в большие кавитационные пузыри. Существенно уменьшая контакт с водой, эти торпеды могут передвигаться значительно быстрее, чем обыкновенные торпеды. Так сверхкавитационная торпеда «Шквал», в зависимости от плотности водной среды, развивает скорость до 370 км/ч.

Кавитация используется при ультразвуковой очистке поверхностей твёрдых тел. Специальные устройства создают кавитацию, используя звуковые волны в жидкости. Кавитационные пузыри, схлопываясь, порождают ударные волны, которые разрушают частицы загрязнений или отделяют их от поверхности. Таким образом, снижается потребность в опасных и вредных для здоровья чистящих веществах во многих промышленных и коммерческих процессах, где требуется очистка как этап производства.

В промышленности кавитация часто используется для гомогенизации (смешивания) и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, например, смеси красок или молоке. Многие промышленные смесители основаны на этом принципе. Обычно это достигается благодаря конструкции гидротурбин или путём пропускания смеси через кольцевидное отверстие, которое имеет узкий вход и значительно больший по размеру выход: вынужденное уменьшение давления приводит к кавитации, поскольку жидкость стремится в сторону большего объёма. Этот метод может управляться гидравлическими устройствами, которые контролируют размер входного отверстия, что позволяет регулировать процесс работы в различных средах. Внешняя сторона смесительных клапанов, по которой кавитационные пузыри перемещаются в противоположную сторону, чтобы вызвать имплозию (внутренний взрыв), подвергается огромному давлению и часто выполняется из сверхпрочных или жестких материалов, например, из нержавеющей стали, стеллита или даже поликристаллического алмаза (PCD).

Кавитацию используют для обработки топлива. Во время обработки топливо дополнительно очищается (при проведении химического анализа сразу обнаруживается существенное уменьшение количества фактических смол)[2], и перераспределяется соотношение фракций (в сторону более лёгких). Эти изменения, если топливо сразу поступает к потребителю, повышают его качество и калорийность, как следствие, достигается более полное сгорание и уменьшение массовой доли загрязняющих веществ. Сейчас до сих пор проходят исследования по влиянию кавитации на топливо. Их проводят частные компании и институты, например Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина.

Также были разработаны кавитационные водные устройства очистки, в которых граничные условия кавитации могут уничтожить загрязняющие вещества и органические молекулы. Спектральный анализ света, испускаемого в результате сонохимической реакции, показывает химические и плазменные базовые механизмы энергетической передачи. Свет, испускаемый кавитационными пузырями, называется сонолюминесценцией.

Кавитационные процессы имеют высокую разрушительную силу, которую используют для дробления твёрдых веществ, которые находятся в жидкости. Одним из применений таких процессов является измельчение твёрдых включений в тяжёлые топлива, что используется для обработки котельного топлива с целью увеличения калорийности его горения.

Кавитационные устройства снижают вязкость углеводородного топлива, что позволяет снизить необходимый нагрев и увеличить дисперсность распыления топлива.

Кавитационные устройства используются для создания водно-мазутных и водно-топливных эмульсий и смесей, которые часто используются для повышения эффективности горения или утилизации обводнённых видов топлива.

Применение в биомедицине

Кавитация играет важную роль для уничтожения камней в почках и мочеточнике посредством ударной волны литотрипсии. Литотриптор — прибор, предназначенный для разрушения камней в мочеполовом тракте без открытого хирургического вмешательства.

В настоящее время исследованиями показано, что кавитация также может быть использована для перемещения макромолекул внутрь биологических клеток (сонопорация).

Кавитация, создаваемая прохождением ультразвука в жидкостной среде, используется в работе хирургических инструментов для бескровного иссечения тканей плотных органов (см. CUSA).

Кавитация также применяется в стоматологии при ультразвуковой чистке зубов, разрушая зубной камень и пигментированный налёт («налёт курильщика»), а также косметологии.

Кавитация применяется для лечения ожирения. При помощи специального ультразвукового устройства происходит разрушение жировых клеток в подкожной жировой клетчатке[источник не указан 41 день].

Эффект кавитации также применяется и в других областях медицины[каких?].

Лопастные насосы и винты судов

В местах контакта жидкости с быстро движущимися твёрдыми объектами (рабочие органы насосов, турбин, гребные винты судов, подводные крылья и т. д.) происходит локальное изменение давления. Если давление в какой-то точке падает ниже давления насыщенного пара, происходит нарушение целостности среды. Или, проще говоря, жидкость закипает. Затем, когда жидкость попадает в область с более высоким давлением, происходит «схлопывание» пузырьков пара, что сопровождается шумом, а также появлением микроскопических областей с очень высоким давлением (при соударении стенок пузырьков). Это приводит к разрушению поверхности твёрдых объектов. Их как бы «разъедает». Если зона пониженного давления оказывается достаточно обширной, возникает кавитационная каверна — полость, заполненная паром. В результате нормальная работа лопастей нарушается и возможен даже полный срыв работы насоса. Любопытно, но есть примеры, когда кавитационная каверна специально закладывается при расчёте насоса. В тех случаях, когда избежать кавитации невозможно, такое решение позволяет избежать разрушительного влияния кавитации на рабочие органы насоса. Режим, при котором наблюдается устойчивая кавитационная каверна, называют «режимом суперкавитации».

Лопастные насосы. Кавитация на стороне всасывания

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 твёрдого тела (высокий угол атаки лопасти, наличие изломов, неровностей поверхности и т. п.)

Центробежные насосы. Кавитация в уплотнении рабочего колеса

У классических центробежных насосов часть жидкости из области высокого давления проходит через щель между рабочим колесом и корпусом насоса в зону низкого давления. Когда насос работает с существенным отклонением от расчётного режима в сторону повышения давления нагнетания, расход утечек через уплотнение между рабочим колесом и корпусом возрастает (из-за увеличения перепада давления между полостями всасывания и нагнетания). Из-за высокой скорости жидкости в уплотнении возможно появление кавитационных явлений, что может привести к разрушению рабочего колеса и корпуса насоса. Как правило, в бытовых и промышленных случаях режим кавитации в рабочем колесе насоса возможен при резком падении давления в системе отопления или водоснабжения: например, при разрыве трубопровода, калорифера или радиатора. 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.

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 отверстия, 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 наружных (внешних) стенках гильзового типа цилиндра . Этот слой будет подвержен той же кавитации, но он может самостоятельно восстанавливаться.

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.

В системах гидропривода часто используют системы подпитки. Они, упрощённо говоря, представляют собой дополнительный насос, жидкость от которого начинает поступать через специальный клапан в гидросистему, когда в последней давление падает ниже допустимого значения. Если давление в гидросистеме не опускается ниже допустимого, жидкость от дополнительного насоса идёт на слив в бак. Системы подпитки установлены, например, во многих экскаваторах.

Другие области применения

Кавитация применяется для стабилизации игольчатых пуль подводных боеприпасов (например, боеприпасы автомата АПС или патроны 5.54x39 ПСП для автомата АДС), для увеличения скорости торпед (Шквал и Барракуда).

Кавитация может быть использована для измельчения разных материалов (в том числе руд). Для этих процессов выпускается промышленное оборудование[3], в котором кавитацию получают при помощи силового ультразвука.

Число кавитации

Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):

X=2(P−Ps)ρV2{\displaystyle \mathrm {X} ={\frac {2(P-P_{s})}{\rho V^{2}}}} , где

P{\displaystyle P}  — гидростатическое давление набегающего потока, Па; Ps{\displaystyle P_{s}}  — давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па; ρ{\displaystyle \rho }  — плотность среды, кг/м³;V{\displaystyle V}  — скорость потока на входе в систему, м/с.

Известно, что кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости V=Vc{\displaystyle V=V_{c}} , когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.

В зависимости от величины X{\displaystyle \mathrm {X} }  можно различать четыре вида потоков:

  • докавитационный — сплошной (однофазный) поток при X>1{\displaystyle \mathrm {X} >1} ,
  • кавитационный — (двухфазный) поток при X≈1{\displaystyle \mathrm {X} \approx 1} ,
  • пленочный — с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при X<1{\displaystyle \mathrm {X} <1} ,
  • суперкавитационный — при X≪1{\displaystyle \mathrm {X} \ll 1} .

Измерение

Уровень кавитации измеряют (как правило в относительных единицах) с помощью приборов, называемых кавитометрами[4].

См. также

Литература

  • Биркгоф Г., Сарантонелло Э. Струи, следы и каверны. пер. с англ. М.: Мир, 1964. 466с.
  • Корнфельд М. Упругость и прочность жидкостей. М.: ГИТТЛ, 1951. 200с.
  • Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. М.: Мир, 1974. 678 с.
  • Акуличев В. А. Кавитация в криогенных и кипящих жидкостях. М.: Наука, 1978. 280c.
  • Левковский Ю. Л. Структура кавитационных течений. Л.: Судостроение, 1977. 222с.
  • Иванов А. Н. Гидродинамика развитых кавитационных течений. Л.: Судостроение, 1980. 237с.
  • Пирсол И. Кавитация / Пер. с англ. Ю. Ф. Журавлёва; Под ред., с предисл. и доп. Л. А. Эпштейна.. — М.: Мир, 1975. — 96 с. — (В мире науки и техники). (обл.)
  • Перник А. Д. Проблемы кавитации. 2-ое изд. Л.: Судостроение, 1966. 435 с.
  • Рождественский В. В. Кавитация. Л.: Судостроение, 1977. 248c.
  • Федоткин И. М., Гулый И. С. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности (теория, расчёты и конструкции кавитационных аппаратов). Ч.1. — К.: Полиграфкнига, 1997. — 940 с.

Примечания

Ссылки

ru-wiki.org

Присоединенная кавитация - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Присоединенная кавитация

Cтраница 1

Присоединенная кавитация, несомненно, возмущает течение в пограничном слое. С одной стороны, поскольку жидкость полностью отрывается от поверхности у начала кавитационной зоны и присоединяется к ней только у ее конца, обычное поверхностное трение на этом участке поверхности отсутствует. В то же время образуется возвратное течение, которое создает отрицательное трение. С другой стороны, возвратное течение, вероятно, состоит в основном из жидкости, находившейся в пограничном слое перед кавитационной зоной. Следовательно, непосредственно за каверной должна образоваться область восстановления пограничного слоя, в которой обмен количеством движения несколько больше среднего, что должно компенсировать отрицательное трение возвратного течения. В конечном счете при образовании зоны присоединенной кавитации поверхностное трение, по-видимому, уменьшается.  [1]

Присоединенной кавитацией называется явление, возникающее иногда после начала кавитации, при котором поток жидкости отрывается от твердой границы обтекаемого тела или стенки канала с образованием полости, или каверны, на твердой границе. Неподвижная, или присоединенная, каверна устойчива только в квазистационарном смысле. Ее граница иногда имеет вид поверхности интенсивно кипящей турбулизованной жидкости. В других случаях поверхность раздела между жидкостью и большой каверной может быть гладкой и прозрачной. В жидкости около поверхности большой каверны наблюдается большое количество мелких перемещающихся нестационарных каверн. Эти мелкие каверны быстро растут почти до максимального размера у начала основной каверны и практически не изменяются до ее конца, где они исчезают.  [2]

Перемещающаяся нестационарная кавитация и присоединенная кавитация имеют одно общее свойство: в обоих случаях благодаря образованию полостей снимается растягивающее напряжение, которое создается в жидкости в начале зоны кавитации.  [3]

Калифорнийского технологического института, присоединенная кавитация может охватывать большую площадь, чем предполагалось ранее.  [4]

Заслуживают внимания следующие проблемы присоединенной кавитации.  [5]

По крайней мере в некоторых случаях около одной и той же направляющей поверхности в одинаковых условиях могут развиваться как перемещающаяся кавитация, так и присоединенная кавитация в зависимости от физических свойств жидкости и содержащихся в ней примесей, главным образом от типа ядер кавитации. В тех случаях, когда степени кавитационной зоны одинаковы при одинаковых значениях / С, распределение давления на теле подобно для обоих типов кавитации. При этом сопротивление для обоих типов должно быть одинаковым, поскольку его можно рассчитать по распределению давления.  [6]

Следует предостеречь от ошибочного предположения, что эти изменения давления несущественны для больших насосов просто потому, что они происходят при относительно высокой частоте вращения рабочего колеса насоса. Согласно наблюдениям за механизмом присоединенной кавитации, колебания каверны чувствительны к изменениям длительностью порядка 0 001 с. В связи с этим изменение давления за время каждого оборота рабочего колеса центробежного насоса, имеющего частоту вращения, например 200 об / мин, происходит столь медленно, что давление на лопасти является квазистационарным при любом угловом положении рабочего колеса.  [7]

Основной особенностью перемещающейся и вибрационной кавитации является нестационарный рост и схлопывание отдельных каверн или пузырьков. Кроме того, нестационарные каверны могут существовать также и в случае присоединенной кавитации, а также вихревой кавитации. В любом случае существования нестационарных пузырьков, если их концентрация достаточно мала, каждый пузырек ведет себя независимо от других. Поэтому поведение отдельного пузырька на протяжении простого цикла расширения и схлопывания представляет интерес для всех типов кавитации.  [8]

Наблюдения зон разрушения во многих типах гидравлического оборудования согласуются с результатами лабораторных экспериментов в том, что зона максимального разрушения расположена в конце каверны, хотя зона разрушения в целом гораздо шире и простирается вверх и вниз по потоку от зоны максимального разрушения. Это, по-видимому, свидетельствует о том, что разрушение в гидравлических машинах вызывает в основном присоединенная кавитация. Из этого факта следует один важный вывод: разрушающийся участок направляющей поверхности не является областью наименьшего давления, в которой возникает кавитация, так как эта область обнаружена выше по потоку от поврежденной поверхности, а именно в начале каверны.  [9]

Влияние свойств смачиваемости жидкости на кавитацию определить количественно довольно трудно. Если бы между потоком жидкости и направляющей поверхностью не существовало сил адгезии, то в каждой точке поверхности, в которой давление оказывалось бы ниже давления насыщенного пара, должна бы развиваться присоединенная кавитация независимо от существования ядер кавитации в самой жидкости. Однако, по-видимому, существует немного таких жидкостей ( если они вообще существуют), способных циркулировать в течение некоторого времени, сохраняя сплошность и не создавая вследствие очищающего действия течения достаточно сильной связи с поверхностью, при которой кавитация начинается прежде всего в массе жидкости. Например, известно, что ртуть может прилипать к стеклу, хотя обычно считается, что она стекло не смачивает. Кажется также вероятным, что в смесях жидкостей, плохо смачивающих твердые поверхности, содержится множество ядер, и в них легко начинается кавитация, когда местное давление в течение достаточного промежутка времени падает ниже давления насыщенного пара.  [10]

Имеются некоторые качественные данные, согласно которым масштабный эффект, связанный с задержкой по времени, меньше влияет на частично и полностью развитую кавитацию по сравнению с ее начальной стадией. Это согласуется с представлением о том, что время начального роста ядра является основным фактором, влияющим на задержку возникновения кавитации, в то время как скорость парообразования, по-видимому, оказывает определяющее влияние на рост пузырей и установление отдельных фаз присоединенной кавитации.  [11]

Фотографии, подобные представленным на фиг. Они, по-видимому, попадают внутрь поверхностной пелены жидкости, из которой впоследствии образуется обратная струя. Следовательно, эти пузырьки уносятся либо в застойную зону, либо вверх по течению внутрь каверны. По всей вероятности, лишь очень немногие из них проникают достаточно далеко в основное течение и уносятся вниз по течению в обход застойной зоны. Факт, что именно перемещающиеся каверны играют главную роль в разрушении, вызываемом присоединенной кавитацией, позволяет сделать дополнительные выводы.  [12]

Часто не понимают, что в месте удара водяной струи о дно русла всегда возникает возвратное течение, которое, вероятно, является основным фактором, определяющим потерю напора падающего потока воды. С увеличением высоты падения угол падения стремится к прямому и расходы в струях, образующихся при разделении основной струи, выравниваются. При этом во многих случаях развиваются скорости, которые превышают обычные скорости в гидравлических машинах. Следовательно, несмотря на недостаток подтверждающих данных, весьма вероятно, что эрозия в рассматриваемом случае отчасти определяется или ускоряется кавитацией. Как мы увидим в дальнейшем, другой интересной аналогией между разрушающим действием падающего потока воды и присоединенной кавитацией является аналогичное расположение зоны максимального разрушения относительно возвратного течения.  [13]

Присоединенная кавитация, несомненно, возмущает течение в пограничном слое. С одной стороны, поскольку жидкость полностью отрывается от поверхности у начала кавитационной зоны и присоединяется к ней только у ее конца, обычное поверхностное трение на этом участке поверхности отсутствует. В то же время образуется возвратное течение, которое создает отрицательное трение. С другой стороны, возвратное течение, вероятно, состоит в основном из жидкости, находившейся в пограничном слое перед кавитационной зоной. Следовательно, непосредственно за каверной должна образоваться область восстановления пограничного слоя, в которой обмен количеством движения несколько больше среднего, что должно компенсировать отрицательное трение возвратного течения. В конечном счете при образовании зоны присоединенной кавитации поверхностное трение, по-видимому, уменьшается.  [14]

Все три типа кавитации - перемещающаяся, присоединенная и вихревая - - могут развиваться почти в любом гидравлическом оборудовании. Присоединенная и перемещающаяся кавитация обнаруживаются чаще всего там, где поток отрывается от направляющей поверхности. Существование вихревой кавитации связано, кроме того, с наличием при отрыве потока градиента давления, параллельного направляющей поверхности и нормального к потоку, например при образовании концевых вихрей гребного винта. Поэтому вихревая кавитация часто возникает в зонах интерференции. В настоящее время неизвестны факторы, определяющие тип кавитации ( присоединенной или перемещающейся) в данной критической области. Известно только, например, что если направляющая поверхность резко отклоняется от направления потока, то развивается присоединенная кавитация. Если отклонение поверхности происходит постепенно, то может возникнуть перемещающаяся кавитация. Эти два типа кавитации часто происходят одновременно на соседних участках одной и той же рабочей лопасти. Единственное очевидное различие в условиях их возникновения связано с интервалом изменения углов атаки, который для перемещающейся кавитации меньше.  [15]

Страницы:      1

www.ngpedia.ru

Подробно о процессе кавитации | Статьи по промышленным насосам от Richflow

24 Марта 2017

Кавитация – это явление образования в жидкости небольших и практически пустых полостей (каверн), которые расширяются до больших размеров, а затем быстро разрушаются, производя резкий шум. Кавитация происходит в насосах, винтах, рабочих колесах (гидротурбинах) и в сосудистых тканях растений.

Обзор

Согласно определению Кристофера Бреннена: «Когда жидкость подвергается давлению ниже порогового (напряжению растяжения), тогда сплошность ее потока нарушается, и образуются парообразные полости. Это явление называется кавитацией. Когда местное давление жидкости в некоторой точке падает ниже величины, соответствующей давлению насыщенного пара при данной окружающей температуре, тогда жидкость переходит в другое состояние, образуя, в основном, фазовые пустоты, которые называются кавитационными пузырями. Возможно и другое образование кавитационных пузырей путем местной подачи энергии. Это может быть достигнуто фокусировкой интенсивного лазерного импульса (оптическая кавитация) или искрой электрического разряда».

Физический процесс кавитации точно такой же, как и процесс, происходящий во время закипания. Основное различие между ними - это изменение фазового состояния жидкости. Закипание – процесс, при котором местное давление насыщенного пара жидкости выше местного окружающего давления и присутствует достаточно энергии, чтобы изменить нормальное состояние жидкости в газообразное.

Для кавитационного явления нужна поверхность образования кавитационных "пузырей". Этой поверхностью являются нечистоты на стенках водосборника и примеси, содержащиеся в жидкости. Общепринятым является то, что водоотталкивающая (гидрофобная) поверхность стабилизирует появление небольших пузырей. Эти пузыри, появившиеся раньше, начнут неограниченно расти, когда их подвергнут пороговому давлению, названному порогом Блэйка.

Трудности

Кавитация во многих случаях нежелательна. На устройствах, например, винтах и насосах, кавитация вызывает много шума, повреждает их составные части, вызывает вибрации и снижение эффективности.

Когда разрушаются кавитационные пузыри, энергия жидкости сосредотачивается в очень небольших объемах. Тем самым, образуются места повышенной температуры и возникают ударные волны, которые являются источниками шума. Шум, создаваемый кавитацией, является особой проблемой на подводных лодках (субмаринах), так как из-за шума их могут обнаружить. При разрушении каверн освобождается много энергии, что может вызвать основные повреждения. Кавитация может разрушить практически любое вещество. Последствия, вызванные разрушением каверн, ведут к большому износу составных частей и могут значительно сократить срок службы винта и насоса

Достоинства

Хотя кавитация нежелательна во многих случаях, однако есть исключения. Например, сверхкавитационные торпеды, используемые военными, обволакиваются в большие кавитационные пузыри. Существенно уменьшая контакт с водой, эти торпеды могут передвигаться значительно быстрее, чем обыкновенные торпеды.

Кавитация может быть полезной при ультразвуковой очистке устройств. Эти устройства создают кавитацию, используя звуковые волны и разрушение кавитационных пузырей для чистки поверхности. Используемая таким образом, потребность в отчистке от вредных химических веществ может быть уменьшена во многих промышленных и коммерческих процессах, где требуется отчистка как этап производства. До сих пор подробности того, как пузыри производят отчистку, до конца не поняты.

В промышленности, кавитация часто используется для гомогенизирования, или смешивания, и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, например, смеси красок или молоке. Многие промышленные смесители основываются на этом разработанном принципе. Обычно это достигается благодаря конструкции гидротурбин или путем пропускания смеси через кольцевидное отверстие, которое имеет узкое входное отверстие и значительно большее выходное: вынужденное уменьшение давления приводит к кавитации, поскольку жидкость стремится в сторону большего объема. Этот метод может управляться гидравлическими устройствами, которые контролируют размер входного отверстия, что позволяет регулировать процесс работы в различных средах. Внешняя сторона смесительных клапанов, по которой кавитационные пузыри перемещаются в противоположную сторону, чтобы вызвать имплозию (внутренний взрыв), подвергается огромному давлению и часто выполняется из сверхпрочных или жестких материалов, например, из нержавеющей стали, стеллита или даже поликристаллического алмаза (PCD).

Также были разработаны кавитационные водные устройства очистки, в которых граничные условия кавитации могут уничтожить загрязняющие вещества и органические молекулы. Спектральный анализ света, испускаемого в результате сонохимической реакции, показывает химические и плазменные базовые механизмы энергетической передачи. Свет, испускаемый кавитационными пузырями, называется сонолюминесценцией.

Применение в биомедицине

Кавитация играет важную роль для уничтожения камней в почках посредством ударной волны лизотрипсии (лизотриптор). В настоящее время исследованиями показано, что кавитация может быть использована для перемещения больших молекул внутрь биологических клеток (сонопорация).

Насосы и винты

Основные места возникновения кавитации - насосы, винты или границы проточных жидкостей.

Так как лопасти гидротурбины (в насосах) или лопасти гребного винта (в случае применения на суднах или подлодках) вращаются в жидкости, то возникают области низкого давления, поскольку вокруг лопастей жидкость ускоряется и следует за ними. Чем быстрее будут вращаться лопасти, тем ниже может оказаться давление вокруг них. Таким образом, достигается давление насыщенного пара, жидкость испаряется и образует небольшие пузыри газа. Это и называется кавитацией. Когда позже пузыри разрушаются, то они обычно приводят к очень сильным местным ударам волны в жидкости, которые могут сопровождаться шумами и могут даже повредить лопасти. Кавитация в насосах может быть двух видов: всасывающая и нагнетательная.

Всасывающая кавитация

Всасывающая кавитация происходит, когда работа насоса в режиме всаса происходит под низким давлением/высокое вакуумное условие, где жидкость превращается в пар внутри центробежного насоса. Этот пар переносится на нагнетательную сторону насоса, где вакуум больше не обнаруживается и снова сжимается до жидкостного состояния под влиянием нагнетательного давления. Это сжатие происходит мгновенно и оказывает влияние на лицевую поверхность гидротурбин. У гидротурбин, которые работают под воздействием условий всасывающей кавитации, обнаруживают нехватку на лицевой поверхности больших кусков материала, что ведет к преждевременному выходу из строя насосов.

Нагнетательная кавитация

Нагнетательная кавитация происходит при чрезвычайно высоком нагнетательном давлении насоса. Нагнетательная кавитация обычно появляется в насосе, который работает при отклонении на 10% от своего КПД. Высокое нагнетательное давление вызывает циркуляцию жидкости внутри насоса вместо того, чтобы выдавать нужный объемный расход. Так как жидкость циркулирует в гидротурбине, то она должна проходить через небольшой зазор между гидротурбиной и патрубком насоса при чрезвычайно высокой скорости. Эта скорость приводит к появлению вакуума, развивающегося в патрубке (аналогично тому, что происходит в трубе Вентури), который превращает жидкость в пар. Насос, который работает в таких условиях, показывает преждевременный износ лопастных гидротурбин и патрубков насоса. Кроме того, из-за условий высокого давления возможен преждевременный выход из строя механической пломбы насоса и подшипников. При граничных условиях кавитации возможна поломка вала гидротурбины. Полагают, что нагнетательная кавитация приводит к поломке шарниров.

Кавитация в двигателях

Некоторые большие по размеру дизельные двигатели страдают от кавитации из-за высокого сжатия и малогабаритных стенок цилиндра. В результате на стенках цилиндра делают специальные дыры, которые позволяют охлажденной жидкости попадать в цилиндр. Предотвратить нежелательные явления возможно при помощи химических добавок в охлаждаемую жидкость, которая образует защитный слой на стенках цилиндра. Этот слой будет подвержен той же кавитации, но он может самостоятельно восстанавливаться.

Сосудистые растения

Кавитация происходит в ксилемных сосудистых растениях, когда водный потенциал становится таким большим, что растворившийся в воде воздух расширяется, чтобы заполнить клетки растения, или элементы сосудов, капилляры. Обычно растения способны исправить кавитационную ксилему, например, при помощи корневого давления, но для других растений, таких как виноградники, кавитация часто приводит к гибели. В некоторых деревьях ясно слышен кавитационный шум. Осенью температурное понижение увеличивает образование воздушных пузырей в капиллярах некоторых видов растений, что вызывает опадание листьев.

richflow.ru