Кавіта́ція (від лат. Cavitas — пустота, порожнина) (англ. cavitation, нім. Blasenbildung f, Hohlsog m, Hohlraumbildung f) — утворення всередині рідини порожнин, заповнених газом, парою або їх сумішшю (кавітаційних бульбашок), тобто порушення суцільності рідини.
![image](https://www.wikidata.uk-ua.nina.az/image/aHR0cHM6Ly93d3cud2lraWRhdGEudWstdWEubmluYS5hei9pbWFnZS9hSFIwY0hNNkx5OTFjR3h2WVdRdWQybHJhVzFsWkdsaExtOXlaeTkzYVd0cGNHVmthV0V2WTI5dGJXOXVjeTkwYUhWdFlpODJMelkyTDBOaGRtbDBZWFJwYm1jdGNISnZjQzVxY0djdk1qWTJjSGd0UTJGMmFYUmhkR2x1Wnkxd2NtOXdMbXB3Wnc9PS5qcGc=.jpg)
Умови виникнення кавітації
Виникає внаслідок місцевого зниження тиску в рідині до певного критичного значення ркр (в реальній рідині значення ркр близьке до тиску насиченої пари цієї рідини при даній температурі), що може відбуватися або при збільшенні швидкості рідини (гідродинамічна кавітація), або при проходженні акустичної хвилі великої інтенсивності під час півперіоду розрідження (акустична кавітація).
Гідродинамічна кавітація
Оскільки в реальній рідині завжди присутні дрібні бульбашки пари або газу, то, при русі їх з потоком при потраплянні в зону тиску р < ркр, вони втрачають стійкість й починають збільшуватись у розмірах. Після переходу у зону підвищеного тиску й вичерпання кінетичної енергії рідини в умовах розширення ріст бульбашки припиняється і вона починає зменшуватись. Якщо бульбашка містить достатньо багато газу, то після досягнення нею мінімального радіуса вона відновлюється у розмірах й здійснює декілька циклів загасаючих коливань, а якщо газу мало, то бульбашка захлопується повністю у першому періоді. Отже, поблизу обтічного тіла (наприклад, в трубі з місцевим звуженням) створюється досить чітко обмежена «кавітаційна зона», заповнена рухомими бульбашками.
Скорочення кавітаційної бульбашки відбувається з великою швидкістю й супроводжується звуковим імпульсом (свого роду гідравлічним ударом) тим сильнішим, чим менше газу містить бульбашка. Якщо ступінь розвитку кавітації є такою, що у випадкові проміжки часу виникає та захлопується безліч бульбашок, то явище супроводжується сильним шумом із суцільним спектром від декількох сотень Гц до сотень і тисяч кГц.
Акустична кавітація
При випромінюванні у рідину звуку з амплітудою звукового тиску, що перевищує деяку порогову величину, під час півперіодів розрідження виникають кавітаційні бульбашки на так званих кавітаційних зародках, якими найчастіше є газові включення, що присутні у рідині й на коливній частині акустичного випромінювача. Тому кавітаційний поріг підвищується по мірі зниження вмісту газу в рідині, при збільшення гідростатичного тиску, після обтискання рідини високим (порядку 10² МН/м²) гідростатичним тиском та при охолодженні рідини, а крім цього, при збільшення частоти звуку й при скорочення тривалості подавання звуку. Поріг є вищим для біжучої, ніж для стоячої хвилі. Бульбашки захлопуються під час півперіодів стискання, створюючи короткочасні (порядку 10-6 с) імпульси тиску (до 10³ МН/м² і вище), що здатні спричинити руйнування навіть міцних матеріалів. Тиск при захлопуванні кавітаційних бульбашок підвищується зі зниженням частоти звуку та при підвищені гідростатичного тиску; він є вищим в рідинах з малим тиском насиченої пари. Захлопування бульбашок супроводжується адіабатичним нагріванням газу в бульбашках до температури порядку 104 °С, його іонізацією, чим, напевно, і викликається світіння бульбашок при кавітації (звуколюмінесценсія). Кавітаційні бульбашки групуються, утворюючи кавітаційну зону складної і мінливої форми. Інтенсивність кавітації зручно оцінювати за руйнуванням тонкої алюмінієвої фольги, в якій кавітаційні бульбашки пробивають отвори. За кількістю й розташуванням цих отворів, що виникають протягом певного періоду часу, можна оцінювати інтенсивність та конфігурацію зони кавітації.
Негативний вплив кавітації
![image](https://www.wikidata.uk-ua.nina.az/image/aHR0cHM6Ly93d3cud2lraWRhdGEudWstdWEubmluYS5hei9pbWFnZS9hSFIwY0hNNkx5OTFjR3h2WVdRdWQybHJhVzFsWkdsaExtOXlaeTkzYVd0cGNHVmthV0V2WTI5dGJXOXVjeTkwYUhWdFlpOWlMMkptTDBOaGRtbDBZWFJwYjI0dWFuQm5MekkyTm5CNExVTmhkbWwwWVhScGIyNHVhbkJuLmpwZw==.jpg)
![image](https://www.wikidata.uk-ua.nina.az/image/aHR0cHM6Ly93d3cud2lraWRhdGEudWstdWEubmluYS5hei9pbWFnZS9hSFIwY0hNNkx5OTFjR3h2WVdRdWQybHJhVzFsWkdsaExtOXlaeTkzYVd0cGNHVmthV0V2WTI5dGJXOXVjeTkwYUhWdFlpOHdMekJoTDB0aGRtbDBZWFJwYjI1ZllYUmZjSFZ0Y0Y5cGJYQmxiR3hsY2k1cWNHY3ZNalkyY0hndFMyRjJhWFJoZEdsdmJsOWhkRjl3ZFcxd1gybHRjR1ZzYkdWeUxtcHdadz09LmpwZw==.jpg)
Кавітаційна бульбашка, рухаючись з потоком рідини в область з вищим тиском, дезінтегрує, створюючи ударну хвилю (імпульс адекватний гідравлічному удару). Це призводить до кавітаційної корозії — руйнування поверхні металу, спричинене одночасною дією ударних тисків у рідині (тріскання бульбашок, каверн) і корозії або кавітаційного зношування як різновиду механічного зношування.
Кавітація викликає також вібрацію, зменшення к.к.д. і, таким чином, зменшення ефективності роботи насосів, турбін тощо. Кавітація в насосах відбувається при падінні тиску на вході в насос. В лопатевих насосах кавітація супроводжується зменшенням подачі, напору, потужності і к.к.д. внаслідок того, що частина порожнини робочого колеса заповнюється парою.
Використання кавітації
Хоча кавітація небажана у багатьох випадках, проте є винятки. Наприклад, надкавітаційні торпеди обволікаються у великі кавітаційні бульбашки, суттєво зменшуючи контакт з водою. Ці торпеди можуть пересуватися значно швидше, ніж звичайні. Такі дослідження проводилися, наприклад, в Інституті гідромеханіки НАН України.
Кавітація може бути використана при очищенні технологічного устаткування. Для створення кавітації, генерують ультразвукові хвилі, а руйнування кавітаційних бульбашок використовується для очищення поверхонь. При такому застосуванні кавітації суттєво зменшується, використання агресивних і отруйних речовин у технологічних процесах (див. ультразвукове паяння). Досі подробиці того, як бульбашки проводять очищення, до кінця не зрозумілі.
Високу руйнівну силу кавітаційних процесів використовують для дроблення твердих речовин, що знаходяться в рідині. У промисловості, кавітація часто використовується для гомогенізації котельного палива з метою збільшення калорійності його горіння, або змішування часток в колоїдних розчинах, наприклад, сумішах фарб чи молоці. Кавітаційні пристрої знижують в'язкість вуглеводневого палива, що дозволяє знизити вимоги до його підігріву і збільшити дисперсність розпилення.
Особливу роль кавітація відіграє в біомедицині, зокрема для дроблення каменів у нирках за допомогою ударної хвилі без хірургічного втручання. Кавітація використовується при ліпосакції (виведення жирових клітин) за допомогою ультразвуку для боротьби з жировими відкладеннями і целюлітом.
Кавітація в насосах
Кавітаційна характеристика насоса — залежність напору H і потужності N при сталій подачі та числі обертів від вакуумметричної висоти всмоктування Нвак вакууму у всмоктувальному патрубку насоса, виражена у метрах стовпа рідини, яку перекачують (напр. м.вод.ст.). Початок падіння кривих напору та потужності визначає критичне значення вакуумметричної висоти всмоктування.
Виникнення кавітації пов’язане з утворенням розривів суцільності в потоці рідини, коли тиск знижується до значення тиску насиченої пари за даною температурою. З рідини виділяються частково розчинені в ній гази й повітря у вигляді бульбашок, які при зіткненні з поверхнею лопатей робочого колеса насоса стискуються до високого тиску та швидко розпадаються. В результаті виникають гідравлічні удари, що призводить до пошкодження металу. Кавітаційного руйнування в різній мірі зазнають всі метали, але найбільш стійкими є нержавіюча сталь та алюмінієва бронза.
В шахтних відцентрових насосах та вуглесосах кавітація призводить до руйнування робочих коліс та спрямовуючих апаратів, зниження робочих характеристик. Місцеве зниження тиску виникає із збільшенням швидкості обтікання профілю лопатей, особливо при різких поворотах струменя. У всмоктувальній системі до кавітації призводить збільшення висоти всмоктування понад допустиму.
В шахтних насосах явище кавітації можна усунути шляхом правильного вибору геометричної висоти всмоктування, максимального зниження гідравлічного опору у всмоктувальному трубопроводі та підтримання в ньому тиску, при якому це явище не з’являється.
Див. також
Примітки
- ДСТУ 3830-98 Корозія металів і сплавів. Терміни та визначення основних понять
- ДСТУ 2823-94 Зносостійкість виробів тертя, зношування та мащення. Терміни та визначення.
Джерела
- Кавітація. Фізичні, хімічні, біологічні та технологічні аспекти / Шевчук Л. І., Старчевський В. Л. — Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2014. — 376 с. —
- Низькочастотні віброрезонансні кавітатори / Л. І. Шевчук, І. С. Афтаназів, О. І. Строган, В. Л. Старчевський. — Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2013. — 176 с. —
- Вітенько Т. М. Гідродинамічна кавітація у масообмінних, хімічних і біологічних процесах: монографія / Т. М. Вітенько. — Тернопіль, в-во ТДТУ ім. І. Пулюя, 2009. — 224 с.
- Вітенько Т. М. Механізм та кінетичні закономірності інтенсифікуючої дії гідродинамічної кавітації у хіміко-технологічних процесах. Дис. на здоб. наук. ступ. док. техн. наук, — Львів, 2010.
- Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2004. — Т. 1 : А — К. — 640 с. — .
- Интенсификация процессов смешения и диспергирования гидродинамической кавитацией [Текст] / И. С. Гулый [и др]. — К.: Арктур-А, 1998. — 127 с. — . —
- Федоткин И. М. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности: Теоретич. основы пр-ва избыточной энергии, расчет и конструирование кавитационных теплогенераторов. Ч.ІІ / И. М. Федоткин, И. С. Гулый. — К.: АО «ОКО», 2000. — 898 с.
- Кавитация. Кавитационные энергетические аппараты и установки / И. М. Федоткин, С. И. Гулый. — К.: Арктур-А, 1998. — 134 с. — . —
- Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. Мир, 1974. 678 с.
- Иванов А. Н. Гидродинамика развитых кавитационных течений. Л.: Судостроение, 1980. 237с.
- Пирсол И. Кавитация. М.: Мир, 1975. 95с.
Посилання
- КАВІТА́ЦІЯ [ 19 квітня 2016 у Wayback Machine.] //ЕСУ
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Kavita ciya vid lat Cavitas pustota porozhnina angl cavitation nim Blasenbildung f Hohlsog m Hohlraumbildung f utvorennya vseredini ridini porozhnin zapovnenih gazom paroyu abo yih sumishshyu kavitacijnih bulbashok tobto porushennya sucilnosti ridini Kavitacijni yavisha otrimani na modeli grebnogo gvinta v eksperimentalnomu vodnomu tuneli source source source source source source source source Video sho demonstruye kavitacijni procesi u shesterenomu nasosiUmovi viniknennya kavitaciyiVinikaye vnaslidok miscevogo znizhennya tisku v ridini do pevnogo kritichnogo znachennya rkr v realnij ridini znachennya rkr blizke do tisku nasichenoyi pari ciyeyi ridini pri danij temperaturi sho mozhe vidbuvatisya abo pri zbilshenni shvidkosti ridini gidrodinamichna kavitaciya abo pri prohodzhenni akustichnoyi hvili velikoyi intensivnosti pid chas pivperiodu rozridzhennya akustichna kavitaciya Gidrodinamichna kavitaciya Oskilki v realnij ridini zavzhdi prisutni dribni bulbashki pari abo gazu to pri rusi yih z potokom pri potraplyanni v zonu tisku r lt rkr voni vtrachayut stijkist j pochinayut zbilshuvatis u rozmirah Pislya perehodu u zonu pidvishenogo tisku j vicherpannya kinetichnoyi energiyi ridini v umovah rozshirennya rist bulbashki pripinyayetsya i vona pochinaye zmenshuvatis Yaksho bulbashka mistit dostatno bagato gazu to pislya dosyagnennya neyu minimalnogo radiusa vona vidnovlyuyetsya u rozmirah j zdijsnyuye dekilka cikliv zagasayuchih kolivan a yaksho gazu malo to bulbashka zahlopuyetsya povnistyu u pershomu periodi Otzhe poblizu obtichnogo tila napriklad v trubi z miscevim zvuzhennyam stvoryuyetsya dosit chitko obmezhena kavitacijna zona zapovnena ruhomimi bulbashkami Skorochennya kavitacijnoyi bulbashki vidbuvayetsya z velikoyu shvidkistyu j suprovodzhuyetsya zvukovim impulsom svogo rodu gidravlichnim udarom tim silnishim chim menshe gazu mistit bulbashka Yaksho stupin rozvitku kavitaciyi ye takoyu sho u vipadkovi promizhki chasu vinikaye ta zahlopuyetsya bezlich bulbashok to yavishe suprovodzhuyetsya silnim shumom iz sucilnim spektrom vid dekilkoh soten Gc do soten i tisyach kGc Akustichna kavitaciya Pri viprominyuvanni u ridinu zvuku z amplitudoyu zvukovogo tisku sho perevishuye deyaku porogovu velichinu pid chas pivperiodiv rozridzhennya vinikayut kavitacijni bulbashki na tak zvanih kavitacijnih zarodkah yakimi najchastishe ye gazovi vklyuchennya sho prisutni u ridini j na kolivnij chastini akustichnogo viprominyuvacha Tomu kavitacijnij porig pidvishuyetsya po miri znizhennya vmistu gazu v ridini pri zbilshennya gidrostatichnogo tisku pislya obtiskannya ridini visokim poryadku 10 MN m gidrostatichnim tiskom ta pri oholodzhenni ridini a krim cogo pri zbilshennya chastoti zvuku j pri skorochennya trivalosti podavannya zvuku Porig ye vishim dlya bizhuchoyi nizh dlya stoyachoyi hvili Bulbashki zahlopuyutsya pid chas pivperiodiv stiskannya stvoryuyuchi korotkochasni poryadku 10 6 s impulsi tisku do 10 MN m i vishe sho zdatni sprichiniti rujnuvannya navit micnih materialiv Tisk pri zahlopuvanni kavitacijnih bulbashok pidvishuyetsya zi znizhennyam chastoti zvuku ta pri pidvisheni gidrostatichnogo tisku vin ye vishim v ridinah z malim tiskom nasichenoyi pari Zahlopuvannya bulbashok suprovodzhuyetsya adiabatichnim nagrivannyam gazu v bulbashkah do temperaturi poryadku 104 S jogo ionizaciyeyu chim napevno i viklikayetsya svitinnya bulbashok pri kavitaciyi zvukolyuminescensiya Kavitacijni bulbashki grupuyutsya utvoryuyuchi kavitacijnu zonu skladnoyi i minlivoyi formi Intensivnist kavitaciyi zruchno ocinyuvati za rujnuvannyam tonkoyi alyuminiyevoyi folgi v yakij kavitacijni bulbashki probivayut otvori Za kilkistyu j roztashuvannyam cih otvoriv sho vinikayut protyagom pevnogo periodu chasu mozhna ocinyuvati intensivnist ta konfiguraciyu zoni kavitaciyi Negativnij vpliv kavitaciyiKavitacijne poshkodzhennya plastini klapana aksialno porshnevogo gidronasosa Roboche koleso nasosa poshkodzhene kavitacijnoyu koroziyeyu Kavitacijna bulbashka ruhayuchis z potokom ridini v oblast z vishim tiskom dezintegruye stvoryuyuchi udarnu hvilyu impuls adekvatnij gidravlichnomu udaru Ce prizvodit do kavitacijnoyi koroziyi rujnuvannya poverhni metalu sprichinene odnochasnoyu diyeyu udarnih tiskiv u ridini triskannya bulbashok kavern i koroziyi abo kavitacijnogo znoshuvannya yak riznovidu mehanichnogo znoshuvannya Kavitaciya viklikaye takozh vibraciyu zmenshennya k k d i takim chinom zmenshennya efektivnosti roboti nasosiv turbin tosho Kavitaciya v nasosah vidbuvayetsya pri padinni tisku na vhodi v nasos V lopatevih nasosah kavitaciya suprovodzhuyetsya zmenshennyam podachi naporu potuzhnosti i k k d vnaslidok togo sho chastina porozhnini robochogo kolesa zapovnyuyetsya paroyu Vikoristannya kavitaciyiHocha kavitaciya nebazhana u bagatoh vipadkah prote ye vinyatki Napriklad nadkavitacijni torpedi obvolikayutsya u veliki kavitacijni bulbashki suttyevo zmenshuyuchi kontakt z vodoyu Ci torpedi mozhut peresuvatisya znachno shvidshe nizh zvichajni Taki doslidzhennya provodilisya napriklad v Instituti gidromehaniki NAN Ukrayini Kavitaciya mozhe buti vikoristana pri ochishenni tehnologichnogo ustatkuvannya Dlya stvorennya kavitaciyi generuyut ultrazvukovi hvili a rujnuvannya kavitacijnih bulbashok vikoristovuyetsya dlya ochishennya poverhon Pri takomu zastosuvanni kavitaciyi suttyevo zmenshuyetsya vikoristannya agresivnih i otrujnih rechovin u tehnologichnih procesah div ultrazvukove payannya Dosi podrobici togo yak bulbashki provodyat ochishennya do kincya ne zrozumili Visoku rujnivnu silu kavitacijnih procesiv vikoristovuyut dlya droblennya tverdih rechovin sho znahodyatsya v ridini U promislovosti kavitaciya chasto vikoristovuyetsya dlya gomogenizaciyi kotelnogo paliva z metoyu zbilshennya kalorijnosti jogo gorinnya abo zmishuvannya chastok v koloyidnih rozchinah napriklad sumishah farb chi moloci Kavitacijni pristroyi znizhuyut v yazkist vuglevodnevogo paliva sho dozvolyaye zniziti vimogi do jogo pidigrivu i zbilshiti dispersnist rozpilennya Osoblivu rol kavitaciya vidigraye v biomedicini zokrema dlya droblennya kameniv u nirkah za dopomogoyu udarnoyi hvili bez hirurgichnogo vtruchannya Kavitaciya vikoristovuyetsya pri liposakciyi vivedennya zhirovih klitin za dopomogoyu ultrazvuku dlya borotbi z zhirovimi vidkladennyami i celyulitom Kavitaciya v nasosahKavitacijna harakteristika nasosa zalezhnist naporu H i potuzhnosti N pri stalij podachi ta chisli obertiv vid vakuummetrichnoyi visoti vsmoktuvannya Nvak vakuumu u vsmoktuvalnomu patrubku nasosa virazhena u metrah stovpa ridini yaku perekachuyut napr m vod st Pochatok padinnya krivih naporu ta potuzhnosti viznachaye kritichne znachennya vakuummetrichnoyi visoti vsmoktuvannya Viniknennya kavitaciyi pov yazane z utvorennyam rozriviv sucilnosti v potoci ridini koli tisk znizhuyetsya do znachennya tisku nasichenoyi pari za danoyu temperaturoyu Z ridini vidilyayutsya chastkovo rozchineni v nij gazi j povitrya u viglyadi bulbashok yaki pri zitknenni z poverhneyu lopatej robochogo kolesa nasosa stiskuyutsya do visokogo tisku ta shvidko rozpadayutsya V rezultati vinikayut gidravlichni udari sho prizvodit do poshkodzhennya metalu Kavitacijnogo rujnuvannya v riznij miri zaznayut vsi metali ale najbilsh stijkimi ye nerzhaviyucha stal ta alyuminiyeva bronza V shahtnih vidcentrovih nasosah ta vuglesosah kavitaciya prizvodit do rujnuvannya robochih kolis ta spryamovuyuchih aparativ znizhennya robochih harakteristik Misceve znizhennya tisku vinikaye iz zbilshennyam shvidkosti obtikannya profilyu lopatej osoblivo pri rizkih povorotah strumenya U vsmoktuvalnij sistemi do kavitaciyi prizvodit zbilshennya visoti vsmoktuvannya ponad dopustimu V shahtnih nasosah yavishe kavitaciyi mozhna usunuti shlyahom pravilnogo viboru geometrichnoyi visoti vsmoktuvannya maksimalnogo znizhennya gidravlichnogo oporu u vsmoktuvalnomu truboprovodi ta pidtrimannya v nomu tisku pri yakomu ce yavishe ne z yavlyayetsya Div takozhKavitacijna stijkist Kavitacijne znoshuvannya KavitonPrimitkiDSTU 3830 98 Koroziya metaliv i splaviv Termini ta viznachennya osnovnih ponyat DSTU 2823 94 Znosostijkist virobiv tertya znoshuvannya ta mashennya Termini ta viznachennya DzherelaKavitaciya Fizichni himichni biologichni ta tehnologichni aspekti Shevchuk L I Starchevskij V L Lviv Vidavnictvo Lvivskoyi politehniki 2014 376 s ISBN 978 617 607 666 7 Nizkochastotni vibrorezonansni kavitatori L I Shevchuk I S Aftanaziv O I Strogan V L Starchevskij Lviv Vidavnictvo Lvivskoyi politehniki 2013 176 s ISBN 978 617 607 509 7 Vitenko T M Gidrodinamichna kavitaciya u masoobminnih himichnih i biologichnih procesah monografiya T M Vitenko Ternopil v vo TDTU im I Pulyuya 2009 224 s Vitenko T M Mehanizm ta kinetichni zakonomirnosti intensifikuyuchoyi diyi gidrodinamichnoyi kavitaciyi u himiko tehnologichnih procesah Dis na zdob nauk stup dok tehn nauk Lviv 2010 Mala girnicha enciklopediya u 3 t za red V S Bileckogo D Donbas 2004 T 1 A K 640 s ISBN 966 7804 14 3 Intensifikaciya processov smesheniya i dispergirovaniya gidrodinamicheskoj kavitaciej Tekst I S Gulyj i dr K Arktur A 1998 127 s ISBN 966 95344 1 0 ISBN 966 95344 5 3 Fedotkin I M Kavitaciya kavitacionnaya tehnika i tehnologiya ih ispolzovanie v promyshlennosti Teoretich osnovy pr va izbytochnoj energii raschet i konstruirovanie kavitacionnyh teplogeneratorov Ch II I M Fedotkin I S Gulyj K AO OKO 2000 898 s Kavitaciya Kavitacionnye energeticheskie apparaty i ustanovki I M Fedotkin S I Gulyj K Arktur A 1998 134 s ISBN 966 95344 1 0 ISBN 966 95344 3 7 Knepp R Dejli Dzh Hemmit F Kavitaciya Mir 1974 678 s Ivanov A N Gidrodinamika razvityh kavitacionnyh techenij L Sudostroenie 1980 237s Pirsol I Kavitaciya M Mir 1975 95s PosilannyaKAVITA CIYa 19 kvitnya 2016 u Wayback Machine ESU