Закон Бернулли и кавитационный коэффициент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Министерство  образования и науки

Федеральное государственноебюджетное  образовательное учреждение высшего профессионального образования

Тюменский государственный  нефтегазовый университет

Филиал в г. Нижневартовске

 

 

Кафедра______Общетехнических  дисциплин_______________

 

 

Реферат  
 
на тему: ________Кавитация___________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подготовил: Подболотов И. В.

 

Проверила: Порхоменко Е. И.

 

 

 

 

 

 

Содержание:

1. Понятие кавитации.
2. Закон Бернулли и кавитационный коэффициент.
3. Типы и виды кавитации.
4. Вредные последствия.
5. Полезное применение кавитации.
6. Эффект Юткина.
7. Полезная модель.
8. Вывод.
9. Литература.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кавитация.

 

Кавитация – это образование  газовых пузырьков в жидкости. Термин был введен около 1894 британским инженером Р. Фрудом. Если давление в какой-либо точке жидкости становится равным давлению насыщенного пара этой жидкости, то жидкость в этом месте испаряется и образуется паровой пузырек. Примером может служить кипение воды. При нагревании воды давление ее насыщенного пара повышается. Когда достигается температура кипения, давление пара становится равным давлению окружающей среды, и в воде появляются паровые пузырьки.

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

 

 

Рис 1. Кавитационная зона в трубке с местным сужением.

 

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 . 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Закон Бернулли и кавитационный коэффициент.

 

Согласно закону Бернулли, в жидкости без трения энергия  постоянна вдоль линии тока. Это  можно выразить равенством:

 

 

где p – давление, r – плотность, а v – скорость. Индексы 0, 1 и 2 относятся к любым трем точкам на данной линии тока (рис 2).

 

 

Рис. 2 Картина  обтекания профиля и три точки  на одной 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 p_v – давление насыщенного пара жидкости при данной температуре.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Типы кавитации.

 

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

На рис. 3 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. 3.

 

 

Рис. 3. Кавитация  на подводном крыле.

 

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. 4 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. 4. Кавитация  на гребном винте.

 

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.

 

 

Рис. 5. Участок разрушенной поверхности гребного винта.

 

Всасывающая кавитация происходит, когда работа насоса в режиме всасывания 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.

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.)

 

 

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.

 

Рис. 6. Всасывающий патрубок насоса, выполненный из чугуна, со следами кавитационной эрозии

 

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.

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вредные последствия.

 

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.