Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Сұйықтардағы төмен қысымды қуыстардың пайда болуы
Low pressure voids formed in liquids
Сұйықтар механикасында және инженерияда кавитация дегеніміз – сұйықтың статикалық қысымы сұйықтың қайнау қысымынан төмен түсуі, нәтижесінде сұйықта кішкентай буға толы қуыстардың пайда болуы. Бұл қуыстар, «көпіршіктер» немесе «бос орындар» деп аталады, жоғары қысымға ұшырағанда күйрейді және машиналарға зиян келтіруі мүмкін соққы толқындарын тудырады. Бұл толқындар күйрейтін көпіршікке өте жақын жерде күшті болады, бірақ күйреу ортасынан алшақтаған сайын жылдам әлсірейді. Кавитация – кейбір инженерлік жағдайларда тозудың маңызды себебі. Металл бетіне жақын күйрейтін бос орындардың қайталамалы күйреуінен металл бетінде циклдық кернеу туындайды. Бұл металдың шаршауына алып келеді, нәтижесінде «кавитация» деп аталатын тозу түрі пайда болады. Мұндай тозудың ең көп кездесетін мысалдары – сорғының (насостың) қанаттары және сұйықтың бағыты кенеттен өзгеретін иістің бұрылыстары. Кавитация, әдетте, екі түрге бөлінеді: инерциялық (немесе уақытша) кавитация және инерциялық емес кавитация. Сұйықтағы бос орын немесе көпіршік тез күйрейіп, соққы толқынын тудыратын процесс – инерциялық кавитация. Инерциялық кавитация табиғатта мантис және тапанша креветкаларының соққыларында, сондай-ақ өсімдіктердің тамыр тіндерінде кездеседі. Өндірілген заттарда ол басқару клапандарында, сорғыларда, винттерде және қанаттарда пайда болуы мүмкін. Инерциялық емес кавитация – сұйықтағы көпіршіктің көлемі немесе пішіні дыбыстық өріс сияқты энергияның әсерінен тербеліске түсуі. Көпіршіктегі газ сұйықтың бу фазасынан өзге газдың бір бөлігін қамтуы мүмкін. Мұндай кавитация көбінесе ультрадыбыстық тазалау ванналарында қолданылады және сорғыларда, винттерде т.б. байқалады. Бос орындардың күйреуінен пайда болатын соққы толқындары бөлшектерге елеулі зақым келтіруге жеткілікті күшті болғандықтан, кавитация машиналарда көбінесе жағымсыз құбылыс болып табылады (бірақ қасақана қолданылса, мысалы, зарарлы хирургиялық құралдарды стерильдеу үшін, су тазарту жүйелеріндегі ластаушы заттарды жою үшін, катаракта хирургиясы немесе бүйрек тас литотрипсиясы үшін тінді эмульсиялау немесе сұйықтықты біртекті ету үшін қажет). Осы себепті турбиналар немесе винттер сияқты машиналарды жобалау кезінде кавитацияны болдырмауға тырысады, ал кавитацияны жою сұйық динамикасын зерттеудің маңызды саласы болып табылады. Дегенмен, кейде ол пайдалы және көпіршіктер машиналардан алшақ күйрейтін жағдайларда, мысалы, суперкавитацияда зақым келтірмейді.
Cavitation in fluid mechanics and engineering normally refers to the phenomenon in which the static pressure of a liquid reduces to below the liquid's vapour pressure, leading to the formation of small vapor filled cavities in the liquid. When subjected to higher pressure, these cavities, called "bubbles" or "voids", collapse and can generate shock waves that may damage machinery. These shock waves are strong when they are very close to the imploded bubble, but rapidly weaken as they propagate away from the implosion. Cavitation is a significant cause of wear in some engineering contexts. Collapsing voids that implode near to a metal surface cause cyclic stress through repeated implosion. This results in surface fatigue of the metal, causing a type of wear also called "cavitation". The most common examples of this kind of wear are to pump impellers, and bends where a sudden change in the direction of liquid occurs. Cavitation is usually divided into two classes of behavior: inertial (or transient) cavitation and non inertial cavitation. The process in which a void or bubble in a liquid rapidly collapses, producing a shock wave, is called inertial cavitation. Inertial cavitation occurs in nature in the strikes of mantis shrimp and pistol shrimp, as well as in the vascular tissues of plants. In manufactured objects, it can occur in control valves, pumps, propellers and impellers. Non inertial cavitation is the process in which a bubble in a fluid is forced to oscillate in size or shape due to some form of energy input, such as an acoustic field. The gas in the bubble may contain a portion of a different gas than the vapor phase of the liquid. Such cavitation is often employed in ultrasonic cleaning baths and can also be observed in pumps, propellers, etc. Since the shock waves formed by collapse of the voids are strong enough to cause significant damage to parts, cavitation is typically an undesirable phenomenon in machinery (although desirable if intentionally used, for example, to sterilize contaminated surgical instruments, break down pollutants in water purification systems, emulsify tissue for cataract surgery or kidney stone lithotripsy, or homogenize fluids). It is very often specifically prevented in the design of machines such as turbines or propellers, and eliminating cavitation is a major field in the study of fluid dynamics. However, it is sometimes useful and does not cause damage when the bubbles collapse away from machinery, such as in supercavitation.
Инерциялық кавитация
Инерциялық кавитация алғаш рет 19 ғасырдың соңында сұйықтықтағы шар тәрізді қуыстың күйреуін қарастыра отырып байқалды. Сұйық көлемі жеткілікті түрде төмен қысымға түскенде, ол жарылып, қуыс пайда болуы мүмкін. Бұл құбылыс кавитацияның басталуы деп аталады және жылдам айналатын пернелердің қанатының артында немесе сұйықта жеткілікті амплитуда және үдеумен дірілдейтін кез келген бетте пайда болуы мүмкін. Жылдам ағынмен өтетін өзен тас беттерінде кавитация тудыруы мүмкін, әсіресе құлау болған жерде, мысалы, сарқырамада. Бу тәрізді газдар айналадағы ортадан қуысқа буланады; сондықтан қуыс мүлдем вакуум емес, керісінше, төмен қысымды бу (газ) көпіршігі. Көпіршік пайда болуына себеп болған жағдайлар енді болмағанда, мысалы, көпіршік ағынмен төмен қарай жылғанда, айналадағы сұйық жоғары қысымға байланысты ішке қарай қысылып, жылдамдық жинақтай бастайды. Көпіршік толығымен күйрегенде, айналадағы сұйықтың ішкі жылдамдығы будың ішіндегі қысым мен температураның күрт өсуіне себеп болады. Көпіршік түпнұсқа көлемінің өте шағын бөлігіне дейін күйрейді, осы кезде ішіндегі газ айналадағы сұйыққа зор күшпен таралып, дыбыстық толқын және көрінетін жарық түрінде маңызды мөлшерде энергия бөлінеді. Толық күйреу кезінде будың температурасы бірнеше мың Кельвинге, ал қысым бірнеше жүз атмосфераға жете алады. Кавитацияның басталуының физикалық процесі қайнауға ұқсас. Екеуінің арасындағы басты айырмашылық – будың пайда болуына дейінгі термодинамикалық жолдар. Қайнау сұйықтың жергілікті температурасы қанығу температурасына жеткенде пайда болады және сұйықтың газға жеткілікті түрленуіне мүмкіндік беру үшін қосымша жылу беріледі. Кавитацияның басталуы жергілікті қысым белгілі бір температурада сұйықтың созылу күшімен анықталатын қаныққан бу қысымынан жеткілікті төмен түскенде пайда болады. Кавитацияның басталуы үшін кавитациялық "көпіршіктерге" көбінесе ядролық түзілу үшін бет қажет. Бұл бетті ыдыстың қабырғалары, сұйықтағы қоспалар немесе сұйықтықтағы ерімеген шағын микрокөпіршіктер қамтамасыз ете алады. Гидрофобтық беттер кішкентай көпіршіктерді тұрақтандырады деп қабылданған. Бұл бұрыннан бар көпіршіктер шекті қысымнан төмен қысымға түскенде, Блейк шегі деп аталатын, шексіз өсе бастайды. Кавитациялық ядроның ішінде сығылмайтын ядроның болуы кавитациялық шекті Блейк шегінен төмендетеді. Бұл жердегі бу қысымы атмосферадағы судың 100%-дан кем қанықтығындағы ішінара қысымын сипаттайтын бу қысымының метеорологиялық анықтамасынан өзгеше. Кавитацияға қатысты бу қысымы тепе-теңдік жағдайындағы бу қысымын білдіреді, сондықтан оны тепе-теңдік (немесе қаныққан) бу қысымы деп дәлірек анықтауға болады. Инерциялық емес кавитация – бұл акустикалық өрістің қатысуында сұйықтағы кішкентай көпіршіктердің тербеліске мәжбүр етілу процесі, егер акустикалық өрістің қарқындылығы көпіршіктің толық күйреуіне жеткіліксіз болса. Кавитацияның бұл түрі инерциялық кавитацияға қарағанда эрозияны аз тудырады және көбінесе кремнийлі пластиналар сияқты нәзік материалдарды тазалау үшін қолданылады. Кавитациялық қуыстарды құрудың басқа тәсілдері энергияның жергілікті шоғырлануын қамтиды, мысалы, жоғары қарқындылықтағы фокустық лазерлік импульс (оптикалық кавитация) немесе ұшқын арқылы электр разряды. Бұл әдістер сұйықтықты жергілікті температураның жоғарылауымен қайнату арқылы пайда болатын көпіршіктің эволюциясын зерттеу үшін қолданылды.
Inertial cavitation was first observed in the late 19th century, considering the collapse of a spherical void within a liquid. When a volume of liquid is subjected to a sufficiently low pressure, it may rupture and form a cavity. This phenomenon is coined cavitation inception and may occur behind the blade of a rapidly rotating propeller or on any surface vibrating in the liquid with sufficient amplitude and acceleration. A fast flowing river can cause cavitation on rock surfaces, particularly when there is a drop off, such as on a waterfall. Vapor gases evaporate into the cavity from the surrounding medium; thus, the cavity is not a vacuum at all, but rather a low pressure vapor (gas) bubble. Once the conditions which caused the bubble to form are no longer present, such as when the bubble moves downstream, the surrounding liquid begins to implode due its higher pressure, building up momentum as it moves inward. As the bubble finally collapses, the inward momentum of the surrounding liquid causes a sharp increase of pressure and temperature of the vapor within. The bubble eventually collapses to a minute fraction of its original size, at which point the gas within dissipates into the surrounding liquid via a rather violent mechanism which releases a significant amount of energy in the form of an acoustic shock wave and as visible light. At the point of total collapse, the temperature of the vapor within the bubble may be several thousand Kelvin, and the pressure several hundred atmospheres. The physical process of cavitation inception is similar to boiling. The major difference between the two is the thermodynamic paths that precede the formation of the vapor. Boiling occurs when the local temperature of the liquid reaches the saturation temperature, and further heat is supplied to allow the liquid to sufficiently phase change into a gas. Cavitation inception occurs when the local pressure falls sufficiently far below the saturated vapor pressure, a value given by the tensile strength of the liquid at a certain temperature. In order for cavitation inception to occur, the cavitation "bubbles" generally need a surface on which they can nucleate. This surface can be provided by the sides of a container, by impurities in the liquid, or by small undissolved microbubbles within the liquid. It is generally accepted that hydrophobic surfaces stabilize small bubbles. These pre existing bubbles start to grow unbounded when they are exposed to a pressure below the threshold pressure, termed Blake's threshold. The presence of an incompressible core inside a cavitation nucleus substantially lowers the cavitation threshold below the Blake threshold. The vapor pressure here differs from the meteorological definition of vapor pressure, which describes the partial pressure of water in the atmosphere at some value less than 100% saturation. Vapor pressure as relating to cavitation refers to the vapor pressure in equilibrium conditions and can therefore be more accurately defined as the equilibrium (or saturated) vapor pressure. Non inertial cavitation is the process in which small bubbles in a liquid are forced to oscillate in the presence of an acoustic field, when the intensity of the acoustic field is insufficient to cause total bubble collapse. This form of cavitation causes significantly less erosion than inertial cavitation, and is often used for the cleaning of delicate materials, such as silicon wafers. Other ways of generating cavitation voids involve the local deposition of energy, such as an intense focused laser pulse (optic cavitation) or with an electrical discharge through a spark. These techniques have been used to study the evolution of the bubble that is actually created by locally boiling the liquid with a local increment of temperature.
Гидродинамикалық кавитация
Гидродинамикалық кавитация – ағып тұрған сұйықтағы жергілікті қысымның төмендеуі және одан кейінгі өсуі нәтижесінде болатын булану, көпіршіктердің пайда болуы және олардың жарылуы процесі. Кавитация тек қана жергілікті қысым сұйықтың қаныққан бу қысымынан төменге түсіп, содан кейін бу қысымынан жоғарыға көтерілгенде ғана пайда болады. Егер қысым бу қысымынан жоғары көтерілмесе, онда булану орын алған деп есептеледі. Құбыр жүйелерінде кавитация көбінесе кинетикалық энергияның артуы (қимасы тарылу арқылы) немесе құбырдың биіктігінің өсуі салдарынан пайда болады. Гидродинамикалық кавитацияны сұйықтықты белгілі бір ағын жылдамдығымен тарылған каналдан өткізу арқылы немесе сұйық ортада затты механикалық түрде айналдыру арқылы жасауға болады. Тарылған канал жағдайында және жүйенің ерекше (немесе бірегей) геометриясына байланысты, қысым мен кинетикалық энергияның үйлесімі жергілікті тарылудан кейін гидродинамикалық кавитациялық қуысты тудырып, жоғары энергиялы кавитациялық көпіршіктерді жасайды. Термодинамикалық фазалық өзгерістер диаграммасына сүйенсек, температураның жоғарылауы қайнау деп аталатын белгілі фазалық өзгеріс механизмін бастауы мүмкін. Дегенмен, статикалық қысымның төмендеуі көп фазалы диаграммадан өтуге және кавитация деп аталатын тағы бір фазалық өзгеріс механизмін бастауға көмектеседі. Ағын жылдамдығының жергілікті жоғарылауы, Бернулли принципіне сүйене отырып, кавитация басталатын сындық нүктеге дейін статикалық қысымның төмендеуіне әкелуі мүмкін. Сындық қысым нүктесі – будың қаныққан қысымы. Ағынның кез келген шығыны байқалмайтын жабық сұйықтық жүйесінде көлденең қимасының азаюы жылдамдықтың артуына және одан кейін статикалық қысымның төмендеуіне алып келеді. Бұл суды тазарту, энергияны жинау, жылу алмасуын жақсарту, тағам өңдеу және т.б. сияқты әртүрлі салаларда қолданылатын көптеген гидродинамикалық кавитациялық реакторлардың жұмыс принципі болып табылады. Кавитациялық ағынның даму барысында басталу, дамыған ағын, суперкавитация және тұншығу ағыны сияқты әртүрлі ағын үлгілері байқалады. Басталу – екінші фазаның (газ фазасының) жүйеде пайда болған алғашқы сәт. Бұл жүйеде тіркелген ең әлсіз кавитациялық ағын және ең жоғары кавитация санына сәйкес келеді. Қуыстар ойықтарда немесе вентури құрылымдарында өсіп, үлкейген кезде дамыған ағын тіркеледі. Ең қарқынды кавитациялық ағын суперкавитация деп аталады, онда теориялық тұрғыдан ойықтың барлық қимасы газ көпіршіктерімен толы болады. Бұл ағын режимі жүйедегі ең төменгі кавитация санына сәйкес келеді. Суперкавитациядан кейін жүйе одан әрі ағынды өткізе алмайды. Сондықтан, жылдамдық өзгермейді, ал ағыннан бұрынғы қысым артады. Бұл кавитация санының өсуіне алып келеді, яғни тұншығу ағыны пайда болды дегенді көрсетеді. Көпіршіктердің пайда болу процесі, сондай-ақ кавитациялық көпіршіктердің одан әрі өсуі мен жарылуы өте жоғары энергия тығыздығына, сондай-ақ көпіршіктердің бетіндегі өте жоғары жергілікті температура мен қысымға қысқа мерзім ішінде әкеледі. Сондықтан, жалпы сұйық орта орташа жағдайларда қалады. Бақыланбаған кавитация зиянды, бірақ кавитациялық ағынды бақылау арқылы қуатты пайдалануға болады және бұзушы емес жағдайға қол жеткізуге болады. Бақыланатын кавитация химиялық реакцияларды күшейтуге немесе кейбір күтпеген реакцияларды таратуға қолданылуы мүмкін, себебі кавитациялық көпіршіктерде тұтқындалған булардың ыдырауы нәтижесінде процесте еркін радикалдар пайда болады. Ойықтар мен вентурилер кавитация жасау үшін кеңінен қолданылады. Вентуридің ойықтармен салыстырғанда артықшылығы бар, себебі оның тегіс жинақталу және кеңею бөлімдері бар, сондықтан ол берілген қысымның төмендеуі үшін тамақта жоғары ағын жылдамдығын тудырады. Екінші жағынан, ойықтың артықшылығы бар, өйткені ол құбырдың берілген көлденең қимасының ауданында көптеген тесіктерді (тесіктердің үлкен периметрі) орналастыра алады. Кавитация құбылысын жоғары жылдамдықты теңіз кемелері мен снарядтарының, сондай-ақ материалдарды өңдеу технологияларында, медицинада және т.б. өнімділігін арттыру үшін бақылауға болады. Сұйықтардағы кавитациялық ағынды бақылау үшін кавитациялық процестердің математикалық негізін жетілдіру қажет. Бұл процестер әртүрлі жолдармен көрінеді, ең көп таралған және бақылау үшін перспективалысы – көпіршік кавитациясы және суперкавитация. Алғашқы нақты классикалық шешім, бәлкім, 1868 жылы Герман фон Гельмгольц ұсынған шешімге қарызды болуы керек. Кавитациялық ағынның еркін шекаралары мен суперкавитация теориясы бойынша академиялық сипаттағы алғашқы ерекше зерттеулер Jets, wakes and cavities кітабында, содан кейін Theory of jets of ideal fluid кітабында жарияланды. Бұл кітаптарда кеңінен дамыған кешен айнымалы функцияларының конформдық бейнелеуі теориясы қолданылды, бұл жазық проблемалардың көптеген нақты шешімдерін алуға мүмкіндік берді. Қолданыстағы есептеу әдістерін жетілдірген Hydrodynamics of Flows with Free Boundaries еңбегінде, сондай-ақ кемелердің гидромеханикасы мәселелерінде өлшемділік және ұқсастық әдістерінде қолданыстағы нақты шешімдерді жақындастырылған және эвристикалық модельдермен үйлестірудің тағы бір тәсілі зерттелді. Бұл зерттеулердің табиғи жалғасы жақында The Hydrodynamics of Cavitating Flows кітабында ұсынылды – бұл соңғы үш онжылдық ішіндегі осы саланың барлық ең жақсы жетістіктерін қамтитын энциклопедиялық еңбек, математикалық зерттеулердің классикалық әдістерін компьютерлік технологиялардың қазіргі мүмкіндіктерімен үйлестіреді. Бұларға 3D кавитациялық проблемаларды шешудің бейсызық сандық әдістерін әзірлеу, белгілі жазық сызықтық теорияларды жетілдіру, осілік және дерлік осілік ағындардың асимптотикалық теорияларын дамыту және т.б. кіреді. Классикалық тәсілдермен салыстырғанда, жаңа үрдіс теорияны 3D ағындарға кеңейтумен сипатталады. Бұл сонымен қатар суперкавитациялық денелердің гидродинамикасы бойынша қолданбалы жұмыстармен де байланысты. Гидродинамикалық кавитация кейбір өнеркәсіптік процестерді де жақсарта алады. Мысалы, кавитацияланған жүгері шайыры құрғақ диірмендегі кавитацияланбаған жүгері шайырымен салыстырғанда этанол өндірісінде жоғары шығымдылықты көрсетеді. Бұл сонымен қатар, кавитациялық көпіршіктерде тұтқындалған булардың ыдырауы нәтижесінде пайда болатын еркін радикалдардың болуына байланысты, әйтпесе өте жоғары температура мен қысым жағдайларын қажет ететін биорефракторлық қосылыстарды минералдау үшін де қолданылады, бұл химиялық реакцияның қарқындылығын арттырады немесе әйтпесе орташа жағдайларда мүмкін емес кейбір реакцияларды таратуы мүмкін.
Hydrodynamic cavitation is the process of vaporisation, bubble generation and bubble implosion which occurs in a flowing liquid as a result of a decrease and subsequent increase in local pressure. Cavitation will only occur if the local pressure declines to some point below the saturated vapor pressure of the liquid and subsequent recovery above the vapor pressure. If the recovery pressure is not above the vapor pressure then flashing is said to have occurred. In pipe systems, cavitation typically occurs either as the result of an increase in the kinetic energy (through an area constriction) or an increase in the pipe elevation. Hydrodynamic cavitation can be produced by passing a liquid through a constricted channel at a specific flow velocity or by mechanical rotation of an object through a liquid. In the case of the constricted channel and based on the specific (or unique) geometry of the system, the combination of pressure and kinetic energy can create the hydrodynamic cavitation cavern downstream of the local constriction generating high energy cavitation bubbles. Based on the thermodynamic phase change diagram, an increase in temperature could initiate a known phase change mechanism known as boiling. However, a decrease in static pressure could also help one pass the multi phase diagram and initiate another phase change mechanism known as cavitation. On the other hand, a local increase in flow velocity could lead to a static pressure drop to the critical point at which cavitation could be initiated (based on Bernoulli's principle). The critical pressure point is vapor saturated pressure. In a closed fluidic system where no flow leakage is detected, a decrease in cross sectional area would lead to velocity increment and hence static pressure drop. This is the working principle of many hydrodynamic cavitation based reactors for different applications such as water treatment, energy harvesting, heat transfer enhancement, food processing, etc. There are different flow patterns detected as a cavitation flow progresses: inception, developed flow, supercavitation, and choked flow. Inception is the first moment that the second phase (gas phase) appears in the system. This is the weakest cavitating flow captured in a system corresponding to the highest cavitation number. When the cavities grow and becomes larger in size in the orifice or venturi structures, developed flow is recorded. The most intense cavitating flow is known as supercavitation where theoretically all the nozzle area of an orifice is filled with gas bubbles. This flow regime corresponds to the lowest cavitation number in a system. After supercavitation, the system is not capable of passing more flow. Hence, velocity does not change while the upstream pressure increase. This would lead to an increase in cavitation number which shows that choked flow occurred. The process of bubble generation, and the subsequent growth and collapse of the cavitation bubbles, results in very high energy densities and in very high local temperatures and local pressures at the surface of the bubbles for a very short time. The overall liquid medium environment, therefore, remains at ambient conditions. When uncontrolled, cavitation is damaging; by controlling the flow of the cavitation, however, the power can be harnessed and non destructive. Controlled cavitation can be used to enhance chemical reactions or propagate certain unexpected reactions because free radicals are generated in the process due to disassociation of vapors trapped in the cavitating bubbles. Orifices and venturi are reported to be widely used for generating cavitation. A venturi has an inherent advantage over an orifice because of its smooth converging and diverging sections, such that it can generate a higher flow velocity at the throat for a given pressure drop across it. On the other hand, an orifice has an advantage that it can accommodate a greater number of holes (larger perimeter of holes) in a given cross sectional area of the pipe. The cavitation phenomenon can be controlled to enhance the performance of high speed marine vessels and projectiles, as well as in material processing technologies, in medicine, etc. Controlling the cavitating flows in liquids can be achieved only by advancing the mathematical foundation of the cavitation processes. These processes are manifested in different ways, the most common ones and promising for control being bubble cavitation and supercavitation. The first exact classical solution should perhaps be credited to the well known solution by Hermann von Helmholtz in 1868. The earliest distinguished studies of academic type on the theory of a cavitating flow with free boundaries and supercavitation were published in the book Jets, wakes and cavities followed by Theory of jets of ideal fluid. Widely used in these books was the well developed theory of conformal mappings of functions of a complex variable, allowing one to derive a large number of exact solutions of plane problems. Another venue combining the existing exact solutions with approximated and heuristic models was explored in the work Hydrodynamics of Flows with Free Boundaries that refined the applied calculation techniques based on the principle of cavity expansion independence, theory of pulsations and stability of elongated axisymmetric cavities, etc. and in Dimensionality and similarity methods in the problems of the hydromechanics of vessels. A natural continuation of these studies was recently presented in The Hydrodynamics of Cavitating Flows – an encyclopedic work encompassing all the best advances in this domain for the last three decades, and blending the classical methods of mathematical research with the modern capabilities of computer technologies. These include elaboration of nonlinear numerical methods of solving 3D cavitation problems, refinement of the known plane linear theories, development of asymptotic theories of axisymmetric and nearly axisymmetric flows, etc. As compared to the classical approaches, the new trend is characterized by expansion of the theory into the 3D flows. It also reflects a certain correlation with current works of an applied character on the hydrodynamics of supercavitating bodies. Hydrodynamic cavitation can also improve some industrial processes. For instance, cavitated corn slurry shows higher yields in ethanol production compared to uncavitated corn slurry in dry milling facilities. This is also used in the mineralization of bio refractory compounds which otherwise would need extremely high temperature and pressure conditions since free radicals are generated in the process due to the dissociation of vapors trapped in the cavitating bubbles, which results in either the intensification of the chemical reaction or may even result in the propagation of certain reactions not possible under otherwise ambient conditions.
Акустикалық кавитация және ультрадыбыстық кавитация
Инерциялық кавитация акустикалық өріс болған кезде де пайда болуы мүмкін. Сұйықтықта әдетте кездесетін микроскопиялық газ көпіршіктері қолданылатын акустикалық өріс әсерінен тербеліске түседі. Егер акустикалық интенсивтілік жеткілікті деңгейде болса, көпіршіктер алдымен ұлғаяды, содан кейін жылдам құлайды. Осылайша, сұйықта Рэйлиге ұқсас қуыс пайда болуға жеткіліксіз болған жағдайда да инерциялық кавитация орын алуы мүмкін. Ультрадыбыстық кавитацияның басталуы ультрадыбыс көзінің үдеуі қажетті қысым төмендеуін тудыруға жеткілікті болғанда болады. Бұл қысым төмендеуі үдеу шамасымен және қысым толқынының әсер ететін көлемнің өлшемімен байланысты. Ультрадыбыстық кавитацияны болжауға арналған өлшемсіз сан – Гарсия Атанс саны. Жоғары қуатты ультрадыбыстық горндар гомогендеу, дисперсия, деагломерация, эрозия, тазалау, ұнтақтау, эмульсиялау, экстракциялау, бөлшектеу және сонохимия үшін қолданылатын кавитациялық аймақ құруға қажетті үдеуді тудырады.
Inertial cavitation can also occur in the presence of an acoustic field. Microscopic gas bubbles that are generally present in a liquid will be forced to oscillate due to an applied acoustic field. If the acoustic intensity is sufficiently high, the bubbles will first grow in size and then rapidly collapse. Hence, inertial cavitation can occur even if the rarefaction in the liquid is insufficient for a Rayleigh like void to occur. Ultrasonic cavitation inception will occur when the acceleration of the ultrasound source is enough to produce the needed pressure drop. This pressure drop depends on the value of the acceleration and the size of the affected volume by the pressure wave. The dimensionless number that predicts ultrasonic cavitation is the Garcia Atance number. High power ultrasonic horns produce accelerations high enough to create a cavitating region that can be used for homogenization, dispersion, deagglomeration, erosion, cleaning, milling, emulsification, extraction, disintegration, and sonochemistry.
Химиялық инженерия
Өнеркәсіпте кавитация көбінесе бояу қоспалары немесе сүт сияқты коллоидты сұйық қоспалардағы суспензиядағы бөлшектерді гомогендеу, араластыру және ұсақтау үшін қолданылады. Көптеген өнеркәсіптік араластыру машиналары осы принципке негізделген. Бұл әдетте араластырғыш (импеллер) конструкциясы арқылы немесе қоспаны кіреберіс тесігі тар, ал шығыс тесігі кең саңылау арқылы өткізу арқылы жүзеге асырылады. Соңғы жағдайда, сұйықтық кең көлемге жылдамдағанда қысымның күрт төмендеуі кавитацияны тудырады. Бұл әдіс кіріс тесігінің мөлшерін басқаратын гидравликалық құрылғылармен реттелуі мүмкін, бұл процесте динамикалық түзетулер жасауға немесе әртүрлі заттарға бейімдеуге мүмкіндік береді. Араластыру клапанының беті, кавитациялық көпіршіктердің жарылуына (имплозия) себеп болатын бетке соқтығысады, нәтижесінде зор механикалық және жылулық стресс туындайды; сондықтан олар көбінесе тот баспайтын болат, стеллит немесе тіпті поликристалликалық алмаз (PCD) сияқты өте берік және қатты материалдардан жасалады. Кавитациялық су тазарту құрылғылары да жасалған, онда кавитацияның экстремалды жағдайлары ластағыштарды және органикалық молекулаларды ыдырата алады. Сонохимиялық реакциялардың спектрлік талдауы энергияны химиялық және плазмалық механизмдер арқылы беруді көрсетеді. Кавитациялық көпіршіктерден шығатын жарық сонолюминесценция деп аталады. Бұл технология өсімдік майларын сілтімен тазартуда сәтті қолданылған. Гидрофобты химиялық заттар кавитация арқылы су астында тартылады, себебі көпіршіктер мен сұйық су арасындағы қысымның айырмашылығы оларды біріктіруге мәжбүрлейді. Бұл эффект ақуыздың бүктелуіне (folding) көмектесуі мүмкін.
In industry, cavitation is often used to homogenize, or mix and break down, suspended particles in a colloidal liquid compound such as paint mixtures or milk. Many industrial mixing machines are based upon this design principle. It is usually achieved through impeller design or by forcing the mixture through an annular opening that has a narrow entrance orifice with a much larger exit orifice. In the latter case, the drastic decrease in pressure as the liquid accelerates into a larger volume induces cavitation. This method can be controlled with hydraulic devices that control inlet orifice size, allowing for dynamic adjustment during the process, or modification for different substances. The surface of this type of mixing valve, against which surface the cavitation bubbles are driven causing their implosion, undergoes tremendous mechanical and thermal localized stress; they are therefore often constructed of extremely strong and hard materials such as stainless steel, Stellite, or even polycrystalline diamond (PCD). Cavitating water purification devices have also been designed, in which the extreme conditions of cavitation can break down pollutants and organic molecules. Spectral analysis of light emitted in sonochemical reactions reveal chemical and plasma based mechanisms of energy transfer. The light emitted from cavitation bubbles is termed sonoluminescence. Use of this technology has been tried successfully in alkali refining of vegetable oils. Hydrophobic chemicals are attracted underwater by cavitation as the pressure difference between the bubbles and the liquid water forces them to join. This effect may assist in protein folding.
Биомедициналық
Шок толқыны литотрипсиясында кавитация бүйрек тастарын жоюда маңызды рөл атқарады. Қазіргі уақытта кавитацияның үлкен молекулаларды биологиялық жасушаларға (сонопорация) жеткізуге болатыны зерттелуде. Азот кавитациясы – органеллаларға зақым келтірмей, жасуша мембраналарын лиздеу үшін зерттеулерде қолданылатын әдіс. Кавитация түрлі ауруларды емдеу үшін тінді термиялық емес, инвазивті емес жолмен бөлуде маңызды рөл атқарады және мидағы неврологиялық препараттардың сіңуін арттыру үшін қан-ми тосқауелін ашуға қолданылуы мүмкін. Кавитация сондай-ақ HIFU әдістемесінде, яғни термиялық инвазивті емес емдеуде де рөл атқарады. Жоғары жылдамдықты соққылардың салдарынан (мысалы, оқ жаралары) пайда болған жараларда кавитацияның да әсері байқалады. Жарақаттану механизмі әлі толыққанды түсініксіз, себебі уақытша және тұрақты кавитациямен қатар, ұсақтау, жырту және созу процестері де жүреді. Денедегі тығыздық айырмашылығының жоғары болуы оның әсерін анықтауды қиындатады. Ультрадыбыс кейде сүйек тінінің қалыптасуын күшейту үшін, мысалы, хирургиядан кейін қолданылады. Буын ішіндегі синовиялық сұйықтықтағы кавитацияның күйреуінен "рақаттану" дыбысы пайда болады деген болжам бар. Кавитация сонымен қатар озон микро және нано көпіршіктерін де құрайды, бұл стоматологиялық қолдануда үміт береді.
Cavitation plays an important role for the destruction of kidney stones in shock wave lithotripsy. Currently, tests are being conducted as to whether cavitation can be used to transfer large molecules into biological cells (sonoporation). Nitrogen cavitation is a method used in research to lyse cell membranes while leaving organelles intact. Cavitation plays a key role in non thermal, non invasive fractionation of tissue for treatment of a variety of diseases and can be used to open the blood brain barrier to increase uptake of neurological drugs in the brain. Cavitation also plays a role in HIFU, a thermal non invasive treatment methodology for cancer. In wounds caused by high velocity impacts (like for example bullet wounds) there are also effects due to cavitation. The exact wounding mechanisms are not completely understood yet as there is temporary cavitation, and permanent cavitation together with crushing, tearing and stretching. Also the high variance in density within the body makes it hard to determine its effects. Ultrasound sometimes is used to increase bone formation, for instance in post surgical applications. It has been suggested that the sound of "cracking" knuckles derives from the collapse of cavitation in the synovial fluid within the joint. Cavitation can also form Ozone micro nanobubbles which shows promise in dental applications.
Тазалау
Өнеркәсіптік тазалауда кавитация бөлшектің бетке жабысу күштерін жеңуге жеткілікті қуатқа ие, нәтижесінде ластанушы заттар босатылады. Кавитацияны бастау үшін қажетті шекті қысым импульстің ұзындығына және қуаттың мөлшеріне тікелей байланысты. Бұл әдіс тазалау сұйықтығында акустикалық кавитация тудыру арқылы жұмыс істейді, ластанушы бөлшектерді жинап алып, оларды тазартылатын материалға қайта жабыспауын тілеумен кетіреді (мысалы, ультрадыбыстық ваннаға батырылған жағдайда бұл мүмкін). Ластанушы заттарды жоятын сол физикалық күштер тазаланатын нысанға зақым келтіруі де мүмкін.
In industrial cleaning applications, cavitation has sufficient power to overcome the particle to substrate adhesion forces, loosening contaminants. The threshold pressure required to initiate cavitation is a strong function of the pulse width and the power input. This method works by generating acoustic cavitation in the cleaning fluid, picking up and carrying contaminant particles away in the hope that they do not reattach to the material being cleaned (which is a possibility when the object is immersed, for example in an ultrasonic cleaning bath). The same physical forces that remove contaminants also have the potential to damage the target being cleaned.
Жұмыртқа
Жұмыртқаны пастеризациялау үшін кавитация қолданылады. Ішкі ойығы бар ротор кавитациялық көпіршіктерді тудырады, сұйықтықты іштен қыздырады. Жабдықтың беті өтетін сұйықтықтан салқын қалады, сондықтан жұмыртқалар ескі жабдықтың ыстық беттерінде қатайғандай қаталданбайды. Кавитацияның қарқындылығын реттеуге болады, бұл процесті ақуыздардың ең аз зақымдануын қамтамасыз етуге мүмкіндік береді.
Cavitation has been applied to egg pasteurization. A hole filled rotor produces cavitation bubbles, heating the liquid from within. Equipment surfaces stay cooler than the passing liquid, so eggs do not harden as they did on the hot surfaces of older equipment. The intensity of cavitation can be adjusted, making it possible to tune the process for minimum protein damage.
Өсімдік майы өндірісі
Кавитация 2011 жылдан бері өсімдік майларын дегумдау және тазарту процесінде қолданылып келеді және бұл сала бойынша тиімді әрі стандартты технология саналады. Гидродинамикалық кавитацияны дегумдау және тазарту процесіне енгізу арқасында химиялық реагенттер, су және ақтандыру топырағы сияқты процеске жәрдемдесетін заттарды қолдану мөлшерін айтарлықтай азайтуға болады.
Cavitation has been applied to vegetable oil degumming and refining since 2011 and is considered a proven and standard technology in this application. The implementation of hydrodynamic cavitation in the degumming and refining process allows for a significant reduction in process aid, such as chemicals, water and bleaching clay, use.
Биодизель
Кавитация 2011 жылдан бері биодизель өндірісінде қолданылып келеді және бұл салаға қатысты тиімді әрі стандартты технология саналады. Трансэстерлеу процесінде гидродинамикалық кавитацияны қолдану катализатордың қолданылуын айтарлықтай азайтуға, өнім сапасын жақсартуға және өндіріс көлемін ұлғайтуға мүмкіндік береді.
Cavitation has been applied to Biodiesel production since 2011 and is considered a proven and standard technology in this application. The implementation of hydrodynamic cavitation in the transesterification process allows for a significant reduction in catalyst use, quality improvement and production capacity increase.
Кавитация зақымдануы
Кавитация көбінесе қанағаттандырмайтын құбылыс болып табылады. Пропеллерлер және сорғылар сияқты құрылғыларда кавитация көп шу тудырады, компоненттердің зақымдануына, дірілдеуге және тиімділіктің төмендеуіне себеп болады. Кавитациядан туындаған шу теңіз кемелері үшін ерекше қолайсыз болуы мүмкін, себебі мұндай шу оларды пассивті сонар арқылы оңай анықтауға мүмкіндік береді. Кавитация жаңартылатын энергия саласында да алаңдаушылық тудырады, өйткені ол толқынды энергияны пайдаланатын турбиналардың қанаттарының бетінде пайда болуы мүмкін. Кавитациялық көпіршіктер құлағанда, олар жоғары энергиялы сұйықтықты өте кішкентай көлемге жиырып, жоғары температуралы ошақтарды жасайды және соққы толқындарын шығарады, соңғысы шудың көзі болып табылады. Кавитациядан туындаған шу әскери су асты кемелері үшін айқын мәселе, өйткені ол пассивті сонармен анықталу ықтималдығын арттырады. Шағын қуыстың құлауы салыстырмалы түрде төмен энергиялы оқиға болғанымен, локальді құлаулар болат сияқты металдарды уақыт өте келе тозуға ұшырата алады. Қуыстардың құлауынан пайда болған шұңқырлар компоненттердің қатты тозуына әкеледі және пропеллердің немесе сорғының қызмет ету мерзімін күрт қысқартуы мүмкін. Бет кавитацияға ұшырағаннан кейін, тозу қарқыны жеделдейді. Кавитациялық шұңқырлар сұйықтық ағынының турбуленттілігін арттырады және қосымша кавитациялық көпіршіктердің пайда болуына жағдай жасайтын ойыстарды құрайды. Бұған қоса, шұңқырлар компоненттердің беттік ауданын ұлғайтады және қалдық кернеулерді қалдырады, бұл беттің коррозияға бейімделуіне әкеледі.
Cavitation is usually an undesirable occurrence. In devices such as propellers and pumps, cavitation causes a great deal of noise, damage to components, vibrations, and a loss of efficiency. Noise caused by cavitation can be particularly undesirable in naval vessels where such noise may render them more easily detectable by passive sonar. Cavitation has also become a concern in the renewable energy sector as it may occur on the blade surface of tidal stream turbines. When the cavitation bubbles collapse, they force energetic liquid into very small volumes, thereby creating spots of high temperature and emitting shock waves, the latter of which are a source of noise. The noise created by cavitation is a particular problem for military submarines, as it increases the chances of being detected by passive sonar. Although the collapse of a small cavity is a relatively low energy event, highly localized collapses can erode metals, such as steel, over time. The pitting caused by the collapse of cavities produces great wear on components and can dramatically shorten a propeller's or pump's lifetime. After a surface is initially affected by cavitation, it tends to erode at an accelerating pace. The cavitation pits increase the turbulence of the fluid flow and create crevices that act as nucleation sites for additional cavitation bubbles. The pits also increase the components' surface area and leave behind residual stresses. This makes the surface more prone to stress corrosion.
Сорғы кавитация
Сору кавитациясы сорғының соруы төмен қысым / жоғары вакуум жағдайында болатын жағдай, онда сұйықтық сорғы дөңгелегінің ортасында буға айналады. Бұл бу сорғының шығару жағына көтеріледі, онда ол вакуумды көре алмайды және шығару қысымымен сұйықтыққа айналдырылады. Бұл жарылыс әрекеті күшті болып өтеді және дөңгелек бетіне шабуыл жасайды. Сору кавитациясы жағдайында жұмыс істеген дөңгелектің бетінен үлкен материалдың бөліктері немесе өте ұсақ материалдың бөліктері алынып тасталуы мүмкін, бұл дөңгелектің губка тәрізді көрінуіне әкеледі. Екі жағдай да сорғының мерзімінен бұрын істен шығуына, көбінесе подшипниктердің істен шығуына себеп болады. Сору кавитациясын көбінесе сорғы корпусынан келетін құм немесе мрамор сияқты дыбыс арқылы анықтауға болады. Сору кавитациясының жиі кездесетін себептері: сору жағынан бітелген сүзгілер, құбырлардың бітелуі, дұрыс емес құбырлар дизайны, сорғы қисығында тым оңға қарай жұмыс істейтін сорғы немесе NPSH (таза сору қысымы) талаптарына сәйкес келмейтін жағдайлар. Автокөлікте гидравликалық жүйедегі (күшті рульді басқару, күшті тежегіштер) бітелген сүзгі сору кавитациясын тудыруы мүмкін, бұл қозғалтқыштың айналу жиілігімен синхронды түрде көтеріліп, төмендеуі мүмкін. Бұл көбінесе жоғары жиілікті сызылыс болып келеді, дұрыс бекітілмеген нейлон тісті дөңгелектердің дыбысына ұқсайды.
Suction cavitation occurs when the pump suction is under a low pressure/high vacuum condition where the liquid turns into a vapor at the eye of the pump impeller. This vapor is carried over to the discharge side of the pump, where it no longer sees vacuum and is compressed back into a liquid by the discharge pressure. This imploding action occurs violently and attacks the face of the impeller. An impeller that has been operating under a suction cavitation condition can have large chunks of material removed from its face or very small bits of material removed, causing the impeller to look spongelike. Both cases will cause premature failure of the pump, often due to bearing failure. Suction cavitation is often identified by a sound like gravel or marbles in the pump casing. Common causes of suction cavitation can include clogged filters, pipe blockage on the suction side, poor piping design, pump running too far right on the pump curve, or conditions not meeting NPSH (net positive suction head) requirements. In automotive applications, a clogged filter in a hydraulic system (power steering, power brakes) can cause suction cavitation making a noise that rises and falls in synch with engine RPM. It is fairly often a high pitched whine, like set of nylon gears not quite meshing correctly.
Ағынды қуыстылық
Төгілу кавитациясы сорғының төгілу қысымы өте жоғары болғанда пайда болады, әдетте сорғының ең тиімді нүктесінің 10% -дан кемде жұмыс істеген кезде. Жоғары төгілу қысымы сұйықтықтың көп бөлігін сорғы ішінде айналып тұруына себеп болады, төгілу арқылы шығуға мүмкіндік бермейді. Сұйықтық жұмыс дөңгелегінің айналасында ағып өткенде, ол жұмыс дөңгелегі мен сорғы корпусы арасындағы тар кеңістіктен өте жоғары жылдамдықпен өтуі керек. Бұл ағын жылдамдығы корпустың қабырғасында вакуумның пайда болуына себеп болады (вентуридегідей), бұл сұйықтықты буға айналдырады. Мұндай жағдайларда жұмыс істеген сорғыда жұмыс дөңгелегінің қанаттары мен сорғы корпусының ерте тозуы байқалады. Сонымен қатар, жоғары қысым болғандықтан, сорғының механикалық тығыздағышы мен подшипниктерінің мерзімінен бұрын істен шығуы күтіледі. Өте қиын жағдайларда бұл жұмыс дөңгелегі білігін сындыруы мүмкін. Буын сұйығындағы төгілу кавитациясы сүйек буынының жарылуынан туындайтын соққы дыбысына себеп болуы мүмкін, мысалы, саусақтарды қасақана жарылу арқылы.
Discharge cavitation occurs when the pump discharge pressure is extremely high, normally occurring in a pump that is running at less than 10% of its best efficiency point. The high discharge pressure causes the majority of the fluid to circulate inside the pump instead of being allowed to flow out the discharge. As the liquid flows around the impeller, it must pass through the small clearance between the impeller and the pump housing at extremely high flow velocity. This flow velocity causes a vacuum to develop at the housing wall (similar to what occurs in a venturi), which turns the liquid into a vapor. A pump that has been operating under these conditions shows premature wear of the impeller vane tips and the pump housing. In addition, due to the high pressure conditions, premature failure of the pump's mechanical seal and bearings can be expected. Under extreme conditions, this can break the impeller shaft. Discharge cavitation in joint fluid is thought to cause the popping sound produced by bone joint cracking, for example by deliberately cracking one's knuckles.
Басқару клапандары
Кавитация басқару клапандарында пайда болуы мүмкін. Егер жүйедегі кіріс және шығыс қысымдарымен анықталған клапан арқылығы нақты қысым төмендеуі, өлшемдеу есептеулерінде рұқсат етілгеннен жоғары болса, қысымның күрт төмендеуі немесе кавитация пайда болуы мүмкін. Сұйық күйден бу күйіне өту, әдетте клапан тесігінен ең үлкен ағын шектеуінен кейін немесе оның жанындағы ағыс жылдамдығының артуынан туындайды. Клапан арқылы сұйықтың тұрақты ағынын сақтау үшін, ағыс жылдамдығы vena contracta-да, яғни көлденең қимасы ең кішкентай болатын нүктеде максималды болуы керек. Ағыс жылдамдығының артуы сұйықтық қысымының айтарлықтай төмендеуімен бірге жүреді, ол ауданның ұлғаюымен және ағыс жылдамдығының төмендеуімен бірге жартылай қалпына келтіріледі. Бұл қысымның қалпына келуі ешқашан кіріс қысымының деңгейіне толыққанды жете алмайды. Егер vena contracta-дағы қысым сұйықтың бу қысымынан төмен болса, ағын ішінде көпіршіктер пайда болады. Егер клапаннан кейін қысым қайтадан бу қысымынан жоғары деңгейге жетсе, онда бу көпіршіктері жарылып, кавитация пайда болады.
Cavitation can occur in control valves. If the actual pressure drop across the valve as defined by the upstream and downstream pressures in the system is greater than the sizing calculations allow, pressure drop flashing or cavitation may occur. The change from a liquid state to a vapor state results from the increase in flow velocity at or just downstream of the greatest flow restriction which is normally the valve port. To maintain a steady flow of liquid through a valve the flow velocity must be greatest at the vena contracta or the point where the cross sectional area is the smallest. This increase in flow velocity is accompanied by a substantial decrease in the fluid pressure which is partially recovered downstream as the area increases and flow velocity decreases. This pressure recovery is never completely to the level of the upstream pressure. If the pressure at the vena contracta drops below the vapor pressure of the fluid bubbles will form in the flow stream. If the pressure recovers after the valve to a pressure that is once again above the vapor pressure, then the vapor bubbles will collapse and cavitation will occur.
Құйылатын сулар
Су бөгетінің ағып кету жолынан ағып өткен кезде, ағып кету бетіндегі тегіссіздер жоғары жылдамдықтағы ағында ағысты бөліп тұратын шағын аймақтарды тудырады, ал осы аймақтарда қысым төмендейді. Егер ағын жылдамдығы жеткілікті жоғары болса, қысым судың жергілікті бу қысымынан төмен түсіп, бу көпіршіктері пайда болады. Бұл көпіршіктер жоғары қысымды аймаққа жеткенде жарылып, жоғары қысымға және мүмкін кавитациялық зақымдануға әкеледі. Эксперименттік зерттеулер көрсеткендей, бетонды шұңқырлар мен туннельдердің ағып кету жолдарында зақымдану , және ағын жылдамдықтары арасында басталуы мүмкін. Ағын жылдамдығы жоғары болған жағдайда, бетін тегістеу, беттік қабатты жақсарту немесе төзімді материалдарды қолдану арқылы бетті қорғауға болады. Суда ауа болған кезде пайда болатын қоспа сығылғыш болады, бұл көпіршіктердің жарылуынан туындайтын жоғары қысымды азайтады. Егер ағып кету жолының төменгі бөлігіндегі ағын жылдамдығы жеткілікті жоғары болса, кавитацияны болдырмау үшін аэраторлар (немесе аэрациялық құрылғылар) орнатылуы керек. Олар бірнеше жылдан бері орнатылғанымен, аэраторларда ауаның сіңірілу механизмі және ауаның ағып кету бетінен баяу жылжуы әлі де қиын мәселе болып табылады. Ағып кету жолын ауаландыру құрылғысының дизайны ағып кету жолының (немесе қабырғасының) кішкене бұрылуына негізделген, мысалы, пандус және ығыстыру арқылы жоғары жылдамдықты ағынды ағып кету бетінен бұру. Шалқаның астында пайда болатын қуыста, шалқаның астындағы ауа ағынына ауа соратын жергілікті төмен қысым туындайды. Толық дизайнға бұрылу құрылғысы (рампа, ығыстыру) және ауамен жабдықтау жүйесі кіреді.
When water flows over a dam spillway, the irregularities on the spillway surface will cause small areas of flow separation in a high speed flow, and, in these regions, the pressure will be lowered. If the flow velocities are high enough the pressure may fall to below the local vapor pressure of the water and vapor bubbles will form. When these are carried downstream into a high pressure region the bubbles collapse giving rise to high pressures and possible cavitation damage. Experimental investigations show that the damage on concrete chute and tunnel spillways can start at clear water flow velocities of between , and, up to flow velocities of , it may be possible to protect the surface by streamlining the boundaries, improving the surface finishes or using resistant materials. When some air is present in the water the resulting mixture is compressible and this damps the high pressure caused by the bubble collapses. If the flow velocities near the spillway invert are sufficiently high, aerators (or aeration devices) must be introduced to prevent cavitation. Although these have been installed for some years, the mechanisms of air entrainment at the aerators and the slow movement of the air away from the spillway surface are still challenging. The spillway aeration device design is based upon a small deflection of the spillway bed (or sidewall) such as a ramp and offset to deflect the high flow velocity flow away from the spillway surface. In the cavity formed below the nappe, a local subpressure beneath the nappe is produced by which air is sucked into the flow. The complete design includes the deflection device (ramp, offset) and the air supply system.
Қозғалтқыштар
Кейбір ірі дизельді қозғалтқыштарда жоғары қысым мен цилиндр қабырғаларының жеткіліксіз өлшемдеріне байланысты кавитация пайда болады. Цилиндр қабырғасының дірілдеуі салқындатқыш сұйықтықта цилиндр қабырғасына қарсы ауыспалы түрде төмен және жоғары қысым тудырады. Соның салдарынан цилиндр қабырғасында шұңқырлар пайда болады, бұл салқындату сұйықтығының цилиндрге және жану газдарының салқындатқышқа ағып кетуіне мүмкіндік береді. Мұндай жағдайды цилиндр қабырғасында қорғаныш қабат түзететін химиялық қоспаларды салқындатқыш сұйықтығына қосу арқылы болдырмауға болады. Бұл қабат та кавитацияға ұшырайды, бірақ өзін-өзі қайта жаңартады. Сонымен қатар, салқындату жүйесіндегі реттелген артық қысым (салқындатқыш құйылатын қақпақтың серіппелік қысымымен реттеліп, сақталады) кавитацияның пайда болуын болдырмайды. 1980 жылдардан бастап кішірек бензинді қозғалтқыштардың жаңа конструкциялары да кавитация құбылысын көрсетті. Кішірек және жеңіл қозғалтқыштарға деген қажеттіліктің жауабы ретінде салқындатқыш сұйықтығының көлемі кішірейтілді, ал салқындатқыш сұйықтығының ағын жылдамдығы жоғарылатылды. Бұл ағын жылдамдығының күрт өзгеруіне және осыған байланысты жоғары жылу алмасу аймақтарындағы статикалық қысымның күрт өзгеруіне әкелді. Бу көпіршіктері бетке құлағанда, олар алдымен қорғаныш оксид қабаттарын (құйма алюминий материалдарынан) бұзып, содан кейін жаңадан пайда болған бетке қайталап зақым келтіріп, кейбір коррозияға қарсы заттардың (мысалы, силикат негізіндегі заттардың) тиімділігін төмендетті. Соңғы мәселе – материал температурасының артуы негізгі металл мен оның қорытпа құрауыштардың салыстырмалы электрохимиялық белсенділігіне тигізген әсері болды. Нәтижесінде, қозғалтқыш жоғары жүктемемен және жоғары жылдамдықпен жұмыс істегенде бірнеше сағаттың ішінде қозғалтқыш басына еніп, терең шұңқырлар пайда болды. Мұндай әсерлерге көбінесе органикалық коррозияға қарсы заттарды қолдану арқылы немесе (артықшылықты) қозғалтқыш басын кавитацияға ықпал ететін жағдайларды болдырмау үшін конструкциялау арқылы жол берілмейді.
Some larger diesel engines suffer from cavitation due to high compression and undersized cylinder walls. Vibrations of the cylinder wall induce alternating low and high pressure in the coolant against the cylinder wall. The result is pitting of the cylinder wall, which will eventually let cooling fluid leak into the cylinder and combustion gases to leak into the coolant. It is possible to prevent this from happening with the use of chemical additives in the cooling fluid that form a protective layer on the cylinder wall. This layer will be exposed to the same cavitation, but rebuilds itself. Additionally a regulated overpressure in the cooling system (regulated and maintained by the coolant filler cap spring pressure) prevents the forming of cavitation. From about the 1980s, new designs of smaller gasoline engines also displayed cavitation phenomena. One answer to the need for smaller and lighter engines was a smaller coolant volume and a correspondingly higher coolant flow velocity. This gave rise to rapid changes in flow velocity and therefore rapid changes of static pressure in areas of high heat transfer. Where resulting vapor bubbles collapsed against a surface, they had the effect of first disrupting protective oxide layers (of cast aluminium materials) and then repeatedly damaging the newly formed surface, preventing the action of some types of corrosion inhibitor (such as silicate based inhibitors). A final problem was the effect that increased material temperature had on the relative electrochemical reactivity of the base metal and its alloying constituents. The result was deep pits that could form and penetrate the engine head in a matter of hours when the engine was running at high load and high speed. These effects could largely be avoided by the use of organic corrosion inhibitors or (preferably) by designing the engine head in such a way as to avoid certain cavitation inducing conditions.
Геология
Алмастың пайда болуына қатысты кейбір гипотезалар кавитацияның ықтимал рөлін көрсетеді, атап айтқанда, кимберлит түтікшелеріндегі кавитацияның таза көміртекті сирек кездесетін алма аллотропына айналдыру үшін қажетті ең жоғары қысымды жасауы мүмкін. 1883 жылғы Кракатау жанартауының атқылауы кезінде тіркелген ең күшті үш дыбыс қазір вулканның тамағында пайда болған үш үлкен кавитациялық көпіршіктің жарылуы ретінде түсіндіріледі. Еріген газдарға толы және зор қысыммен көтерілген магма, оңай қысылатын басқа магмамен кездесіп, көпіршіктердің өсуіне және бірігуіне жағдай жасады.
Some hypotheses relating to diamond formation posit a possible role for cavitation—namely cavitation in the kimberlite pipes providing the extreme pressure needed to change pure carbon into the rare allotrope that is diamond. The loudest three sounds ever recorded, during the 1883 eruption of Krakatoa, are now understood as the bursts of three huge cavitation bubbles, each larger than the last, formed in the volcano's throat. Rising magma, filled with dissolved gasses and under immense pressure, encountered a different magma that compressed easily, allowing bubbles to grow and combine.
Қан тамырлары өсімдіктері
Кавитация тамырлы өсімдіктердің ксилемасында пайда болуы мүмкін.
Cavitation can occur in the xylem of vascular plants.
Өсімдіктердегі споралардың таралуы
Кейбір өсімдіктердің спораларын тарату механизмдерінде кавитация рөл атқарады. Мысалы, папоротниктерде папоротник спорангиі спораларды ауаға лақтыратын катапульт ретінде қызмет етеді. Катапульттің зарядталу фазасы жылтыр жасушаларынан судың булануымен қозғалады, бұл қысымның төмендеуіне себеп болады. Компрессиялық қысым шамамен 9 МПа-ға жеткенде кавитация пайда болады. Бұл шапшаң оқиға аннулюс құрылымының эластикалық энергиясын босату арқасында споралардың таралуын қамтамасыз етеді. Спораның бастапқы үдеуі өте зор – гравитациялық үдеуден 10 есеге дейін.
Cavitation plays a role in the spore dispersal mechanisms of certain plants. In ferns, for example, the fern sporangium acts as a catapult that launches spores into the air. The charging phase of the catapult is driven by water evaporation from the annulus cells, which triggers a pressure decrease. When the compressive pressure reaches approximately 9MPa, cavitation occurs. This rapid event triggers spore dispersal due to the elastic energy released by the annulus structure. The initial spore acceleration is extremely large – up to 10 times the gravitational acceleration.
Теңіз тіршілігі
Кавитациялық көпіршіктер жылдам айналатын қайық пропеллерінде пайда болғандай, олар су жануарларының құйрықтары мен қанаттарында да пайда болуы мүмкін. Бұл көбінесе мұхит бетіне жақын жерлерде, қоршаған су қысымы төмен болғанда болады. Кавитация дельфиндер мен тунец сияқты күшті жүзуші жануарлардың ең жоғары жүзу жылдамдығын шектеуі мүмкін. Дельфиндер құйрығындағы кавитациялық көпіршіктердің жарылуынан болатын ауырсынуға шыдамай, жылдамдығын төмендетуге мәжбүр болуы мүмкін. Тунецтің сүйекті қанаттарында сезімтал жүйке ұштары болмайды, сондықтан олар кавитациядан ауырсынуды сезінбейді. Кавитациялық көпіршіктер олардың қанаттарының айналасында бу қабатын құрап, жылдамдығын баяулатады. Тунецтерде кавитацияның салдарынан зақымданулар табылды. Кейбір теңіз жануарлары аң аулау кезінде кавитацияны өз пайдасына қолданудың жолдарын тапқан. Пистолеттік креветка арнайы қысқышымен кавитация тудырады, ол кішкентай балықтарды өлтіруге қабілетті. Сондай-ақ, қысқаша денелі шаяндар да кавитацияны пайдаланып, жемірілетін моллюскаларды жарып, ұрып-соғып немесе өлтіріп тастайды. Шаян балықтарды әлсірету үшін "құйрық соққыларын" қолданады және құйрық доғасының ең жоғарғы нүктесінен кавитациялық көпіршіктердің көтерілуі байқалды.
Just as cavitation bubbles form on a fast spinning boat propeller, they may also form on the tails and fins of aquatic animals. This primarily occurs near the surface of the ocean, where the ambient water pressure is low. Cavitation may limit the maximum swimming speed of powerful swimming animals like dolphins and tuna. Dolphins may have to restrict their speed because collapsing cavitation bubbles on their tail are painful. Tuna have bony fins without nerve endings and do not feel pain from cavitation. They are slowed down when cavitation bubbles create a vapor film around their fins. Lesions have been found on tuna that are consistent with cavitation damage. Some sea animals have found ways to use cavitation to their advantage when hunting prey. The pistol shrimp snaps a specialized claw to create cavitation, which can kill small fish. The mantis shrimp (of the smasher variety) uses cavitation as well in order to stun, smash open, or kill the shellfish that it feasts upon. Thresher sharks use 'tail slaps' to debilitate their small fish prey and cavitation bubbles have been seen rising from the apex of the tail arc.
Жағалау эрозиясы
Соңғы бес жылдың ішінде, инерциялық кавитация түріндегі жағалау эрозиясы қалыпты жағдай деп есептеледі. Келіп тұратын толқынның көпіршіктері эрозияға ұшыраған жартастың жарықтарына итеріледі. Өзгеріп отыратын қысым кейбір бу көпіршіктерін декомпрессиялайды, олар кейіннен күшпен жарылады. Нәтижесінде пайда болатын қысымның жоғарылауы тастың ұсақ бөліктерін жарып шығарады.
In the last half decade, coastal erosion in the form of inertial cavitation has been generally accepted. Bubbles in an incoming wave are forced into cracks in the cliff being eroded. Varying pressure decompresses some vapor pockets which subsequently implode. The resulting pressure peaks can blast apart fractions of the rock.
Тарих
1754 жылы швейцариялық математик Леонхард Эйлер (1707–1783) кавитация мүмкіндігі туралы болжам жасады. 1859 жылы ағылшын математигі Уильям Генри Бесант (1828–1917) ағылшын-ирланд математигі Джордж Стоукс (1819–1903) ұсынған сұйықтағы сфералық қуыстың құлдырауының динамикасы мәселесіне шешім жариялады. 1894 жылы ирландтық сұйықтық динамигі Осборн Рейнольдс (1842–1912) қайнаған сұйықтықтарда және тарылған түтікшелерде бу көпіршіктерінің пайда болуын және құлдырауын зерттеді. Кавитация термині алғаш рет 1895 жылы Джон Исаак Торникрофт (1843–1928) және Сидней Уокер Барнаби (1855–1925) – Корольдік теңіз флотының бас конструкторы болған сэр Натаниел Барнабидің (1829–1915) ұлы, британдық инженер Роберт Эдмунд Фруде (1846–1924) еңбегінде пайда болды. Кавитацияны алғашқы эксперименталды зерттеулерді 1894 жылы Торникрофт пен Барнаби, сондай-ақ ағылшын-ирланд инженері Чарльз Алгернон Парсонс (1854–1931) жүргізді, ол осы құбылысты зерттеу үшін стробоскоптық аппарат жасады. Торникрофт пен Барнаби алғаш рет пернетақтаның артқы жағында кавитацияны байқаған зерттеушілер болды. 1917 жылы британдық физик Лорд Рейли (1842–1919) Бесанттың жұмысын кеңейтіп, сығылмайтын сұйықтағы кавитацияның математикалық моделін жариялады (беттік керілу мен тұтқырлықты ескермейтін), сонымен қатар сұйықтағы қысымды анықтады. Британдық инженер Стэнли Смит Кук (1875–1952) және Лорд Рейли жасаған кавитацияның математикалық модельдері будың құлдыраған көпіршіктері өте жоғары қысым тудыратынын көрсетті, бұл кемелердің қанаттарында байқалған зақымдануға себеп болуы мүмкін. Мұндай жоғары қысымға себеп болатын кавитацияның эксперименталдық дәлелдерін алғаш рет 1952 жылы акустикалық әдістерді қолданған Марк Харрисон (АҚШ, Мэриленд штатындағы АҚШ Теңіз күштерінің Дэвид Тейлор модельдік бассейнінің сұйықтық динамигі және акустигі) және 1956 жылы оптикалық Шлиерен фотосуреттерін қолданған Вернфрид Гют (Геттинген университетінің физигі және акустигі, Германия) жинады. 1944 жылы кеңес ғалымдары Марк Иосифович Корнфельд (1908–1993) және Л. Суворов Ленинград физика-техникалық институтында (қазіргі Ресей Ғылым академиясының Иоффе физика-техникалық институты, Санкт-Петербург, Ресей) кавитация кезінде қатты бетке жақын көпіршіктер симметриялық түрде құламайтынын, керісінше, қатты бетке қарама-қарсы нүктеде көпіршікте ойыс пайда болатынын және бұл ойыс сұйық ағынына айналатынын анықтады. Бұл сұйық ағыны қатты бетке зақым келтіреді. Бұл гипотезаны 1951 жылы Калифорния технология институтының докторанты Морис Рэттрей-кіші теориялық зерттеулер арқылы растады. Корнфельд пен Суворовтың гипотезасын 1961 жылы Калифорния технология институтының сұйықтық динамикасы зерттеушілері Чарльз Ф. Наудэ мен Альберт Т. Эллис эксперименттік жолмен растады. Газды көпіршіктер бар сұйықтағы күшті соққы толқынының таралуын зерттеуге қатысты эксперименттік зерттеулер сериясы, процесті басқаратын негізгі заңдарды, соққы толқынының энергиясының өзгеру механизмін, соққы толқынының әлсіреуін және құрылымның қалыптасуын анықтауға мүмкіндік берді. Әртүрлі акустикалық қасиеттері бар көпіршік экрандарындағы толқындардың әлсіреуін талдау бойынша эксперименттер 1957–1960 жылдары гидродинамика институтында (Новосибирск, Ресей) кеңес ғалымы, профессор В. Ф. Мининнің ізашарлық жұмыстарымен басталды. 1957–1960 жылдары пульсациялық газ қуыстарының формасының динамикасын және соққы толқынының бұршақ бұлттарымен өзара әрекеттесуін зерттеу кезінде В. Ф. Минин соққы толқынының әсерінен бұршақтың асимметриялық түрде құлайтынын, құлдырау процесінде жинақы ағын пайда болатынын және бұршақтың фрагментациясына әкелетінін анықтады.
As early as 1754, the Swiss mathematician Leonhard Euler (1707–1783) speculated about the possibility of cavitation. In 1859, the English mathematician William Henry Besant (1828–1917) published a solution to the problem of the dynamics of the collapse of a spherical cavity in a fluid, which had been presented by the Anglo Irish mathematician George Stokes (1819–1903) as one of the Cambridge [University] Senate house problems and riders for the year 1847. In 1894, Irish fluid dynamicist Osborne Reynolds (1842–1912) studied the formation and collapse of vapor bubbles in boiling liquids and in constricted tubes. The term cavitation first appeared in 1895 in a paper by John Isaac Thornycroft (1843–1928) and Sydney Walker Barnaby (1855–1925)—son of Sir Nathaniel Barnaby (1829 – 1915), who had been Chief Constructor of the Royal Navy—to whom it had been suggested by the British engineer Robert Edmund Froude (1846–1924), third son of the English hydrodynamicist William Froude (1810–1879). Early experimental studies of cavitation were conducted in 1894 5 by Thornycroft and Barnaby and by the Anglo Irish engineer Charles Algernon Parsons (1854 1931), who constructed a stroboscopic apparatus to study the phenomenon. Thornycroft and Barnaby were the first researchers to observe cavitation on the back sides of propeller blades. In 1917, the British physicist Lord Rayleigh (1842–1919) extended Besant's work, publishing a mathematical model of cavitation in an incompressible fluid (ignoring surface tension and viscosity), in which he also determined the pressure in the fluid. The mathematical models of cavitation which were developed by British engineer Stanley Smith Cook (1875–1952) and by Lord Rayleigh revealed that collapsing bubbles of vapor could generate very high pressures, which were capable of causing the damage that had been observed on ships' propellers. Experimental evidence of cavitation causing such high pressures was initially collected in 1952 by Mark Harrison (a fluid dynamicist and acoustician at the U. S. Navy's David Taylor Model Basin at Carderock, Maryland, USA) who used acoustic methods and in 1956 by Wernfried Güth (a physicist and acoustician of Göttigen University, Germany) who used optical Schlieren photography. In 1944, Soviet scientists Mark Iosifovich Kornfeld (1908–1993) and L. Suvorov of the Leningrad Physico Technical Institute (now: the Ioffe Physical Technical Institute of the Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, Russia) proposed that during cavitation, bubbles in the vicinity of a solid surface do not collapse symmetrically; instead, a dimple forms on the bubble at a point opposite the solid surface and this dimple evolves into a jet of liquid. This jet of liquid damages the solid surface. This hypothesis was supported in 1951 by theoretical studies by Maurice Rattray Jr., a doctoral student at the California Institute of Technology. Kornfeld and Suvorov's hypothesis was confirmed experimentally in 1961 by Charles F. Naudé and Albert T. Ellis, fluid dynamicists at the California Institute of Technology. A series of experimental investigations of the propagation of strong shock wave (SW) in a liquid with gas bubbles, which made it possible to establish the basic laws governing the process, the mechanism for the transformation of the energy of the SW, attenuation of the SW, and the formation of the structure, and experiments on the analysis of the attenuation of waves in bubble screens with different acoustic properties were begun by pioneer works of Soviet scientist prof. V. F. Minin at the Institute of Hydrodynamics (Novosibirsk, Russia) in 1957–1960, who examined also the first convenient model of a screen a sequence of alternating flat one dimensional liquid and gas layers. In an experimental investigations of the dynamics of the form of pulsating gaseous cavities and interaction of SW with bubble clouds in 1957–1960 V. F. Minin discovered that under the action of SW a bubble collapses asymmetrically with the formation of a cumulative jet, which forms in the process of collapse and causes fragmentation of the bubble.