Введение
В механике жидкостей и технике кавитация обычно относится к явлению, при котором статическое давление жидкости снижается до величины ниже давления насыщенного пара жидкости, что приводит к образованию небольших полостей, заполненных паром, в жидкости. Под воздействием повышенного давления эти полости, называемые «пузырьками» или «пустотами», схлопываются и могут генерировать ударные волны, способные повредить оборудование. Эти ударные волны наиболее сильны в непосредственной близости от схлопнувшегося пузырька, но быстро ослабевают по мере распространения от точки имплозии. Кавитация является значительной причиной износа в ряде инженерных приложений. Схлопывающиеся пустоты, имплодирующие вблизи металлической поверхности, вызывают циклические напряжения в результате многократных имплозий. Это приводит к усталости металла на поверхности, вызывая тип износа, также называемый «кавитационным износом». Наиболее распространенные примеры такого износа наблюдаются на рабочих колесах насосов и в местах изгиба, где происходит резкое изменение направления потока жидкости. Кавитация обычно подразделяется на два класса: инерционная (или переходная) кавитация и неинерционная кавитация. Процесс быстрого схлопывания пустоты или пузырька в жидкости с образованием ударной волны называется инерционной кавитацией. Инерционная кавитация встречается в природе в ударах креветок-богомолов и креветок-пистолетов, а также в сосудистых тканях растений. В изготовленных изделиях она может возникать в регулирующих клапанах, насосах, винтах и рабочих колесах. Неинерционная кавитация – это процесс, при котором пузырек в жидкости вынужден колебаться в размере или форме под воздействием какого-либо источника энергии, например, акустического поля. Газ внутри пузырька может содержать примесь газа, отличного от паровой фазы жидкости. Такая кавитация часто используется в ультразвуковых ваннах для очистки и может наблюдаться в насосах, винтах и т.д. Поскольку ударные волны, возникающие при схлопывании пустот, достаточно сильны, чтобы нанести значительный ущерб деталям, кавитация обычно является нежелательным явлением в машинах (хотя она может быть полезной при преднамеренном использовании, например, для стерилизации загрязненных хирургических инструментов, разложения загрязняющих веществ в системах очистки воды, эмульгирования тканей при хирургии катаракты или литотрипсии камней в почках, или гомогенизации жидкостей). Кавитация часто предотвращается при проектировании машин, таких как турбины или винты, и устранение кавитации является важной областью исследований в гидродинамике. Однако в некоторых случаях она может быть полезной и не вызывать повреждений, когда пузырьки схлопываются вдали от оборудования, например, при суперкавитации.
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.
Инерциальная кавитация
Инерциальная кавитация была впервые обнаружена в конце XIX века при рассмотрении схлопывания сферической полости в жидкости. Когда объем жидкости подвергается достаточно низкому давлению, он может разрушиться и образовать кавитацию. Это явление называется началом кавитации и может возникать за лопастью быстро вращающегося винта или на любой поверхности, вибрирующей в жидкости с достаточной амплитудой и ускорением. Быстрое течение реки может вызывать кавитацию на поверхности скал, особенно в местах перепада высоты, например, у водопадов. Парообразные газы испаряются в полость из окружающей среды; таким образом, полость вовсе не является вакуумом, а скорее пузырем паров (газов) низкого давления. Как только условия, вызвавшие образование пузыря, исчезают, например, когда пузырь перемещается по течению, окружающая жидкость начинает сжиматься из-за более высокого давления, накапливая импульс при движении внутрь. Когда пузырь окончательно схлопывается, внутренняя импульсная сила окружающей жидкости вызывает резкое увеличение давления и температуры пара внутри. Пузырь в конечном итоге схлопывается до ничтожно малой доли своего первоначального размера, после чего газ внутри рассеивается в окружающую жидкость посредством довольно бурного механизма, высвобождающего значительное количество энергии в виде акустической ударной волны и видимого света. В момент полного схлопывания температура пара внутри пузыря может достигать нескольких тысяч Кельвинов, а давление – нескольких сотен атмосфер. Физический процесс начала кавитации аналогичен кипению. Основное различие между ними заключается в термодинамических путях, предшествующих образованию пара. Кипение происходит, когда локальная температура жидкости достигает температуры насыщения, и дополнительное тепло подводится для обеспечения достаточного фазового перехода жидкости в газ. Начало кавитации происходит, когда локальное давление достаточно снижается ниже давления насыщенного пара, величина которого определяется прочностью жидкости на разрыв при определенной температуре. Для начала кавитации кавитационным "пузырькам" обычно требуется поверхность, на которой они могут зарождаться. Эту поверхность могут обеспечивать стенки сосуда, примеси в жидкости или небольшие нерастворенные микропузырьки внутри жидкости. Общепринято, что гидрофобные поверхности стабилизируют мелкие пузырьки. Эти уже существующие пузырьки начинают неконтролируемо расти при воздействии давления ниже порогового давления, называемого порогом Блейка. Наличие несжимаемого ядра внутри кавитационного зародыша существенно снижает порог кавитации ниже порога Блейка. Давление пара в данном контексте отличается от метеорологического определения давления пара, которое описывает парциальное давление воды в атмосфере при значении менее 100% насыщения. Давление пара, относящееся к кавитации, относится к давлению пара в условиях равновесия и, следовательно, может быть более точно определено как равновесное (или насыщенное) давление пара. Неинерциальная кавитация – это процесс, при котором небольшие пузырьки в жидкости вынуждены колебаться в присутствии акустического поля, когда интенсивность акустического поля недостаточна для полного схлопывания пузырька. Эта форма кавитации вызывает значительно меньшую эрозию, чем инерциальная кавитация, и часто используется для очистки деликатных материалов, таких как кремниевые пластины. Другие способы создания кавитационных полостей включают локальную концентрацию энергии, например, интенсивный сфокусированный лазерный импульс (оптическая кавитация) или электрический разряд в искре. Эти методы использовались для изучения эволюции пузыря, который фактически создается путем локального кипения жидкости с локальным повышением температуры.
Гидродинамическая кавитация
Гидродинамическая кавитация – это процесс парообразования, образования пузырьков и схлопывания пузырьков, возникающий в движущейся жидкости в результате уменьшения и последующего увеличения локального давления. Кавитация возникает только в том случае, если локальное давление падает до некоторой точки ниже давления насыщенного пара жидкости и затем восстанавливается выше давления пара. Если давление восстановления не превышает давление пара, то говорят о флэшинге. В трубопроводных системах кавитация обычно возникает либо из-за увеличения кинетической энергии (в месте сужения потока), либо из-за увеличения высоты трубопровода. Гидродинамическая кавитация может быть создана путем пропуска жидкости через суженный канал с определенной скоростью потока или механическим вращением объекта в жидкости. В случае суженного канала и, исходя из специфической (или уникальной) геометрии системы, сочетание давления и кинетической энергии может создать гидродинамическую кавитационную полость ниже по потоку от местного сужения, генерируя высокоэнергетические кавитационные пузырьки. Основываясь на термодинамической диаграмме фазовых переходов, повышение температуры может инициировать известный механизм фазового перехода, известный как кипение. Однако, снижение статического давления также может способствовать переходу по многофазной диаграмме и инициировать другой механизм фазового перехода, известный как кавитация. С другой стороны, локальное увеличение скорости потока может привести к падению статического давления до критической точки, в которой может быть инициирована кавитация (в соответствии с принципом Бернулли). Критическая точка давления – это давление насыщенного пара. В замкнутой гидродинамической системе, где не обнаружено утечек потока, уменьшение площади поперечного сечения приведет к увеличению скорости и, следовательно, к падению статического давления. Это принцип работы многих гидродинамических реакторов на основе кавитации для различных применений, таких как очистка воды, сбор энергии, интенсификация теплопередачи, переработка пищевых продуктов и т.д. В процессе развития кавитационного потока наблюдаются различные режимы: зарождение, развитый поток, суперкавитация и критический режим. Зарождение – это момент, когда в системе появляется вторая фаза (газовая фаза). Это самый слабый кавитационный поток, регистрируемый в системе, соответствующий наибольшему числу кавитации. Когда полости растут и увеличиваются в размере в отверстиях или вентури, регистрируется развитый поток. Наиболее интенсивный кавитационный поток известен как суперкавитация, при которой теоретически вся площадь сопла отверстия заполнена газовыми пузырьками. Этот режим потока соответствует наименьшему числу кавитации в системе. После суперкавитации система не способна пропускать больший поток. Следовательно, скорость не изменяется при увеличении давления. Это приведет к увеличению числа кавитации, что указывает на наступление критического режима. Процесс образования пузырьков, а также последующий рост и схлопывание кавитационных пузырьков приводят к очень высокой плотности энергии, очень высокой локальной температуре и локальному давлению на поверхности пузырьков за очень короткое время. В то же время, общая жидкая среда остается в условиях окружающей среды. Неконтролируемая кавитация разрушительна; однако, контролируя поток кавитации, можно использовать ее энергию в неразрушающем режиме. Контролируемая кавитация может использоваться для интенсификации химических реакций или инициирования неожиданных реакций, поскольку в процессе генерируются свободные радикалы в результате диссоциации паров, захваченных в кавитационных пузырьках. Отверстия и вентури широко используются для создания кавитации. Вентури имеет присущее преимущество перед отверстием благодаря своим плавным сходящимся и расходящимся сечениям, что позволяет генерировать более высокую скорость потока в горле при заданном перепаде давления. С другой стороны, отверстие имеет преимущество в том, что оно может вместить большее количество отверстий (больший периметр отверстий) в заданной площади поперечного сечения трубы. Феномен кавитации можно контролировать для повышения эффективности высокоскоростных морских судов и снарядов, а также в технологиях обработки материалов, медицине и т.д. Контроль кавитационных потоков в жидкостях может быть достигнут только путем развития математической основы процессов кавитации. Эти процессы проявляются по-разному, наиболее распространенными и перспективными для контроля являются пузырьковая кавитация и суперкавитация. Первое точное классическое решение, вероятно, следует отнести к известному решению Германа фон Гельмгольца в 1868 году. Первые значительные академические исследования теории кавитационного потока со свободными границами и суперкавитации были опубликованы в книге «Jets, wakes and cavities», за которой последовала «Theory of jets of ideal fluid». В этих книгах широко использовалась хорошо развитая теория конформных отображений функций комплексной переменной, позволяющая получить большое количество точных решений для плоских задач. Другой подход, сочетающий существующие точные решения с приближенными и эвристическими моделями, был исследован в работе «Hydrodynamics of Flows with Free Boundaries», которая уточнила прикладные расчетные методы, основанные на принципе независимости расширения полости, теории пульсаций и устойчивости вытянутых осесимметричных полостей и т.д., а также в «Dimensionality and similarity methods in the problems of the hydromechanics of vessels». Естественным продолжением этих исследований стала недавно опубликованная работа «The Hydrodynamics of Cavitating Flows» – энциклопедический труд, охватывающий все лучшие достижения в этой области за последние три десятилетия и сочетающий классические методы математических исследований с современными возможностями компьютерных технологий. К ним относятся разработка нелинейных численных методов решения 3D задач кавитации, уточнение известных плоских линейных теорий, разработка асимптотических теорий осесимметричных и почти осесимметричных потоков и т.д. По сравнению с классическими подходами, новая тенденция характеризуется расширением теории на 3D потоки. Она также отражает определенную корреляцию с текущими прикладными работами по гидродинамике сверхкавитирующих тел. Гидродинамическая кавитация также может улучшить некоторые промышленные процессы. Например, кавитированная кукурузная суспензия показывает более высокие выходы этанола по сравнению с некавитированной кукурузной суспензией на предприятиях сухого помола. Она также используется в минерализации биорефракторных соединений, для которых в противном случае потребовались бы чрезвычайно высокие температура и давление, поскольку в процессе генерируются свободные радикалы в результате диссоциации паров, захваченных в кавитационных пузырьках, что приводит либо к интенсификации химической реакции, либо к инициированию реакций, невозможных в обычных условиях.
Акустическая кавитация и ультразвуковая кавитация
Инерционная кавитация может также возникать в присутствии акустического поля. Микроскопические пузырьки газа, обычно присутствующие в жидкости, будут вынуждены колебаться под воздействием приложенного акустического поля. Если акустическая интенсивность достаточно высока, пузырьки сначала увеличатся в размере, а затем быстро схлопнутся. Таким образом, инерционная кавитация может возникать даже при недостаточной разреженности в жидкости для образования полости, подобной полости Рэлея. Начало ультразвуковой кавитации наступит, когда ускорение ультразвукового источника будет достаточным для создания необходимого падения давления. Это падение давления зависит от величины ускорения и размера объема, на который воздействует волна давления. Безразмерное число, предсказывающее ультразвуковую кавитацию, – это число Гарсии Атанса. Ультразвуковые излучатели высокой мощности создают ускорения, достаточно высокие для формирования кавитационной области, которую можно использовать для гомогенизации, диспергирования, деагломерации, эрозии, очистки, измельчения, эмульгирования, экстракции, дезинтеграции и сонохимии.
Химическая инженерия
В промышленности кавитация часто используется для гомогенизации, то есть смешивания и разрушения суспендированных частиц в коллоидных жидких смесях, таких как лакокрасочные материалы или молоко. Многие промышленные смесительные машины основаны на этом принципе. Обычно это достигается за счет конструкции рабочего колеса или путем проталкивания смеси через кольцевое отверстие с узким входным и значительно большим выходным сечениями. В последнем случае резкое падение давления при ускорении жидкости в большем объеме индуцирует кавитацию. Этот процесс можно контролировать с помощью гидравлических устройств, регулирующих размер входного отверстия, что позволяет динамически настраивать его во время работы или модифицировать для различных веществ. Поверхность смесительных клапанов такого типа, о которую ударяются кавитационные пузырьки, вызывая их схлопывание, испытывает колоссальные локальные механические и термические напряжения; поэтому они часто изготавливаются из исключительно прочных и твердых материалов, таких как нержавеющая сталь, стеллит или даже поликристаллический алмаз (PCD). Также разработаны устройства для очистки воды с использованием кавитации, в которых экстремальные условия кавитации способны разрушать загрязнители и органические молекулы. Спектральный анализ света, излучаемого в сонохимических реакциях, выявляет химические и плазменные механизмы передачи энергии. Свет, испускаемый кавитационными пузырьками, называется сонолюминесценцией. Успешное применение этой технологии было продемонстрировано при щелочной очистке растительных масел. Гидрофобные химические вещества подтягиваются под воду кавитацией, поскольку разница давлений между пузырьками и жидкой водой заставляет их объединяться. Этот эффект может способствовать сворачиванию белков.
Биомедицинские
Кавитация играет важную роль в разрушении почечных камней при литотрипсии ударными волнами. В настоящее время проводятся исследования, чтобы выяснить, можно ли использовать кавитацию для доставки крупных молекул в биологические клетки (сонопорация). Кавитация, индуцированная азотом, – это метод, используемый в исследованиях для лизиса клеточных мембран с сохранением целостности органелл. Кавитация играет ключевую роль в нетермической, неинвазивной фрагментации тканей для лечения различных заболеваний и может быть использована для открытия гематоэнцефалического барьера с целью увеличения поглощения неврологических препаратов в мозге. Кавитация также играет роль в HIFU – методологии термического неинвазивного лечения рака. В ранах, вызванных высокоскоростным воздействием (например, пулевыми ранениями), также наблюдаются эффекты, обусловленные кавитацией. Точные механизмы травмирования пока не до конца понятны, поскольку присутствуют как временная, так и постоянная кавитация, наряду с разрушением, разрывом и растяжением тканей. Высокая вариабельность плотности внутри организма также затрудняет определение ее влияния. Ультразвук иногда используется для стимуляции формирования костной ткани, например, в послеоперационный период. Предполагается, что звук "щелчка" суставов возникает из-за схлопывания кавитационных пузырьков в синовиальной жидкости. Кавитация также может формировать микро- и нанопузырьки озона, что перспективно для применения в стоматологии.
Уборка
В промышленных применениях очистки кавитация обладает достаточной энергией для преодоления сил адгезии частиц к подложке, отделяя загрязнения. Пороговое давление, необходимое для инициирования кавитации, сильно зависит от ширины импульса и подаваемой мощности. Этот метод основан на создании акустической кавитации в очищающей жидкости, которая захватывает и уносит частицы загрязнений, надеясь предотвратить их повторное прилипание к очищаемому материалу (что возможно, например, при погружении объекта в ультразвуковую ванну). Те же физические силы, которые удаляют загрязнения, потенциально могут повредить очищаемый объект.
Яйца
Кавитация применяется для пастеризации яиц. Ротор с отверстиями создает кавитационные пузырьки, нагревая жидкость изнутри. Поверхности оборудования остаются прохладнее проходящей жидкости, поэтому яйца не сворачиваются, как это происходило на горячих поверхностях старого оборудования. Интенсивность кавитации можно регулировать, что позволяет оптимизировать процесс для минимизации повреждения белка.
Производство растительного масла
Кавитация применяется для дегуммирования и рафинирования растительных масел с 2011 года и считается надежной и стандартной технологией в этой области. Внедрение гидродинамической кавитации в процесс дегуммирования и рафинирования позволяет значительно снизить использование технологических вспомогательных веществ, таких как химические реагенты, вода и отбеливающая глина.
Биодизель
Кавитация применяется в производстве биодизельного топлива с 2011 года и признается надежной и широко используемой технологией в этой области. Использование гидродинамической кавитации в процессе трансэстерификации обеспечивает значительное снижение расхода катализатора, повышение качества продукции и увеличение производственной мощности.
Кавитационные повреждения
Кавитация обычно является нежелательным явлением. В таких устройствах, как пропеллеры и насосы, кавитация вызывает сильный шум, повреждение компонентов, вибрацию и снижение эффективности. Шум, вызванный кавитацией, может быть особенно нежелателен на военных кораблях, поскольку он может облегчить их обнаружение пассивным гидролокатором. Кавитация также стала проблемой в секторе возобновляемой энергетики, так как может возникать на поверхности лопастей турбин приливных потоков. Когда кавитационные пузырьки схлопываются, они с силой вдавливают жидкость в очень малые объемы, создавая локальные области высоких температур и генерируя ударные волны, которые и являются источником шума. Шум, создаваемый кавитацией, представляет особую проблему для военных подводных лодок, поскольку повышает вероятность их обнаружения пассивным гидролокатором. Хотя схлопывание одной небольшой полости – относительно низкоэнергетический процесс, локализованные схлопывания могут со временем приводить к эрозии металлов, таких как сталь. Ямы, образующиеся при схлопывании полостей, вызывают значительный износ компонентов и могут существенно сократить срок службы пропеллера или насоса. После первоначального воздействия кавитации на поверхность, эрозия, как правило, ускоряется. Кавитационные ямы увеличивают турбулентность потока жидкости и создают углубления, служащие центрами зарождения дополнительных кавитационных пузырьков. Кроме того, ямы увеличивают площадь поверхности компонентов и оставляют в материале остаточные напряжения, что делает поверхность более подверженной коррозионному растрескиванию под нагрузкой.
Всасывающая кавитация
Всасывающая кавитация возникает, когда всасывание насоса происходит в условиях низкого давления/высокого вакуума, при которых жидкость превращается в пар в центральной части рабочего колеса насоса. Этот пар переносится на нагнетательную сторону насоса, где он больше не подвергается воздействию вакуума и сжимается обратно в жидкость под действием нагнетательного давления. Это схлопывающееся действие происходит резко и воздействует на поверхность рабочего колеса. Рабочее колесо, работающее в условиях всасывающей кавитации, может потерять большие куски материала с поверхности или очень мелкие частицы, в результате чего оно приобретает губчатую структуру. В обоих случаях это приводит к преждевременному выходу насоса из строя, часто из-за поломки подшипников. Всасывающая кавитация часто определяется по звуку, напоминающему шум гравия или шариков в корпусе насоса. Типичные причины всасывающей кавитации включают забитые фильтры, засорение трубопроводов на стороне всасывания, неправильный дизайн трубопроводной системы, работу насоса в крайней правой точке характеристики насоса или несоблюдение требований к NPSH (чистому положительному напору на всасывании). В автомобильных применениях забитый фильтр в гидравлической системе (гидроусилитель руля, вакуумный усилитель тормозов) может вызвать всасывающую кавитацию, создавая шум, который нарастает и спадает в такт с оборотами двигателя. Обычно это высокий свист, похожий на звук не совсем правильно зацепляющихся нейлоновых шестерен.
Кавитация сброса
Кавитация на выходе возникает при чрезмерно высоком давлении на выходе насоса, что обычно наблюдается в насосах, работающих менее чем на 10% от точки наивысшего КПД. Высокое давление на выходе приводит к тому, что большая часть жидкости циркулирует внутри насоса, а не выходит наружу. При протекании жидкости вокруг рабочего колеса она должна проходить через небольшой зазор между рабочим колесом и корпусом насоса на очень высокой скорости. Эта скорость потока создает разрежение в стенке корпуса (подобно тому, что происходит в трубе Вентури), которое превращает жидкость в пар. Насос, работающий в таких условиях, демонстрирует преждевременный износ кончиков лопастей рабочего колеса и корпуса насоса. Кроме того, из-за высокого давления можно ожидать преждевременного выхода из строя механического уплотнения и подшипников насоса. В экстремальных условиях это может привести к поломке вала рабочего колеса. Считается, что кавитация на выходе в синовиальной жидкости является причиной щелкающего звука, возникающего при трещине суставов, например, при намеренном хрусте пальцами.
Регулирующие клапаны
Кавитация может возникать в регулирующих клапанах. Если фактическое перепад давления через клапан, определяемый давлением на входе и выходе системы, превышает значения, полученные при расчете клапана, может произойти кавитация или мгновенное парообразование (флэшинг). Переход из жидкого состояния в парообразное происходит из-за увеличения скорости потока в области или сразу за наибольшим сужением потока, которым обычно является проход клапана. Для поддержания устойчивого потока жидкости через клапан скорость потока должна быть максимальной в вене контракта – точке с наименьшей площадью поперечного сечения. Это увеличение скорости потока сопровождается значительным снижением давления жидкости, которое частично восстанавливается ниже по потоку при увеличении площади и уменьшении скорости. Однако это восстановление давления никогда не достигает уровня давления на входе. Если давление в вене контракта падает ниже давления насыщенного пара жидкости, в потоке начнут образовываться пузырьки. Если давление после клапана восстанавливается до значения, превышающего давление насыщенного пара, то пузырьки пара схлопнутся, и возникнет кавитация.
Сбросы
Когда вода перетекает через водосброс плотины, неровности на его поверхности вызывают локальные области отрыва потока при высокой скорости течения, и в этих областях давление понижается. Если скорости потока достаточно высоки, давление может упасть ниже местного давления насыщенного пара воды, и образуются паровые пузырьки. Когда эти пузырьки уносятся вниз по течению в область высокого давления, они схлопываются, вызывая резкое повышение давления и возможное кавитационное повреждение. Экспериментальные исследования показывают, что повреждение бетонных водосбросных каналов и туннелей может начинаться при скоростях потока чистой воды от , и до скоростей потока , возможно защитить поверхность, оптимизируя форму границ, улучшая качество поверхности или используя износостойкие материалы. Когда в воде присутствует некоторое количество воздуха, образующаяся смесь становится сжимаемой, что снижает пиковые давления, возникающие при схлопывании пузырьков. Если скорости потока вблизи подошвы водосброса достаточно высоки, необходимо устанавливать аэраторы (или устройства аэрации) для предотвращения кавитации. Хотя они используются уже несколько лет, механизмы захвата воздуха аэраторами и медленное удаление воздуха от поверхности водосброса остаются сложной задачей. Конструкция устройства аэрации водосброса основана на небольшом отклонении дна (или боковой стенки) водосброса, например, в виде наклонной плоскости и смещения, для отвода высокоскоростного потока от поверхности водосброса. В образовавшейся полости под струей создается локальное разрежение, которое засасывает воздух в поток. Полная конструкция включает в себя отклоняющее устройство (наклонная плоскость, смещение) и систему подачи воздуха.
Двигатели
Некоторые крупные дизельные двигатели подвержены кавитации из-за высокого сжатия и недостаточной толщины стенок цилиндров. Вибрации стенок цилиндров вызывают чередование низкого и высокого давления в охлаждающей жидкости, воздействующей на стенки цилиндров. Это приводит к образованию ямок на стенках цилиндров, что в конечном итоге может привести к утечке охлаждающей жидкости в цилиндр и просачиванию отработанных газов в систему охлаждения. Предотвратить это можно, используя химические присадки в охлаждающую жидкость, которые формируют защитный слой на стенках цилиндров. Этот слой подвергается воздействию той же кавитации, но способен к самовосстановлению. Кроме того, регулируемое избыточное давление в системе охлаждения (регулируемое и поддерживаемое давлением пружины крышки расширительного бачка) предотвращает образование кавитации. Начиная примерно с 1980-х годов, явления кавитации стали наблюдаться и в новых конструкциях более компактных бензиновых двигателей. Одним из ответов на потребность в уменьшении размеров и веса двигателей стало снижение объема охлаждающей жидкости и, соответственно, увеличение скорости ее потока. Это привело к резким изменениям скорости потока и, следовательно, к быстрым колебаниям статического давления в зонах интенсивного теплообмена. При схлопывании образующихся паровых пузырьков на поверхности они сначала разрушают защитные оксидные пленки (на литых алюминиевых деталях), а затем многократно повреждают вновь образовавшуюся поверхность, снижая эффективность некоторых типов ингибиторов коррозии (например, силикатных). Дополнительной проблемой стало влияние повышенной температуры материала на относительную электрохимическую активность основного металла и его легирующих элементов. В результате образовывались глубокие ямы, способные проникать в головку блока цилиндров за несколько часов при работе двигателя под высокой нагрузкой и на высоких оборотах. Эти эффекты можно в значительной степени избежать, используя органические ингибиторы коррозии или (предпочтительно) проектируя головку блока цилиндров таким образом, чтобы исключить условия, способствующие возникновению кавитации.
Геология
Некоторые гипотезы, касающиеся образования алмазов, предполагают возможную роль кавитации – а именно, кавитации в кимберлитовых трубках, обеспечивающей экстремальное давление, необходимое для превращения чистого углерода в редкую аллотропную модификацию, которой является алмаз. Три самых громких звука, когда-либо зарегистрированных во время извержения Кракатау в 1883 году, теперь объясняются как взрывы трех огромных кавитационных пузырей, каждый больше предыдущего, образовавшихся в жерле вулкана. Поднимающаяся магма, насыщенная растворенными газами и находящаяся под колоссальным давлением, встретила другую магму, которая легко сжималась, что позволило пузырям расти и сливаться.
Сосудистые растения
Кавитация может происходить в ксилеме сосудистых растений.
Рассеивание споры в растениях
Кавитация играет роль в механизмах распространения спор у некоторых растений. У папоротников, например, спорангий папоротника действует как катапульта, выбрасывающая споры в воздух. Фаза зарядки катапульты обусловлена испарением воды из клеток кольца, что приводит к снижению давления. Когда компрессионное давление достигает примерно 9 МПа, происходит кавитация. Это быстрое явление запускает распространение спор за счет высвобождаемой упругой энергии структуры кольца. Начальное ускорение спор чрезвычайно велико – до 10 ускорений свободного падения.
Морская жизнь
Как и на быстро вращающемся винте лодки, пузырьки кавитации могут образовываться на хвостах и плавниках водных животных. Это происходит главным образом вблизи поверхности океана, где давление окружающей воды низкое. Кавитация может ограничивать максимальную скорость плавания мощных животных, таких как дельфины и тунцы. Дельфинам, возможно, приходится снижать скорость из-за болезненного схлопывания кавитационных пузырьков на их хвосте. У тунцов костные плавники, лишенные нервных окончаний, поэтому они не чувствуют боли от кавитации. Их скорость снижается, когда кавитационные пузырьки образуют паровой слой вокруг плавников. У тунцов были обнаружены повреждения, соответствующие повреждениям, вызванным кавитацией. Некоторые морские животные научились использовать кавитацию в своих интересах при охоте. Креветка-щелкунчик создает кавитацию щелкающим специализированным клешнем, что может убивать мелкую рыбу. Богомол-смашер также использует кавитацию, чтобы оглушать, разбивать или убивать моллюсков, которыми питается. Акулы-трешеры используют "удары хвостом", чтобы ослабить мелкую добычу, и наблюдалось образование пузырьков кавитации, поднимающихся из верхней точки хвостовой дуги.
Эрозия побережья
За последние пять лет береговая эрозия, вызванная инерционной кавитацией, получила широкое признание. Пузырьки во входящей волне проникают в трещины разрушаемого обрыва. Переменное давление приводит к декомпрессии некоторых паровых полостей, которые впоследствии схлопываются. Образующиеся пики давления могут разрушать частицы породы.
История
Еще в 1754 году швейцарский математик Леонард Эйлер (1707–1783) высказал предположение о возможности кавитации. В 1859 году английский математик Уильям Генри Бесант (1828–1917) опубликовал решение проблемы динамики схлопывания сферической полости в жидкости, которая была предложена англо-ирландским математиком Джорджем Стоуксом (1819–1903) в качестве одной из задач и дополнительных упражнений Кембриджского [Университетского] Сената на 1847 год. В 1894 году ирландский специалист по гидродинамике Осборн Рейнольдс (1842–1912) изучал образование и схлопывание пузырьков пара в кипящих жидкостях и в суженных трубах. Термин «кавитация» впервые появился в 1895 году в работе Джона Исаака Торникрофта (1843–1928) и Сиднея Уолкера Барнаби (1855–1925) – сына сэра Натаниэля Барнаби (1829–1915), который был главным конструктором Королевского флота, – которому эту идею предложил британский инженер Роберт Эдмунд Фруде (1846–1924), третий сын английского гидродинамика Уильяма Фруда (1810–1879). Ранние экспериментальные исследования кавитации были проведены в 1894 году Торникрофтом и Барнаби, а также англо-ирландским инженером Чарльзом Альджерноном Парсонсом (1854–1931), который построил стробоскопический аппарат для изучения этого явления. Торникрофт и Барнаби были первыми исследователями, наблюдавшими кавитацию на обратной стороне лопастей винта. В 1917 году британский физик лорд Рэлей (1842–1919) расширил работу Бесанта, опубликовав математическую модель кавитации в несжимаемой жидкости (не учитывая поверхностное натяжение и вязкость), в которой он также определил давление в жидкости. Математические модели кавитации, разработанные британским инженером Стэнли Смитом Куком (1875–1952) и лордом Рэлеем, показали, что схлопывающиеся пузырьки пара могут создавать очень высокое давление, способное вызывать повреждения, наблюдавшиеся на судовых пропеллерах. Экспериментальные доказательства того, что кавитация вызывает такое высокое давление, были впервые получены в 1952 году Марком Харрисоном (специалистом по гидродинамике и акустике в Модельном бассейне Дэвида Тейлора ВМС США в Кардероке, штат Мэриленд, США), который использовал акустические методы, а в 1956 году – Вернфридом Гютом (физиком и акустиком Геттингенского университета, Германия), который использовал оптическую интерферометрию Шлирена. В 1944 году советские ученые Марк Иосифович Корнфельд (1908–1993) и Л. Суворов из Ленинградского физико-технического института (ныне: Иоффевский физико-технический институт Российской академии наук, Санкт-Петербург, Россия) предположили, что во время кавитации пузырьки вблизи твердой поверхности не схлопываются симметрично; вместо этого на пузырьке образуется углубление в точке, противоположной твердой поверхности, и это углубление превращается в струю жидкости. Эта струя жидкости повреждает твердую поверхность. Эта гипотеза была подтверждена в 1951 году теоретическими исследованиями Мориса Рэттрея-младшего, аспиранта Калифорнийского технологического института. Гипотеза Корнфельда и Суворова была подтверждена экспериментально в 1961 году Чарльзом Ф. Наду и Альбертом Т. Эллисом, специалистами по гидродинамике в Калифорнийском технологическом институте. Серия экспериментальных исследований распространения сильной ударной волны (СУВ) в жидкости с газовыми пузырями, позволившая установить основные законы, управляющие процессом, механизм преобразования энергии СУВ, затухание СУВ и формирование структуры, а также эксперименты по анализу затухания волн в пузырьковых экранах с различными акустическими свойствами, была начата пионерскими работами советского ученого профессора В. Ф. Минина в Институте гидродинамики (Новосибирск, Россия) в 1957–1960 годах, который также исследовал первую удобную модель экрана – последовательность чередующихся плоских одномерных слоев газа и жидкости. В экспериментальных исследованиях динамики формы пульсирующих газообразных полостей и взаимодействия СУВ с пузырьковыми облаками в 1957–1960 годах В. Ф. Минин обнаружил, что под действием СУВ пузырька происходит асимметричное схлопывание с образованием кумулятивной струи, которая формируется в процессе схлопывания и вызывает фрагментацию пузырька.