ZJAWISKO KAWITACJI
ZJAWISKO KAWITACJI
1. Kawitacja - definicja i pojęcia ogólne
Zjawisko objaśnione pierwszy raz przez Osborna Reynoldsa w 1894 r. Nazwa wzięta od łacińskiego słowa cavitas – jama,
pustka.
Kawitacja
Kawitacja - zjawisko wywołane zmiennym polem ciśnienia
w cieczy, polega na powstawaniu, wzroście i zaniku
pęcherzyków lub innych obszarów zamkniętych (kawern)
zawierających parę danej cieczy, rozpuszczone w niej gazy lub mieszaninę wodno-parową. Pęcherzyki rosną w obszarze
zmniejszonego ciśnienia poniżej wartości krytycznej, a później gwałtownie zmniejszają się (implozja) w obszarze ciśnienia większego od wartości krytycznej.
Ciśnienie krytyczne
Ciśnienie krytyczne – ciśnienie, przy jakim powstaje kawitacja.
Zależy ono między innymi od
• rodzaju cieczy i jej temperatury,
• zawartości rozpuszczonych i nierozpuszczonych gazów oraz cząstek stałych,
• stanu termodynamicznego cieczy określającego stopień nukleacji (liczby i rodzaju zarodków kawitacyjnych),
• stanu ruchu cieczy,
• sposobu wytwarzania kawitacji. Zarodek kawitacyjny
Zarodek kawitacyjny – mikropęcherzyk gazu, pary lub
Pęcherzyk kawitacyjny
Pęcherzyk kawitacyjny – parowy, gazowy lub parowo-gazowy,
powstaje z zarodka kawitacyjnego wskutek zmniejszenia ciśnienia cieczy do wartości krytycznej. W trakcie trwania kawitacji zmienia się jego wielkość i kształt.
Pulsacja pęcherzyka kawitacyjnego
Pulsacja pęcherzyka kawitacyjnego – cykliczne zmiany wielkości
pęcherzyka.
Implozja pęcherzyka kawitacyjnego
Implozja pęcherzyka kawitacyjnego – nagłe zmniejszenie się
rozmiarów pęcherzyka prowadzące także do jego zaniku. Implozja następuje przy przemieszczeniu się pęcherzyka z obszaru
obniżonego ciśnienia do obszaru podwyższonego ciśnienia. Powoduje to kondensację pary wewnątrz pęcherzyka.
2. Przykłady powstawania kawitacji
Kawitacja powierzchniowa
Kawitacja powierzchniowa - występująca podczas opływu ciał,
takich jak płaty aerodynamiczne, śruby okrętowe, itp.
Kawitacja szczelinowa
Kawitacja szczelinowa – powstająca np. pomiędzy osłoną a
3. Stadia zjawiska kawitacji
Kawitacja początkowa
Kawitacja początkowa - inaczej nazywana pęcherzykowa,
charakteryzuj się powstawaniem pierwszych pęcherzyków
kawitacyjnych w cieczy oraz słabym szumem akustycznym. Nie ma większego wpływu na działanie maszyn przepływowych.
Kawitacja rozwinięta
Kawitacja rozwinięta - widoczny obłok kawitacyjny oraz
głośny szum kawitacyjny. W maszynach przepływowych zmieniają się charakterystyki przepływowe, w konsekwencji zmian wydajności, mocy i sprawności urządzeń.
Kawitacja silnie rozwinięta
Kawitacja silnie rozwinięta - inaczej superkawitacja, powstają
duże obłoki kawitacyjne rozciągające się daleko poza miejsce ich powstania. W miejscu superkawitacji szum kawitacyjny ulega osłabieniu.
4. Model matematyczny oscylacji pęcherzyka kawitacyjnego
Ilość gazu w pęcherzyki pomimo zmiany jego objętości jest stała, ciśnienie w środku pęcherzyka ma wówczas wartość
3 o o i i R p p R
R0 – promień początkowy pęcherzyka,
–ciśnienie początkowe wewnątrz pęcherzyka
– wykładni politropy (dla przemiany adiabatycznej równy 4/3)
o i
p
Natomiast ciśnienie początkowe pęcherzyka przedstawia
2 o i o o p p R
p0 – ciśnienie w cieczy
σ – napięcie powierzchniowe
Przy założeniu, że pęcherzyk jest kulisty z pewnym przybliżeniem pulsacje pęcherzyka parowo-gazowego opisuje równanie
Reyleighta. 1 3 2 2 υ 2 3 1 2ρ ( ) 1 0 2ρ o o i R d R dR R p R p p dt dt R R
Model ten z dosyć dobrym przybliżeniem pokazuje, że odporność wody na kawitację jest bardzo mała, gdy znajdują się w niej
pęcherzyki gazowe. Dodatkowo ze wzrostem temperatury
podatność na kawitację rośnie ze względu na zmniejszania się
napięcia powierzchniowego oraz wzrost pęcherzyków powietrza ze względu na zmniejszającą się rozpuszczalność gazów w wodzie.
5. Implozja pęcherzyka kawitacyjnego
Implozja następuje przy przemieszczeniu się pęcherzyka z obszaru obniżonego ciśnienia do obszaru większego ciśnienia, powodując kondensację pary wodnej wewnątrz pęcherzyka. Z równanie
Reyleigha można obliczyć czas zaniku pęcherzyka
0,91468 o
t R
p
oraz ciśnienie implozji, którego wartość wynosi od kilkuset do kilku tysięcy megapaskali!!
3 imp 3 2 3 1 o o R p c p R
6. Szum kawitacyjny
W czasie zjawiska kawitacji generowane są fale akustyczne o częstotliwości od 0,2 do 3 MHz.
Schemat oscylacji pęcherzyka kawitacyjnego:
1 – promień pęcherzyka, 2 – ciśnienie cieczy na zewnątrz pęcherzyka, 3 – ciśnienie wewnątrz pęcherzyka
Powstawanie i zanik pęcherzyków parowo-gazowych w zwężeniu przewodu
Gazowy zarodek kawitacyjny w postaci pęcherzyka gazu o wymiarze rzędu 10–6 do 0,1 mm w konfuzorowej części zwężki zwiększa się
wskutek spadku ciśnienia. Do jego wnętrza przedostają się gazy rozpuszczone w cieczy wskutek dyfuzji. Gdy w miejscu przewężenia ciśnienie cieczy osiągnie wartość krytyczną, mniejszą lub równą p, następuje szybki wzrost pęcherzyka w wyniku parowania cieczy na jego powierzchni. Po przejściu pęcherzyka parowo-gazowego do obszaru zwiększającego się ciśnienia w części dyfuzorowej następuje kondensacja pary i implozyjne zmniejszenie pęcherzyka. W „puste miejsce” napływa ciecz z ogromną prędkością kilkuset metrów na sekundę, powodując kompresję pozostałych gazów. Silnie sprężony gaz do ciśnienia kilkuset megapaskali ulega ekspansji, powodując eksplozyjny wzrost pęcherzyka. W pewnej fazie eksplozji, w wyniku bezwładności cieczy, następuje spadek ciśnienia i ponowne parowanie cieczy na powierzchni rosnącego pęcherzyka. Zjawisko to (wzrost i zapadanie się pęcherzyka) powtarza się wielokrotnie, nawet kilkaset razy, przesuwając obszar przepływu kawitacyjnego poza obszar zwężki.
Powstawanie i zanik pęcherzyków kawitacyjnych przy opływie profilu
Równanie Reyleighta zakładało kulisty kształt pęcherzyka, w rzeczywistości wskutek oddziaływania różnych czynników, a zwłaszcza ścianek pęcherzyk ulega silnej deformacji.
Przebieg zaniku pęcherzyków kawitacyjnych w pobliżu ścianki na podstawie obliczeń Plesseta i Chapmana
Porównanie wyników obliczeń i eksperymentu przebiegu implozji pęcherzyka kawitacyjnego
7. Kawitacja w płynach nieniutonowskich
Zainteresowanie badaczy kawitacji w cieczach nieniutonowskich wynika z dwóch przesłanek. Pierwszą z nich jest fakt, że w naturze kawitacja występuje także w cieczach o złożonych właściwościach reologicznych, choćby w procesie transportu takich cieczy za pomocą pomp wirowych lub wyporowych.
Drugą przesłanką jest możliwość ograniczania kawitacji w systemach
hydraulicznych za pomocą dodatków substancji zmieniających właściwości reologiczne cieczy.
Wcześniej wykazano, że czynnikiem niezbędnym do powstania kawitacji są zarodki kawitacyjne. Zachodzi podejrzenie, że makromolekuły o strukturze
łańcuchowej, charakterystyczne dla niektórych wielkocząsteczkowych polimerów, mogą wywoływać efekt odwrotny: zwiększać odporność cieczy na rozerwanie, zwłaszcza w obrębie naturalnych zarodków kawitacyjnych. Niektóre badania eksperymentalne obłoku kawitacyjnego, początku kawitacji i uszkodzeń
kawitacyjnych potwierdzają to przypuszczenie.
Dodatki polimerów ograniczają kawitację na śrubach okrętowych, podczas
wypływu przez otwory, a także w maszynach przepływowych. Podobne wnioski wynikają z prac teoretycznych.
Zdjęcia obłoku kawitacyjnego w zwężeniu przewodu: a) bez dodatku polimeru, b) z dodatkiem polimeru
8. Pomiar i analiza widma szumu kawitacyjnego
Jednym ze sposobów wytworzenia kawitacji są fale akustyczne (najczęściej z zakresu ultradźwięków). Kawitacja może się jednak pojawić dopiero po przekroczeniu pewnej wartości progowej
natężenia ultradźwięków, zwanej progiem kawitacji. Wartość progowa natężenia ultradźwięków zależy od rodzaju cieczy, częstotliwości fali oraz obecności w cieczy zanieczyszczeń
i rozpuszczonych pęcherzyków gazu, które stanowią tzw. zarodki kawitacyjne.
Rozróżnia się tzw. kawitację właściwą i pseudokawitację, której próg jest niższy. Pseudokawitacja polega na wydzielaniu się pęcherzyków samego gazu rozpuszczonego w cieczy pod wpływem
nadźwiękawiania. Jest to proces ultradźwiękowego odgazowania, który poprzedza kawitację właściwą
Schemat blokowy układu oraz widok stanowiska do wytwarzania kawitacji metodą ultradźwiękową.
0 20 40 60 80 100 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 dB f, kHz 0,7 W/cm2 2,0 W/cm2 3,4 W/cm2
Charakterystyki widmowe dla wody przy różnych natężeniach ultradźwięków
Zdjęcia obłoku kawitacyjnego w wodzie przy różnych natężeniach ultradźwięków: a – 0,7 W/cm2, b – 2,0 W/cm2, c – 3,4 W/cm2
0 20 40 60 80 100 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 dB f, kHz 0,7 W/cm2 2,0 W/cm2 3,4 W/cm2
Charakterystyki widmowe dla wodnego roztworu poliakryloamidu o stężeniu 0,1% przy różnych natężeniach ultradźwięków
Zdjęcia obłoku kawitacyjnego w 0,1% wodnym roztworze poliakryloamidu dla różnych natężeń ultradźwięków: a – 0,7 W/cm2, b – 2,0 W/cm2, c – 3,4 W/cm2
Wyniki przeprowadzonych badań pozwalają na sformułowanie kilku spostrzeżeń. Wpływ dodatków polimerów na poziom szumu kawitacyjnego maleje wraz z wydłużeniem czasu nadźwiękawiania roztworu. Po 60-minutowym oddziaływaniu fali ultradźwiękowej na roztwór stwierdzono zmniejszenie lepkości roztworów.
Kształty obłoków kawitacyjnych w roztworach polimerów po nadźwiękowieniu są podobne do tych w wodzie, natomiast rozmiary obłoków po nadźwiękowieniu są kilkakrotnie mniejsze od tych w roztworach świeżych.
Największe zmiany w widmie występowały w paśmie do 25 kHz, tak więc może w tym wąskim paśmie należy szukać zależności między poziomem szumu kawitacyjnego a intensywnością zjawiska kawitacji w badanym roztworze.
9. Erozja kawitacyjna
Erozją kawitacyjną nazywane jest zjawisko mechanicznego
niszczenia materiału wskutek implozji pęcherzyków kawitacyjnych w pobliżu lub bezpośrednio na powierzchni ścian i polegające na
powstaniu ubytku materiału. Na przebieg erozji kawitacyjnej wpływa wiele parametrów uwzględniających fizyczne i chemiczne
właściwości cieczy i niszczonego materiału oraz natężenie kawitacji. Skutki kawitacji obserwowano już pod koniec XIX w.w postaci
zniszczonych wirników turbin wodnych i śrub okrętowych.
Początkowo te uszkodzenia przypisywano różnym odmianom korozji. Na podstawie chemicznej teorii erozję kawitacyjną kojarzono z
agresywną korozją, aktywizowaną przez kawitację wskutek wydzielania gazów, podwyższania temperatury itp. Według
elektrochemicznej teorii erozja kawitacyjna wiąże się z jonizacją gazów w czasie implozji pęcherzyków kawitacyjnych W związku z tym na materiał mogą oddziaływać zjawiska chemiczne i elektryczne.
Na podstawie współczesnych badań ustalono trzy zasadnicze powodu powstawania erozji kawitacyjnej:
•emisja fali uderzeniowej wskutek implozji pęcherzyka, •powstawanie bardzo szybkiej mikrostrużki kumulacyjnej skierowanej do ścianki,
•przyciaganie pęcherzyków do ścianki w czasie implozji co prowadzi do zmniejszenia ich odległości od ścianki.
Ze względu na czas trwania erozję kawitacyjną można podzielić na 4 okresy:
Okres 1 – inkubacji – w którym nie występują ubytki materiałów, a materiał akumuluje energię uderzających mikrostrużek. Widoczne są tylko zmiany na powierzchni materiału w postaci zmatowienia,
mikropęknięć występujące na grubości od kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów.
Okres 2 – wzmożonego niszczenia – powstają na powierzchni wżery i ubytki materiału. Powierzchnia materiału staje się
chropowata.
Okres 3 – osłabionego niszczenia - powstałem w okresie 2 głebsze kratery hamują wpływ erozji kawitacyjnej poprzez osłabienie
oddziaływania mikrostrużek.
Okres 4 - prawie ustalonego niszczenia – stała szybkość erozji kawitacyjnej, poprzez ustalenie się kształtu geometrycznego niszczonego materiału.
Wskaźnikiem skutków erozji kawitacyjnej jest ubytek masy do czasu trwania erozji
ms m υ t Δ
10. Metody badania erozji kawitacyjnej
Metody przepływowe – wykorzystujące zwężenie kanału przepływowego
Badana próbka materiału jest umieszczana na końcu strefy
kawitacyjnej, w miejscu największego nasilenia implozji pęcherzyków kawitacyjnych. Program badań przewiduje wykonywanie
5-godzinnych testów (ważenie ubytku materiału) w czasie od 70 do 140 godzin.
Urządzenia z wirującą tarczą
Schemat przyrządu z tarczą wirującą: B – wspornik łożyska, E – silnik elektryczny z regulacją szybkości obrotowej, K – komora pomiarowa, Ł – łopatki uspokajające, P – pokrywa z wziernikiem, S – sprzęgło, T – tarcza wirująca, V – zawór wypływowy, W – wał
Metoda wibracyjna
Metoda wibracyjna wywołania zjawiska kawitacji polega na
wprawieniu w ruch drgający metalowego pręta, na końcu którego jest umieszczona badana próbka, zanurzona w cieczy. Próbka może być wprawiana w ruch drgający metodą magnetostrykcyjną,
elektrostrykcyjną, mechaniczną lub hydromechaniczną. Amplituda drgań wynosi ok. 0,1mm a częstotliwość 10kHz.
Metoda natryskowa
Przyrząd składa się z wirującej tarczy z umieszczonymi na jej
obwodzie próbkami materiału, na które okresowo pada struga cieczy wypływająca z dyszy.
11. Odporność na erozję kawitacyjną wybranych materiałów
Materiał
Ubytek masowy, 2 godziny, mg
Brąz aluminiowy (83%Cu, 10,3%Al, 5,8%Fe) walcowany na gorąco 3,2
Brąz aluminiowy (83%Cu, 12,4%Al, 4,1%Fe) odlewany 5,8
Stal nierdzewna (17%Cr, 7%Ni) napawana w dwóch warstwach 6,0
Stal nierdzewna (17%Cr, 7%Ni) walcowana na gorąco 8,0
Staliwo nierdzewne (18%Cr, 8%Ni) 13,0
Staliwo nierdzewne (12%Cr) 20,0
Brąz manganowy odlewany 80,0
Stal węglowa walcowana 98,0
Staliwo węglowe 105,0
Aluminium 124,0
Mosiądz 156,0
Żeliwo 224,0
Nylon 8,0
Smoła fenolowa na osnowie tkackiej 26,0
12. Skutki erozji kawitacyjnej
Elementy pompy diagonalnej zniszczone przez kawitację: a) wirnik, b) wycinek kadłuba
13. Zastosowanie zjawiska kawitacji
Kawitację wytwarza się w sposób zamierzony w celu efektywniejszego oczyszczania powierzchni materiałów, cięcia materiałów strugą cieczy, intensyfikacji procesów mieszania w celu przyśpieszania reakcji chemicznych lub wytwarzania emulsji, niszczenia biologicznych zanieczyszczeń cieczy, rozdrabniania ciał stałych itp
Wytwarzanie pęcherzyków kawitacyjnych za pomocą promieni laserowych w płynach biologicznych organizmów ludzkich może być wykorzystywane w medycynie.
Implodujące pęcherzyki kawitacyjne wytwarzane za pomocą ultradźwięków, mogą niszczyć niepożądane tkanki oraz rozdrabniać kamienie powstające w narządach ludzkich. W Chinach za pomocą ultradźwięków wspomagano proces wydzielania
komponentów medycznych produkowanych z roślin. Prowadzone są także badania na temat możliwości niszczenia komórek rakowych za pomocą kawitacji wytwarzanej ultradźwiękami. Wykorzystując pewne różnice właściwości komórek wykazali
możliwość niszczenia komórek rakowych. Eksperymenty wykonano na próbkach
poza organizmem, ale dalsze prace mogą doprowadzić do stosowania tej metody także w żywym organizmie
•Kawitacyjna obróbka mechaniczna
Strugi kawitacyjne intensyfikują proces obróbki mechanicznej
strugą cieczy. Do wytwarzania strugi kawitacyjnej konstruowane są odpowiednie dysze. Ciecz opuszczająca dyszę zawiera pęcherzyki kawitacyjne. Proces generowania pęcherzyków kawitacyjnych jest związany z tworzeniem się pierścieni wirowych na powierzchni strugi swobodnej
•Drążenie otworów
Strugą kawitacyjną, wytwarzaną za pomocą wibracyjnej sondy,
można wykonywać otwory lub złożonych kształtów wnęki w trudno obrabialnych materiałach. Podstawowym narzędziem w tym procesie jest wibracyjna sonda jednocześnie podająca ciecz do miejsca
obróbki. Ddysze kawitacyjne o średnicy do = 6,4 mm zasilane są wodą pod ciśnieniem p = 13,8 MPa. Dla różnych minerałów
•Czyszczenie powierzchni materiałów
Do czyszczenia powierzchni materiałów stosowane są ultradźwiękowe generatory kawitacji o częstotliwości 20÷100 kHz. Za pomocą strumienia ultradźwięków w specjalnym zbiorniku lub kanale przepływowym
wytwarzana jest kawitacja. Poddawany obróbce materiał zanurzany jest w kawitującej cieczy. Implodujące na powierzchni materiału pęcherzyki,
wskutek erozyjnego działania, powodują czyszczenie powierzchni. Ponieważ czyszczące mikrostrugi mają bardzo małe rozmiary, to następuje usuwanie z powierzchni bardzo małych zanieczyszczeń znajdujących się
w najmniejszych zagłębieniach materiału. Dzięki temu czyszczenie jest
bardzo dokładne. Z tego względu ultradźwiękowe czyszczenia materiału jest chętnie stosowane w technice cienkich powłok, np. przy produkcji
półprzewodników, pokrywaniu materiałów cienkimi powłokami metalowymi itp.
W USA strugi kawitacyjne są stosowane do czyszczenia dużych powierzchni stalowych, np. burt statków. W Wielkiej Brytanii zastosowano strumienie kawitacyjne do czyszczenia wielkich rurociągów ułożonych na dnie
•Cięcie twardych materiałów
Twarde materiały mogą być przecinane za pomocą strugi
wypływającej z wielką prędkością. Jeśli towarzyszy mu zjawisko kawitacji proces cięcia przebiega w sposób bardziej intensywny. Jednym ze sposobów wytwarzania kawitacji w procesie cięcia
materiału jest wypływ cieczy w postaci krótkich impulsów. Kawitacja będzie też powstawać wskutek zderzania się z przeszkodą strugi
wypływającej z wielką prędkością z dyszy. Struga skierowana na materiał, wskutek implozji olbrzymiej liczby pęcherzyków
kawitacyjnych oraz olbrzymiej energii kinetycznej uderzającej
cieczy, powoduje szybkie cięcie nawet bardzo twardych materiałów. W przypadku najtwardszych materiałów skuteczne cięcie lub
dowolną obróbkę można uzyskać dzięki impulsowemu tworzeniu strugi. Kawitacyjną metodę cięcia stosowano między innymi do obróbki marmuru i granitu.
•Kawitacyjne wytwarzanie emulsji
•Kawitacyjne wytwarzanie rozdrobnionych mieszanin
•Depolimeryzacja - rozrywanie łańcuchów wielkocząsteczkowych polimerów rozpuszczonych w cieczy
•Intensyfikacja procesów chemicznych •Sterylizacja cieczy
15. Sonoluminescencja
Świecący pęcherzyk. a) Przy niskim ciśnieniu pęcherzyk gazowy ekspanduje, b) wejście pęcherzyka w obszar wysokiego ciśnienia fali akustycznej powoduje jego implozję. Gdy temperatura wewnątrz pęcherzyka wzrośnie powyżej 10 000 K, gaz zawarty w pęcherzyku częściowo zostanie zjonizowany tworząc plazmę. c) Rekombinacja elektronów i jonów skutkuje emisją światła.
Sonoluminescencję odkryli we wzbudzonej falami akustycznymi wannie z wodą, H. Frenzel i H. Schultes z Uniwersytetu w Kolonii w 1934 roku.
