Понятие кавитации

Кавитация - это разрыв жидкости при создании в ней отрицательных давлений. В отличие от газа жидкость, так же как и твердое тело, можно растягивать, и при определенном напряжении жидкость должна разрываться, образуя полости, в которые достаточно быстро проникают пары жидкости и растворенные в ней газы. Прочность жидкостей к растягивающим напряжениям должна быть весьма велика. Например, для образования в воде полости с радиусом порядка кинетического радиуса молекулы воды (~10х см) теоретически необходимо создать отрицательное давление порядка 2о/г ~ 1,5-109 Па. По теории Зельдовича [140], спонтанное образование тепловых флуктуаций в однородной жидкости приводит к разрыву жидкой фазы в «слабых» точках, и при этом прочность на разрыв уменьшается не менее чем на порядок, но сравнению с предельной прочностью. Однако многочисленные эксперименты показали, что прочность реальных жидкостей на разрыв не на один, а на 3-4 порядка ниже теоретического значения: в определенных условиях акустическая кавитация возникала уже при амплитудах звукового давления до 10 кПа, и лишь для специально подготовленных образцов воды достигнута кавитационная прочность 27,5 МПа [141].

Подобно тому, как прочность твердых тел на разрыв значительно понижается вследствие присутствия в них микронеоднородностей, нарушений кристаллической решетки, дислокаций и г.д., относительно малую прочность реальных жидкостей к растягивающим нагрузкам также связывают с присутствием в них различных неоднородностей, нарушающих сплошность среды, главным образом микроскопических пузырьков, которые являются зародышами кавитации. Другой тип кавитационных зародышей - микроскопические твердые частицы, в большом количестве присутствующие в жидкости и содержащие адсорбированные газы.

Для возникновения кавитации обычно бывает достаточно присутствия хотя бы одного микрозародыша в исследуемом объеме. Кавитационная прочность жидкостей зависит от способа приготовления образца, природы растворенных веществ, концентрации растворенного газа, объема жидкости и т.д. Подвергая исследуемую жидкость высоким статическим давлениям, можно получить более однородные образцы вследствие растворения части присутствующих в них микроиузырьков.

Исследователи сталкиваются с парадоксом: при возникновении кавитации практически не осуществляется разрыв жидкости. Чаще всего происходит рост уже имеющихся в жидкости пузырьковых зародышей и резко возрастает поверхность раздела между жидкостью и кавитационными пузырьками. Уже при небольших интенсивностях в жидкости образуются многочисленные пульсирующие пузырьки, движение которых обусловливает большинство физикохимических и химических эффектов. Эти пузырьки, не образовавшиеся при разрыве жидкости, гем не менее обычно называются кавитационными.

Таким образом, первоначальное определение кавитации практически не отражает физическую сущность явления, наблюдаемого в большинстве экспериментов. Для преодоления этого затруднения Г. Флин [138] предложил называть кавитацией совокупность явлений, характеризующихся движением пузырьков в звуковом иоле, вызывающим такие эффекты, как химические реакции, эрозия, сонолюминесценция и излучение звука. Хотя эго определение основано на изучении ряда эффектов, которые осуществляются независимо друг от друга и возникают при различных условиях, в разные моменты времени и т.д., оно больше отражает реальные процессы, чем рассуждения о разрыве однородной жидкости.

В отличие от движения обычных пузырьков, которые могут либо спонтанно образовываться (кипение, протекание химической реакции с выделением таза), либо искусственно барботировагься в жидкость, для кавитационных пузырьков должна существовать фаза, и когда давление внутри них становится выше, чем давление в жидкости, они расширяются. Если в жидкости создаются акустические колебания, то и упомянутые выше обычные равновесные пузырьки с размером порядка резонансного могут пульсировать синфазно с нолем и становиться кавитационными пузырьками, участвующими в осуществлении физико-химических и химических процессов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >