Кавитация. Характеристики и схемы потоков жидкости.
Кавитация
Рис. 1.40. Схема трубки для демонстрации кавитации
В некоторых случаях при движении жидкости в закрытых руслах происходят явления, связанные с изменением агрегатного состояния жидкости, т. е. с превращением ее в пар, а также с выделением из жидкости растворенных в пей газов. Например, при течении жидкости через местное сужение трубы увеличивается скорость и падает давление. Если абсолютное давление при этом достигает значения, равного давлению насыщенных паров этой жидкости при данной температуре, или давлению, при котором начинается выделение из нее растворенных газов, то в данном месте потока начинается интенсивное парообразование (кипение) и выделение газов. В расширяющейся части скорость потока уменьшается, а давление возрастает, и выделение паров и газов прекращается; выделившиеся пары конденсируются, а газы постепенно вновь растворяются. Это местное нарушение сплошности течения с образованием паровых и газовых пузырей (каверн), обусловленное местным падением давления в потоке, называется кавитацией. Наглядно это явление можно продемонстрировать на простом устройстве (рис. 1.40). Вода или иная жидкость под давлением в несколько атмосфер подводится к регулировочному крану (вентилю) А и далее протекает через прозрачную трубку Вентури, которая сначала плавно сужает поток, затем еще более плавно расширяет и через кран Б выводит в атмосферу. При небольшом открытии регулировочного крана и, следовательно, при малых значениях расхода и скорости жидкости падение давления в узком месте трубки незначительно, поток вполне прозрачен, и кавитация отсутствует. При постепенном открытии крана происходит увеличение скорости жидкости в трубке и падение абсолютного давления. При некотором значении этого давления, которое можно считать равным давлению насыщенных паров (раосг — Рп.п), в узком месте трубки появляется отчетливо видимая зона кавитации, представляющая собой область местного кипения жидкости и последующей конденсации паров. Размеры зоны кавитации возрастают по мере дальнейшего открытия крана, т. е. при увеличении давления в сечении 1—1, а следовательно, и расхода. Однако как бы при этом ни возрастал расход, давление в узком сечении 2—2 сохраняется строго постоянным потому, что постоянно давление насыщенных паров. Кавитация сопровождается характерным шумом, а при длительном ее воздействии также эрозионным разрушением металлических стенок. Последнее объясняется тем, что конденсация пузырьков пара (и сжатие пузырьков газа) происходит со значительной скоростью, частицы жидкости, заполняющие полость конденсирующегося пузырька, устремляются к его центру и в момент завершения конденсации (схлопывания пузырька) вызывают местные удары, т. е. значительное повышение давления в отдельных точках. Материал при кавитации разрушается не там, где выделяются пузырьки, а там, где они конденсируются. При возникновении кавитации значительно увеличивается сопротивление трубопроводов и, следовательно, уменьшается их пропускная способность, потому что каверны уменьшают живые сечения потоков, скорость в которых резко возрастает. Кавитация в обычных случаях является нежелательным явлением, и ее не следует допускать в трубопроводах и других элементах гидросистем. Она может возникать во всех местных гидравлических сопротивлениях, где поток претерпевает местное сужение с последующим расширением, например в кранах, вентилях, задвижках, диафрагмах, жиклерах и др. В отдельных случаях возникновение кавитации возможно также и без расширения потока вслед за его сужением, а также в трубах постоянного сечения при увеличении геометрической высоты и гидравлических потерь. Кавитация может иметь место в гидромашинах (насосах и гидротурбинах), а также на лопастях быстро вращающихся гребных винтов. В этих случаях следствием кавитации является резкое снижение коэффициента полезного действия машины и затем постепенное разрушение ее деталей, подверженных воздействию кавитации. В гидросистемах кавитация может возникать в трубопроводах низкого давления — во всасывающих трубопроводах. В этом случае ее область распространяется на значительную часть всасывающего трубопровода или даже на всю его длину. Поток в трубопроводе при этом делается двухфазным, состоящим из жидкой и паровой фаз. В начальной стадии паровыделения паровая фаза может быть в виде мелких пузырьков, приблизительно равномерно распределенных по объему движущейся жидкости (рис. 1.41, а). При дальнейшем парогазовыделении происходит укрупнение пузырьков, которые при горизонтальном расположении трубы движутся преимущественно в верхней части ее сечения (рис. 1.41, б). Очевидно, что при столь значительной парогазовой фазе нормальная подача жидкости по трубопроводу нарушается. Конденсация выделившихся паров (частичная или полная) и растворение газа происходят в насосе, где давление значительно повышается, и в напорном трубопроводе, по которому жидкость движется под высоким давлением от насоса к потребителю. Кавитация, обусловленная выделением паров жидкости, происходит по-разному в однокомпонентных (простых) и многокомпонентных (сложных) жидкостях. Для однокомпонентной жидкости давление, соответствующее началу кавитации, вполне определяется давлением насыщенных паров, зависящим только от температуры, и кавитация протекает так, как было описано выше. Многокомпонентная жидкость состоит из так называемых легких и тяжелых фракций. Первые обладают большей упругостью паров, чем вторые, поэтому при кавитации сначала вскипают легкие фракции, а затем тяжелые. Конденсация же паров происходит в обратном порядке — сначала выпадают тяжелые фракции, затем — легкие. Паровая фаза в многокомпонентных жидкостях удерживается дольше, и процесс кавитации выражен менее резко, чем в однокомпонентных жидкостях.
Рис. 1.41. Схемы двухфазных потоков
Для характеристики местных гидравлических сопротивлений в отношении кавитации применяется безразмерный критерий, называемый числом кавитации: Очевидно, что по своему смыслу число кавитации аналогично числу Эйлера Ей (см. п. 1.21), оно используется как критерий подобия течений с кавитацией. Значение и, при котором в местном сопротивлении начинается кавитация, называется критическим числом кавитации хкр. Число хкр определяется в основном формой местного сопротивления, хотя в некоторой степени на него может влиять и число Рейнольдса. Для такого простого устройства, как показанная выше трубка Вентури, значение х приближенно можно определить простым расчетом. Запишем уравнение Бернулли для сечений 1—1 и 2—2 (см. рис. 1.40), считая, что а1 = сх2 = 1и£ = 0. Экспериментальные кавитационные характеристики местных гидравлических сопротивлений получают при постоянном расходе и постепенном уменьшении давления, а затем представляют в безразмерном виде £ = / (и). При к < хкр коэффициент потерь £ от и пе зависит, а при и = хкр — резко возрастает. На рис. 1.42 показаны кривые для сопротивлений. Эти кривые справедливы лишь для определенного значения числа Re или для той области чисел Re, где £ от Re не зависит. Обычно стремятся к тому, чтобы кавитацию в гидросистемах, не допускать. Но иногда это явление может оказаться полезным. Например, оно используется в кавитационном регуляторе расхода, принцип действия которого показан на схеме, приведенной на рис. 1.40. Предположим, что давление в сечении 1— (Pi — Рвх) является постоянным (степень открытия крана А неизменная), а давление в сечении 3—3 (р3 = рвых) постепенно уменьшаем, увеличивая степень открытия крана Б. В результате расход через трубку увеличивается, а давление р.2 в узком сечении 2—2 уменьшается. Так будет происходить до тех пор, пока давление р2абс не станет равным значению р„ п, при котором в сечении 2—2 возникнет кавитация. При дальнейшем увеличении степени открытия крана Б область кавитации в узком месте трубки будет увеличиваться, а давление р2авс будет оставаться равным рнп. Расход при этом будет сохраняться практически постоянным, несмотря на падение давления р3. Таким образом удается стабилизировать расход жидкости через регулятор в условиях, когда противодавление р3 изменяется от критического j33Kp, соответствующего началу кавитации, до нуля. Результаты испытаний подобного кавитационного регулятора расхода показывают, что точность стабилизации расхода получается очень высокой (рис. 1.43). Из графиков, изображенных на рис. 1.43, можно сделать два вывода. Во-первых, они наглядно показывают преимущество использования безразмерных величин по сравнению с размерными: несколько кривых на рис. 1.43, а заменяются единой кривой на рис.1.43, б. Во-вторых, критерий рвых/рВ\ = pjpi так же> как и к, можно считать критерием кавитации. Действительно, так как обычно Pi ^ Ра.п< в формуле (1.77) можно принять р„ п = 0, а знаменатель заменить пропорциональной ему величиной £ pv\!2 = рх — р3, Рис. 1.43. Зависимость расхода жидкости через кавитационную трубку от давлении на входе и выходе
которая при vt = v3 = d3) представляет собой потерю давления между сечениями 1—1 и 3—3 (см. рис. 1.40). Тогда получим число кавитации и', пропорциональное и:
