На головну

кавітація

  1.  кавітації
  2.  Поняття про гідравлічних опорах, види втрат напори (місцеві і по довжині). кавітація

У деяких випадках при русі рідини в закритих руслах відбуваються явища, пов'язані зі зміною агрегатного стану рідини, т. Е. З перетворенням її в пар, а також з виділенням з рідини розчинених у ній газів. Наприклад, при перебігу рідини через місцеве звуження труби збільшується швидкість і падає тиск. Якщо абсолютний тиск при цьому досягає значення, рівного тиску насичених парів цієї рідини при даній температурі, або тиску, при якому починається виділення з неї розчинених газів, то в даному місці потоку починається інтенсивне пароутворення (кипіння) і виділення газів.

Мал. 5.3. Схема трубки для демонстрації кавітації

У розширюється частини швидкість потоку зменшується, а тиск зростає, і виділення парів і газів припиняється; виділилися пари конденсуються, а гази поступово знову розчиняються.

Це місцеве нарущенія сплошности течії з утворенням парових і газових бульбашок (каверн), обумовлене місцевим падінням тиску в потоці, називається кавитацией.

Наочно це явище можна продемонструвати, на простому пристрої (рис. 5.3). Вода або інша рідина під тиском в кілька атмосферподводітся до регулювального крану (вентиля) А і далі протекаетчерез прозору трубку Вентурі, яка спочатку плавносужает потік, потім ще більш плавно розширює і через кран Б виводить в атмосферу.

При невеликому відкритті регулювального крана і, отже, при малих значеннях витрати і швидкості рідини падіння тиску в вузькому місці трубки незначно, потік цілком прозорий, і кавітація відсутня. При поступовому відкритті крана відбувається збільшення швидкості, рідини в трубці і падіння абсолютного тиску.

При деякому значенні цього тиску, яке можна вважати рівним тиску насичених парів (  ), У вузькому місці трубки з'являється чітко видима зона кавітації, що представляє собою область місцевого кипіння рідини і подальшої конденсації пари. Розміри зони кавітації зростають у міру подальшого відкриття крана, т. Е. При збільшенні тиску в перерізі 1-1, A отже, і витрати. Однак як би при цьому ні зростав витрата, тиск, у вузькому перерізі 2-2 зберігається строго постійним тому, що постійно тиск насичених парів.

Кавітація супроводжується характерним шумом, a при тривалому її впливі також ерозійним руйнуванням металевих стінок. Останнє пояснюється тим, що конденсація бульбашок пари (і стиснення бульбашок газу) відбувається зі значною швидкістю, частинки рідини, що заповнюють порожнину конденсирующегося бульбашки, спрямовуються до його центру і в момент його завершення конденсації (схлопування бульбашки) викликають місцеві удари, т.e. значне підвищення тиску в окремих точках. Матеріал при кавітації руйнується не там, де виділяються бульбашки, а там, де виділяються бульбашки, а там де вони конденсуються.

При виникненні кавітації значно збільшується опір трубопроводів і, отже, зменшується їхня пропускна здатність, тому що каверни зменшують живі перетину потоків, швидкість в яких різко зростає.

Кавітація в звичайних випадках є небажаним явищем, і її не слід допускати в трубопроводах та інших елементах гідросистем. Вона може виникати у всіх місцевих гідравлічних опорах, де потік зазнає місцеве звуження з подальшим розширенням, наприклад в кранах, вентилях, засувках, діафрагмах, жиклерах і ін. В окремих випадках виникнення кавітації можливо також і без розширення потоку слідом за його звуженням а також в трубах постійного перерізу при збільшенні геометричній висоти і гідравлічних втрат.

Кавітація може мати місце в гідромашинах (насосах і гідротурбінах), а так само на лопатях швидко обертаються гребних гвинтів. У цих випадках наслідком кавітації є різке зниження коефіцієнта корисної дії машини і потім поступове руйнування її деталей, що піддаються впливу кавітації.

У гідросистемах кавитация може виникати в трубопроводах низького тиску - у всмоктуючих трубопроводах. У цьому випадку її область поширюється на значну частину всмоктуючого трубопроводу або навіть н. всю його довжину. Потік в трубопроводі при цьому робиться двофазним, що складається з рідкої і парової фаз.

У початковій стадії, паровиделеніе парова фаза може бути у вигляді дрібних бульбашок, приблизно рівномірно розподілених за обсягом рідини, що рухається. При подальшому парогазовиделеніі відбувається укрупнення, бульбашок, які при горизонтальному розташуванні труби рухаються переважно в верхній частині її перетину

Очевидно, що при такій значній парогазової фазі нормальна подача рідини по трубопроводу порушується. Конденсація виділилися парів (часткова або повна) і розчинення газу відбуваються в насосі, де тиск значно підвищується, і в напірному трубопроводі, по якому рідина рухається під високим тиском від насоса до споживача.

Кавітація, обумовлена ??виділенням парів рідини, відбувається по-різному в однокомпонентних (простих) і багатокомпонентних (складних) рідинах. Для однокомпонентної рідини тиск, відповідне початку кавітації, цілком визначається тиском насичених парів, що залежать тільки від температури, і кавітація протікає так, як було описано вище. Багатокомпонентна рідина складається з так званих легких і важких фракцій. Перші мають більшу пружністю парів, ніж другі, тому при кавітації спочатку скипають легкі фракції, а потім важкі. Конденсація ж парів відбувається в зворотному порядку - спочатку випадають важкі фракції, потім - легкі. Парова фаза в багатокомпонентних рідинах утримується довше, і процес кавітації виражений менш різко, ніж в однокомпонентних рідинах.

Для характеристики місцевих гідравлічних опорів щодо кавітації застосовується безрозмірний критерій, званий числом кавітації:

 , (5.77)

де р1 і u1 - Абсолютний тиск і швидкість потоку в перерізі труби перед місцевим опором.

Очевидно, що за своїм змістом число кавітації аналогічно числу Ейлера Еu (див. П. 5.21,), воно використовується як критерій подібності течій з кавітацією. Значення A, при якому в місцевому опорі починається кавітація, називається критичним числом .

число  визначається в основному формою місцевого опору, хоча в деякій мірі на нього може впливати і число Рейнольдса. Для такого простого пристрою, як показана вище трубка Вентурі, значення A наближено можна визначити простим розрахунком. Запишемо рівняння Бернуллі для перетинів; 1-1 и 2 - 2(Див. Рис. 5. 40), вважаючи, що  (Втрата енергії незначна):

.

визначивши звідси р1, Підставимо його в формулу (5.77):

Так як кавітація виникає при  , то

де S1 и S2 - Площі перетинів 1-1 и 2- 2.

Зазвичай прагнуть до того, щоб кавітацію в гідросистемах не допускати. Але іноді це явище може виявитися корисним. Наприклад, воно використовується в кавітаційному регуляторі витрати, принцип дії якого показаний на схемі, наведеній на рис. 5.40. Припустимо, що тиск в перерізі 1 (  ) Є постійним (ступінь відкриття крана А незмінна), а тиск в перерізі 3-3 (  ) Поступово зменшуємо, збільшуючи ступінь відкриття крана Б. В результаті витрата через трубку збільшується, а тиск р2 у вузькому перерізі 2-2 зменшується.

Так буде відбуватися до тих пір, поки тиск  не стане рівним значенню  , При якому в перерізі 2-2 виникне кавитация. При подальшому збільшенні ступеня відкриття крана Б область кавітації у вузькому місці трубки буде збільшуватися, а тиск  залишатиметься рівним  . Витрата при цьому буде зберігатися практично постійним, незважаючи на падіння тиску р3.

Таким чином вдається стабілізувати витрату рідини через регулятор в умовах, коли протитиск р3 змінюється від критичного  , Який відповідав початку кавітації, до нуля. Результати випробувань подібного кавитационного регулятора витрати показують, що точність стабілізації витрати виходить дуже високою (рис. 5.4).

Мал. 5.3. Залежність витрати рідини через кавитационную трубку від тисків на вході і виході

З графіків, зображених на рис. 5.4, ??можна зробити два висновки. По-перше, вони наочно показують перевагу використання безрозмірних величин в порівнянні з розмірними: кілька кривих на рис. 5.43, а замінюються єдиної кривої на рис. 5.4, б. По-друге, критерій  так само, як і A, можна вважати критерієм кавітації. Дійсно, так як зазвичай  , У формулі (5.77) можна прийняти  , А знаменник замінити пропорційною йому величиною ,

яка при  являє собою втрату тиску між перетинами 1-1 и 3-3 (Див. Рис. 5.40). Тоді отримаємо число кавітації A ', пропорційне A:

В деяких випадках критерій  виявляється зручніше, ніж A онбудетіспользован далі.

 



 Режими течії рідини в трубах |  Загальні відомості

 Циркуляційний рух. |  Додавання потенційних потоків |  Потенціал швидкості даного складного руху |  РУХ РІДИНИ зі змінною витратою |  З цією метою скористаємося рівнянням імпульсів |  перший доданок |  Про ВТРАТИ НАПОРУ |  Тоді для одного потоку (наприклад, основного) втрачений напір |  РУХ РІДИНИ зі змінною витратою У ТРУБОПРОВОДІ ПОСТІЙНОГО ДІАМЕТРУ |  Основи гідродинамічної подібності |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати