Тиск при схлопывании

Тиск при схлопывании

Під час розгляду схлопывания сферичної каверни слід пам'ятати, що досконале сферичне схлопывание є деяку ідеалізацію. Дослідження стійкості показує, що схлопування бульбашки – нестійкий процес, і тому навіть малі відхилення від сферичної симетрії можуть помітно впливати на схлопування. Однак шляхом фотографування процесу схлопування виявлено, що вдалині від меж рідини поодинокі каверни зберігають сферичну форму протягом більшої частини цього процесу [11, 39], а за допомогою голографічного методу підтверджено, що при зхлопуванні таких каверн виникають сферичні ударні хвилі, але встановлено також що несиметрія умов схлопування, наприклад, наявність твердої стінки або градієнтів тиску, призводить до несферичного схлопування [41]. ]

Однак при 1-R/Rq 0,2, де R0 - початковий радіус бульбашки, обурення ще досить малі. Тому теорія малих обурень узгоджується з експериментальними даними, згідно з якими в необмеженій рідині каверна залишається сферичною протягом більшої частини процесу її схлопування. На останній стадії схлопування каверни (RIR0 -0, але при цьому рівняння (21) стає непридатним. Каверну не можна вважати порожньою на кінцевих стадіях схлопування, коли потрібно враховувати, по-перше, теплові ефекти і, по-друге, стисливість рідини. швидкостях руху стінки на кінцевих стадіях схлопывания виділення теплоти конденсації збільшує температуру газопарового вмісту каверни Коли конденсація не може підтримуватися на рівні, відповідному швидкості стінки [51], частина пари стискається разом знеконденсованим газом, що призводить до подальшого нагрівання, і зрештою всередині каверни, що схлопується, виникають дуже високі тиску. ]

Умови такі ж, як на рис. 7. а - тиску при схлопуванні бульбашки; б - тиску при повторному утворенні бульбашки. ]

Зі збільшенням амплітуди зростає перепад тисків у рідині під наконечником, а при зменшенні частоти збільшується тривалість періоду зростання бульбашок. Таким чином, обидва фактори призводять до збільшення розмірів бульбашок і, отже, до більшого тиску схлопування і більших швидкостей ерозії. ]

Дослідження стійкості показує, що в процесі схлопування каверни в необмеженій однорідній рідині збурення-відхилення від сферичної форми посилюються, але необхідно, щоб до початку схлопування обурення існували. У той же час наявність твердої стінки поблизу сферичної каверни або існування в подовжньому рідині градієнта тиску саме по собі викличе асиметрію течії, яка призведе до утворення обурень поверхні. Бенджамін і Елліс [3] дійшли висновку, що кавітаційне руйнування твердої поверхні пов'язане з ударом струменів, що утворюються при несферичному схлопывании одиночних каверн в безпосередній близькості від поверхні, а схлопування сферичної каверни відбуватиметься тільки на досить великих відстанях від твердої поверхні, таких, що просторове згасання ударної хвилі, що утворюється при схлопывании, призведе до зниження максимального тиску рівня, меншого, ніж руйнуючий тиск. Однак спільна дія одночасного схлопування кількох каверн навіть на відносно великих відстанях від твердих поверхонь може все ж виявитися значною як безпосередньо, так і внаслідок їхвпливу на каверни, що знаходяться поблизу твердої поверхні (див. Розд. 4). ]

Кавітаційна ерозія спостерігається поверхні твердих тіл при схлопывании бульбашок, т. е. у сфері високого тиску у системі. При гідродинамічній кавітації це відбувається не в тій ділянці, де утворюються бульбашки, а при вібраційній кавітації положення області руйнування залежить від того, чи супроводжується вібрація перебігом рідини (як, па-приклад, у гідравлічних насосах) чи ні. Отже, область руйнування часто просторово віддалена від області, в якій виникають бульбашки кавітації, і це нерідко призводить до того, що кавітаційну ерозію плутають з іншим процесом (найчастіше з корозією). Докладно різні джерела механічного руйнування описані на чолі Мерча і коротше — нижче. ]

Насправді кавітаційні бульбашки містять пару низького тиску, що конденсується під час охлопування каверни. Тому механіка схлопывания скупчень каверн тісно пов'язані з механікою схлопывания бульбашок газу рідинах, піддаються впливу сильних ударних хвиль, хоча самі бульбашки газу навряд чи є джерелами ударних хвиль, як і має місце при схлопывании кавітаційних пузырьков.[ . ]

Ці результати дають дуже гарне наближення для дійсних часів схлопування, за винятком рідин, що мають дуже велику в'язкість (розд. 3.2.2). Непридатність теорії несжимаемой рідини щодо руху стінки на кінцевої стадії схлопывания майже немає значення для обчислення часу схлопывания, оскільки тривалість цієї кінцевої стадії вкрай мала. Відхилення навколишнього тиску ріс від постійної величини можуть призводити до розходження експериментальних та розрахункових величин; на час схлопування надаєсильний вплив також несферичність схлопывания, хоча навіть у разі відмінності дуже великі (разд. 3.3).[ . ]

Брайтон наводить потім переконливий аргумент на користь застосування теорії схлопування приєднаного до поверхні одиночної бульбашки до пояснення ерозії під дією вібраційної кавітації. На основі фотографічного вивчення розподілу бульбашок, що утворюються у вібраторі з частотою 18 кГц, і спричиненої кавітацією деформації алюмінію та покритого фольгою пластицину він показав, що руйнація пов'язана з декількома великими бульбашками. На його думку, останні утворюються шляхом злиття багатьох дрібних бульбашок, що є на поверхні; потім вони стабілізуються і при кожному коливанні тиску поверхня зазнає удару приблизно в те саме місце. ]

Кавітацію можна також застосовувати, використовуючи властивість кавітаційних бульбашок розвивати при схлопывании дуже високий тиск, а також малі розміри бульбашок, завдяки яким високий тиск розвивається дуже малої області. Цю властивість можна використовувати як для чищення великих предметів, наприклад труб, так і дрібних, наприклад зубів. ]

Аналогічні методи дослідження можна застосувати до схлопування скупчень каверн, що утворюються при гідродинамічній кавітації. Тут тиск, що викликає хлопування, також прикладений з боку рідини на зовнішній межі скупчення. Енергія схлопывания спрямовано твердої поверхні, а кумулятивні ефекти визначаються зміною скупчення каверн.[ . ]

Теплова теорія кавітаційних явищ у рідині дозволяє пояснити лише ті хімічні реакції, які протікають усередині бульбашки в умовах виникнення високих температур та тисків при його швидкому стисканні та схлопуванні. ]

Катодний захистуспішно застосовується зменшення швидкості втрати металу внаслідок кавітаційної ерозії [18, 76, 88]. Проте катодна захист ефективна, лише коли у кавітаційному полі з поверхні зразка виділяються бульбашки водню. За низьких катодних потенціалів, коли водень не виділяється, помітного зменшення швидкості ерозії не досягається. Зменшення швидкості втрат маси матеріалу обумовлено не тільки відсутністю анодного розчинення металу, але також зменшенням тиску схлопування бульбашок завдяки впливу газоподібного водню, що демпфує [76]. ]

Неважко запропонувати різні пояснення, чому ерозія зменшується із зменшенням розміру крапель для дрібних крапель. Викликає здивування, однак, що дуже мало систематичних досліджень присвячено докладному вивченню цього явища. Найбільш типове "пояснення" зводиться до того, що тривалість впливу максимального удару зменшується зі зменшенням розміру крапель через близькість вільної поверхні краплі до центру удару. Хвиля тиску від маленької краплі, що б'є в рідкий шар, буде менш інтенсивною на твердій поверхні, ніж хвиля від великої краплі, що має ту ж швидкість. Вплив масштабного ефекту на міцність матеріалу не можна не враховувати, коли розмір крапель і площа поверхні, що навантажується, дуже малі. ]