Kawitacja

Z Wikipedii

Kawitacja jest zjawiskiem polegającym na gwałtownej przemianie fazowej z fazy ciekłej w fazę gazową pod wpływem zmiany ciśnienia. Jeżeli płyn cieczy gwałtownie przyśpiesza zgodnie z zasadą zachowania energii, ciśnienie statyczne płynu musi zmaleć. Dzieje się tak np. w wąskim otworze przelotowym zaworu albo na powierzchni śruby napędowej statku.

Temperatura wrzenia płynu zależy od jego ciśnienia i im ciśnienie to jest niższe, tym niższa temperatura wrzenia. Lokalny spadek ciśnienia statycznego prowadzić może do wrzenia cieczy i tworzenia się pęcherzyków gazu (ang. cavity = dziura, ubytek). Kiedy ciecz opuści obszar szybkiego przepływu, ciśnienie statyczne ponownie rośnie. Pęcherzyki zapadają się, a często gwałtownie implodują, co wytwarza fale uderzeniowe.

Głównym czynnikiem wpływającym na występowanie kawitacji jest temperatura płynu. Wpływ na zjawisko kawitacji w płynie o danej temperaturze mają przede wszystkim jego prędkość, kształt powierzchni z jaką się kontaktuje, występowanie w płynie zanieczyszczeń i inne.

Rejon objęty kawitacją, jest obszarem burzliwego (turbulentnego) przepływu cieczy. Ruch taki charakteryzuje się wielką złożonością, zaś wystąpienie kawitacji dodatkowo utrudnia jego opis, ponieważ ciecz jako taka traci ciągłość i należy taki przepływ opisywać jako przepływ wielofazowy (to znaczy taki, w którym bierze udział wiele faz jednej substancji: np. wody w fazie ciekłej i gazowej, oraz następują przemiany termodynamiczne).

Kawitacja jest gwałtownym i najczęściej bardzo niepożądanym zjawiskiem. Lokalne nagłe zmiany ciśnienia mogą przekraczać ciśnienie płynu nawet kilkusetkrotnie, a powstające uderzenia są tak silne, iż mogą zniszczyć niemal dowolny matariał.

Powstające podczas implozji bąbelków gazu fale uderzeniowe powodują mikrouszkodzenia śrub okrętowych, łopat turbin, zaworów i innych elementów i dramatycznie skracają czas ich eksploatacji.

Dodatkowo kawitacja jest jednym z głównych źródeł hałasu, co stanowi szczególny problem w na przykład w okrętach podwodnych, czy w instalacjach pracujących pod wysokim ciśnieniem.

Kawitacja może mieć także użyteczne zastosowania takie jak produkcja emulsji, czyszczenie powierzchni, pompa kawitacyjna, urządzenia grzewcze o bardzo wysokiej sprawności (opatentowane przez Jima Griggsa (USA pat. no. 5188090 - z 1993 r. i 5385298 z 1995 r.)) i inne.

Aktualnie prowadzone są badania nad torpedą kawitacyjną. Dzięki umieszczeniu na jej przodzie odpowiednio ukształtowanego stożka lub tzw. śmigła kawitacyjnego na powierzchni torpedy następuje zjawisko superkawitacji. Dzięki temu torpeda de facto porusza się nie w otoczeniu cieczy lecz gazu, co dramatycznie zmniejsza opór ośrodka i teoretycznie pozwala osiągnąć jej prędkości zbliżone do prędkości rozchodzenia się dźwięku w powietrzu.

Kawitacja występuje także podczas intensywnego podgrzewania cieczy i to ona jest odpowiedzialna za syczenie wody podczas jej podgrzewania.

Znaczenie kawitacji nie ogranicza się do techniki. Gwałtowne przemieszczenie czaszki powoduje, że w naczyniach krwionośnych w mózgu pojawia się obszar obniżonego ciśnienia krwi, występujący po stronie zgodnej z kierunkiem przyśpieszenia i powodujący wydzielenie się we krwi mikroskopijnych bąbelków powietrza. Nagłe zatrzymanie się czaszki w wyniku np. uderzenia głowy o podłoże sprawia, iż obszar obniżonego ciśnienia krwi przechodzi w obszar o ciśnieniu znacznie wyższym niż normalne, co niszczy bąbelki, które implodując uszkadzają tkankę mózgową. Zmiany ciśnienia krwi podczas akceleracji głowy związane są z bezwładnością.

Mechanizm kawitacyjny odpowiada za powstawanie obrażeń mózgu po stronie przeciwnej względem miejsca uderzenia (efekt contre-coup).

Podział zjawiska kawitacji według kształtu obłoku kawitacyjnego pojawiającego się za opływanym ciałem:

• Wędrująca kawitacja pęcherzykowa - pęcherzyki przesuwają się wzdłuż przedmiotu opływanego i stają się widoczne w pobliżu obszaru o najmniejszym ciśnieniu.
• Kawitacja pęcherzykowa w warstwie ścinania - pęcherzyki narastają na powierzchni przedmiotu i następnie są zrywane przez przepływ.
• Kawitacja pasmowa przyłączona - obszar kawitacji to kawerna z gładką powierzchnią wypełnioną jednorodną mieszaniną parowo-gazową
  • Miejscowa kawitacja przyłączona.
  • Miejscowa kawitacja pęcherzykowa.
  • Kawitacja wirowa.