ZJAWISKO KAWITACJI

1. Wykład 12 ZJAWISKO KAWITACJI

2. Kawitacja - definicja i pojęcia ogólne • Zjawisko objaśnione pierwszy raz przez Osborna Reynoldsa w 1894 r. Nazwa wzięta od łacińskiego słowa cavitas – jama, pustka. • Kawitacja - zjawisko wywołane zmiennym polem ciśnienia w cieczy, polega na powstawaniu, wzroście i zaniku pęcherzyków lub innych obszarów zamkniętych (kawern) zawierających parę danej cieczy, rozpuszczone w niej gazy lub mieszaninę wodno-parową. Pęcherzyki rosną w obszarze zmniejszonego ciśnienia poniżej wartości krytycznej, a później gwałtownie zmniejszają się (implozja) w obszarze ciśnienia większego od wartości krytycznej.

3. Ciśnienie krytyczne – ciśnienie, przy jakim powstaje kawitacja. Zależy ono między innymi od • rodzaju cieczy i jej temperatury, • zawartości rozpuszczonych i nierozpuszczonych gazów oraz cząstek stałych, • stanu termodynamicznego cieczy określającego stopień nukleacji (liczby i rodzaju zarodków kawitacyjnych), • stanu ruchu cieczy, • sposobu wytwarzania kawitacji. • Zarodek kawitacyjny – mikropęcherzyk gazu, pary lub mikroskopijna cząstka stała niezbędna do powstania kawitacji.

4. Pęcherzyk kawitacyjny – parowy, gazowy lub parowo-gazowy, powstaje z zarodka kawitacyjnego wskutek zmniejszenia ciśnienia cieczy do wartości krytycznej. W trakcie trwania kawitacji zmienia się jego wielkość i kształt. Pulsacja pęcherzyka kawitacyjnego – cykliczne zmiany wielkości pęcherzyka. Implozja pęcherzyka kawitacyjnego – nagłe zmniejszenie się rozmiarów pęcherzyka prowadzące także do jego zaniku. Implozja następuje przy przemieszczeniu się pęcherzyka z obszaru obniżonego ciśnienia do obszaru podwyższonego ciśnienia. Powoduje to kondensację pary wewnątrz pęcherzyka.

5. 2. Przykłady powstawania kawitacji Kawitacja powierzchniowa - występująca podczas opływu ciał, takich jak płaty aerodynamiczne, śruby okrętowe, itp. Kawitacja szczelinowa – powstająca np. pomiędzy osłoną a wirnikiem maszyn przepływowych.

6. 3. Stadia zjawiska kawitacji Kawitacja początkowa - inaczej nazywana pęcherzykowa, charakteryzuj się powstawaniem pierwszych pęcherzyków kawitacyjnych w cieczy oraz słabym szumem akustycznym. Nie ma większego wpływu na działanie maszyn przepływowych. Kawitacja rozwinięta - widoczny obłok kawitacyjny oraz głośny szum kawitacyjny. W maszynach przepływowych zmieniają się charakterystyki przepływowe, w konsekwencji zmian wydajności, mocy i sprawności urządzeń. Kawitacja silnie rozwinięta - inaczej superkawitacja, powstają duże obłoki kawitacyjne rozciągające się daleko poza miejsce ich powstania. W miejscu superkawitacji szum kawitacyjny ulega osłabieniu.

7. 4. Model matematyczny oscylacji pęcherzyka kawitacyjnego Ilość gazu w pęcherzyki pomimo zmiany jego objętości jest stała, ciśnienie w środku pęcherzyka ma wówczas wartość R0 – promień początkowy pęcherzyka, –ciśnienie początkowe wewnątrz pęcherzyka – wykładni politropy (dla przemiany adiabatycznej równy 4/3) Natomiast ciśnienie początkowe pęcherzyka przedstawia

8. p0 – ciśnienie w cieczy σ – napięcie powierzchniowe Przy założeniu, że pęcherzyk jest kulisty z pewnym przybliżeniem pulsacje pęcherzyka parowo-gazowego opisuje równanie Reyleighta. Model ten z dosyć dobrym przybliżeniem pokazuje, że odporność wody na kawitację jest bardzo mała, gdy znajdują się w niej pęcherzyki gazowe. Dodatkowo ze wzrostem temperatury podatność na kawitację rośnie ze względu na zmniejszania się napięcia powierzchniowego oraz wzrost pęcherzyków powietrza ze względu na zmniejszającą się rozpuszczalność gazów w wodzie.

9. 5. Implozja pęcherzyka kawitacyjnego Implozja następuje przy przemieszczeniu się pęcherzyka z obszaru obniżonego ciśnienia do obszaru większego ciśnienia, powodując kondensację pary wodnej wewnątrz pęcherzyka. Z równanie Reyleigha można obliczyć czas zaniku pęcherzyka oraz ciśnienie implozji, którego wartość wynosi od kilkuset do kilku tysięcy megapaskali!! c –prędkość rozchodzenia się dźwięku w cieczy

10. 6. Szum kawitacyjny W czasie zjawiska kawitacji generowane są fale akustyczne o częstotliwości od 0,2 do 3 MHz. Schemat oscylacji pęcherzyka kawitacyjnego:1 – promień pęcherzyka, 2 – ciśnienie cieczy na zewnątrz pęcherzyka, 3 – ciśnienie wewnątrz pęcherzyka

11. Powstawanie i zanik pęcherzyków parowo-gazowych w zwężeniu przewodu

12. Gazowy zarodek kawitacyjny w postaci pęcherzyka gazu o wymiarze rzędu 10–6 do 0,1 mm w konfuzorowej części zwężki zwiększa się wskutek spadku ciśnienia. Do jego wnętrza przedostają się gazy rozpuszczone w cieczy wskutek dyfuzji. Gdy w miejscu przewężenia ciśnienie cieczy osiągnie wartość krytyczną, mniejszą lub równą p, następuje szybki wzrost pęcherzyka w wyniku parowania cieczy na jego powierzchni. Po przejściu pęcherzyka parowo-gazowego do obszaru zwiększającego się ciśnienia w części dyfuzorowej następuje kondensacja pary i implozyjne zmniejszenie pęcherzyka. W „puste miejsce” napływa ciecz z ogromną prędkością kilkuset metrów na sekundę, powodując kompresję pozostałych gazów. Silnie sprężony gaz do ciśnienia kilkuset megapaskali ulega ekspansji, powodując eksplozyjny wzrost pęcherzyka. W pewnej fazie eksplozji, w wyniku bezwładności cieczy, następuje spadek ciśnienia i ponowne parowanie cieczy na powierzchni rosnącego pęcherzyka. Zjawisko to (wzrost i zapadanie się pęcherzyka) powtarza się wielokrotnie, nawet kilkaset razy, przesuwając obszar przepływu kawitacyjnego poza obszar zwężki.

13. Powstawanie i zanik pęcherzyków kawitacyjnych przy opływie profilu

14. Równanie Reyleighta zakładało kulisty kształt pęcherzyka, w rzeczywistości wskutek oddziaływania różnych czynników, a zwłaszcza ścianek pęcherzyk ulega silnej deformacji. Przebieg zaniku pęcherzyków kawitacyjnych w pobliżu ścianki na podstawie obliczeń Plesseta i Chapmana

15. Porównanie wyników obliczeń i eksperymentu przebiegu implozji pęcherzyka kawitacyjnego

16. 7. Kawitacja w płynach nieniutonowskich Zainteresowanie badaczy kawitacji w cieczach nieniutonowskich wynika z dwóch przesłanek. Pierwszą z nich jest fakt, że w naturze kawitacja występuje także w cieczach o złożonych właściwościach reologicznych, choćby w procesie transportu takich cieczy za pomocą pomp wirowych lub wyporowych. Drugą przesłanką jest możliwość ograniczania kawitacji w systemach hydraulicznych za pomocą dodatków substancji zmieniających właściwości reologiczne cieczy. Wcześniej wykazano, że czynnikiem niezbędnym do powstania kawitacji są zarodki kawitacyjne. Zachodzi podejrzenie, że makromolekuły o strukturze łańcuchowej, charakterystyczne dla niektórych wielkocząsteczkowych polimerów, mogą wywoływać efekt odwrotny: zwiększać odporność cieczy na rozerwanie, zwłaszcza w obrębie naturalnych zarodków kawitacyjnych. Niektóre badania eksperymentalne obłoku kawitacyjnego, początku kawitacji i uszkodzeń kawitacyjnych potwierdzają to przypuszczenie. Dodatki polimerów ograniczają kawitację na śrubach okrętowych, podczas wypływu przez otwory, a także w maszynach przepływowych. Podobne wnioski wynikają z prac teoretycznych.

17. Zdjęcia obłoku kawitacyjnego w zwężeniu przewodu:a) bez dodatku polimeru, b) z dodatkiem polimeru

18. 8. Pomiar i analiza widma szumu kawitacyjnego Jednym ze sposobów wytworzenia kawitacji są fale akustyczne (najczęściej z zakresu ultradźwięków). Kawitacja może się jednak pojawić dopiero po przekroczeniu pewnej wartości progowej natężenia ultradźwięków, zwanej progiem kawitacji. Wartość progowa natężenia ultradźwięków zależy od rodzaju cieczy, częstotliwości fali oraz obecności w cieczy zanieczyszczeń i rozpuszczonych pęcherzyków gazu, które stanowią tzw. zarodki kawitacyjne. Rozróżnia się tzw. kawitację właściwą i pseudokawitację, której próg jest niższy. Pseudokawitacja polega na wydzielaniu się pęcherzyków samego gazu rozpuszczonego w cieczy pod wpływem nadźwiękawiania. Jest to proces ultradźwiękowego odgazowania, który poprzedza kawitację właściwą

19. Schemat blokowy układu oraz widok stanowiska do wytwarzania kawitacji metodą ultradźwiękową.

20. Charakterystyki widmowe dla wody przy różnych natężeniach ultradźwięków Zdjęcia obłoku kawitacyjnego w wodzie przy różnych natężeniach ultradźwięków: a – 0,7 W/cm2, b – 2,0 W/cm2, c – 3,4 W/cm2

21. Charakterystyki widmowe dla wodnego roztworu poliakryloamidu o stężeniu 0,1% przy różnych natężeniach ultradźwięków Zdjęcia obłoku kawitacyjnego w 0,1% wodnym roztworze poliakryloamidu dla różnych natężeń ultradźwięków: a – 0,7 W/cm2, b – 2,0 W/cm2, c – 3,4 W/cm2

22. Wyniki przeprowadzonych badań pozwalają na sformułowanie kilku spostrzeżeń. Wpływ dodatków polimerów na poziom szumu kawitacyjnego maleje wraz z wydłużeniem czasu nadźwiękawiania roztworu. Po 60-minutowym oddziaływaniu fali ultradźwiękowej na roztwór stwierdzono zmniejszenie lepkości roztworów. Kształty obłoków kawitacyjnych w roztworach polimerów po nadźwiękowieniu są podobne do tych w wodzie, natomiast rozmiary obłoków po nadźwiękowieniu są kilkakrotnie mniejsze od tych w roztworach świeżych. Największe zmiany w widmie występowały w paśmie do 25 kHz, tak więc może w tym wąskim paśmie należy szukać zależności między poziomem szumu kawitacyjnego a intensywnością zjawiska kawitacji w badanym roztworze.

23. 9. Erozja kawitacyjna Erozją kawitacyjną nazywane jest zjawisko mechanicznego niszczenia materiału wskutek implozji pęcherzyków kawitacyjnych w pobliżu lub bezpośrednio na powierzchni ścian i polegające na powstaniu ubytku materiału. Na przebieg erozji kawitacyjnej wpływa wiele parametrów uwzględniających fizyczne i chemiczne właściwości cieczy i niszczonego materiału oraz natężenie kawitacji. Skutki kawitacji obserwowano już pod koniec XIX w.w postaci zniszczonych wirników turbin wodnych i śrub okrętowych. Początkowo te uszkodzenia przypisywano różnym odmianom korozji. Na podstawie chemicznej teorii erozję kawitacyjną kojarzono z agresywną korozją, aktywizowaną przez kawitację wskutek wydzielania gazów, podwyższania temperatury itp. Według elektrochemicznej teorii erozja kawitacyjna wiąże się z jonizacją gazów w czasie implozji pęcherzyków kawitacyjnych W związku z tym na materiał mogą oddziaływać zjawiska chemiczne i elektryczne.

24. Na podstawie współczesnych badań ustalono trzy zasadnicze powodu powstawania erozji kawitacyjnej: • emisja fali uderzeniowej wskutek implozji pęcherzyka, • powstawanie bardzo szybkiej mikrostrużki kumulacyjnej skierowanej do ścianki, • przyciaganie pęcherzyków do ścianki w czasie implozji co prowadzi do zmniejszenia ich odległości od ścianki. Ze względu na czas trwania erozję kawitacyjną można podzielić na 4 okresy: Okres 1 – inkubacji – w którym nie występują ubytki materiałów, a materiał akumuluje energię uderzających mikrostrużek. Widoczne są tylko zmiany na powierzchni materiału w postaci zmatowienia, mikropęknięć występujące na grubości od kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów.

25. Okres 2 – wzmożonego niszczenia – powstają na powierzchni wżery i ubytki materiału. Powierzchnia materiału staje się chropowata. Okres 3 – osłabionego niszczenia - powstałem w okresie 2 głebsze kratery hamują wpływ erozji kawitacyjnej poprzez osłabienie oddziaływania mikrostrużek. Okres 4 - prawie ustalonego niszczenia – stała szybkość erozji kawitacyjnej, poprzez ustalenie się kształtu geometrycznego niszczonego materiału. Wskaźnikiem skutków erozji kawitacyjnej jest ubytek masy do czasu trwania erozji

26. 10. Metody badania erozji kawitacyjnej Metody przepływowe – wykorzystujące zwężenie kanału przepływowego Badana próbka materiału jest umieszczana na końcu strefy kawitacyjnej, w miejscu największego nasilenia implozji pęcherzyków kawitacyjnych. Program badań przewiduje wykonywanie 5-godzinnych testów (ważenie ubytku materiału) w czasie od 70 do 140 godzin.

27. Urządzenia z wirującą tarczą Schemat przyrządu z tarczą wirującą: B – wspornik łożyska, E – silnik elektryczny z regulacją szybkości obrotowej, K – komora pomiarowa, Ł – łopatki uspokajające, P – pokrywa z wziernikiem, S – sprzęgło, T – tarcza wirująca, V – zawór wypływowy, W – wał

28. Metoda wibracyjna Metoda wibracyjna wywołania zjawiska kawitacji polega na wprawieniu w ruch drgający metalowego pręta, na końcu którego jest umieszczona badana próbka, zanurzona w cieczy. Próbka może być wprawiana w ruch drgający metodą magnetostrykcyjną, elektrostrykcyjną, mechaniczną lub hydromechaniczną. Amplituda drgań wynosi ok. 0,1mm a częstotliwość 10kHz.

29. Metoda natryskowa Przyrząd składa się z wirującej tarczy z umieszczonymi na jej obwodzie próbkami materiału, na które okresowo pada struga cieczy wypływająca z dyszy.

30. 11. Odporność na erozję kawitacyjną wybranych materiałów

31. 12. Skutki erozji kawitacyjnej Elementy pompy diagonalnej zniszczone przez kawitację:a) wirnik, b) wycinek kadłuba Przykład zużycia kawitacyjnego - płyta boczna pompy łopatkowej

33. 13. Zastosowanie zjawiska kawitacji Kawitację wytwarza się w sposób zamierzony w celu efektywniejszego oczyszczania powierzchni materiałów, cięcia materiałów strugą cieczy, intensyfikacji procesów mieszania w celu przyśpieszania reakcji chemicznych lub wytwarzania emulsji, niszczenia biologicznych zanieczyszczeń cieczy, rozdrabniania ciał stałych itp Wytwarzanie pęcherzyków kawitacyjnych za pomocą promieni laserowych w płynach biologicznych organizmów ludzkich może być wykorzystywane w medycynie. Implodujące pęcherzyki kawitacyjne wytwarzane za pomocą ultradźwięków, mogą niszczyć niepożądane tkanki oraz rozdrabniać kamienie powstające w narządach ludzkich. W Chinach za pomocą ultradźwięków wspomagano proces wydzielania komponentów medycznych produkowanych z roślin. Prowadzone są także badania na temat możliwości niszczenia komórek rakowych za pomocą kawitacji wytwarzanej ultradźwiękami. Wykorzystując pewne różnice właściwości komórek wykazali możliwość niszczenia komórek rakowych. Eksperymenty wykonano na próbkach poza organizmem, ale dalsze prace mogą doprowadzić do stosowania tej metody także w żywym organizmie

34. Kawitacyjna obróbka mechaniczna Strugi kawitacyjne intensyfikują proces obróbki mechanicznej strugą cieczy. Do wytwarzania strugi kawitacyjnej konstruowane są odpowiednie dysze. Ciecz opuszczająca dyszę zawiera pęcherzyki kawitacyjne. Proces generowania pęcherzyków kawitacyjnych jest związany z tworzeniem się pierścieni wirowych na powierzchni strugi swobodnej

35. Drążenie otworów Strugą kawitacyjną, wytwarzaną za pomocą wibracyjnej sondy, można wykonywać otwory lub złożonych kształtów wnęki w trudno obrabialnych materiałach. Podstawowym narzędziem w tym procesie jest wibracyjna sonda jednocześnie podająca ciecz do miejsca obróbki. Ddysze kawitacyjne o średnicy do = 6,4 mm zasilane są wodą pod ciśnieniem p = 13,8 MPa. Dla różnych minerałów uzyskiwano prędkość drążenia od 4,6·10–3 cm/s do 1 cm/s.

36. Czyszczenie powierzchni materiałów Do czyszczenia powierzchni materiałów stosowane są ultradźwiękowe generatory kawitacji o częstotliwości 20÷100 kHz. Za pomocą strumienia ultradźwięków w specjalnym zbiorniku lub kanale przepływowym wytwarzana jest kawitacja. Poddawany obróbce materiał zanurzany jest w kawitującej cieczy. Implodujące na powierzchni materiału pęcherzyki, wskutek erozyjnego działania, powodują czyszczenie powierzchni. Ponieważ czyszczące mikrostrugi mają bardzo małe rozmiary, to następuje usuwanie z powierzchni bardzo małych zanieczyszczeń znajdujących się w najmniejszych zagłębieniach materiału. Dzięki temu czyszczenie jest bardzo dokładne. Z tego względu ultradźwiękowe czyszczenia materiału jest chętnie stosowane w technice cienkich powłok, np. przy produkcji półprzewodników, pokrywaniu materiałów cienkimi powłokami metalowymi itp. W USA strugi kawitacyjne są stosowane do czyszczenia dużych powierzchni stalowych, np. burt statków. W Wielkiej Brytanii zastosowano strumienie kawitacyjne do czyszczenia wielkich rurociągów ułożonych na dnie morskim.

37. Cięcie twardych materiałów Twarde materiały mogą być przecinane za pomocą strugi wypływającej z wielką prędkością. Jeśli towarzyszy mu zjawisko kawitacji proces cięcia przebiega w sposób bardziej intensywny. Jednym ze sposobów wytwarzania kawitacji w procesie cięcia materiału jest wypływ cieczy w postaci krótkich impulsów. Kawitacja będzie też powstawać wskutek zderzania się z przeszkodą strugi wypływającej z wielką prędkością z dyszy. Struga skierowana na materiał, wskutek implozji olbrzymiej liczby pęcherzyków kawitacyjnych oraz olbrzymiej energii kinetycznej uderzającej cieczy, powoduje szybkie cięcie nawet bardzo twardych materiałów. W przypadku najtwardszych materiałów skuteczne cięcie lub dowolną obróbkę można uzyskać dzięki impulsowemu tworzeniu strugi. Kawitacyjną metodę cięcia stosowano między innymi do obróbki marmuru i granitu.

38. Kawitacyjne wytwarzanie emulsji • Kawitacyjne wytwarzanie rozdrobnionych mieszanin • Depolimeryzacja - rozrywanie łańcuchów wielkocząsteczkowych polimerów rozpuszczonych w cieczy • Intensyfikacja procesów chemicznych • Sterylizacja cieczy

39. 15. Sonoluminescencja Sonoluminescencję odkryli we wzbudzonej falami akustycznymi wannie z wodą, H. Frenzel i H. Schultes z Uniwersytetu w Kolonii w 1934 roku. Świecący pęcherzyk. a) Przy niskim ciśnieniu pęcherzyk gazowy ekspanduje, b) wejście pęcherzyka w obszar wysokiego ciśnienia fali akustycznej powoduje jego implozję. Gdy temperatura wewnątrz pęcherzyka wzrośnie powyżej 10 000 K, gaz zawarty w pęcherzyku częściowo zostanie zjonizowany tworząc plazmę. c) Rekombinacja elektronów i jonów skutkuje emisją światła.