Kavitacijos reiškinys moksle ir technikoje žinomas kiek daugiau nei šimtą metų. Panagrinėkime šį fizinį procesą ir jo praktinio taikymo sritį.
Apibrėžimas
Kavitacija– (iš lot. cavitas – tuštuma) – ertmių (kavitacijos burbuliukų, arba urvų), užpildytų dujomis, garais ar jų mišiniu, susidarymas skystyje. Kavitacija atsiranda dėl vietinio skysčio slėgio sumažėjimo, kuris gali atsirasti padidėjus jo greičiui (hidrodinaminė kavitacija), arba prasidėjus didelio intensyvumo akustinei bangai retėjimo pusperiodžio metu (akustinė kavitacija). ); yra ir kitų poveikio priežasčių. Judėjimas su srautu į sritį, kurioje yra daugiau aukšto slėgio arba per pusę suspaudimo ciklo kavitacijos burbulas subyra, skleisdamas smūginę bangą.
Kavitacijos numeris
Kavitacijos srautui būdingas bematis parametras (kavitacijos skaičius):
- P – atvažiuojančio srauto hidrostatinis slėgis, Pa;
- P s – skysčio sočiųjų garų slėgis tam tikroje temperatūroje aplinką, Pa;
- ρ – terpės tankis, kg/m3;
- V – srauto greitis prie įėjimo į sistemą, m/s.
Yra žinoma, kad kavitacija atsiranda, kai srautas pasiekia ribinį greitį V = V c, kai slėgis sraute tampa lygus garavimo (sočiųjų garų) slėgiui. Šis greitis atitinka kavitacijos kriterijaus ribinę vertę.
Atsižvelgiant į Χ reikšmę, galima išskirti keturis srautų tipus:
- išankstinė kavitacija – nuolatinis (vienfazis) srautas esant Χ>1;
- kavitacija – (dviejų fazių) srautas esant Χ~1;
- plėvelė - su stabiliu kavitacijos ertmės atskyrimu nuo likusio nuolatinio srauto (plėvelės kavitacijos) esant Χ< 1;
- superkavitacija – ties Χ<<1.
Apžvalga
Fizinis kavitacijos procesas yra artimas skysčio virimo procesui. Pagrindinis skirtumas tarp jų yra tas, kad kai santykinis srauto greitis kūno atžvilgiu didėja, srauto slėgis sumažėja iki sočiųjų garų slėgio (vakuumo). Tokiu atveju skystis užverda ir susidaro mikroskopinio dydžio kavitacijos garų-dujų burbuliukai. Kavitacijos burbuliukai, patekę į aukšto slėgio zoną, subyra (užsidaro, kondensuojasi) kaupiamaisiais srautais į taškus. Šiuose taškuose, o jų yra labai daug, dėl kumuliacinio poveikio taškinis slėgio padidėjimas iki dešimčių tūkstančių atmosferų, o taškinė temperatūra susidaro dešimčių tūkstančių Kelvino laipsnių. Be to, staigus (staigus) kavitacijos burbuliukų išnykimas sukelia hidraulinių smūgių susidarymą ir dėl to skystyje ultragarso dažniu susidaro suspaudimo ir įtempimo banga. Jei smūginė banga savo kelyje susiduria su kliūtimi, ji sunaikina jos paviršių. Kavitacijos burbuliukų yra gana daug ir jų griūtis įvyksta daug tūkstančių kartų per sekundę, todėl kavitacija gali sukelti didelę žalą.
Griūvančių burbulų energija eikvojama smūgio bangoms skleisti, dujoms, esančioms griūvančiose kavitacijos ertmėse, vietiniam šildymui, sonoliuminescencijos sužadinimui, laisvųjų radikalų susidarymui, taip pat triukšmo kūrimui.
Hidrodinaminė kavitacija
Atsiranda tose srauto atkarpose, kuriose slėgis nukrenta iki tam tikros kritinės vertės. Dujų ar garų burbuliukai, esantys skystyje, judantys skysčio srautu ir patenkantys į mažesnio nei kritinio slėgio sritį, įgyja galimybę neribotai augti. Perėjus į žemo slėgio zoną, augimas sustoja, burbuliukai pradeda mažėti. Jei burbuluose yra pakankamai daug dujų, tada pasiekę minimalų spindulį jie atkuriami ir atlieka kelis slopintų virpesių ciklus, o jei jų mažai, tai per pirmąjį ciklą burbulas visiškai subyra.
Taigi šalia supaprastinto kūno susidaro kavitacijos zona, užpildyta judančiais burbuliukais. Kavitacijos burbulo susitraukimas vyksta dideliu greičiu ir kartu su garso impulsu, kuo stipresnis, tuo mažiau dujų burbule. Jei kavitacijos išsivystymo laipsnis yra toks, kad atsiranda ir suyra daug burbuliukų, tada reiškinį lydi stiprus triukšmas, kurio nuolatinis spektras nuo kelių šimtų hercų iki šimtų kilohercų. Spektras plečiasi į žemo dažnio sritį, kai didėja didžiausias burbuliukų spindulys.
Jei skystis būtų visiškai vienalytis, o kietosios medžiagos paviršius, su kuriuo jis ribojasi, būtų idealiai drėgnas, tada plyšimas įvyktų esant žemesniam slėgiui nei skysčio sočiųjų garų slėgis, kuriam esant skystis tampa nestabilus. Teorinis vandens tempiamasis stipris yra 1500 kg/cm. tikri skysčiai yra mažiau patvarūs. Maksimalus kruopščiai išvalyto vandens tempiamasis stipris, pasiekiamas tempiant vandenį 10 laipsnių temperatūroje. yra 260 kg/cm. Paprastai plyšimas įvyksta esant sočiųjų garų slėgiui. Tikrų skysčių mažas stiprumas yra susijęs su kavitacijos branduolių buvimu juose - silpnai sudrėkintomis kieto kūno sritimis, kietosiomis dalelėmis, dujomis užpildytomis dalelėmis ir kt.
Padidėjus srauto greičiui prasidėjus kavitacijai, sparčiai didėja besivystančių burbuliukų skaičius, po kurio jie susijungia į bendrą kavitaciverną ir srautas tampa srove.
Prastai aptakiems kūnams su aštriomis briaunomis labai greitai susidaro reaktyvinė kavitacija. Kavitacijos buvimas neigiamai veikia hidraulinių mašinų, turbinų, siurblių, laivų sraigtų darbą ir verčia imtis priemonių kavitacijai išvengti. Jei paaiškėja, kad tai neįmanoma, kai kuriais atvejais naudinga sustiprinti kavitacijos vystymąsi, sukurti vadinamąjį „superkavitacijos“ režimą, kuriam būdingas srauto srautas, ir naudojant specialų mentelių profiliavimą, sudaryti palankias mechanizmų veikimo sąlygas. Kavitacijos burbuliukų uždarymas šalia supaprastinto kūno paviršiaus dažnai sukelia paviršiaus sunaikinimą, vadinamąją kavitacijos eroziją. Norint išvengti kavitacijos burbuliukų subyrėjimo, į žemo slėgio zoną būtina tiekti dujas, pavyzdžiui, orą.
Naudingi kavitacijos pritaikymai
Nors kavitacija daugeliu atvejų yra nepageidautina, yra naudingo jos naudojimo išimčių:
- Pramonėje kavitacija dažnai naudojama suspenduotoms dalelėms homogenizuoti arba maišyti ir nusodinti koloidinėje skystoje kompozicijoje, pavyzdžiui, dažų mišiniuose ar piene. Daugelis pramoninių maišytuvų yra pagrįsti šiuo išvystytu principu. Paprastai tai pasiekiama sukonstruojant hidraulines turbinas arba praleidžiant mišinį per žiedinę angą, turinčią siaurą įleidimo angą ir daug didesnę išleidimo angą: priverstinis slėgio sumažinimas sukelia kavitaciją, nes skystis linksta į didesnį tūrį. Šį metodą galima valdyti hidrauliniais įtaisais, kurie valdo įleidimo angos dydį, leidžiantį reguliuoti procesą įvairiose aplinkose. Maišymo vožtuvų išorė, kur kavitacijos burbuliukai juda priešinga kryptimi, sukeldami sprogimą (vidinį sprogimą), yra veikiami didžiulio slėgio ir dažnai yra pagaminti iš itin stiprių ar kietų medžiagų, tokių kaip nerūdijantis plienas, stelitas ar net polikristalinis deimantas.
Ilgamečių tyrimų rezultatais inovacijų ir diegimo įmonės „Kvarta“ specialistai sukūrė savos konstrukcijos skystąjį kavitatorių. Šis kavitatorius naudoja bendrą kumuliacinių čiurkšlių ir hidrodinaminių poveikių poveikį, dėl kurio:
- paprastai nesimaišančių produktų emulsinimas (pavyzdžiui, mazutas-vanduo);
- ilgų polimerų grandinių nutraukimas naftos produktuose, transformavimas į naują struktūrinę būseną;
- kietųjų dalelių smulkinimas (dispergavimas) skystyje iki mikronų lygio;
- perdirbto produkto homogenizavimas;
- cheminių reakcijų sustiprėjimas dešimtis, o kartais net tūkstančius kartų;
- apdorojamo skysčio sterilizavimas.
- Ultragarsiniam paviršiaus valymui naudojami prietaisai, kurie sukuria kavitaciją naudojant garso bangas ir sunaikindami kavitacijos burbulus. Naudojant tokiu būdu, kenksmingų cheminių medžiagų valymo poreikis gali būti sumažintas daugelyje pramoninių ir komercinių procesų, kai gryninimas reikalingas kaip gamybos etapas. Iki šiol detalės, kaip burbuliukai valo, nėra visiškai suprantamos.
- Kariuomenėje naudojamos superkavitacinės torpedos, kurios yra apgaubtos dideliais kavitacijos burbulais. Ženkliai sumažinus kontaktą su vandeniu, šios torpedos gali skristi daug greičiau nei įprastos torpedos. Šie tyrimai buvo atlikti Ukrainos nacionalinės mokslų akademijos Skysčių mechanikos institute.
Apžvalginiame straipsnyje analizuojami žinomi natūralios hidrodinaminės kavitacijos pradinės ir išvystytos stadijos modeliavimo metodai. Trumpai išvardijamos išskirtinės šio tipo kavitacijos ypatybės. Analizuojant šiuolaikinius jo pradinės stadijos aprašymo metodus, buvo atskleistas dviejų požiūrių naudojimas - stochastinis (kavitacijos ertmių susidarymo atveju pagal homogeninius ir nevienalyčius branduolių susidarymo mechanizmus) ir deterministinis (tyrus skysčio judėjimą aplink išsklaidytą kintamo spindulio sferinė dalelė). Tačiau skirtingi kavitacijos branduolių pasiskirstymai išilgai jų spindulių, naudojami žinomuose modeliuose, yra postuluojami remiantis eksperimentiniais duomenimis. Tuo pačiu metu, derinant šiuos metodus, aktyviai vystomas heterogeninės terpės nešiklio fazės modeliavimas Eulerio kintamuosiuose ir dispersinės fazės Lagranžo kintamuosiuose modeliavimas. Tiriant sukurtą etapą taikomas deterministinis metodas, naudojant reaktyvinės teorijos metodą.
hidrodinaminė kavitacija
pradiniai ir išsivystę etapai
stochastiniai ir deterministiniai metodai
1. Aganin A.A. Kavitacijos burbulo jėgos poveikio elastingam kūnui apskaičiavimas / A.A. Aganinas, V.G. Malakhovas, T.F. Khalitova, N.A. Khismatullina // TGGPU biuletenis. – 2010. – T. 22. – Nr.4. – P. 6–12.
2. Ivany R.D. Kavitacijos burbulo žlugimo klampiame skystyje reiškinio skaitmeninė analizė / R.D. Ivany, F.G. Hammit // Tr. ASME. Ser. D. Inžinerinių skaičiavimų teoriniai metodai. – 1965. – Nr.4. – P. 140.
3. Arzumanovas E.S. Kavitacija vietinėse hidraulinėse varžose. – M.: Energija, 1978. – 304 p.
4. Afanasjevas K.E. Erdvinių garų-dujų burbulų dinamikos skaitmeninis modeliavimas / K.E. Afanasjevas, I.V. Grigorjeva // Skaičiavimo technologijos. – T. 11, spec. paleisti. – P. 4–25.
5. Blagovas E.E. Dujotiekio siaurinimo įtaisų integrinių hidrodinaminių parametrų skaičiavimas // Armaturostroenie. – 2006. – Nr.6 (45). – 44–49 p.
6. GOST R 55508-2013. Vamzdynų jungiamosios detalės. Hidraulinių ir kavitacijos charakteristikų eksperimentinio nustatymo metodika. – M.: Standartinform, 2014. – 38 p.
7. Kedrinsky V.K. Dėl dujų dinaminių sprogstamųjų ugnikalnių išsiveržimų požymių. 1. Ugnikalnių priešsprogminės būklės hidrodinaminiai analogai, trifazės magmos būsenos dinamika dekompresinėse bangose // Taikoma. mechanika ir technika. fizika. – 2008. – T. 49. – Nr.6. – P. 3–12.
8. Knepp R. Kavitacija / R. Knepp, J. Daly, F. Hammit. – M.: Mir, 1974. – 668 p.
9. Ksendzovskis P.D. Erozijos poveikio supaprastintam profiliui skaičiavimas burbulinės kavitacijos metu // Hidraulinių mašinų tyrimas ir skaičiavimas. Tr. VNIIGidromaša. – M.: Energija, 1978. – P. 27–42.
10. Kulagin V.A. Dviejų fazių superkavitacijos srautų modeliavimas / V.A. Kulaginas, A.P. Vilchenko, T.A. Kulagina; pagal. red. V.I. Bykova. – Krasnojarskas: IPC KSTU, 2001. – 187 p.
11. Kulagin V.A. Superkavitacija energetikoje ir hidrotechnikoje. – Krasnojarskas: IPC KSTU, 2000. – 107 p.
12. Kumzerova E.Yu. Garų burbuliukų susidarymo ir augimo skaitinis modeliavimas skysčio slėgio kritimo sąlygomis: darbo santrauka. dis. ...kand. fizika ir matematika Sci. 01.02.05. – Sankt Peterburgas, 2004. – 15 p.
13. Lavrinenko O.V. Mechaninio-fizinio ir cheminio poveikio modeliavimas kavitacijos ertmių griūties procese / O.V. Lavrinenko, E.I. Savina, G.V. Leonovas // Polzunov kolekcija. – 2007. – Nr.3. – P. 59–63.
14. Levkovskis Yu.L. Kavitacijos srautų struktūra. – L.: Laivų statyba, 1978. – 224 p.
15. Markina N.L. Kavitacijos procesų kintamo skerspjūvio kanale tyrimas / N.L. Markina, D.L. Reviznikovas, S.G. Čerkasovas // Rusijos mokslų akademijos naujienos. Energija. – 2012. – Nr.1. – P. 109–118.
16. Nigmatulin R.I. Heterogeninių terpių mechanikos pagrindai. – M.: Nauka, 1978. – 336 p.
17. Ochsleris G. Kavitacija jungiamosiose detalėse? Išsiaiškinkime! // Vožtuvų inžinerija. – 2012. – Nr.2 (77). – 74–77 p.
18. Peirsol I. Kavitacija. – M.: Mir, 1975. – 95 p.
19. Roždestvenskis V.V. Kavitacija. – L.: Laivų statyba, 1977. – P. 148.
20. Si-Ding-Yu. Kai kurie analitiniai burbulų dinamikos aspektai // Proceedings of the American Society of Mechanical Engineers. Serija D. – 1965. – T. 87. – Nr.4. – P. 157–174 (vertė iš anglų kalbos).
21. Flynnas G. Akustinės kavitacijos skysčiuose fizika // Fizinė akustika / red. W. Masonas. – M.: Mir, 1967. – T. 1. – P. 7–138.
22. Frenkelis Ya.I. Kinetinė skysčių teorija. – L.: Nauka, 1959. – 586 p.
23. Alamgir Md. Slėgio sumažinimo koreliacija karšto vandens slėgio mažinimo metu / Md. Alamgiras, J.H. Lienhard // Šilumos perdavimo žurnalas. – 1981. – T. 103. – Nr.1. – P. 52–55.
24. Bankoff S.G. Pf dujų įstrigimas sklindant skysčiui ant šiurkštaus paviršiaus // AlChE žurnalas. – 1951. – T. 4. – P. 24–26.
25. Brennen C.E. Kavitacijos ir burbulo dinamika. – Niujorkas, Oxford University Press, 1995. – 294 p.
26. Ellas E. Bubble transport in flashing flow / E. Ellas, P.L. Chambre // Int J. Daugiafazis srautas. – 2000. – Nr.26. – P. 191–206.
27. Hsu Y.Y. Apie aktyvių branduolių susidarymo ertmių dydžių diapazoną šildymo paviršiuje // Šilumos perdavimo žurnalas. – 1962. – T. 94. – P. 207–212.
28. Kedrinskii V.K. Lordansky-Kogarko-van Wijngaarden modelis: šoko ir retinimo bangų sąveika burbulinėje terpėje // Taikomieji moksliniai tyrimai. – 1998. – T. 58. – P. 115–130.
29. Kwak H.-Y. Homogeninis branduolių susidarymas ir makroskopinis dujų burbulo augimas organiniuose tirpaluose / H.-Y. Kwak, Y.W. Kimas // Tarpt. J. Šilumos ir masės perdavimas. – 1998. – T. 41. – Nr.4–5. – P. 757–767.
30. Lienhard J.N. Homogeninis branduolys ir spinodalinė linija / J.N. Lienhard, A. Karimi // Šilumos perdavimo žurnalas. – 1981. – T. 103. – Nr.1. – P. 61–64. Lienhard J.N., Karimi A. Homogeninis branduolys ir spinodalinė linija // Šilumos perdavimo žurnalas. – 1981. – T. 103. – Nr.1. – P. 61–64.
31. Neppiras E.A. Akustinė kavitacija // Fizik. Ats. – 1980. – T. 61, Nr.3. – P. 159–251.
32. Plesset M.S. Iš pradžių sferinių garų griūtis kietos ribos kaimynystėje / M.S. Plesset, R.B. Chapmanas // Skysčių mechanikos žurnalas. – 1971. – T. 47. – Nr.2. – P. 125–141.
33. Shin T.S. Brandinimas ir mirksėjimas purkštukuose-1. Paskirstytas branduolio modelis / T.S. Shin, O.C. Jonesas//Tarp. J. Daugiafazis srautas. – 1993. – T. 19. – Nr.6. – P. 943–964.
34. Sokolichin A. Dujų ir skysčių dvifazių srautų dinaminis skaitmeninis modeliavimas: Euleris/Eleris prieš Eilerį/Lagranžą / A. Sokolichin, G. Eigenberger, A. Lapin, A. Lubbert // Chemical Eng. Mokslas. – 1997. – T. 52. – P. 611–626.
35. Thiruvengadam A. Kavitacijos erozijos mastelio dėsnis // Nestabilūs vandens srautai dideliais greičiais: Proceedings of LITAM. – M.: Nauka, 1973. – P. 405–427.
36. Volmer V. Keimbildung in uebersaetigen Daempfen / Vol. Volmeris, A. Weberis // Z. Phys. Chem. – 1926. – Nr.119. – P. 277–301.
Projektuojant vamzdynų sistemos hidraulinius valdymo elementus, kuriuose vožtuvo veikimas atliekamas naudojant darbinės terpės energiją, siekiant sumažinti padidėjusį arba išlaikyti tam tikrą slėgio lygį ir užkirsti kelią atgaliniam nuotėkiui, iškyla kovos su nepageidautinos kavitacijos poveikio skysčio srautuose pasekmės išlieka aktualios. Visų pirma, tai apima šių įrenginių srauto kanalų vidinių paviršių pažeidimus erozijos kraterių pavidalu, taip pat dėl to atsirandantį triukšmą ir vibraciją vamzdynų jungiamųjų detalių elementuose. Išvardyti veiksniai turi įtakos šios tvirtinimo įrangos stiprumo charakteristikoms ir neleidžia įgyvendinti normalių eksploatavimo sąlygų pagal norminius standartus, įskaitant sanitarinius. Reguliavimo institucijų srauto dalies apskaičiavimas yra susijęs su kritinių kavitacijos parametrų rinkinio įvertinimu, kurie, visų pirma, įvedami pagal kavitacijos skaičių κ = 2Eu pagal Eulerio kriterijų ir yra nustatomi pagal hidrodinaminius ir vibroakustiniai metodai. Pirminės kavitacijos poveikis burbulo pavidalu pasireiškia dėl staigaus skysčio slėgio kritimo iki žemesnių nei jo sočiųjų garų slėgis (pavyzdžiui, esant t = 20,8 ° C vandeniui - pH = 2,5 10 3 Pa), į darbinės terpės tekėjimą per reguliavimo korpuso srauto dalį droseliuojant arba keičiant skysčio tekėjimo kryptį. Taigi kavitacijos burbuliukų elgsenos mechanizmo aprašymas jų evoliucijos procesuose yra ypač įdomus projektuojant hidraulinius valdymo įrenginius.
Darbo tikslas – išanalizuoti šiuolaikinius pagrindinius hidrodinaminės kavitacijos poveikio raidos etapų modeliavimo metodus.
Trumpa hidrodinaminės kavitacijos samprata
Natūrali hidrodinaminė kavitacija yra skysčio srauto plyšimo poveikis, kuris, skirtingai nuo akustinės kavitacijos (veikiant garso bangoms), stebimas, kai slėgis sumažėja iki kritinių verčių vietiniame didelės spartos skystos terpės srauto regione. . Nagrinėjamo reiškinio fizinis pobūdis taip pat yra susijęs su trumpalaikiais termodinaminiais procesais (nuo metastabilios iki stabilios sistemos būsenos) dėl to, kad tuo pačiu metu, kai smarkiai sumažėja skysčio slėgis, jis perkaista. Skystų terpių srauto modeliavimas natūralios hidrodinaminės kavitacijos sąlygomis, atsirandančios staigiai nukritus slėgiui tekėjimo metu aplink įvairių formų kūnus, pavyzdžiui, vamzdynų sistemose, kai pažeidžiamas jų sandarumas, purkštukuose, srauto dalyse. reguliavimo institucijos (įskaitant vožtuvo veikimo metu - jo uždarymą ar atidarymą plečiant srautą) ir kt., yra susiję su daugelio problemų sprendimu. Tai apima mechanizmų aprašymą: kavitacijos ertmės susidarymą, jos išsiplėtimą, suspaudimą, kolapsą ir kt., kurie atitinka pradinę ir išsivysčiusią kavitacijos stadiją.
Šiuolaikiniai hidrodinaminės kavitacijos pradinės stadijos modeliavimo metodai
A. Stochastinis požiūris. Šių ertmių susidarymo procesą skirstant pagal homogeninius ir heterogeninius branduolių susidarymo mechanizmus, reikėtų išskirti stochastinį požiūrį į jų apibūdinimą: homogeninio branduolio modeliai; modifikacijos įvedant heterogeniškumo koeficientą; heterogeninio branduolio modeliai, pavyzdžiui, ant skystos terpės priemaišų dalelių, ant sienos, jos plyšiuose (įdubose). Klasikiniai Ya.I. Frenkelis, tęsęs V. Volmerio ir A. Vėberio idėjas, papildytas J.N. Lienhard ir A. Karimi su pasiūlymu teoriškai palyginti darbą, sugaištą formuojant kritinį nukleoną - W* su minimalia jo potencialios energijos verte (be specifikacijos kinetinė energija molekulės). Kaip jau minėta, kritinis nukleonas yra garų branduolys skystoje terpėje su metastabilia būsena. Branduolių susidarymo dažnis J (branduolių skaičius tūrio vienete per laiko vienetą) nustatomas pagal formulę
kur yra Gibso skaičius; J* yra konstanta, kuri priklauso nuo koeficientų verčių - terpės paviršiaus įtempimo ir dujų difuzijos joje, skysčio molekulių skaičiaus, jų tūrio; kB – Boltzmanno konstanta; Tl – skysčio temperatūra. Visų pirma, išraiška (1) naudojama V.K. modelyje. Kedrinsky apskaičiuoti bendrą difuzijos sluoksnių tūrį Xd ir kavitacijos burbuliukų tankį Nd (su spinduliu R ir difuzinio sluoksnio spinduliu rd) skystos terpės (vulkaninės magmos) tūrio vienetui, naudodamas kinetines lygtis.
Čia τ yra kavitacijos branduolių branduolio susidarymo laikas (indukcijos periodas); 
- difuzinio sluoksnio tūris.
Modifikuoti modeliai naudojami apibūdinti skystos terpės srautus su mažomis abrazyvinėmis dalelėmis. Tokiu atveju vienalytis branduolys gali būti nepastebėtas dėl mažesnių temperatūros pokyčių verčių (pavyzdžiui, vandeniui, dešimtis kartų mažesniam), palyginti su išvalyto skysčio srautų temperatūros pokyčiais. J modifikacija pateikiama forma , kur G yra heterogeniškumo koeficientas, apibūdinantis darbo, skirto kritiniam nukleonui formuoti, vertės sumažėjimo laipsnį. Atkreipkite dėmesį, kad pagal Md darbus dažniausiai yra dvi šio veiksnio formos. Alamgiras, J.H. Lienhard ir E. Ellas, P.L. Chambre
kur T10, Tcr yra pradinės ir kritinės skysčio temperatūros vertės, K; Vp - slėgio kritimo greitis, Pa/s; σ - laisvosios energijos perteklius; ρV, ρl - fazių tankiai (burbulas ir skystis); m - molekulinė masė; b1, b2, b3, c1, c2 yra konstantos. Be to, yra darbų, kuriuose kaip modifikacijos dalis atsižvelgiama į homogeninio branduolio susidarymo teoriją, taip pat į vėlesnį kavitacijos ertmių išsiplėtimą dėl tarpfazių masės perdavimo. Atkreipkite dėmesį, kad tyrimų autoriai atliko svyravimo branduolio skaičiavimus dujų difuzijos sąlygomis.
Įdomus yra tūrinio nevienalyčio branduolio susidarymo modelis, kuriame atsižvelgiama į nevienalyčių branduolių pasiskirstymą pagal dydį ir kuris naudoja metodą nuo, kad būtų atsižvelgta į atitinkamą eksperimentinį kavituojančių skysčio srautų priemaišų dalelių pasiskirstymą (artimą lognormaliam), esant akustiniam poveikiui. Tuo atveju, kai pagal garavimo centrų pasiskirstymus (normaliųjų, lognormalių ir lygiagrečių dėsnių pavidalu) išilgai šių dalelių spindulių N(r), įvertinamas jų skaičius.
Kaip pažymi autoriai, S.G. Bankoffas ir Y.Y. Hsu, skirtas atitinkamai heterogeniniam branduoliui ant sienos ir jos plyšiuose, padėjo pagrindą tolesniems tyrimams šiomis kryptimis. Kartu buvo nustatyti branduolių susidarymo įgyvendinimo kriterijai: tūrinio branduolio susidarymo laisvosios energijos skirtumas viršija šios vertės reikšmę sienelės branduoliui; pusrutulio formos burbulo išsiplėtimas įduboje atsiranda, jei burbulų temperatūros verčių skirtumas - nurodyto ir pusiausvyros vienodo spindulio - yra didesnis nei nulis. Visų pirma T.S. Shin ir O.C. Jonesas pasiūlė empirinį heterogeninio branduolio susidarymo ant sienos dažnio ryšį tokiu pavidalu, kur esant c0 = 10 4 ir c = 2,5 0 -8 burbuliukų atsiskyrimo dažnio koreliacija netiesiškai priklauso nuo temperatūrų skirtumo tarp sienelės ir skysčio , o susidariusių burbuliukų tankis nustatomas pagal jų spindulius – esant kritinei vertei Rcr ir atskyrimui Rd.
B. Deterministinis požiūris. Deterministinis metodas, tradiciškai naudojamas apibūdinti vieno kavitacijos burbulo elgseną, yra pavaizduotas Rayleigh-Lamb (Rayleigh-Plesset) tipo judėjimo (skysčio aplink kintamo spindulio sferinę dalelę) lygtimi. įvairios modifikacijos, priklausomai nuo efektų rinkinio, į kurį atsižvelgta – inercinis, šiluminis ir difuzinis. Si-Di-Yu darbe pateikta ribinės vertės problemos su laisva riba bendra formuluotė pasirinktam paviršiui, skiriančiam dvi sritis: vidinį - garų-dujų ir išorinį - skystį su ištirpusiomis dujomis, paprastai yra perkelta į kavitacijos ertmės sferinės formos aproksimaciją. Šiuo atveju ši lygtis yra lygčių sistemos apibendrinimas sferinėmis koordinatėmis: tęstinumas, judėjimas nešiklio fazei, energijos balansas, šilumos laidumas, difuzija ir sąlygos sąsajoje. Pavyzdžiui, nepaisant difuzijos ir šiluminių faktorių, klasikinė Rayleigh – Lamb lygtis
at leidžia analizuoti sferinės ertmės R(t) paviršiaus radialinį judėjimą beribiame nesuspaudžiamame skystyje, kurio klampa μl ir tankis ρl, atsižvelgiant į fazių virsmų intensyvumą ζlv nurodytame paviršiuje ir fazių slėgio skirtumą ( pv - pl). Atminkite, kad šiame pristatyme nenagrinėjamas suspaudžiamas skystis, būdingas akustinei kavitacijai. Ypač įdomios yra sferinio burbulo formos stabilumo problemos.
Atitinkamai, kavitacijos burbulo elgesys ant sienos gali būti pavaizduotas kaip sudėtingas judesys (kai jis suskaidomas į radialinį ir transliacinį) su šaltiniu (nutekėjimu) centre ir pakeičiant srautą aplink dipolį, kai jo momentas yra nukreiptas. išilgai burbulo judėjimo. Veidrodinio vaizdo metodas leidžia apibūdinti dviejų simetrinių dipolių ir dviejų fiktyvių šaltinių suminį srauto potencialą, naudojamą pasirinktos sistemos kinetinei energijai apskaičiuoti. Antrosios rūšies Lagranžo lygčių sistema apibendrintomis koordinatėmis (burbulo spinduliui ir atstumui nuo jo centro iki sienos) leidžia įvertinti kavitacijos ertmės prie sienos augimo greičio režimus.
B. Kombinuotas metodas. Yra žinomas tradicinis būdas modeliuoti skysčių-garų-dujų sistemos srautus kaip nevienalyčius su dviem fazėmis („nešančioji“ - skysta ir „išsklaidyta“ - garų ir dujų derinys) kontinuumo pavidalu, laikantis įstatymų. kontinuumo, apibendrino R.I. Nigmatulinas. Šiuo atveju realizuojama charakteringų lygčių sistemos sudarymas erdvės ir laiko Eulerio kintamuosiuose, kai ieškomos funkcijos, pavyzdžiui, srauto greitis, yra nurodytos kiekviename erdvės taške ir jos esminė išvestinė laiko atžvilgiu yra prasminga. . Aktyviai kuriamas ir kitas šių terpių judėjimo modeliavimo būdas, kai nešiklio fazė yra kontinuumas (Eulerio kintamaisiais), o išsklaidyta fazė sudaro dalelių rinkinį, kurio padėtis nurodoma Lagranžo kintamaisiais – koordinatėmis. pasirinkta atskaitos sistema tam tikru metu. Tokiu atveju, priklausomai nuo tikslumo, siūloma kiekvienai fazei rasti reikiamas funkcijas, sprendžiant lygčių sistemas kiekvienai fazei atskirai, o po to išsiaiškinti tarpfazių masės, impulsų ir energijos perdavimų įtaką. Vykdant kavitacijos srautų apibūdinimo problemas, be deterministinių masės, impulso ir energijos tvermės lygčių, galima naudoti stochastinį metodą, pavyzdžiui, analizuojant branduolių susidarymo dažnį arba įvertinti burbuliukų spindulio pokytį. . Visų pirma, darbe garų burbuliukų koncentracijos įvedimas (įskaitant heterogeninį branduolio susidarymą ant sienos ir tūryje), papildytas vandens būsenos lygtimi teta būklės pavidalu, sukelia uždarymą Eulerio modeliavimo etapas. Šiuo atveju Rayleigh-Lamb lygtis Lagranžo stadijoje yra papildyta masės ir vidinės energijos tvermės dėsniais. Darbuose taikytas panašus modeliavimo metodas, tačiau naudojant homogeninio branduolio teoriją.
Pagrindiniai išsivysčiusios hidrodinaminės kavitacijos aprašymo metodai
Teoriniu požiūriu hidrodinaminės kavitacijos pereinamojo laikotarpio nuo pradinės iki išsivysčiusios stadijos aprašymas išlieka problemiškas, o išsivysčiusios ertmės stabilumo problemos turi ilgą istoriją. Kūno ertmės dalinio uždarymo mechanizmo (pavyzdžiui, sparnų, sraigtų judėjimo, simetriškų objektų sukimosi ir pan.) tyrimo klausimai dažniausiai nagrinėjami dirbtinės kavitacijos (superkavitacijos) požiūriu, kai kavitacinės ertmės uždarymas ant kūno papildomo oro įpurškimo pagalba tampa pilnas, tie. baigiasi už kūno, kai srauto greitis yra daug mažesnis nei išsivysčiusiose natūralios kavitacijos stadijose. Eksperimentiniai duomenys apie urvo formą rodo, kad jo uždarymo srityje susidaro upelis, kuris pažeidžia kavitacijos ertmės uodegos dalies vientisumą ir sudaro garų-dujų bangą. Paprastai tokiais atvejais naudojamas srovės teorijos metodas, kuris realų terpės srautą išplečia iki konforminio atvaizdavimo, naudodamas norimą transformacijos funkciją, kuri nurodoma įvairiais būdais. Yra žinomos plokštumos srautų skaičiavimo schemos: Kirchhoff, Zhukovsky - Roshko, Ryabushinsky, T. Wu, D.A. Efros, du M. Thulino atvaizdai ir jų modifikacijos. Tačiau šiame darbe apsiribosime požiūrių pateikimu su galimu jų pritaikymu hidrodinaminės kavitacijos reiškiniui vamzdynų reguliatorių srauto dalyse, t.y. burbulinės kavitacijos evoliucijos atveju.
Remiantis apžvalga, išsivysčiusios kavitacijos erozinės įtakos įvairių hidrodinaminių prietaisų darbiniams paviršiams laipsnį atitinkamai lemia du veiksniai dėl asimetriško ir simetriško kavitacijos ertmės griūties: kaupiamojo srauto susidarymo prie sienos. (arba kai teka aplink kūną) su vėlesniu galimu vandens plaktuku; sferinių smūginių bangų atsiradimas. Pavyzdžiui, darbe buvo įvertintas nurodyto srauto greitis tekant aplink kūną vienoje ertmėje, o tai leidžia apskaičiuoti kaupiamojo srauto slėgį kūno paviršiuje. Buvo atliktas skaitinis purkštuko vystymosi krypties prie pasvirusios sienos tyrimas. Darbe pateikiamas didelio greičio smūginės srovės modeliavimas cilindrinės skysčio kolonėlės pavidalu, veikiančios izotropinę elastinę puserdvę po kavitacijos burbulo griūties. Autorius taiko antrosios rūšies Lagranžo lygtis, kad apibūdintų sudėtingą vienos ertmės judėjimą su skaidymu į radialinį ir transliacinį judesį ir taiko konforminio atvaizdavimo metodą. A. Thiruvengadam darbe pateiktos kavitacinės erozijos intensyvumo skaičiavimo formulės, taip pat santykinis šerdies dydis, priklausomai nuo Weberio, Macho ir kavitacijos skaičiaus kriterijų. Burbulo griūties aprašymas yra susijęs su akustinės kavitacijos problemomis, ypač naudojant Kirwood-Bethe aproksimaciją ertmės paviršiaus judėjimui, atsižvelgiant į skysčio suspaudžiamumą.
Išvada
Taigi pradinis hidrodinaminės kavitacijos vystymosi etapas, remiantis eksperimentiniais duomenimis, skirstomas į garus (nepertraukiamose ertmėse), dujas (išsiplečiant nukleonams - dujų branduoliams) ir garus-dujas. Be to, galima dujų difuzija per garų ertmių sieneles ir dviejų tipų branduolių susidarymas: vienalytė (garų fazės svyravimas skystyje be priemaišų) ir nevienalytė (dujų-garų sistemai, pakibusiai priemaišų dalelėse, sienose ir jų plyšiuose). ). Išsivysčiusiame etape stebimas ertmių suspaudimas ir griuvimas, kuo greičiau, tuo mažesnis jų tūris dėl garų kondensacijos fazių ribose triukšmo poveikio metu ir vandens plaktuko iš supaprastintų kūnų. Didelis dujų kiekis garų-dujų sistemoje sukelia ertmės pulsavimą dėl galimo adiabatinio oro suspaudimo, kylant temperatūrai (iki 10 3 °C) ir švytėjimo. Žinomų literatūros šaltinių analizė atskleidė stochastinių, deterministinių požiūrių ir jų derinių panaudojimą pradinės hidrodinaminės kavitacijos stadijos aprašymo stadijoje. Tačiau skirtingi kavitacijos branduolių pasiskirstymai išilgai jų spindulių, naudojami žinomuose modeliuose, yra postuluojami remiantis eksperimentiniais duomenimis. Tiriant sukurtą etapą taikomas deterministinis metodas, naudojant reaktyvinės teorijos metodą.
Bibliografinė nuoroda
Kapranova A.B., Lebedev A.E., Meltser A.M., Neklyudov S.V., Serovas E.M. APIE PAGRINDINIŲ HIDRODINAMINĖS KAVITACIJOS RAJIMO ETAPŲ MODELIAVIMO METODUS // Fundamentalus tyrimas. – 2016. – Nr.3-2. – P. 268-273;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=40043 (prisijungimo data: 2019-09-16). Atkreipiame jūsų dėmesį į leidyklos „Gamtos mokslų akademija“ leidžiamus žurnalus
Terminas „kavitacija“ kilęs iš lotynų kalbos Cavitas(depresija, pertrauka, ertmė).
Šis terminas paprastai vartojamas fiziniam procesui, vykstančiam skysčiuose esant įvairioms sąlygoms, ir kurį lydi daugybės burbuliukų (tuštumų, ertmių) susidarymas ir suirimas.
Pagal kilmę kavitaciją galima apytiksliai suskirstyti į du potipius: hidrodinaminę ir akustinę.
Savo ruožtu hidrodinaminė kavitacija turi dar du poklasius – pavadinkime juos statine ir dinamine.
Kas yra kavitacija kaip fizinių ir cheminių savybių procesas?
Kavitacijos poveikis pagreitino druskų nusėdimą iš vandens, dėl ko užstrigo siurblio sparnuotė NVV-25.
| P (atm.) | T°C |
| 0.01 | 6.7 |
| 0.02 | 17.2 |
| 0.04 | 28.6 |
| 0.1 | 45.4 |
| 0.2 | 59.7 |
| 0.3 | 68.7 |
| 0.4 | 75.4 |
| 0.5 | 80.9 |
| 0.6 | 85.5 |
| 0.7 | 89.5 |
| 0.8 | 93 |
| 0.9 | 96.2 |
| 1 | 99.1 |
| 1.033 | 100 |
Vanduo gamtoje nėra vienalytė ir švari terpė be priemaišų. Visi skysčiai yra tirpalai, kuriuose yra gana daug priemaišų, daugiausia atmosferos dujų. Vandenyje iš atmosferos oro ištirpsta beveik dvigubai daugiau azoto nei deguonies.
Taigi 1 litre vandens 20°C temperatūroje ištirpsta maždaug 665 ml anglies dioksido, o 0°C – tris kartus daugiau.
daugiau, 1995 ml. 0°C temperatūroje viename litre H2O galima ištirpinti: Jis- 10 ml, H2S- 4630 ml.
Padidėjęs slėgis padidina dujų tirpumą.
Pavyzdžiui, esant 25 atm slėgiui, 1 litre vandens ištirpsta 16,3 litro anglies dioksido, o esant 53 atm – 26,9 litro, atitinkamai sumažinus slėgį, gaunamas priešingas poveikis. Jei paliksite indą su vandeniu per naktį, ant sienų susidarys dujų burbuliukai. Tai dar aiškiau ir greičiau galima pamatyti stiklinėje sodos. Vandens virimo metu taip pat matome burbuliukų susidarymą su dujomis ir garais.
Kavitacija (terminė) tam tikra prasme yra tas pats virimo procesas, kurį sukelia ne tik temperatūros padidėjimas
(nors tai taip pat yra vienas iš kavitacijos formavimosi faktorių, kartu su aukšta temperatūra ir sumažintu slėgiu virš skysčio, vyksta kavitacijos procesas, kurio metu skystis pereina į dujų ir vandens mišinį).
Vakuuminiu siurbliu išsiurbdami orą iš stiklinio butelio, gauname kavitacijos „virimo“ procesą kambario temperatūroje.
Vaizdo įrašas apie aprašytą efektą.
Tai ypač svarbu ir dažniausiai pasitaiko siurbimo sistemose. Darbaratis arba sraigtas siurbimo linijoje sukuria vakuumą, kuris, esant skysčio trūkumui įleidimo angoje (susiaurėja praėjimas, per didelis dujotiekio apsisukimų skaičius ir kt.), sudaro sąlygas kavitaciniam siurbimo virimui. skystis.
Labai dažnai klientai užduoda klausimą: kodėl jie negali įsiurbti aukštos temperatūros skysčių? Atsakymas slypi paviršiuje – sumažėjus slėgiui siurbimo vamzdyje, didžioji dalis vandens pereina į kitą agregacijos būseną, vadinamąją. vandens-dujų mišinys (kitaip tariant, kavitacijos verdantis vanduo), kurio iš principo nebeįmanoma pakelti įprastu vandens siurbliu.
Skysčio ir dujų tirpalas normaliomis sąlygomis yra pusiausvyroje, t.y. slėgis skystyje yra didesnis nei dujų sočiųjų garų slėgis, o sistema yra stabili. Tais atvejais, kai ši pusiausvyra sistemoje sutrinka, susidaro kavitacijos burbuliukai.
Panagrinėkime kavitacijos susidarymo statinėje sistemoje atvejį.
Dažniausiai kavitacija susidaro zonoje, esančioje ant siurblio slėgio linijos, jei ji susiaurėjusi.
Tie. skysčio slėgis po susiaurėjimo krenta (pagal Bernulio dėsnį), nes didėja nuostoliai ir kinetinė energija.
Sočiųjų garų slėgis tampa didesnis už vidinį slėgį skystyje, kai susidaro burbuliukai / ertmės. Pravažiavus siaurą dalį (tai gali būti šiek tiek atviras vožtuvas, lokalus susiaurėjimas ir pan.) krenta srauto greitis, didėja slėgis ir susitraukia dujų ir garų burbuliukai. Be to, šiuo atveju išsiskirianti energija yra labai labai didelė, dėl to (ypač jei tai vyksta burbuluose, esančiuose ant sienų) atsiranda mikrovandens plaktukai, dėl kurių pažeidžiamos sienos. Tokiu atveju, jei nebus imtasi priemonių, procesas pasieks visišką siurblio dalies sienelių sunaikinimą. Vibracija ir padidėjęs triukšmas siurblyje ir vamzdžiuose yra pirmieji kavitacijos požymiai.
Pagrindinės silpnosios vietos hidraulinėse sistemose yra susiaurėjimo vietos, staigūs skysčio tekėjimo greičio pokyčiai (vožtuvai, čiaupai, sklendės) ir siurblių sparnuotės. Didėjant paviršiaus šiurkštumui, jie tampa labiau pažeidžiami.
Atsižvelgiant į siurblio kavitacijos rezervą sistemos projektavimo etape.
Norint apskaičiuoti pakankamą sistemos kavitacijos rezervą, būtina apskaičiuoti
H– maksimalus galimas siurbimo aukštis nurodytomis sąlygomis, nurodytam siurbliui ir jo veikimui.
, Kur
Hf- nuostoliai siurbimo linijoje (m.w.c.) vandens stulpelio metrais,
Hv- skysčio sočiųjų garų slėgis darbinėje temperatūroje (m),
Hs- projektuotojų priimta saugos riba – 0,5 m.v.st.,
Pb- slėgis virš skysčio - atviroje sistemoje tai yra atmosferos slėgis, maždaug lygus 10,2 m.v.st. ( Pb*10.2)
Siurblio charakteristikos NPSH(Grynoji teigiama siurbimo aukštis) – tai siurbimo aukštis, išmatuotas prie siurblio įsiurbimo angos, sureguliuotas pagal konkretaus siurbiamo skysčio garų slėgį, esant didžiausiam siurblio našumui.
Tie. fizinė formulės reikšmė H= Pb*10,2 – NPSH – Hf – Hv – Hs yra tai, kad esant maksimaliems siurblio veikimo parametrams, vakuumas jo siurbimo vamzdyje neviršija skysčio sočiųjų garų slėgio darbinėje temperatūroje, t.y. sistema turėtų slėgį, reikalingą darbui be kavitacijos.
Iš čia visiškai akivaizdūs kiti būdai, kaip sumažinti kavitacijos tikimybę:
- pakeisti siurbimo skersmenį į didesnį - sumažinti nuostolius ( Hf),
- perkelkite siurblį arčiau skysčio įsiurbimo taško - sumažinkite nuostolius ( Hf),
- sumontuokite lygesnį vamzdį, sumažinkite apsisukimų skaičių, vožtuvus, vožtuvus - sumažinkite nuostolius ( Hf),
- sumažinti siurbimo vakuumą keičiant siurblio montavimo aukštį arba naudojant stiprintuvo siurbimo įrangą - padidinti ( Pb),
- sumažinti skysčio temperatūrą - sumažinti ( Hv),
- sumažinti siurblio našumą, sumažinti apsisukimų skaičių - sumažinti ( NPSH).
Visos šios priemonės skirtos sumažinti siurblio kavitacijos galimybę ir užtikrinti ilgalaikį bei saugų siurblių veikimą.
Pranešime pristatomi kai kurie energetiniai aspektai, lydintys darbą, plačiai reklamuojami kaip labai efektyvūs šiluminės energijos šaltiniai. Visų pirma buvo įrodyta, kad itin aukštų temperatūros ir slėgio gradientų atsiradimas įmanomas tik specialiai paruoštuose „švariuose“ vienalyčiuose skysčiuose. Šildymo sistemose naudojamomis „techninėmis“ sąlygomis projektų autorių teigiami efektai iš esmės neįmanomi.
Pastaruoju metu populiarūs mokslo ir technikos leidiniai, įskaitant internetą, buvo plačiai reklamuojami hidrodinaminiai prietaisai, skirtas naudoti vietinėse šildymo sistemose. Iš pirmo žvilgsnio tokių įrenginių veikimo principas atrodo gana paprastas.
Būdingas daugelio tokių unikalių šildytuvų aprašymų bruožas yra beveik visiškas jų teorinio pagrindimo nebuvimas, o tai, deja, neleidžia kiekybiškai įvertinti deklaruojamų parametrų objektyvumo.
Ryžiai. 1. Mažos katilinės schema
Fig. 1, kaip pavyzdys, parodyta katilinės, kurios aktyvusis elementas yra, schema sukamieji, kuris pristatomas kaip naujos kartos šilumos varikliai, kurie mechaninį, elektrinį ir akustinį poveikį skysčiui paverčia šiluma.
Rnrnrn rnrnrn rnrnrn
Aušinimo skysčio temperatūros padidėjimas, pasak autorių, atsiranda dėl šių poveikių: mechaninės energijos pavertimas dėl vidinės trinties, kuri atsiranda aušinimo skysčiui judant; elektros energijos pavertimas į šiluminė energija dėl elektrohidraulinio efekto ir šiluminių elementų šildymo; hidroakustinę energiją paverčia šilumine energija dėl kavitacijos ir sūkurio efektai. 2 pav. pateiktoje schemoje autoriai [ 1 ] priimamos šios žymos: 1 - elektros variklis, 2 - kavitacijos šilumos generatorius, 3 - manometras, 4 - boileris, 5 - oro vožtuvas, 6 - šildomo aušinimo skysčio tiekimo vamzdynas, 7 - temperatūros jutiklis, 8 - automatinis valdymo blokas, 9 - šilumokaitis, 10 - šildymo radiatorius, 11 - išsiplėtimo bakas, 12 - filtras aušinimo skysčiui valyti, 13 - cirkuliacinis siurblys.
Taigi pagrindinis schemos elementas yra kavitacijos šilumos generatorius 2 , kuris nagrinėjamu atveju yra rotorinio tipo įrenginys, plačiai naudojamas chemijos pramonėje (pvz., GART klasės sukamieji įrenginiai [ 2 ]). Be sukamųjų prietaisų, šiuo metu aktyviai reklamuojami ir bandoma moksliškai pagrįsti sūkurinių prietaisų, suprojektuotų remiantis Ranque vamzdžiai [3 ].
Sistemos kavitacijos šilumos generatoriai, nepaisant daugybės pavadinimų (antrieji projektai, matyt, dar nespėjo susitarti dėl terminijos) susideda iš keturių pagrindinių elementų (2 pav.): pavaros elektros variklis 1, siurblys 2, faktiškai kavitacijos šilumos generatorius 3 per kurią mechaninė energija paverčiama šiluminė energija ir šiluminės energijos vartotojas 4.
Ryžiai. 2. Tipinė kavitacinės šilumos generatoriaus blokinė schema
Supaprastintos blokinės schemos elementai 2 yra standartinės beveik visos hidraulinės sistemos, skirtos skysčiams ar dujoms transportuoti.
Tokių energijos transformatorių veikimo principą galima pastebėti viešai prieinamo siurblio lysvėms ir vejoms laistyti vasarnamiuose pavyzdyje. Į paprastą trijų litrų stiklainį reikia pripilti vandens ir priversti siurblį paimti vandenį iš stiklainio ir išpilti ten. Jau įtraukta 5 - 10 per kelias minutes galite būti įsitikinę, kad esate visiškai teisus Jamesas Prescottas Joule'as (1818–1889) apie galimybę mechaninį darbą paversti šiluma. Vanduo stiklainyje įkais. Poveikis dar ryškesnis, kai „sutrumpinamas“ namų dulkių siurblio įėjimas ir išėjimas. Tačiau tai rizikinga demonstracija, temperatūra pakyla taip greitai, kad galite neturėti laiko atskirti „įvesties“ ir „išvesties“, o tai sugadins įrenginį.
Šildytuvas, kurio schema pavaizduota čia, veikia maždaug taip pat, kaip ir automobilio variklio aušinimo sistema, tik išspręsta atvirkštinė problema, temperatūrą ne mažinant, o didinant. Pradėjus montuoti darbinis skystis išeina hidrodinaminė kavitacija energijos keitiklis 3 per siurblį 2 tarnavo trumpu keliuku iki įėjimo šilumos generatorius. Po kelių cirkuliacijų per mažąją (pagalbinę) grandinę, vandeniui pasiekus nustatytą temperatūrą, prijungiama antroji (darbinė) grandinė. Darbinio skysčio temperatūra nukrenta, bet tada, tinkamai parinkus sistemos parametrus, ji atkuriama iki reikiamos vertės.
Daugybė gamintojų reklamuojamų aktyvatorių konstrukcijų iš tikrųjų yra įrenginiai, kurie darbiniam skysčiui suteikia kinetinę energiją. Pasak projektų autorių, jiems pavyksta panaudoti „ypatingus“ dizaino bruožus šilumos generatoriai ir „netradicinius“ fizinius efektus, kad būtų pasiektos didelės efektyvumo vertės h > 0,9. Daugeliu intriguojančių atvejų h, pagal bandymų rezultatus viršija vieną. Aiškindami tokias neįprastas pakankamai ištirtų hidrodinaminių prietaisų ir procesų charakteristikas, mokslininkai tvirtina, kad jie gali panaudoti nežinomas kavitacijos reiškinių savybes (iki „ šalta» termobranduolinė sintezė) arba torsioniniai laukai, atsirandantis dėl besisukančio skysčio judėjimo.
Kaip taisyklė, termodinaminės sistemos su kavitacijos šilumos generatoriai Kaip pradinis mechaninės energijos šaltinis, jie retai turi vieną, o dažniau du elektros variklius, kurie užtikrina aušinimo skysčio cirkuliaciją sistemoje ir sudaro sąlygas palaikyti hidrodinaminę kavitaciją. Kitaip tariant, elektros energija E1 su atitinkamais nuostoliais k1 paverčiama mechanine energija
Rnrnrn rnrnrn rnrnrn
, (2)
Kur k 2- aušinimo skysčio srauto mechaninės energijos konversijos koeficientas (autorių terminologija - transformacija) į jo vidinę energiją, o reikšmė svyruoja, daugiausia nuo 0,9 į 4 . Jei vertė [email protected] su tam tikrais teoriniais supaprastinimais galima laikyti aukštas, bet tam tikru mastu realias, tada vertybes k 2 ≥ 1 reikalauja rimto teorinio pagrindimo. Energijos reiškinį projektų autoriai aiškina tuo, kad jų projektuose naudojamas unikalus būdas elektros energiją paversti šilumine energija naudojant „svyruojantį vakuumą kietos kavitacijos sąlygomis“ ir „vandens molekulių energiją“.
Neliesdami toliau, dėl akivaizdžių priežasčių, sukimo ir termobranduolinių problemų, taip pat fizinio vakuumo energijos, apsvarstysime kai kuriuos hidrodinaminės kavitacijos energetinio poveikio organizme ir masės perdavimo procesuose panaudojimo ypatybes. Virimo, akustinės ir hidrodinaminės kavitacijos procesus galima pavaizduoti kaip konkurencinės fazės susidarymo reiškinį nuolatiniame skystyje ertmių, užpildytų darbinio skysčio garais ir ištirpusiomis dujomis, pavidalu.
Atkreipkite dėmesį, kad hidrodinaminės ir akustinės kavitacijos reiškinys, nepaisant daugiau nei šimtmetį trukusių tyrimų, neatrodo iki galo aprašytas. Visi dalyvaujantys tyrinėtojai kavitacija procesus, jie sutinka, kad reiškinys kai kuriose jo apraiškose dar nenuspėjamas. Inžinerinių konstrukcijų ir įrenginių, kurių veikimas susijęs su kavitacijos atsiradimu ir atsiradimu (hidraulinės turbinos, laivų varikliai, siurbliai, maišymo įrenginiai, technologiniai įrenginiai), parametrai kartu su teorinių tyrimų rezultatais papildomi eksperimentiniais duomenimis, pagrindais. iš kurių modeliavimas kavitacija reiškiniai specialiuose stenduose [ 4-7 ]. Tačiau apie kavitaciją jau žinoma daug. Bent jau iki šiol buvo nustatyti pagrindiniai modeliai, susiję su jo atsiradimu ir eiga. Mokslininkai ir inžinieriai išmoko sėkmingai užkirsti kelią destrukcinėms apraiškoms (pavyzdžiui, superkavituojantiems laivų sraigtams) ir panaudoti juos technologiniuose procesuose, kai reikia ką nors sunaikinti, pavyzdžiui, netirpių skysčių daleles, arba organizuoti chemines reakcijas, kurios normaliomis sąlygomis nevyksta. .
Tyrėjai jau seniai atkreipė dėmesį į energijos poveikį, kuris lydi konkurencinės fazės atsiradimą skystyje esant slėgio sąlygoms, atitinkančioms darbinio skysčio sočiųjų garų slėgį. IN 1917 m Lordas Rayleighas išsprendė slėgio, atsirandančio skystyje, problemą, kai griūva „tuščia“ sferinė ertmė. 4 ]. Sferinės simetrijos atveju, kai skystis supa ertmę supantis radialinis irrotacinis srautas, buvo gauta kinetinės energijos lygtis. K L
, (3)
Kur p L- skysčio tankis, u- radialinis greitis savavališku atstumu r > R nuo ertmės centro, v r- ertmės sienelės radialinis greitis. Pagal teoremą skysčio kinetinės energijos pokytis turi būti lygus darbui, kurį atlieka skysčio masė uždarant ertmę.
(4)
kur yra skysčio slėgis per atstumą, Rmax- ertmės spindulys jos griūties momentu, R0- galutinis ertmės spindulys. Prilyginamas ( 3 ) Ir ( 4 ), galime gauti sferinės ertmės paviršiaus judėjimo greičio lygtį
. (5)
Taigi, pavyzdžiui, bylai R max =10 -3 m Ir R 0 = 10 -6 m adresu = 105 Pa, p L =103 kg/m 3 ertmės sienelės greitis lygus v r @ 1,4 × 10 4 m/s, kuris yra eilės tvarka didesnis nei garso greitis vandenyje. Skysčio, užpildančio kavitacijos ertmę, kinetinės energijos kiekis atitiks lygtį ( 3 ) vertė
, (6)
Jei tik manytume, kad 10% skysčio kinetinė energija paverčiama šiluma, tada maksimalus vietinis temperatūros pokytis ertmės griūties srityje bus apytikslis
Kur s @ 4200 J/kg × K- specifinė vandens šiluminė talpa. Natūralu manyti, kad su tokiais aukšta temperatūra Galimi procesai molekuliniu ir atominiu lygiu. Reikia manyti, kad būtent tokie skaičiavimo rezultatai paskatino kavitacinių šilumos generatorių projektuotojus manyti, kad gali kilti „šaltų“ termobranduolinės sintezės reakcijų.
Rnrnrn rnrnrn rnrnrn
|
1 lentelė
|
Turėtume nepamiršti, kad atlikti skaičiavimai buvo atlikti remiantis teorija, leidžiančia neribotai padidinti ertmės ribų slėgį ir greitį galutiniuose uždarymo etapuose idealiame skystyje, kurio didžiausias tūrinis stiprumas. z, kurių teorinės reikšmės pateiktos lentelėje. 1 . Slėgio ir temperatūros įtakoje tarpmolekuliniai atstumai skystyje gali keistis, o pasiekus kiekvienam skysčiui gana specifinę ribą, atsiranda pertrūkis. Pavyzdžiui, vandens tarpmolekulinis atstumas yra L 0 @ 3 × 10 -10 m , kuri leidžia nustatyti didžiausią tempimo įtempį kaip
|
. (8)M. Kornfeldo duomenys gauti konkurencinės garų fazės atsiradimui vienu metu visame skysčio tūryje, o tai praktiškai niekada nepastebima. Jei vanduo būtų nurodyto stiprumo, tada gautume kavitacija aptartų prietaisų sąlygomis būtų neįmanoma. Praktikoje, esant specialiai paruoštoms skysčių porcijoms, kuriose nėra nevienalytiškumo, dėl šiluminių svyravimų gali susidaryti garų branduoliai. Garų branduolių tūrio padidėjimas galimas, jei skysčio sočiųjų garų slėgis viršija išorinį slėgį, t.y.
, (9)
Kur psp- skysčio sočiųjų garų slėgis, sL/sp- paviršiaus įtempimo koeficientas skysčio ir garų sąsajoje. Branduolių, galinčių prarasti stabilumą per laiko vienetą skysčio tūrio vienete, skaičius nustatomas pagal Ya.B lygtį. Zeldovičius [ 5 ]
, (10)
Kur n 0 - susidariusių branduolių skaičius, F- pastovus daugiklis, kB@ 1,4 × 10 -23 J/K- Boltzmanno konstanta, T- absoliuti temperatūra, A (R 0 ) - branduolio formavimo darbas
pirmasis terminas apibūdina energijos kiekį, sunaudojamą kuriant laisvą paviršių, antrasis terminas ( 11
) - naujos ertmės su spinduliu formavimo darbas R0, trečia, darbas, reikalingas užpildyti ertmę garais.
Taigi, norint sukurti vienalyčiame skystyje išorinių jėgų mikronehomogeniškumą, reikia atlikti tam tikrą darbą. Kitaip tariant, skysčio būklės pasikeitimas, įskaitant susidarymą kavitacija branduoliai, atsiranda dėl energijos tiekimo iš išorinių šaltinių. Gautas kavitacijašerdis gali padidinti arba sumažinti savo tūrį priklausomai nuo išorinio slėgio ir garų slėgio santykio šerdies viduje. Branduolio augimo sąlygą galima gauti sujungus lygtis ( 11
) Ir ( 10
), t.y. iš lygties ( 11
) nustatyti vertę R0 ir pakeiskite šią reikšmę į sąlygą ( 9
)
, (12)
Kur 1/t = dn 0/dt, t- skysčio tūrio vieneto tęstinumo pertraukos laukimo laikas. Darant prielaidą, kad vienaskaita kavitacijašerdis pagal tūrį 1 cm3 susidarė per vieną sekundę ir imama pagal Kornfeldą A@ 10 3 1 s - 1 m 3 pasirodo
Šiuo atveju
.(12)
Pagal ( 12 ) vandens tempimo stiprio vertė yra lygi z @ 1,6 × 10 8 Pa, beveik du kartus mažiau nei teorinė Kornfeldo vertė ir tris kartus mažesnė už molekulinę lygtį ( 8 ).
Kaip nustatyta eksperimentiškai [ 4 - 7 ], kavitacija skysčių stiprumas yra keliomis eilėmis mažesnis nei teorinės vertės. Pavyzdžiui, M.G. Sirotyuk [ 7 ] ir G. Flynnas [ 6 ] matavimai buvo paskelbti kavitacija distiliuoto išgryninto ir vandentiekio vandens stiprumas. Matuojant akustinio slėgio ribines vertes skirtingais dažniais, kuriais buvo užregistruota konkurencinės fazės atsiradimas, buvo gautos minimalios neapdoroto vandentiekio vandens slėgio vertės. pc r @ 5 × 10 4 Pa o distiliuotam paruoštam vandeniui - pc r @ 4 × 10 7 Pa.
3 pav. Eksperimentinės kavitacijos atsiradimo vandenyje slenksčiai
Pagrindinė tokio reikšmingo išsibarstymo priežastis kavitacija Vandens stiprumas – jo nevienalytiškumas, t.y. buvimas joje kavitacija branduoliai, užpildyti dujomis ir skysčių garais, kitaip tariant, skystyje jau esančiuose kritinio spindulio branduoliuose atsiranda konkurencinė fazė R c r kai jie patenka į žemo slėgio sritis.
Jei pripažįstame, kad pagrindinis plėtimosi procesas vyksta pagal adiabatinę schemą, tada ryšys tarp pradinio P G(0) ir srovės P G Dujų slėgis tūrį didinančioje šerdyje gali būti pavaizduotas remiantis Puasono lygtimi, gali būti pavaizduotas taip
Kur g- adiabatinis indeksas. Šiuo atveju šerdies, esančios šalia kintančio tūrio, kinematikos parametrus galima išreikšti šia diferencialine lygtimi [ 5 ]
. (14)
Didžiausiai radialinio greičio komponento vertei vietoj lygties ( 5 v r (maks.) @ 534 m/s kas yra 26 kartų mažesnis, hipotetinis temperatūros gradientas pagal lygtį ( 7 ) bus
,(16)
kuri yra neproporcingai žemesnė už „termobranduolinę“ temperatūrą, minimą publikacijose, skirtose kavitacijos šilumos generatoriai. Taip pat reikia nepamiršti, kad šildymo sistemose naudojamas įprastas vandentiekio vanduo aukšto lygio dujų kiekis, kuriame akivaizdžiai yra palyginti daug Kavitacija dujomis užpildytų branduolių. Kai tokie branduoliai patenka į žemo slėgio zonas, branduoliai padidins savo tūrį iki tam tikros maksimalios vertės, o tada jų tūris periodiškai keisis savo dažniu.
. (18)
Kavitacijos ertmėje sukaupta energija iš dalies bus generuojama akustinių virpesių pavidalu, o transformacijos į šiluminę energiją koeficientas neviršys 1% nuo visos ertmės energijos.
Reikėtų nepamiršti, kad hidrodinaminės sistemos kavitacijos šilumos generatoriai yra uždaryti (2 pav.), o tai rodo, kad yra cirkuliacinė kilpa. Skystis, praėjęs per žemo slėgio zoną šilumos generatoriuje, po trumpo laiko vėl ten atsiduria. Tokiai skysčių cirkuliacijai per kavitacijos zoną būdingi histerezės reiškiniai [ 8 ], kai pasikeičia kavitacijos branduolių skaičius ir dydžio pasiskirstymas. Kavitacija skysčio stiprumas mažėja, sistemoje cirkuliuoja dujų užpildyti burbuliukai, kurių matmenys neleidžia jiems pasiekti išsiplėtimo bako vandens paviršiaus (1 pav.).
Taigi, remiantis atlikta analize, galime prieiti prie išvados, kad šilumos generatorių sąlygomis hidrodinaminė kavitacija negali būti laikoma papildomos energijos šaltiniu. Ansamblis besiplečiančių, griūvančių ir pulsuojančių kavitacija Urvas pristatomas kaip savotiškas energijos transformatorius, kurio efektyvumas iš esmės, kaip ir bet kurio transformatoriaus, negali viršyti vieno.
Literatūra
tstu.ru/structure/kafedra/doc/maxp/eito6.doc
Fridmanas V.M. Ultragarsinė cheminė įranga. - M.: Mechanikos inžinerija, 1967. - 211 p.
Potapov Yu.S., Fominsky L.P., Sūkurio energija ir judėjimo teorijos požiūriu. - Kišiniovas - Čerkasai: OKO-Plus. ,2000. - 387 p.
Knapp R., Daly J., Hammit F. Kavitacija. - M.: Mir, 1974. - 678 p.
Pernikas A.D. Kavitacijos problemos. - L.: Laivų statyba, 1966. - 435 p.
Rnrnrn rnrnrn rnrnrn
Flin G. Akustinės kavitacijos fizika skysčiuose. Knygoje. Fizinė akustika, // red. W. Mason, T 1, - M.: Mir, 1967, p. 7 - 128.
Sirotyukas M.G. Eksperimentiniai ultragarsinės kavitacijos tyrimai. Knygoje. Galingi ultragarso laukai, // red. L.D. Rosenberg, 1968. 168–220 p.
Vasilcovas E.A., Isakovas A.Ya. Kavitacijos histerezės savybės // Taikomoji akustika. t. 6. -Taganrogas: TRTI, 1974. -P.169-175.
