Cтраница 4
В тех случаях, когда имеется основной поток, картина существенно усложняется, так как образование и схлопывание каверн обычно происходит в разных местах. Если условия на поверхности тела или границе течения точно соответствуют условиям возникновения кавитации, то каверны могут схлопы-ваться рядом с местом их образования. Однако в ограниченных областях условия для возникновения кавитации не могут существовать длительное время. Вместо этого устанавливаются давление и другие параметры потока, соответствующие скорее стадии развитой кавитации. В этом случае точка минимума давления и зона схлопывания каверны разделены некоторым расстоянием независимо от того, идет ли речь об отдельном пузырьке в потоке жидкости или о более сложном типе присоединенной каверны, о которой говорилось в гл. [46]
Как указывалось в разд. Поэтому важное значение имеют фотографические методы. В первых исследованиях часто ограничивались единичными фотографиями, полученными с помощью обычных камер. Поскольку стандартные скорости затворов совершенно недостаточны для предотвращения смазывания изображения, то для получения коротких экспозиций обычно использовалась одна из нескольких разновидностей электронных импульсных источников света. Чрезвычайно легко сделать неосознанное предположение, что вид кавитационной зоны, зафиксированной на единичной фотографии, точно отражает это явление. Наблюдения, проведенные с помощью высокоскоростной киносъемки, подобные исследованиям цикличности присоединенной каверны, рассмотренным в гл. Поэтому аппаратура для высокоскоростной киносъемки представляет особую ценность для лабораторий, занимающихся исследованием кавитации. [47]
При дальнейшем уменьшении параметра К смесь пузырьков и воды охватывает всю хвостовую часть тела. Протяженность кавитационной зоны и интенсивность кавитации в следе будут возрастать до тех пор, пока внутренняя область следа не окажется целиком охваченной кавитацией и из нее не будет полностью вытеснена жидкость. Такое течение в следе называется суперкавитацией. Примеры полностью развитых кавитационных следов за круговым цилиндром представлены на мгновенных фотографиях ( фиг. За основной каверной тянется ка-витационный след, имеющий периодический характер. Каверна совершает колебания в длину и из стороны в сторону, что приводит к появлению периодически изменяющихся сил, приложенных к телу. Кавитационный след аналогичен течению с массой мелких пузырьков, уносимых потоком после отрыва присоединенных каверн ( разд. [48]
Если длина паровой или газовой каверны становится очень большой по сравнению с размерами тела, то ее называют суперкаверной. Суперкаверны образуются 1) вследствие роста присоединенной каверны или 2) вследствие вытеснения жидкости из гидродинамического следа за счет развития паровой кавитации, как в примерах, описанных в предыдущем разделе, или за счет подвода газа в области низкого давления в следе. При вдуве газа число кавитации уменьшается при неизменной скорости и абсолютном давлении. Это следует из формулы (2.3), где. Сь - число кавитации, выраженное в более общем виде через давление в пузырьке, а не через давление насыщенного пара. Каверны, поддерживаемые за счет подвода газа, называются вентилируемыми. Если в каверну подводится слишком много газа, то она может стать неустойчивой. В этом случае на ее поверхности возникают волны, и она пульсирует по длине и ширине. Другими словами, вентилируемые и паровые каверны, по-видимому, имеют много общего и обе по мере роста становятся более устойчивыми, чем более короткие присоединенные каверны. [49]
Во всех экспериментах длина каверн поддерживалась постоянной, что соответствует постоянному числу кавитации, а скорость течения изменялась от максимально достижимой в трубе до величины, при которой впадины практически не образовывались. Согласно ранее проведенным экспериментам, вплоть до момента, когда число впадин, приходящихся на единицу площади поверхности, становилось столь большим, что их трудно было-сосчитать, частота образования впадин при данных параметрах течения оставалась постоянной. Во всех случаях поверхность пластин выглядела аналогично. Полученные результаты представлены на фиг. Они показывают, что частота образования впадин в сильной степени зависит от скорости течения. Действительно, судя по наклону кривых в логарифмических координатах, она пропорциональна примерно шестой степени скорости. Потребуется еще немало экспериментальных данных, чтобы четко определить область применимости этого соотношения. В случае присоединенных каверн, образующихся при других условиях, были получены другие эмпирические соотношения. [50]
Таким образом, свободная поверхность всегда является выпуклой со стороны жидкости. Предельное значение / С, при котором восстанавливающая сила отсутствует, достигается там, где давление в жидкости по любому боковому направлению со стороны кавитационной поверхности равно давлению в каверне; следовательно, каждая частица жидкости движется по прямой линии и каверна простирается до бесконечности. Поэтому для течения при таком предельном значении К понятие направляющей поверхности не имеет смысла. Можно построить бескавитационную направляющую поверхность для любого значения / О В потоке с присоединенной каверной свободная поверхность, действительно, является направляющей поверхностью. Если каверну заполнить твердым веществом, то течение должно остаться неизмененным и новая твердая поверхность должна быть бескавитационной. На практике это утверждение требует двух уточнений. Во-первых, на поверхности раздела каверны трение практически отсутствует, и если каверну заполнить твердым веществом, то появится поверхностное трение, которое несколько изменит течение. Однако это влияние довольно мало и обусловленное им изменение течения не должно вызывать кавитацию. Второе уточнение относится к условиям в конце кавитационной зоны. В присоединенной каверне возникает новое явление - возвратное течение. Бескави-тационная твердая граничная поверхность не должна воспроизводить эту область течения и должна быть направлена таким образом, чтобы обеспечить поворот потока параллельно поверхности, расположенной ниже по потоку. [51]