Cтраница 1
Присоединенная кавитация, несомненно, возмущает течение в пограничном слое. С одной стороны, поскольку жидкость полностью отрывается от поверхности у начала кавитационной зоны и присоединяется к ней только у ее конца, обычное поверхностное трение на этом участке поверхности отсутствует. В то же время образуется возвратное течение, которое создает отрицательное трение. С другой стороны, возвратное течение, вероятно, состоит в основном из жидкости, находившейся в пограничном слое перед кавитационной зоной. Следовательно, непосредственно за каверной должна образоваться область восстановления пограничного слоя, в которой обмен количеством движения несколько больше среднего, что должно компенсировать отрицательное трение возвратного течения. В конечном счете при образовании зоны присоединенной кавитации поверхностное трение, по-видимому, уменьшается. [1]
Присоединенной кавитацией называется явление, возникающее иногда после начала кавитации, при котором поток жидкости отрывается от твердой границы обтекаемого тела или стенки канала с образованием полости, или каверны, на твердой границе. Неподвижная, или присоединенная, каверна устойчива только в квазистационарном смысле. Ее граница иногда имеет вид поверхности интенсивно кипящей турбулизованной жидкости. В других случаях поверхность раздела между жидкостью и большой каверной может быть гладкой и прозрачной. В жидкости около поверхности большой каверны наблюдается большое количество мелких перемещающихся нестационарных каверн. Эти мелкие каверны быстро растут почти до максимального размера у начала основной каверны и практически не изменяются до ее конца, где они исчезают. [2]
Перемещающаяся нестационарная кавитация и присоединенная кавитация имеют одно общее свойство: в обоих случаях благодаря образованию полостей снимается растягивающее напряжение, которое создается в жидкости в начале зоны кавитации. [3]
Калифорнийского технологического института, присоединенная кавитация может охватывать большую площадь, чем предполагалось ранее. [4]
Заслуживают внимания следующие проблемы присоединенной кавитации. [5]
По крайней мере в некоторых случаях около одной и той же направляющей поверхности в одинаковых условиях могут развиваться как перемещающаяся кавитация, так и присоединенная кавитация в зависимости от физических свойств жидкости и содержащихся в ней примесей, главным образом от типа ядер кавитации. В тех случаях, когда степени кавитационной зоны одинаковы при одинаковых значениях / С, распределение давления на теле подобно для обоих типов кавитации. При этом сопротивление для обоих типов должно быть одинаковым, поскольку его можно рассчитать по распределению давления. [6]
Следует предостеречь от ошибочного предположения, что эти изменения давления несущественны для больших насосов просто потому, что они происходят при относительно высокой частоте вращения рабочего колеса насоса. Согласно наблюдениям за механизмом присоединенной кавитации, колебания каверны чувствительны к изменениям длительностью порядка 0 001 с. В связи с этим изменение давления за время каждого оборота рабочего колеса центробежного насоса, имеющего частоту вращения, например 200 об / мин, происходит столь медленно, что давление на лопасти является квазистационарным при любом угловом положении рабочего колеса. [7]
Основной особенностью перемещающейся и вибрационной кавитации является нестационарный рост и схлопывание отдельных каверн или пузырьков. Кроме того, нестационарные каверны могут существовать также и в случае присоединенной кавитации, а также вихревой кавитации. В любом случае существования нестационарных пузырьков, если их концентрация достаточно мала, каждый пузырек ведет себя независимо от других. Поэтому поведение отдельного пузырька на протяжении простого цикла расширения и схлопывания представляет интерес для всех типов кавитации. [8]
Наблюдения зон разрушения во многих типах гидравлического оборудования согласуются с результатами лабораторных экспериментов в том, что зона максимального разрушения расположена в конце каверны, хотя зона разрушения в целом гораздо шире и простирается вверх и вниз по потоку от зоны максимального разрушения. Это, по-видимому, свидетельствует о том, что разрушение в гидравлических машинах вызывает в основном присоединенная кавитация. Из этого факта следует один важный вывод: разрушающийся участок направляющей поверхности не является областью наименьшего давления, в которой возникает кавитация, так как эта область обнаружена выше по потоку от поврежденной поверхности, а именно в начале каверны. [9]
Влияние свойств смачиваемости жидкости на кавитацию определить количественно довольно трудно. Если бы между потоком жидкости и направляющей поверхностью не существовало сил адгезии, то в каждой точке поверхности, в которой давление оказывалось бы ниже давления насыщенного пара, должна бы развиваться присоединенная кавитация независимо от существования ядер кавитации в самой жидкости. Однако, по-видимому, существует немного таких жидкостей ( если они вообще существуют), способных циркулировать в течение некоторого времени, сохраняя сплошность и не создавая вследствие очищающего действия течения достаточно сильной связи с поверхностью, при которой кавитация начинается прежде всего в массе жидкости. Например, известно, что ртуть может прилипать к стеклу, хотя обычно считается, что она стекло не смачивает. Кажется также вероятным, что в смесях жидкостей, плохо смачивающих твердые поверхности, содержится множество ядер, и в них легко начинается кавитация, когда местное давление в течение достаточного промежутка времени падает ниже давления насыщенного пара. [10]
Имеются некоторые качественные данные, согласно которым масштабный эффект, связанный с задержкой по времени, меньше влияет на частично и полностью развитую кавитацию по сравнению с ее начальной стадией. Это согласуется с представлением о том, что время начального роста ядра является основным фактором, влияющим на задержку возникновения кавитации, в то время как скорость парообразования, по-видимому, оказывает определяющее влияние на рост пузырей и установление отдельных фаз присоединенной кавитации. [11]
Фотографии, подобные представленным на фиг. Они, по-видимому, попадают внутрь поверхностной пелены жидкости, из которой впоследствии образуется обратная струя. Следовательно, эти пузырьки уносятся либо в застойную зону, либо вверх по течению внутрь каверны. По всей вероятности, лишь очень немногие из них проникают достаточно далеко в основное течение и уносятся вниз по течению в обход застойной зоны. Факт, что именно перемещающиеся каверны играют главную роль в разрушении, вызываемом присоединенной кавитацией, позволяет сделать дополнительные выводы. [12]
Часто не понимают, что в месте удара водяной струи о дно русла всегда возникает возвратное течение, которое, вероятно, является основным фактором, определяющим потерю напора падающего потока воды. С увеличением высоты падения угол падения стремится к прямому и расходы в струях, образующихся при разделении основной струи, выравниваются. При этом во многих случаях развиваются скорости, которые превышают обычные скорости в гидравлических машинах. Следовательно, несмотря на недостаток подтверждающих данных, весьма вероятно, что эрозия в рассматриваемом случае отчасти определяется или ускоряется кавитацией. Как мы увидим в дальнейшем, другой интересной аналогией между разрушающим действием падающего потока воды и присоединенной кавитацией является аналогичное расположение зоны максимального разрушения относительно возвратного течения. [13]
Присоединенная кавитация, несомненно, возмущает течение в пограничном слое. С одной стороны, поскольку жидкость полностью отрывается от поверхности у начала кавитационной зоны и присоединяется к ней только у ее конца, обычное поверхностное трение на этом участке поверхности отсутствует. В то же время образуется возвратное течение, которое создает отрицательное трение. С другой стороны, возвратное течение, вероятно, состоит в основном из жидкости, находившейся в пограничном слое перед кавитационной зоной. Следовательно, непосредственно за каверной должна образоваться область восстановления пограничного слоя, в которой обмен количеством движения несколько больше среднего, что должно компенсировать отрицательное трение возвратного течения. В конечном счете при образовании зоны присоединенной кавитации поверхностное трение, по-видимому, уменьшается. [14]
Все три типа кавитации - перемещающаяся, присоединенная и вихревая - - могут развиваться почти в любом гидравлическом оборудовании. Присоединенная и перемещающаяся кавитация обнаруживаются чаще всего там, где поток отрывается от направляющей поверхности. Существование вихревой кавитации связано, кроме того, с наличием при отрыве потока градиента давления, параллельного направляющей поверхности и нормального к потоку, например при образовании концевых вихрей гребного винта. Поэтому вихревая кавитация часто возникает в зонах интерференции. В настоящее время неизвестны факторы, определяющие тип кавитации ( присоединенной или перемещающейся) в данной критической области. Известно только, например, что если направляющая поверхность резко отклоняется от направления потока, то развивается присоединенная кавитация. Если отклонение поверхности происходит постепенно, то может возникнуть перемещающаяся кавитация. Эти два типа кавитации часто происходят одновременно на соседних участках одной и той же рабочей лопасти. Единственное очевидное различие в условиях их возникновения связано с интервалом изменения углов атаки, который для перемещающейся кавитации меньше. [15]