Кавитационные режимы течения

В некоторых случаях при движении жидкости в закрытых руслах происходят явления, связанные с изменением агрегатного состояния жидкости, т.е. с превращением ее в пар, а также с выделением из жидкости растворенных в ней газов.

Например, при течении жидкости через местное сужение трубы происходит увеличение скорости и падение давления. Если абсолютное давление при этом достигает значения, равного упругости насыщенных паров этой жидкости при данной температуре, то в данном месте потока начинается интенсивное парообразование и выделение газов, т.е. местное кипение жидкости. В расширяющейся части потока скорость уменьшается, а давление возрастает и кипение прекращается; выделившиеся пары частично или полностью конденсируются, а газы постепенно растворяются.

Наглядно это явление можно продемонстрировать на простом устройстве (рис. 4.4). Вода или другая жидкость под давлением в несколько атмосфер подводится к регулировочному крану (вентилю) А и далее протекает через стеклянную трубку, которая сначала плавно сжимает поток, затем еще более плавно его расширяет и выводит в атмосферу через кран Б.

При небольшом открытии регулировочного крана и, следовательно, при малых значениях расхода и скорости, падение давления в узком месте трубки незначительно, поток вполне прозрачен и кавитации нет. При постепенном открывании крана А в трубке происходит увеличение скорости и падение абсолютного давления.

При p_абс=p_t где p_t - упругость насыщенных паров, в трубке появляется отчетливо видимая зона кавитации, размеры которой возрастают по мере дальнейшего открытия крана. Кавитация сопровождается характерным шумом, а при длительном ее воздействии также эрозионным разрушением металлических стенок. Последнее объясняется тем, что конденсация пузырьков пара происходит со значительной скоростью, частицы жидкости, заполняющие полость конденсирующегося пузырька, устремляются к его центру и в момент завершения конденсации вызывают местный гидравлический удар, т.е. значительное местное повышение давления. Разрушение материала при кавитации происходит не там, где выделяются пузырьки, а там, где они конденсируются.

Рис. 4.4. Схема канала с кавитацией в потоке жидкости.

Кавитация в обычных случаях является нежелательным явлением и ее не следует допускать в трубопроводах и других гидравлических системах. При возникновении кавитации значительно возрастает сопротивление трубопроводов и, следовательно, уменьшается их пропускная способность.

Кавитация может возникать во всех устройствах, где поток претерпевает местное сужение с последующим расширением, например, в кранах, вентилях, задвижках, диафрагмах, жиклерах и др. В отдельных случаях возникновение кавитации возможно также и без расширения потока вслед за его сужением, а также в трубах постоянного сечения при увеличении нивелирной высоты и гидравлических потерь.

Кавитация может иметь место в гидравлических машинах (насосах и гидротурбинах), а также на лопастях быстро вращающихся гребных винтов. В этих случаях следствием кавитации является резкое снижение коэффициента полезного действия машины, и затем постепенное разрушение ее деталей, подверженных воздействию кавитации.

В самолетных гидравлических системах кавитация может возникать в связи с уменьшением наружного давления при подъеме на высоту. В этом случае область кавитации распространяется на значительную часть трубопровода низкого давления (всасывающего трубопровода) или даже на всю его длину. Поток в трубопроводе при этом делается двухфазным, состоящим из жидкой и паровой фаз.

В начальной стадии паровыделения паровая фаза может быть в виде мелких пузырьков, приблизительно равномерно распределенных по объему движущейся жидкости (рис. 4.5, а). При дальнейшем паровыделении паровая фаза увеличивается и происходит укрупнение пузырьков, которые в горизонтальной трубе движутся преимущественно в верхней части сечения (рис. 4.5, б). Наконец, возможны случаи полного разделения паровой и жидкой фаз и движения их самостоятельными потоками: первая - в верхней, вторая - в нижней части сечения трубопровода (рис. 4.5, в). При небольших диаметрах трубопровода возможно образование паровых пробок и движение фаз чередующимися столбиками (рис. 4.5, г).

Очевидно, что с увеличением паровой фазы пропускная способность трубопровода значительно уменьшается. Конденсация выделившихся паров (частичная или полная) происходит в насосе, где давление значительно повышается, и в напорном трубопроводе, по которому жидкость движется под большим давлением от насоса к потребителю.

Рис. 4.5. Схемы потоков жидкости содержащих воздух

Явление кавитации происходит по-разному в однокомпонентных (простых) и многокомпонентных (сложных) жидкостях. Для однокомпонентной жидкости давление, соответствующее началу кавитации, вполне определяется упругостью насыщенных паров, зависящей только от температуры, и явление кавитации протекает так, как было описано выше.

Многокомпонентная жидкость состоит из так называемых легких и тяжелых фракций. Первые обладают большим значением упругости паров, чем вторые, поэтому при кавитации сначала выкипают легкие фракции, а затем тяжелые. Конденсация же паров происходит в обратном порядке: сначала выпадают тяжелые фракции, затем - легкие.

При наличии легких фракций многокомпонентные жидкости более склонны к кавитации и паровая фаза в них удерживается дольше, но процесс кавитации выражен менее резко, чем у жидкостей однокомпонентных.

Для характеристики режимов течения в отношении кавитации применяется безразмерный критерий, называемый числом кавитации и равный.

где р и u - соответственно абсолютное давление и скорость потока.

Очевидно, что по своему смыслу число кавитации аналогична числу Eu. Однако иногда оказывается удобнее применять несколько иное выражение числа кавитации, а именно

(4.9)

где Н - полный напор потока (z=0).

Из предыдущего изложения ясно, что в месте возникновения кавитации χ=0 и s=1. Но обычно число кавитации c (или s) определяют на входе в тот или иной агрегат, внутри которого возможно возникновение кавитации χ.

Значение χ (или s), при котором в агрегате начинается кавитация, называется критическим числом кавитации. При χ>χ_кр коэффициент сопротивления агрегата z от χ не зависит, а при χ<χ_кр сопротивления агрегата z, возрастает с уменьшением χ.

Обычно стремятся к тому, чтобы кавитацию в гидравлических системах не допускать. Но иногда это явление может оказаться полезным. Например, оно используется в так называемых кавитационных регуляторах расхода.

Принцип действия такого регулятора можно рассмотреть, вернувшись к схеме, показанной на рис 4.4. Предположим, что давление (р₁) в сечении 1 - 1 является постоянным (степень открытия крана А - неизменная), а давление (р₃) в сечении 3 - 3 постепенно уменьшается увеличением степени открытия крана Б. Благодаря этому расход через трубку увеличивается, а давление (р₂) в узком сечении 2—2 уменьшается.

Так будет происходить до тех пор, пока давление р₂ не сделается равным давлению насыщенных паров р_t и в сечении 2 - 2 не возникнет кавитации. При дальнейшем увеличении степени открытия крана Б область кавитации в узком месте трубки будет увеличиваться, а давление р₂ будет оставаться равным р_t. Расход при этом будет оставаться постоянным, несмотря на падение давления р₃.

Таким образом, удается стабилизировать расход жидкости через регулятор в условиях, когда противодавление р₃ меняется в пределах от критического (р₃) _кр, соответствующего началу кавитации, до нуля.

На рис. 4.6 приведены результаты испытаний кавитационного регулятора расхода, выполненного в виде трубки Вентури с осесимметричной дроссельной иглой для изменения площади узкого сечения.

На рис. 4.6, а даны кривые зависимости расхода Q от давления на выходе р₃=р_вых при разных значениях давления на входе р₁=р_вх для одного из положений регулировочной иглы, а на рис. 4.6, б те же кривые перестроены в безразмерных координатах Q/Q_max = f (р_вых/р_вх), в результате чего получилась единая кривая.

Рис. 4.6. Зависимость расхода через кавитационную трубку от перепада давления

Графики показывают, что точность стабилизации расхода получается весьма высокой.