Кавита́ция (от лат.cavitas, cavitatis — углубление, полость) — физический процесс образования разрывов (пузырьков или пустот) в жидкостях в результате местного понижения давления. Кавитация может возникать при движении жидкости с большими местными скоростями (гидродинамическая кавитация) или во время полупериода разрежения акустической волны большой интенсивности (акустическая кавитация).
Кавитация является опасным явлением, не позволяющим бесконечно повышать скорости движения в водной среде. Множественные гидравлические удары в момент замыкания пузырьков на поверхности металла вызывают быструю эрозию гребных винтов, роторов насосов и т. п., а также специфическую коррозию материалов, из которых сделаны эти детали.
...кавитация может не только разрушать, но и созидать. В кавитационной полости, по мнению одних авторов, возникают большие электрические напряжения, а по расчётам других — высокие температуры.[1]
...бесчисленные кавитационные пузырьки представляют собой как бы своеобразные генераторы диссоциированных и ионизированных частиц, причём эти «генераторы» возникают и исчезают десятки, сотни и тысячи тысяч раз в секунду — продолжительность жизни кавитационного пузырька <...> совпадает с периодом одного акустического колебания.[1]
...если кавитационный пузырек находится в непосредственной близости от детали, то её поверхность под угрозой. Удар бывает так силен, что на поверхности детали возникают цвета побежалости — как при сильном нагреве.[2]
— Борис Доценко, «Осторожно — пузырьки!», 1968
...если кавитационные пузырьки нельзя устранить, то можно заставить их отступить от стенки, и тогда их разрушительная сила будет приложена к толще воды, и это уже не опасно. Для этого используют такие вещества и смеси веществ, которые обволакивают детали тонкой плёнкой.[2]
— Борис Доценко, «Осторожно — пузырьки!», 1968
<атомная> Станция работает неустойчиво, имеет место кавитация от высокой температуры газа.[3]
На эффекте кавитации основано действие ультразвуковых стерилизаторов для хирургического инструмента.[4]
— Борис Иссерлис, «Щадящая» хирургия», 1975
В стоматологии широко используются аппараты, которые с помощью кавитации позволяют в минимальные сроки совершенно безболезненно очистить зубы от зубного камня.[4]
— Борис Иссерлис, «Щадящая» хирургия», 1975
Как известно, немаловажную роль в трагической судьбе Анны Карениной сыграла, прямо скажем, мало приятная привычка её мужа хрустеть пальцами. <...> Это явление называется кавитацией. Кстати, из этого объяснения понятно также, почему нельзя сразу же хрустнуть еще раз тем же суставом.[5]
— «Техника - молодежи», Панорама: «Роль кавитации в судьбе Анны Карениной», 1976
— Ты тут всё не поймёшь, — заметила Клавдия. — В общем, кавитация... Схлопывание пузырьков газа... А в газ надо перевести магму, то есть в наших условиях остывшую лаву...[6]
...несравненно большую, по сравнению с Землей, роль в формировании марсианских каналов должны были играть, наряду с донной эрозией, процессы кавитации, т. е. процессы суперэнергичной эрозии <...> ложа потоков при контакте с находящейся в состоянии “холодного кипения” турбулентной смесью воды и водяного пара.[7]
— Алексей Рудой, «Ледниковые катастрофы в новейшей истории Земли», 2000
...подача газа в область возникновения кавитации приводит к формированию искусственных кавитационных каверн, размеры которых зависят от расхода подаваемого газа.[8]
...развитие фиксированного относительно жидкости поперечного сечения каверны в основном определяется сопротивлением кавитатора в момент прохождения данного сечения и разницей давлений внутри и вне каверны и мало зависит от предыдущего и последующего движения кавитатора.[8]
Ультразвуковые волны распространяются путем периодического сжатия и разрежения среды. При этом в случае, если среда представляет собой жидкость, в месте разрежения происходит разрыв сплошности — образуется газовый пузырек, который в области сжатия с большой скоростью снова захлопывается. Это явление носит название кавитации. В технике кавитация доставляет немало хлопот: из-за нее катастрофически быстро разрушаются лопасти турбин, гребные винты, гидротехнические сооружения.
Однако кавитация может не только разрушать, но и созидать. В кавитационной полости, по мнению одних авторов, возникают большие электрические напряжения, а по расчётам других — высокие температуры.[1]
Как бы то ни было, но явление кавитации сопровождается значительными энергетическими эффектами, благодаря которым возможны многие интересные химические превращения. В частности, не исключено, что в кавитационной полости молекулы воды диссоциируют с образованием весьма реакционноспособных радикалов H+ и ОН-, и это приводит к возникновению ряда ультразвуковых химических процессов, подобных процессам, протекающим под действием ионизирующей радиации. Например, в насыщенной водородом и азотом воде в поле ультразвуковых волн синтезируется аммиак <...>. Под действием ультразвуковых волн в воде, насыщенной окисью углерода и водородом, синтезируется формальдегид, а в воде, насыщенной окисью углерода, водородом и азотом — синильная кислота. Наконец, в этих условиях сложным химическим превращениям подвергаются пептиды, белки, нуклеиновые кислоты, гетероциклические соединения.[1]
Характер и кинетика ультразвуковых химических реакций в большинстве случаев зависят от природы газа (активного или инертного), которым насыщена озвучиваемая реакционная смесь. Так, в присутствии аргона или криптона (даже в отсутствие кислорода!) преимущественно протекают процессы окисления, а в присутствии водорода — реакции восстановления.
Зародышевые субмикроскопические или микроскопические пузырьки газа значительно облегчают возникновение в водной среде явления кавитации. Газы и пары воды в кавитационной полости подвергаются диссоциации или ионизации. Таким образом, возникающие бесчисленные кавитационные пузырьки представляют собой как бы своеобразные генераторы диссоциированных и ионизированных частиц, причём эти «генераторы» возникают и исчезают десятки, сотни и тысячи тысяч раз в секунду — продолжительность жизни кавитационного пузырька, как известно, совпадает с периодом одного акустического колебания.[1]
...иногда детали машин, которые омываются потоком жидкости, вдруг разрушаются. Очень часто на границе жидкости и детали понижается давление. Это может произойти, скажем, из-за сотрясения детали либо при резком увеличении скорости жидкости (что и происходит в водяных насосах и турбинах). И если давление упадет ниже давления насыщенного пара, то жидкость немедленно начнет испаряться, и в ней появятся пузырьки, заполненные паром и газами, которые прежде были растворены в жидкости. Но жидкость не стоит на месте, и когда она проходит «узкое» место, то давление вновь повышается — и тогда пар конденсируется и газы растворяются. Этот процесс происходит почти мгновенно и называется кавитацией. Там, где прежде был пар и газы, теперь вакуум. И в это разреженное пространство устремляется поток жидкости. Местное давление при таком гидравлическом ударе достигает огромной величины — 2,25 • 108 кг/м2. Понятно, что если кавитационный пузырек находится в непосредственной близости от детали, то ее поверхность под угрозой. Удар бывает так силен, что на поверхности детали возникают цвета побежалости — как при сильном нагреве.[2]
— Борис Доценко, «Осторожно — пузырьки!», 1968
Как же бороться с кавитационными разрушениями? Можно, конечно, повышать прочность металла, но не беспредельно же! К тому же интенсивность разрушения уменьшается от этого ненамного.
Есть два пути избавиться от кавитационных разрушений. Первый — самый естественный: создать благоприятные условия для движения жидкости и тем самым предотвратить кавитацию. Увы, это далеко не всегда удается сделать. Но если кавитационные пузырьки нельзя устранить, то можно заставить их отступить от стенки, и тогда их разрушительная сила будет приложена к толще воды, и это уже не опасно. Для этого используют такие вещества и смеси веществ, которые обволакивают детали тонкой плёнкой. Не мешая движению жидкости, они в то же время не подпускают пузырьки к поверхности деталей. Среди таких защитных веществ — эмульсия на основе минеральных масел, различные смеси ингибиторов — замедлителей коррозии (в этом случае удается убить сразу двух зайцев). Эти вещества, как правило, недороги, а требуется их совсем немного — меньше одного процента веса жидкости. Этого количества обычно достаточно, чтобы прекратить кавитационные разрушения.[2]
— Борис Доценко, «Осторожно — пузырьки!», 1968
...кипение холодной воды происходит не только при откачке воздуха. Например, при вращении гребного корабельного винта давление в быстро движущемся около металлической поверхности слое воды сильно падает и вода в этом слое закипает, т. е. в ней появляются многочисленные наполненные паром пузырьки. Это явление называется кавитацией (от латинского слова cavitas — полость). Снижая давление, мы понижаем температуру кипения.[9]
Расходы катастрофических водных потоков, сформировавших марсианские каналы-пропасти, оцениваются от 108 м3/с до 109 м3/с. Мощность этих потоков должна была значительно превышать мощность земных фладстримов. В связи с этим несравненно большую, по сравнению с Землей, роль в формировании марсианских каналов должны были играть, наряду с донной эрозией, процессы кавитации, т.е. процессы суперэнергичной эрозии и эворзии (эрозии, обусловленной донным вращением вертикально падающей воды) ложа потоков при контакте с находящейся в состоянии “холодного кипения” турбулентной смесью воды и водяного пара.[7]
— Алексей Рудой, «Ледниковые катастрофы в новейшей истории Земли», 2000
Ряд новых результатов о свечении проб ангарской и байкальской воды получен нами на лабораторном фотометре. Одно из последних открытий — определение характера воздействия ультразвука и внешнего излучения на интенсивность спонтанного свечения проб: ультразвук с развитой кавитацией и жесткий ультрафиолет (с длиной волны менее 300 нм) необратимо гасят свечение, а влияние внешнего освещения является обратимым.[10]
— Виктор Добрынин, «Загадка свечения байкальских вод», 2013
...оборудование «заимствовано» из советского проекта малошумных атомных подводных лодок гидроакустического дозора «Афалина», над которым в 1970–1980-х годах работали сотрудники КБ «Малахит». <...> Это решение открыло беспрецедентные возможности лодки по обнаружению целей под водой. Подчеркнем, в таком комплексе объединены сразу несколько систем, отвечающих за шумо- и эхопеленгование, обнаружение гидроакустических сигналов, классификацию целей, измерение толщины льда, миноискание, измерение скорости звука, поиск полыней и разводий, а также определение начала кавитации гребных винтов.[11]
...ультразвук участвует и в совсем не хирургических операциях. Если, например, на колеблющуюся с определенной амплитудой и ультразвуковой частотой пластину направить поток жидкости, то образуется кавитационный фонтан, поток парогазовых пузырьков, при захлопывании которых возникают значительные силы. В стоматологии широко используются аппараты, которые с помощью кавитации позволяют в минимальные сроки совершенно безболезненно очистить зубы от зубного камня. На эффекте кавитации основано действие ультразвуковых стерилизаторов для хирургического инструмента.[4]
— Борис Иссерлис, «Щадящая» хирургия», 1975
Как известно, немаловажную роль в трагической судьбе Анны Карениной сыграла, прямо скажем, мало приятная привычка её мужа хрустеть пальцами. Доктора А. Ансуорта из Лидского университета в Англии больше интересовала не эстетическая сторона, а физическая природа этого хруста, которая оказалась далеко не тривиальной. Исследовательская установка Ансуорта, позволяющая растягивать пальцы с усилием 20 кг, напоминала орудия пыток времен инквизиции. Но результатом её применения было не признание испытуемого в ереси, а серия рентгеновских снимков сустава. Снимки показали, что при критическом растяжении давление синовиальной жидкости (тягучая, прозрачная, желтоватого цвета жидкость, увлажняющая суставные поверхности костей и внутреннюю поверхность суставной сумки) падает до такой степени, что она вскипает (подобно тому, как вода в горах кипит ниже 100°C). Образуются крупные пузыри пара, захлопывание которых сопровождается громким щелчком. Это явление называется кавитацией. Кстати, из этого объяснения понятно также, почему нельзя сразу же хрустнуть еще раз тем же суставом. После каждого хруста в синовиальной жидкости оказывается множество мельчайших пузырьков, которые перед следующим кавитационным щелчком должны увеличиться, вобрав в себя значительное количество пара. Не приводят ли эти явления к порче суставов? Английский исследователь говорит, что клинические свидетельства в этом отношении несколько противоречивы, но сам он неоднократно замечал что у злостных любителей похрустеть состояние суставов пальцев плачевное.[5]
— «Техника - молодежи», Панорама: «Роль кавитации в судьбе Анны Карениной», 1976
В середине 1940-х годов Л. А. Эпштейн опубликовал в «Трудах ЦАГИ» результаты исследований кавитации. На начальных стадиях кавитация проявляется в виде небольших пузырьков, наполненных насыщенными парами жидкости. При увеличении скорости и снижении статических давлений кавитационные пузырьки разрастаются в так называемые каверны. Течения, в которых присутствуют кавитационные каверны, получили название суперкавитационных. В своих опытах Л. А. Эпштейн показал, что подача газа в область возникновения кавитации приводит к формированию искусственных кавитационных каверн, размеры которых зависят от расхода подаваемого газа. Оказалось, что, если некое тело укладывается в габариты каверны, его гидродинамическое сопротивление определяется сопротивлением головной части (кавитатора), а размеры, масса и форма не играют роли.[8]
Важным этапом в развитии теоретических методов изучения развитых кавитационных течений стал сформулированный в первой половине 1950-х годов профессором Г. В. Логвиновичем принцип независимости расширения каверны. Он гласит: развитие фиксированного относительно жидкости поперечного сечения каверны в основном определяется сопротивлением кавитатора в момент прохождения данного сечения и разницей давлений внутри и вне каверны и мало зависит от предыдущего и последующего движения кавитатора. Использование принципа независимости расширения позволило оценить деформации продольной оси горизонтальной каверны в весомой жидкости и определить форму каверны при кавитационном входе тел в воду.[8]
С конца 1940-х годов начались попытки реализовать скоростной объект, движущийся в режиме развитой кавитации. Первые опытные образцы были сделаны в конце 40-х годов, но только к началу 60-х концепция суперкавитирующего объекта обрела законченность и появилась возможность его практической разработки. Одно из наиболее существенных достижений гидродинамиков ЦАГИ — разработка гидродинамической компоновки ракеты-торпеды «Шквал». Программа «Шквал» реализована в исключительно короткие сроки: уже в 1977 году первые серийные ракеты-торпеды поступили на вооружение. За реализацию первого этапа программы её руководитель Г. В. Логвинович удостоен Ленинской премии, часть сотрудников награждены Государственными премиями, 25 человек — орденами и медалями.[8]
Наряду с исследованиями стационарных или почти стационарных режимов кавитационного обтекания необходимо было изучить существенно нестационарные течения, возникающие при быстром входе в воду тел различной формы. Такие режимы движения отличаются особой сложностью, поскольку сопровождаются деформацией свободной поверхности жидкости, быстрым изменением смоченной поверхности тела, развитием нестационарных каверн с участием атмосферного воздуха, различными типами замыкания каверн. Результат исследований — возможность достижения телом, имеющим определённую расчётную форму, больших глубин за очень короткое время. [8]
Посетили атомную электростанцию «Трансфурд». На АЭС установлено два реактора по 250 тыс. кВт и четыре турбоблока. Электростанция — с газовым теплоносителем, которым является С02. Температура газа 420°С, допускается ее понижение до 360°С. Станция работает неустойчиво, имеет место кавитация от высокой температуры газа.[3]
— Ну, как... Теперь вот я кое-что знаю. Покурим?
Он мне протянул пачку, зажег спичку в ладонях. И когда я прикуривал, вдруг он сказал:
— Между прочим, старик, вода от винта вскипает.
— Вон как?
— Да. Это называется «кавитация». Вредная штука, разрушает винт. Когда число оборотов превосходит критическое, на засасывающей стороне появляются пузырьки воздуха. Пар, конечно, не идёт, но все признаки кипения.
— Знаешь!
Он пожал плечами и опять вздохнул.
— Все мы учились понемногу...[12]
Дальше объяснять своими словами открытие Озямова стало для Клавдии делом непосильным, она принесла записную книжку, показала Данилову сделанный ею собственноручно рисунок разреза земли — разрез она назвала стратиграфическим. Показала: и где именно пекутся, а потом и остывают изумруды. Рядом на страничке был график движений температуры и давления.
— Ты тут всё не поймёшь, — заметила Клавдия. — В общем, кавитация... Схлопывание пузырьков газа... А в газ надо перевести магму, то есть в наших условиях остывшую лаву... Температуры — порядка полторы тысячи градусов... давление — миллион атмосфер, а то и два... И пожалуйста — изумруд![6]
