А. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВУХ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ

§ 2. Кавитация.

Кавитацией называется образование в текущей жидкости полостей, заполненных паром или газом. Это явление возникает в тех случаях, когда в каких-нибудь местах потока вследствие возникновения больших местных скоростей давление снижается

настолько, что становится меньше давления насыщения т.е. давления, при котором начинается кипение жидкости (при этом предполагается, что невозмущенное давление больше В этом состоянии в соответствующих местах потока начинается бурное испарение жидкости, и возникают полости в виде пузырей, наполненных паром под давлением Так как в этих местах происходит увеличение объема потока, то свойства потоков при наличии кавитации, конечно, значительно отличаются от свойств обычных потоков. Если при дальнейшем продвижении потока давление в нем повышается, то в образовавшихся полостях пар конденсируется и полости смыкаются. Такое смыкание кавитационных полостей обычно сопровождается резким треском.

Воздушные пузыри, увлекаемые движущейся водой, а также газы, растворенные в воде, значительно облегчают возникновение кавитации. Наоборот, в воде, почти свободной от примеси воздуха, кавитация в течение короткого промежутка времени не возникает не только при давлениях, меньших давления насыщения, но даже при значительных растягивающих напряжениях. Это обнаруживается при некоторых опытах, когда возникновение кавитации начинается в том же месте, где происходит отрыв потока от стенки, т.е. там, где частицы пограничного слоя, близкие к стенке, останавливаются и остаются в таком состоянии продолжительное время. Необходимо, впрочем, заметить, что, измеряя давление путем устройства отверстия в стенке, невозможно обнаружить в жидкости давление, меньшее давления насыщения, так как жидкость, находящаяся в отверстии в состоянии покоя, начинает кипеть, как только давление над нею становится меньше В дальнейшем мы будет предполагать, что в текущей жидкости всегда содержатся пузырьки воздуха или другого газа, которые и разрастаются в полости, наполненные парами воды, при падении давления ниже давления насыщения. В практических условиях почти всегда именно так и бывает.

Особенно простой и наглядный случай кавитации возникает при движении жидкости в канале, сначала суживающемся, а затем опять расширяющемся. Если расширение канала происходит постепенно, то

при большой скорости течения давление в расширяющейся части может повыситься до атмосферного давления, в то время как вверх по течению, в узком месте канала, давление будет оставаться очень низким. Если давление здесь понижается до давления насыщения, то позади самого узкого сечения основная масса жидкости движется в виде свободной, правда, обычно очень неспокойной струи, сопровождаемой по бокам пенообразной смесью из пузырьков пара и жидкости. Дальше, вниз по течению струя внезапно замедляет свое движение, происходит своего рода скачок уплотнения, и вода заполняет все сечение канала. Здесь отдельные пузыри пара сталкиваются друг с другом и, вследствие повышения давления, спадают, после чего в потоке остаются только маленькие пузырьки воздуха, находившегося ранее в воде в растворенном состоянии. Явления только что описанного рода часто возникают в водопроводных кранах, особенно при высоком давлении подачи воды, и дают о себе знать своеобразным резким шумом.

Рис. 261. Область, охватываемая кавитацией при большом противодавлении

Рис. 262. Область, охватываемая кавитацией при малом противодавлении

Нумахи исследовал кавитацию в воде при различном содержании в ней воздуха и обнаружил, что в стеклянной трубе, сначала суживающейся, а затем расширяющейся, струя воды остается совершенно прозрачной и спокойной до тех пор, пока содержание воздуха меньше половины количества, требующегося для насыщения; по мере же увеличения содержания воздуха около струи появляется все больше и больше пены. Длина свободной струи зависит от противодавления. Она довольно точно совпадает с той длиной, которую дает вычисление на основании теоремы о количество движения для случая внезапного расширения трубы (§ 6, гл. II). Следовательно, давление восстанавливает свою величину тем меньше, чем меньше отношение поперечного

сечения струи к поперечному сечению трубы. Поэтому при высоких противодавлениях кавитация охватывает меньшую область (рис. 261), чем при низких противодавлениях (рис. 262). При средних длинах области кавитации в струе часто возникают сильные колебания.

Рис. 263. Изменение давления вдоль канала переменного сечения при навигации

На рис. 263 изображен результат измерений давления, выполненных Гохшильдом в канале, сначала суживающемся, затем расширяющемся (форма канала изображена в верхней части рисунка). Поперечное сечение канала имело прямоугольную форму с постоянной высотой. Измерения производились через отверстия, сделанные в стенке канала. Через канал перекачивалось все время одно и то же количество воды, но при этом изменялось противодавление (при помощи дроссельного клапана). Мы видим, что при достаточно больших противодавлениях кривые изменения давления вдоль длины канала почти параллельны друг другу (кривые Но когда давление в самом узком сечении канала делается столь низким, что там начинается кавитация, давление в расширяющейся части канала не восстанавливается в соответствии с уменьшением скорости, и происходит значительная, а иногда почти полная потеря энергии (кривые ). То точки, в которых начинается подъем кривых отмечают конец области, охваченной кавитацией.

Кавитация оказывает очень вредное действие на работу быстроходных водяных турбин и гребных винтов. Вследствие ряда соображений желательно, чтобы скорость вращения рабочих колец турбин и гребных винтов была возможно большей. Однако при слишком больших скоростях вращения на концах лопаток и лопастей возникают столь большие линейные скорости, что создаются необходимые условия для кавитации. Между тем кавитация влечет за собой не только потерю энергии,

но и другое вредное явление — так называемую кавитационную коррозию металла — своеобразное его разъедание (см. ниже). Поэтому при конструировании водяных турбин и гребных винтов является чрезвычайно важной задачей предупредить возникновение кавитации. Простой способ ее предупреждения заключается в устранении возможности появления низких давлений на концах лопаток и лопастей. Это достигается путем применения слабо изогнутых профилей и очень малых углов атаки, следовательно, путем ограничения нагрузки на поверхность лопаток и лопастей. В качестве величины, определяющей опасность возникновения кавитации, может служить отношение

гдеро есть невозмущенное давление, давление насыщения. В настоящее время удалось получить хорошие гребные винты, для которых

Рис. 264. Кавитационные поляры

Хорошее представление о явлениях, возникающих на концах лопастей быстроходных гребных винтов, дают испытания моделей винтов, производимые в специальной кавитационной установке. Эта установка представляет собой камеру, где создается круговой поток воды, в котором абсолютное давление может произвольно меняться. Более простая, а потому и более отчетливая картина получается при испытании

Рис. 265. Кавитационная диаграмма

отдельного профиля лопасти. На основании измерений и наблюдений через стеклянные стенки камеры строят для каждого значения кавитационную поляру (рис. 264) и навигационную диаграмму (рис. 265), на которой значения откладываются как абсциссы, а углы атаки — как ординаты.

Кавитационные поляры и диаграмма, изображенные на рис. 264 и 265, построены для профиля, имеющего форму кругового сегмента, причем высота сегмента равна 0,075 его хорды (водяные гребные винты очень часто делаются с профилем такой формы). Кривая на рис. 264, вычерченная более жирно, чем остальные кривые, представляет собой поляру для высокого абсолютного давления.

При уменьшении а обнаруживается следующее замечательное явление: на больших углах атаки кавитация значительно улучшает качество профиля (лобовое сопротивление уменьшается больше, чем подъемная сила). Причина этого явления заключается в том, что возникновение кавитации на передней части подсасывающей стороны делает профиль значительно более удобообтекаемым. Однако при дальнейшем уменьшении область, охватываемая кавитацией, расширяется

Рис. 266. Области возникновения кавитации на профиле

и свойства профиля становятся хуже; при совсем малых значениях а сила тяжести винта делается очень небольшой.

Кавитационная диаграмма дает ясное представление о состоянии кавитации в каждом отдельном случае. Область состояний справа от кривых и с свободна от кавитации, и поэтому здесь сила тяги и сопротивление такие же, как и при больших значениях При состояниях отвечающих точкам, лежащим слева от кривых или с, возникает кавитация соответственно в передней части подсасывающей стороны профиля, в средней части этой стороны и в передней части стороны с повышенным давлением (рис. 266). При состояниях лежащих слева от кавитация возникает одновременно и в средней части подсасывающей стороны и в передней части противоположной стороны профиля. При состояниях соответствующих областям, заштрихованным косыми линиями, имеется опасность разъедания лопастей (при этих состояниях конец наполненной паром полости находится на лопасти, см. ниже). При состояниях лежащих в области, заштрихованной горизонтальными линиями, возникают ритмичные колебания потока, с которыми связано появление значительных сил, сотрясающих лопасть винта. Наконец, при состояниях лежащих в незаштрихованных областях слева от или с, режим работы винта безопасен. Гельмбольд обратил внимание на следующее обстоятельство. Если на кавитационной диаграмме вместо значений откладывать значения и где т.е. отношению толщины профиля к его ширине, то для аффинных профилей разной толщины получаются кривые

Рис. 267. Разъедание лопасти гребного винта вследствие кавитации

приближенно между собой совпадающие. Это связано с тем, что разности давлений на профиле при одинаковых значениях приближенно пропорциональны величине 6. Отсюда следует, что если желательно построить винт с малым значением числа и, то необходимо взять очень тонкий профиль. (Напомним, что такое же правило мы получили и для воздушных гребных винтов при приближении к скорости звука, правда вследствие совсем других оснований.) При построении кавитационных диаграмм в координатах и более или менее совпадают также и кривые а и с для отдельных аффинных профилей.

Разъедание металла вследствие кавитации обычно наступает в том месте, где происходит скачок уплотнения, сопровождающийся, как было упомянуто, столкновениями пузырей пара. При этом части воды, до этого разделенные пузырями, сталкиваются друг с другом с конечными, но различными по величине скоростями, вследствие чего возникают очень высокие местные импульсивные давления (см. § 3). К этим ударным действиям часто присоединяются химические действия. Воздух, выделяющийся из воды при кавитации, богаче кислородом, чем обычный воздух. Под действием импульсивного давления этот обогащенный кислородом воздух вдавливается в поры металла, а затем, после падения давления, вырывается оттуда. Это означает, что слой металла, близкий к поверхности, подвергается переменной нагрузке. В результате всех этих явлений, полностью до сих пор еще не выясненных, на поверхности металла появляются маленькие углубления и бороздки, которые постепенно, если кавитация длится продолжительное время, углубляются и разрастаются, вплоть до того, что из лопасти или лопатки выпадают отдельные кусочки металла — происходит своеобразное разъедание металла, он принимает на большую глубину губчатое

Рис. 268. Разрез через лопасть гребного винта, подвергнувшегося навигационному разъеданию

строение. На рис. 267 изображен пример такого разъедания бронзовой лопасти гребного винта торпедного катера. На рис. 268 показан разрез через кусок этой же лопасти.