Кавитация (от латинского cavitas - пустота),образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков или каверн). Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление жидкости становится некоторого критического значения p_кр (в реальной жидкости p_кр приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре). Если понижение давления происходит в следствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то кавитация называется гидродинамической.

Для идеальной однородной жидкости вероятность образования пузырьков за счет разрыва жидкости становится заметной при больших растягивающих напряжениях; так, например, теоретическая прочность на разрыв воды равна 1.5•10⁸ Па (1500 кгс/см²). Реальные жидкости менее прочны. Максимальное растяжение тщательно очищенной воды, достигнутое при растяжении воды при 10ºС, составляет 2,8•10⁷ Па. Обычно же разрыв возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщенного пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так называемых кавитационных зародышей: микроскопических газовых пузырьков, твердых частиц с трещинами, заполненными газом и другие. Мельчайшие пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком и попадая в область давления p< p_кр, сильно расширяются в результате того, что давление содержащегося в них пара и газа оказывается больше, чем суммарное действие поверхностного натяжения и давления в жидкости. В результате на участке потока с пониженным давлением создается довольно четко ограниченная «кавитационная зона», заполненная движущимися пузырьками.

где p – гидростатическое давление набегающего потока, p_n – давление насыщенного пара, ρ – плотность жидкости, v – скорость жидкости при достаточном удалении от тела. Этот параметр называется «числом кавитации», служит одним из критериев подобия при моделировании гидродинамических течений. Увеличение скорости потока после начала кавитации вызывает быстрое возрастание количества кавитационных пузырьков, затем происходит их объединение в общую кавитационную каверну, после чего течение переходит в струйное.
Гидродинамическая кавитация может сопровождаться рядом физико-химических эффектов, например, искрообразованием и люминесценсией. Обнаружено влияние электрического тока и магнитного поля на кавитацию, возникающую при обтекании цилиндра в гидродинамической трубе.

Если полость представляет собой пузырь радиуса R₀, то давление, при котором он теряет устойчивость выражается формулой:

Здесь p_н - давление насыщенного пара,R - текущий радиус пузырька, - поверхностное натяжение жидкости. Кавитационные явления играют отрицательную роль в работе многих механизмов, например, из-за эффекта кавитацонной эрозии обтекаемой поверхности.

 

 

Кавитация оказывает вредное влияние на работу гидротурбин, жидкостных насосов, гребных винтов кораблей, жидкостных систем высотных самолетов и т.д., снижает их кпд и приводит к разрушениям. Кавитация может быть уменьшена при увеличении гидростатического давления, например помещением устройства на достаточной глубине по отношению к свободной поверхности жидкости, а также подбором соответствующих форм элементов конструкций, при которых вредное влияние кавитации уменьшается. Экспериментальное исследование кавитаци проводят в гидродинамических трубах, оборудованных системой статического давления (так называемые кавитационные трубы).

Идея использовать кумулятивное действие схлопывающихся кавитационных пузырьков для интенсификации технологических процессов привела к созданию гидродинамических и акустических кавитационных аппаратов. Технологические процессы в кавитационных аппаратах базируются на использовании гидродинамической кавитации и связаны с различными физико-механическими эффектами: ударные волны, кумуляция, автоколебания, вибротурбулизация, выпрямленная диффузия и теплопередача, которые возникают при образовании каверн, их распаде и схлопывании (коллапсе) кавитационных пузырьков.

Кавитационно-кумулятивное воздействие схлопывающихся пузырьков позволяет интенсифицировать многие технологические процессы, протекающие в жидких средах. Прежде всего, механохимические воздействия на жидкие среды интенсифицируют межфазный массообмен, разрыв межмолекулярных связей в органических средах, с последующей перестройкой и химическими взаимодействиями в жидких и твердых фазах, образованием новых соединений. Эти процессы протекают под воздействием кумулятивных микроструек (микровихрей) с высочайшей плотностью энергии, которые образуются при схлопывании кавитационных микропузырьков. В итоге, образуются высокооднородные, гомогенные жидкие продукты с предельными целевыми параметрами.

Весьма эффективен при кавитации сопутствующий ей механизм диспергирования – разрушающее гидродинамическое воздействие кавитационно-кумулятивных микроструек на любые частицы твердой или упругой фазы, а также их скопления, находящиеся в обрабатываемой жидкости. В результате, имеется возможность получать высокодисперсные, гомогенные жидкие смеси. Немаловажно также то, что в сравнении, например, с ультразвуковой обработкой, необходимые затраты энергии на гидродинамическую кавитацию являются меньшими, примерно, в 10-15 раз, а используемое технологическое оборудование - конструктивно проще.

Таким образом, кавитационная обработка жидкой смеси является мощным высокоэффективным технологическим средством широкого применения, которое позволяет совершенствовать старые и создавать новые технологии получения жидких веществ с полезными свойствами или характеристиками, такими же, а подчас и значительно более высокими, чем при использовании других известных технологий.

Гидродинамическая кавитация может целенаправленно создаваться в кавитационных аппаратах различных конструкций. Наиболее эффективными, относительно просто используемыми как в лабораторных, так и в промышленных целях являются, так называемые, кавитационные роторные смесители. Они имеют одну или несколько рабочих камер, в которых расположены один, а иногда и более быстровращающихся роторов, оснащенных кавитирующими элементами (КЭ) в виде лопаток различной формы с суперкавитирующим профилем. Возможно также наличие различных дополнительных элементов, например, отражателей, камер предварительного смешивания, распределительных камер и т.п.

Роторы аппаратов этого типа имеют относительно большой диаметр при малом осевом размере. Количество КЭ может изменяться от двух до нескольких десятков. При использовании двух роторов, которые вращаются встречно, они располагаются в рабочей камере аппарата параллельно или соосно. При встречном движении КЭ обоих роторов, создаваемые ими потоки жидкости, как правило, взаимодействуют друг с другом, усиливая режим кавитации и суперкавитации. В двухроторных аппаратах для упрощения конструкции используются два двигателя.

Конструкции роторных кавитаторов позволяют получать устойчивые и регулируемые режимы кавитации и суперкавитации в жидких средах. Объемная концентрация кавитационных пузырьков в рабочей камере аппаратов достигает величины порядка 1x10¹⁰ на 1/м³. При коллапсе каждого пузырька скорость кумулятивной струйки достигает 700 м/с. При этом возникают импульсы давления до 10³МПа (10⁴атм), что сопровождается повышением температуры рабочей среды до 500-800oС в зоне схлопывающегося пузырька.

Такие высокие ударные импульсы давления при высокой объемной концентрации пузырьков в рабочей камере кавитационного аппарата способствуют тому, что удельная мощность, подводимая к единице объема обрабатываемой среды, составляет 10⁴...10⁵кВт/м³. Это на несколько порядков выше удельной мощности, которая выделяется при обработке технологических сред в ультразвуковом поле, получаемом в ультразвуковых аппаратах, дезинтеграторах, вибромельницах и аппаратах вихревого слоя. В результате таких явлений создаются условия для протекания гидромеханических и физико-химических процессов, которые в обычных условиях затруднены или невозможны.

Перемещение КЭ в жидкой среде с большой скоростью требует соответствующих энергетических затрат двигателя аппарата, мощность которого соизмерима с энергетическими затратами насоса в проточных кавитаторах. Но здесь, благодаря отсутствию принципиальных ограничений на диаметр ротора и относительно небольшим лобовым сопротивлениям КЭ, при правильном конструктивном решении роторного аппарата не сложно достичь линейных скоростей перемещения КЭ в жидкости, свыше 20-30 м/с (практически недостижимые в струйных сопловых аппаратах). Отсутствуют также принципиальные конструктивные ограничения по предельным расходам жидкости, напору, вязкости, неоднородности, температурным условиям, составу жидких смесей, их склонности к налипанию на твердую поверхность и пр.

Важно также, что эффективная работа аппарата мало зависит от изменений внешних условий: расхода жидкости, напора, вязкости, дисперсности и др. В целом, оборудование данного класса является относительно простым в изготовлении и надежным в эксплуатации, способным работать как в периодическом, так и в постоянном режимах в течение многих суток и даже месяцев.

К особенностям работы роторных аппаратов относится в том числе и то, что кавитационная обработка проходящей через них жидкой смеси обычно сопровождается ее некоторым разогревом (в зависимости от расхода – от нескольких градусов до 10-15^oС), вызванным эффектом кавитации, а также преодолением сил вязкостного сопротивления и др. С таким температурным эффектом необходимо считаться, если имеются ограничения на максимально допустимые температуры нагрева обрабатываемого продукта. Следует также учитывать, что повышение температуры приводит к уменьшению вязкости дисперсной среды твердых тел, эмульгирования несмешивающихся жидкостей, появления различных механохимических, биологических и др. эффектов.