кавитация

КАВИТАЦИЯ акустическая - возникает под действием интенсивной звуковой волны. Если амплитуда звукового давления превосходит нек-рое критич. значение р_к, соответствующее порогу К., то в фазе разрежения звуковой волны создаётся такое низкое давление, что сплошность жидкости нарушается и образуются пузырьки. В обычных условиях нарушение сплошности в жидкости возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщ. пара при данной темп-ре. Величина р_к зависит от многих параметров, характеризующих как состояние жидкости - газосодержание, темп-pa, наличие примесей, так и звуковое поле - частота, продолжительность звукового воздействия, пространственное распределение интенсивности звука. Акустич. К. возникает в результате потери устойчивости кавитац. зародышей, попадающих в область пониж. давления в звуковой волне, и быстрого их роста. Этот процесс обусловлен рядом эффектов: давлением газа и пара в пузырьке, превышающем давление в окружающей жидкости; диффузией газа в пузырёк из жидкости; испарением жидкости и увеличением массы пара в пузырьке; коагуляцией зародышей. Первый из перечисленных механизмов играет основную роль в образовании кавитационной полости при быстром понижении давления (высокая частота звука) в жидкости с малым содержанием газа. Микроскопич. пузырёк, попадая в область разрежения, быстро расширяется под действием давления газа и пара внутри него, превосходящего суммарное действие сил поверхностного натяжения и давления в окружающей жидкости. Диффузионный механизм роста пузырька обычно проявляется при сравнительно медленных изменениях давления (низкая частота звука) в жидкости с большим содержанием газа. При расширении пузырька концентрация газа в нём падает и газ диффундирует из жидкости в пузырёк. При сжатии пузырька процесс происходит в обратном направлении. Кол-во продиффундировавшего газа пропорционально площади поверхности пузырька, к-рая в стадии расширения больше, чем в стадии сжатия. В результате не происходит полной компенсации потоков газа, и в целом за период кол-во газа в пузырьке возрастает. Это явление наз. выпрямленной диффузией, оно вызывает рост пузырьков в поле перем. давления. Если темп-pa жидкости близка к точке кипения, то рост пузырька обычно связан с увеличением массы пара в нём за счёт испарения жидкости. При этом, так же как и в случае диффузионного механизма, возможен режим выпрямленной теплопередачи, приводящей к росту пульсирующего пузырька в среднем за период в результате увеличения массы пара. Др. механизм роста пульсирующего парового пузырька связан с неадиабатичностью процесса изменения состояния пара при пульсации пузырька, приводящей к разогреву вещества и испарению жидкости в пузырёк. Этот механизм обычно проявляется при росте крупных зародышей. Звуковое поле в жидкости, вызывающей К., обычно неоднородно по пространству, что приводит к поступат. движению пузырьков. В результате этого, а также под действием сил взаимодействия между пульсирующими пузырьками (см. Пондеромоторные силы в акустическом поле), пузырьки, пульсируя, перемещаются и иногда сливаются друг с другом - развивается коагуляц. механизм роста зародышей. В реальных ситуациях описанные механизмы роста пузырька действуют одновременно, их относит, вклад зависит от состояния жидкости и характеристик звукового поля. Количественно момент возникновения акустич. К. и степень её развития характеризуются, как и для гидродинамич. К., числом К. (, к-рое в этом случае равно (=(р₀-р_н)/p_а, где p₀ - гидррстатич. давление в жидкости, р_н - давление её насыщ. пара, р_а - амплитуда звукового давления. Момент возникновения К. характеризуют критич. числом К. (_к, соответствующим критич. амплитуде звукового давления p_а=p_к Возникшие в звуковом поле кавитац. полости интенсивно пульсируют, расширяясь в фазе разрежения и схлопываясь в фазе повыш. давления. Степень сжатия пузырька при схлопывании, характеризуемая отношением макс. радиуса пузырька R_макс к минимальному R_мин, тем больше, чем больше давление в жидкости р=р₀+p_а и меньше газосодержание в пузырьке, характеризуемое давлением газа Q, при R=R_макс:

(g - показатель адиабаты газа в пузырьке). Макс. давление р_макс в пузырьке, соответствующее его мин. объёму, приближённо выражается ф-лой

оно может составлять неск. тысяч МПа. В результате адиабатич. сжатия газ и пар (к-рый при больших скоростях изменения объёма пузырька ведёт себя как газ) нагреваются до темп-ры ~10⁴ К, чем, по-видимому, и вызываются свечение пузырьков (звуколюминесценция) и частичная ионизация содержащегося в них газа. Макс. скорость схлопывания развивается в фазе, близкой к фазе мин. значения радиуса пузырька, и может стать весьма большой (сравнимой со скоростью звука в жидкости). Вследствие потери устойчивости формы пузырька его схлопывание может происходить несимметричным образом, вызывая образование кумулятивной струи жидкости, радиус к-рой близок к мин. радиусу пузырька, а скорость - к скорости его схлопывания. При схлопывании пузырька в жидкость излучаются кратковременные (длительностью ~10^-6 с) импульсы давления до 100 МПа и более. Форма импульса схематически изображена на рис. 1.

Рис. 1. Форма импульса давления, излучаемого при схлопывании пузырька.

Рис. 2. Спектр кавитационного шума, вызванного волной частоты 175 кГц.

Пиковое значение давления на расстоянии r от пузырька выражается ф-лой р=р_макс/r, длительность импульса , где r - плотность жидкости. В условиях развитой К. в различные, случайно распределённые моменты времени схлопывается множество пузырьков, в результате чего излучается шум со сплошным спектром в полосе от неск. сотен Гц до МГц. На фоне сплошного спектра выделяются дискретные гармонич. и субгармонич. компоненты звукового поля, вызывающего К. (рис. 2). Мощные гидродинамич. возмущения в кавитац. области в виде импульсов сжатия и микропотоков, порождаемых пульсирующими пузырьками, сопровождаются сильным разогревом вещества, а также выделением газа, содержащего атомарную и ионизованную компоненты. Всё это оказывает сильное воздействие на вещество в кавитац. области. Поверхности твёрдых тел, находящихся в области К., разрушаются (кавитац. эрозия). Воздействие К. используется для разрушения и диспергирования твёрдых тел, для УЗ-очистки поверхностей деталей, а также для эмульгирования жидкостей. Эффект кавитац. эрозии используют для оценки интенсивности К. по разрушению тонкой алюминиевой фольги, помещаемой в кавитац. область. Если жидкость насыщена газом, то газ диффундирует в пузырьки, к-рые, всплывая, уносят газ и уменьшают его содержание в жидкости (дегазация). К. оказывает вредное воздействие на работу излучателей звука в жидкости, ограничивая возможность дальнейшего повышения интенсивности излучаемого звука. Воздействием на вещество в зоне К. пользуются для возбуждения и ускорения хим. реакций, чему способствует появление диссоциированных и ионизированных компонент вещества, для уничтожения вредных микроорганизмов, экстрагирования ферментов из животных и растительных клеток и др. Возникновение К. в криогенных жидкостях на центрах ионизации используется для визуализации треков частиц высоких энергий в пузырьковых камерах. Лит.: Бергман Л., Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957; Физика и техника мощного ультразвука, под ред. Л. Д. Розенберга, [кн. 2] - Мощные ультразвуковые поля, М., 1968; Сетте Д., Исследование зародышей кавитации, в кн.: Подводная акустика, пер. с англ., М., 1970; Ультразвуковая технология, под ред. Б. А. Аграната, М., 1974; Гасенко В. Г., Соболев В. В., Поведение сферической кавитационной полости в звукрвом поле, в кн.: Волновые процессы в двухфазных системах, Новосиб., 1975; Lauterborn W., Optic cavitation, "J. Phys.", 1980, V. 41, Mil, suppl., p. 273. К. А. Наугольных.

   <<      Предметный указатель      >>