2.5. Адсорбция и кавитация

Жидкости обладают способностью поглощать и растворять соприкасающиеся с ними газы. Такое явление называется адсорбцией. При этом весовое количество ра­створенного (адсорбированного) газа изменяется при данной температуре пропорционально давлению жидкости и оста­ется по объему практически постоянным (закон Генри).

Вода в природном состоянии всегда содержит извест­ное количество растворенного воздуха: при обычной температуре и нормальном атмосферном давлении оно со­ставляет около 2% объема воды.

При уменьшении давления соответствующая часть растворенного воздуха выделяется из жидкости. Чем боль­ше снижение давления, тем более бурно происходит вы­деление воздуха; при этом образуются и пары жидкости. Вода приходит в состояние "холодного кипения", нару­шается ее сплошность и образуется своего рода эмуль­сия, обладающая гораздо большей сжимаемостью и со­вершенно отличительными от прежних физическими и механическими свойствами. Это явление бывает чаще всего на поверхности быстро движущихся в воде частей механизмов, в тех местах потока жидкости, где давле­ние понижается до некоторого критического, например, у лопастей гребных винтов, лопаток турбин и насосов, и известно под названием гидродинамической кавитации (от лат. cavitas — пустота).

Явление кавитации было теоретически предсказано в 1873 г. О. Рейнольдсом задолго до того, как его впервые обнаружили при испытаниях эскадренного миноносца английского военно-морского флота "Дэринг" в 1893 г. Скорость миноносца оказалась значительно, ниже предпо­лагаемой, что было вызвано ухудшением характеристик винта вследствие возникновения пузырьков пара на его лопастях. С аналогичными трудностями пришлось столк­нуться несколькими годами позже на первом турбинном корабле "Турбиния". На этом судне поочередно устанав­ливались семь различных винтов, но ни с одним из них не удалось достигнуть расчетной скорости. В конце кон­цов, признали необходимость вместо одного вала поста­вить три с тремя винтами на каждом. Оборудованный та­ким образом корабль достиг скорости 32 узла (59 км/ч).

Кавитацией называется явление парообразования и вы­деления воздуха, обусловленное понижением давления в жидкости. Причиной ее возникновения служит кипение жидкости при нормальной температуре и низком давлении. Появлению кавитации способствует растворенный в воде воздух, который выделяется при уменьшении давления.

После неудач с кораблями "Дэринг" и "Турбиния" началось интенсивное изучение химических, физических и технических аспектов кавитации. Проводились иссле­дования процесса формирования пузырьков и их схлопывания (коллапса), роли растворенных в жидкости газов, влияния образования и схлопывания пузырьков на насосы, турбины, винты, плотины и др. подобные устройства и сооружения.

Было установлено, что возникновение пузырьков изменяет течения жидкости, вызывая снижение давления, потери в КПД и тяге, как это произошло с кораблем "Дэринг". Кроме того, схлопывание пузырь­ков приводит к возникновению ударных волн, которые разрушают металл рабочего колеса турбины или винта.

В результате кавитационных явлений происходит механическое разрушение металлических деталей гид­ромашин (кавитационная эрозия), срыв работы насосов, уменьшение расхода трубопроводов и т.п.

Выделение воздуха и парообразование может происхо­дить и при давлениях, больших атмосферного, если темпе­ратура воды увеличивается или вода слишком аэрирована. Это часто служит причиной образования воздушных "про­бок" в длинных трубопроводах; выделяемый воздух и пары жидкости накапливаются в их наиболее высоких местах и могут затруднить или даже совсем прекратить движение воды. Кавитации подвержены и другие жидкости.

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 конструкции, при которых вредное влияние кавитации уменьшается. Для уменьше­ния эрозии лопасти рабочих колес изготавливают из не­ржавеющих сталей и шлифуют.

Экспериментальные исследования кавитации произво­дятся в так называемых кавитационных трубах, представ­ляющих собой обычные гидродинамические трубы, обору­дованные системой регулирования статического давления. Несмотря на определенные успехи в изучении многих аспектов кавитации, основные связанные с ней проблемы еще не решены. Однако современные знания о кавитации вполне достаточны для инженерных приложений.

Резюме: В рассмотренной теме освоены основопологающие понятия по курсу гидравлика и подробно описаны основные физические характеристики жидкости вместе с оборудованием для их измерения.

Вопросы для самоконтроля:

1. В чем заключается особенность капельных жидкостей?

2. Какие виды жидкостей рассматриваются в курсе гидравлике?

3. Какие жидкости относятся к аномальным? Приведите пример такой жидкости.

4. Какие модели жидкой среды вы знаете? Чем они отличаются друг от друга.

5. Что такое плотность, относительная плотность?

6. С помощью каких приборов можно измерить плотность?

7. Что такое удельный вес жидкости.

8. Что такое вязкость и в чем она измеряется?

9. Чем отличается друг от друга кинематическая вязкость от динамической?

10. С помощью каких приборов измеряется вязкость жидкостей?

11. В каких случаях для измерения вязкости жидкости используется прибор Рейнольдса?

12. Опишите конструкцию и принцип действия торсионного вискозиметра.

13. Что такое кавитация и адсорбция?

14. Как уменьшить вредное воздействие кавитационных явлений?