КАВИТАЦИЯ

(от лат. cavitas — пустота), образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (т. н. кавитац. пузырьков или каверн). Кавитац. пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже нек-рого критич. значения ркр (в реальной жидкости ркр прибл. равно давлению насыщ. пара этой жидкости при данной темп-ре). Если понижение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то К. наз. гидродинамической, а если вследствие прохождения звук. волн большой интенсивности — акустической.

Гидродинамическая К. Для идеальной однородной жидкости вероятность образования пузырьков за счёт разрыва жидкости становится заметной при больших растягивающих напряжениях; так, напр., теор. прочность на разрыв воды равна 1,5•108 Па (—1500 кгс/см2). Реальные жидкости менее прочны. Макс. растяжение тщательно очищенной воды, достигнутое при растяжении воды при 10°С, составляет — 2,8•107 Па (— 280 кгс/см2). Обычно же разрыв возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщ. пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них т. н. кавитац. зародышей: микроскопич. газовых пузырьков, тв. ч-ц с трещинами, заполненными газом, и др. Мельчайшие пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком и попадая в область давления р<�ркр, 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 (напр., в трубе с местным сужением) создаётся довольно чётко ограниченная «кавитац. зона», заполненная движущимися пузырьками.

После перехода в зону повыш. давления рост пузырька прекращается, и он начинает сокращаться. Если пузырёк содержит достаточно много газа, то по достижении им мин. радиуса он восстанавливается и совершает неск. циклов затухающих колебаний, а если газа мало, то пузырёк захлопывается полностью в первом периоде жизни.

Сокращение кавитац. пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звук. импульсом (своего рода гидравлическим ударом) тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырёк. Если степень развития К. такова, что в случайные моменты времени возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным спектром от неск. сотен Гц до сотен и тысяч кГц. Если кавитац. каверна захлопывается вблизи от обтекаемого тела, то многократно повторяющиеся удары приводят к разрушению (к т. н. кавитац. эрозии) поверхности обтекаемого тела — лопастей гидротурбин, гребных винтов кораблей (рис.) и др. гидротехн. устройств.

При данной форме обтекаемого тела К. возникает при нек-ром, вполне определённом для данной точки потока, значении безразмерного параметра

где р — гпдростатич. давление набегающего потока, рн— давление насыщ. пара, r — плотность жидкости,

Участок разрушенной поверхности гребного винта.

v?— скорость жидкости при достаточном удалении от тела. Этот параметр наз. «числом кавитации», служит одним из критериев подобия при моделировании гидродинамич. течений. Увеличение скорости потока после начала К. вызывает быстрое возрастание кол-ва кавитац. пузырьков, затем происходит их обьединение в общую кавитац. каверну, после чего течение переходит в струйное (см. СТРУЯ).

Если внутрь каверны через тело, около к-рого возникает К., подвести атм. воздух или иной газ, то размеры каверны увеличатся. При этом установится течение, к-рое будет соответствовать числу кавитации, определяемому уже не давлением насыщенного водяного пара рн, а давлением газа внутри каверны рк, т. е. c=(p?-pк)/rv2?. Т. к. величина рк может быть много больше рн, то в таких условиях при малых скоростях набегающего потока можно получать течения, соответствующие очень низким значениям c, т. е. сильному развитию К. Так, при движении тела в воде со скоростью 6—10 м/с хар-р его обтекания может соответствовать скоростям до 100 м/с. Кавитац. течения, получающиеся в результате подвода газа внутрь каверны, наз. искусственной К.

Гидродинамич. К. может сопровождаться рядом физ.-хим. эффектов, напр. искрообразованием и люминесценцией. Обнаружено влияние электрич. тока и магн. поля на К., возникающую при обтекании цилиндра в гидродинамич. трубе.

К. оказывает вредное влияние на работу гидротурбин, жидкостных насосов, гребных винтов кораблей, жидкостных систем высотных самолётов и т. д., снижает их кпд и приводит к разрушениям. К. может быть уменьшена при увеличении гидростатич. давления, напр. помещением устройства на достаточной глубине по отношению к свободной поверхности жидкости, а также подбором соответствующих форм элементов конструкции, при к-рых вредное влияние К. уменьшается. Эксперим. исследования К. проводятся в гидродинамич. трубах, оборудованных системой регулирования статич. давления (т. н. кавитац. Трубы).