КАВИТА́ЦИЯ

КАВИТА́ЦИЯ (от лат. cavitas – пус­то­та) (гид­ро­ди­на­ми­че­ская ка­ви­та­ция), об­ра­зо­ва­ние в жид­ко­сти пу­зырь­ков или по­лос­тей, за­пол­нен­ных па­ром, га­зом или их сме­сью, при об­те­ка­нии жид­ко­стью твёр­дых тел. К. воз­ни­ка­ет при вски­па­нии жид­ко­сти за счёт гид­ро­ди­на­мич. по­ни­же­ния дав­ле­ния. В мес­тах су­же­ний (осо­бен­но на пе­ред­них кром­ках об­те­кае­мых пре­пят­ст­вий), где дав­ле­ние жид­ко­сти ста­но­вит­ся ни­же не­ко­то­рой ве­ли­чи­ны $p_H$, прак­ти­че­ски рав­ной дав­ле­нию на­сы­щен­но­го па­ра, про­ис­хо­дит об­ра­зо­ва­ние ка­ви­та­ци­он­ных пу­зырь­ков. Ве­ли­чи­на $p_H$ обыч­но ма­ла; для во­ды при темп-ре 18 °C она со­став­ля­ет 2·10³ Па. Об­ра­зо­вав­шие­ся пу­зырь­ки плы­вут по по­то­ку и, по­па­дая при рас­ши­ре­нии по­то­ка в об­ласть по­вы­шен­но­го дав­ле­ния, на­чи­на­ют сжи­мать­ся. Сжа­тие пу­зырь­ка не­ус­той­чи­во; при этом вбли­зи твёр­дой по­верх­но­сти об­ра­зу­ет­ся ку­му­ля­тив­ная струя, на­прав­лен­ная к по­верх­но­сти те­ла, ско­рость ко­то­рой мо­жет дос­ти­гать не­сколь­ких ки­ло­мет­ров в се­кун­ду. Это яв­ле­ние при­во­дит к раз­ру­ше­нию по­верх­но­сти – ка­ви­та­ци­он­ной эро­зии. Эро­зия на­блю­да­ет­ся на по­верх­но­стях греб­ных вин­тов, под­вод­ных крыль­ев, ло­па­ток гид­ро­тур­бин, сте­нок во­до­во­дов, на­со­сов и т. п.

При за­дан­ной фор­ме об­те­кае­мо­го те­ла воз­ник­но­ве­ние К. опи­сы­ва­ет­ся без­раз­мер­ным па­ра­мет­ром $σ = 2(p_∞ - p_H)/(ρv^2_∞) $$ (p_∞$ и $v_∞$ – дав­ле­ние и ско­рость на­бе­гаю­ще­го по­то­ка, $ρ$ – плот­ность жид­ко­сти). Этот па­ра­метр на­зы­ва­ет­ся чис­лом К. и слу­жит од­ним из кри­те­ри­ев по­до­бия ка­ви­та­ци­он­ных те­че­ний. Уве­ли­че­ние ско­ро­сти на­бе­гаю­ще­го по­то­ка $v_∞$ по­сле на­ча­ла К. при­во­дит к воз­рас­та­нию чис­ла пу­зырь­ков и их объ­е­ди­не­нию в об­щую ка­вер­ну – ка­ви­та­ци­он­ную по­лость, за­пол­нен­ную па­ром. Воз­ни­ка­ет раз­ви­тое струй­ное те­че­ние. Од­но из средств борь­бы с ка­ви­та­ци­он­ной эро­зи­ей – соз­да­ние про­фи­лей т. н. су­пер­ка­ви­ти­рую­щих крыль­ев с ост­рой пе­ред­ней кром­кой, спо­соб­ст­вую­щей об­ра­зо­ва­нию до­ста­точ­но длин­ной ка­вер­ны, ко­то­рая, за­мы­ка­ясь за кры­лом, не раз­ру­ша­ет его.

В не­ко­то­рых уст­рой­ст­вах в спе­ци­аль­но ор­га­ни­зо­ван­ную ка­вер­ну по­да­ёт­ся газ под дав­ле­ни­ем, близ­ким к дав­ле­нию на­бе­гаю­ще­го по­то­ка, что при­во­дит к силь­но­му раз­ви­тию К. (ма­лые зна­че­ния чис­ла К. $σ$ ) и фор­ми­ро­ва­нию длин­ных ка­верн. Ка­ви­та­ци­он­ные те­че­ния, об­ра­зую­щие­ся в ре­зуль­та­те под­во­да га­за внутрь ка­вер­ны, на­зы­ва­ют­ся ис­кус­ст­вен­ной К. При на­ли­чии ка­вер­ны на те­ло дей­ст­ву­ет так­же си­ла со­про­тив­ле­ния, воз­ни­каю­щая за счёт от­ры­ва по­то­ка. Эта си­ла оп­ре­де­ля­ет­ся с по­мо­щью мо­де­ли иде­аль­ной жид­ко­сти. Напр., при $σ = 0$ на длин­ную пла­стин­ку ши­ри­ной $l$, по­став­лен­ную по­пе­рёк по­то­ка, в рас­чё­те на еди­ни­цу дли­ны дей­ст­ву­ет си­ла $F = πρv^2_∞l/(4 + π)$. Ис­кус­ст­вен­ная К. при­ме­ня­ет­ся в су­до­строе­нии для умень­ше­ния пло­ща­ди сма­чи­вае­мой по­верх­но­сти те­ла и, со­от­вет­ствен­но, сни­же­ния со­про­тив­ле­ния вяз­ко­го тре­ния.

При воз­дей­ст­вии на гид­ро­ма­ши­ны, кро­ме эро­зии по­верх­но­сти, К. вы­зы­ва­ет по­вы­шен­ные виб­ра­ции и рез­кий шум в про­точ­ной час­ти, а так­же рост гид­рав­лич. по­терь, что со­про­во­ж­да­ет­ся сни­же­ни­ем кпд ма­шин. Осн. спо­со­бом пре­д­от­вра­ще­ния К. яв­ля­ет­ся уве­ли­че­ние гид­ро­ста­тич. дав­ле­ния в зо­не воз­мож­но­го воз­ник­но­ве­ния ка­ви­та­ци­он­ных те­че­ний, для че­го про­точ­ный тракт гид­ро­ма­ши­ны за­глуб­ля­ет­ся от­но­си­тель­но уров­ня ниж­не­го бье­фа на дос­та­точ­ную глу­би­ну.

В во­до­про­во­дя­щих гид­ро­тех­нич. со­ору­же­ни­ях (при об­те­ка­нии вход­ных ого­лов­ков глу­бин­ных во­до­сбро­сов, па­зов за­тво­ров га­си­те­лей энер­гии на во­до­бое, не­ров­но­стей смо­чен­ной по­верх­но­сти и др.) из-за воз­ник­но­ве­ния К. про­ис­хо­дит от­рыв по­то­ка от по­верх­но­сти во­до­про­во­дя­ще­го трак­та и ис­крив­ле­ние его тра­ек­то­рии, а так­же об­ра­зо­ва­ние вих­ре­вых зон. Ме­то­ды за­щи­ты гид­ро­тех­нич. со­ору­же­ний от воз­дей­ст­вия К.: умень­ше­ние воз­дей­ст­вия К. на эле­мен­ты кон­ст­рук­ции (со­вер­шен­ст­во­ва­ние гид­ро­ди­на­мич. форм, по­вы­ше­ние глад­ко­сти по­верх­но­сти и т. п.); воз­дей­ст­вие на струк­ту­ру по­то­ка (обес­пе­че­ние плав­но­сти вхо­да и вы­хо­да по­то­ка, сни­же­ние ве­ро­ят­но­сти от­ры­ва по­то­ка, вве­де­ние воз­ду­ха в зо­ны раз­ви­той ка­ви­та­ции и др.); обес­пе­че­ние вы­со­кой ка­ви­та­ци­он­ной из­но­со­стой­ко­сти об­ли­цов­ки во­до­сбро­сов за счёт при­ме­не­ния ка­ви­та­ци­он­но-стой­ких ма­те­риа­лов и улуч­ше­ния тех­но­ло­гии ук­лад­ки бе­то­на, вве­де­ние спец. до­ба­вок, в осо­бых слу­ча­ях ис­поль­зо­ва­ние сталь­ных об­ли­цо­вок.

Ис­кус­ст­вен­ная К. ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся для гид­ро­ди­на­мич. под­вод­ной очи­ст­ки кор­пу­сов су­дов, гид­ро­тех­нич. и очи­ст­ных со­ору­же­ний, под­вод­ной час­ти опор мос­тов и бу­ро­вых плат­форм и др.