Кавитация

Вопрос:

Здравствуйте!
Сколько % общего объема жидкости подвергается деструкции под воздействием кавитации?

Здравствуйте,
Необходимо уточнить, какой тип кавитации имелся в виду – акустическая или гидродинамическая?

Акустическая кавитация, в отличие от гидродинамической (обусловленной понижением давления из-за большой скорости в потоке движущейся жидкости), возникает при прохождении звуковых волн высокой интенсивности и амплитуды, превосходящей пороговую величину. Для воды и водных растворов порог кавитации возрастает по мере снижения содержания газа в жидкости, при увеличении гидростатического давления, после “сжатия” газа в жидкости (~108 Па) гидростатическим давлением, или при увеличении частоты звука. При импульсном ультразвуковом воздействии порог кавитации зависит от длительности импульса и достигает максимума при 0,06–0,6 мкс. 

Количественно возникновение кавитации и степень ее развития характеризуют числом кавитации:

C = (P0Ps)/Pa

где Ps – давление насыщенного пара;

Pa – амплитуда звукового давления;

P0 – гидростатическое давление, т.е. амплитудой понижения давления в жидкости.

Рис. 1. Зависимость критического значения звукового давления Рк от газосодержания

Момент возникновения кавитации характеризуется критическим числом cк, которому соответствует критическое значение звукового давления Рк, определяемое экспериментально (как известно, критическое давление Рк зависит от температуры жидкости, например, для воды при t = 20 °С Рк = 2,35 кПа); эти величины для воды зависят от многих параметров (температура), характеризующих как состояние жидкости–газосодержание (рис. 1), количество растворенного в воде воздуха и звуковое поле–частота (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость критического значение звукового давления Рк от газосодержания частоты звукового поля

Физический процесс кавитации близок процессу закипания жидкости. Основное различие между ними заключено в том, что при повышении относительной скорости потока относительно тела понижается давление потока до давления насыщенных паров (вакуума). При этом жидкость вскипает, и образуются кавитационные парогазовые пузырьки микроскопических размеров. Кавитационные пузырьки образуются в местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения Рcr (в реальной жидкости Рcr соответствует давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре). Мельчайшие газовые пузырьки, которые всегда имеются в воде, попадая в зону пониженного давления, начинают резко увеличиваться. Это приводит к быстрому уменьшению давления внутри их, к испарению (вскипанию) воды и увеличению давления до давления насыщенных паров. Если температура жидкости значительно ниже точки кипения, то пузырьки растут главным образом в результате диффузии. При повышении давления в следующую половину периода колебания пузырек сжимается, направление диффузии меняется, и молекулы диффундируют из пузырька в жидкость. Количество продиффундировавшего газа пропорционально площади поверхности пузырька.

Накопление газа в пузырьке, обусловливающее рост среднего размера пузырька в поле переменного давления, называется выпрямленной, или направленной, диффузией. Диффузионный механизм обеспечивает сравнительно медленный рост пузырьков, и при высокой частоте ультразвука они совершают значительное число пульсаций, прежде чем достигнут резонансных размеров. Амплитуда пульсации пузырька с резонансными размерами (для данной частоты ультразвука) максимальна. Повышение интенсивности ультразвука приводит к нестабильной кавитации: пузырьки довольно быстро (за несколько периодов) достигают резонансного размера, стремительно расширяются, после чего резко захлопываются, создавая кратковременные (длительностью ~10-6 с) мощные импульсы давления (до 108 Па и выше) и ударные волны, способные разрушить даже прочные материалы. Такое разрушение имеет место на поверхности мощных акустических излучателей, работающих в  жидкости.

Захлопывание пузырьков сопровождается значительным ударным, а также химическим и электрическим, воздействием и слабым радиоактивным излучением. При захлопывании содержащаяся в пузырьке парогазовая смесь, адиабатически (не успевая обменяться теплом с окружающей средой) сжимается до давления 105 Па (300 атм) и нагревается до температур порядка нескольких тысяч градусов (800012000 К). Весь процесс увеличения и захлопывания пузырьков происходит в течение нескольких миллисекунд. Давление внутри пузырьков и в воде достигает сотен МПа, а температура нескольких тысяч градусов, что вызывает распад молекул воды и образование радикалов с высокой химической активностью. Известно, что при 2000 К около 0,01 % молекул H2O внутри пузырька диссоциируют на водородные (Н*) и гидроксильные (ОН*) свободные радикалы (кавитационный термолиз). Эти радикалы могут рекомбинировать с образованием электронно-возбужденных состояний молекул H2O*. При переходе молекул H2O* из электронно-возбужденного состояния в основное в объёме воды высвечивается квант света – происходит сонолюминесценция – явление возникновения вспышки света при схлопывании кавитационных пузырьков, сформированных в жидкости мощной ультразвуковой волной. Кроме того, резкое (внезапное) исчезновение кавитационных пузырьков приводит к образованию гидравлических ударов, и как следствие к созданию волны сжатия и растяжения в жидкости с ультразвуковой частотой.

Свободные Н* и ОН* радикалы могут диффундировать в раствор и вступать в реакции с растворителем или растворенными веществами, инициируя каскадные радикальные химические процессы. За счет гидродинамического кавитацтонного термолиза воды на Н* и ОН* происходит увеличение концентрации О2. Также термолиз воды приводит к синтезу перекиси водорода (Н2О2), что способствует понижению параметра рН.

Кавитация в жидкости сопровождается различными химическими реакциями; при этом происходит ускорение одних химических реакций и инициирование других. Эти реакции происходят в чрезвычайно короткое время.

Кроме этого, вследствие концентрирования энергии в очень малых объемах ультразвук может вызывать такие явления, как разрыв химических связей макромолекул, инициирование химических реакций и свечение.

Каких либо точных расчетов, позволяющих точно рассчитать степень деструкции жидкости, вызванное звуковой кавитацией в настоящее время не существует. Имеются непроверенные данные (насколько они точны, я не знаю), что внутри самого кавитационного пузырька, где развивается высокое давление, около 0,01 % молекул H2O диссоциируют на водородные и гидроксильные свободные радикалы, которые затем рекомбинируются с образованием электронно-возбужденных состояний молекул H2O*. Эти реакции носят каскадный характер.

О.В. Мосин, к.х.н., доц.