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 = (P₀–P_s)/P_a

где P_s – давление насыщенного пара;

P_a – амплитуда звукового давления;

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

Рис. 1. Зависимость критического значения звукового давления Р_к от газосодержанияМомент возникновения кавитации характеризуется критическим числом c_к, которому соответствует критическое значение звукового давления Р_к, определяемое экспериментально (как известно, критическое давление Р_к зависит от температуры жидкости, например, для воды при t = 20 °С Р_к = 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 Р_к от газосодержания частоты звукового поляФизический 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 Р_cr (в реальной жидкости Р_cr 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 (8000–12000 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 О_2. 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.