Файл: Пылаев, Н. И. Кавитация в гидротурбинах.pdf

пузырьков диаметром более 10—20 р практически достигается этот предел прочности.

В реальных условиях гидротурбины при наличии турбулент­ ных пульсаций, вихрей в пограничном слое, несферических заро­ дышей кавитации на обтекаемых поверхностях, неизбежных твер­ дых и органических включений кавитация возникает при осредненных давлениях, близких к давлению парообразования. Это подтверждается экспериментами. Но кавитация может возникнуть и развиваться, если давление р-^ра будет воздействовать на газо­ вый зародыш достаточно продолжительно. При большой скорости прохождения потоком малопротяженной зоны разрежения, хо­ тя бы и достаточно большого по абсолютной величине, кавитация может не проявиться.

Важно подчеркнуть также, что если при некоторых условиях и удается затягивать начало кавитации (так же, как и кипения), то после начала процесса он не прекращается, и устойчивое его течение продолжается, если давление поднять до величины давле­

Таким образом, хотя и нельзя считать доказанным, что крити­ ческим для образования кавитации в реальных условиях гидро­ турбин является давление насыщенных паров, это наиболее ве­ роятное и согласующееся с практикой допущение. Не исключено, конечно, что в некоторых специальных аппаратах и механизмах, где принимаются особые меры для увеличения прочности жидко­ сти, кавитация возникает при давлениях, существенно меньших давления парообразования.

До сих пор рассматривалась так называемая гидродинамиче­ ская кавитация, т. е. кавитация, возникающая в потоке жидкости при внешнем или внутреннем обтекании тел. Кроме гидродинами­ ческой кавитации большое практическое значение имеет искус­ ственная акустическая кавитация, которая возникает или в сфоку­ сированном поле ультразвуковой волны, распространяющейся в объеме жидкости вдали от ограничивающих поверхностей, или при нефокусированном излучении с наибольшей интенсивностью кавитации на поверхности самого излучателя. В отличие от гидро­ динамической, при акустической кавитации каверны испытывают не однократное, а многократное периодическое растягивающее и сжимающее воздействия. Особенности гидродинамической и аку­ стической кавитации, которые отмечены выше, приводят к тому, что при аналитическом исследовании первой обычно пользуются лагранжевыми координатами, а второй — эйлеровыми. Акусти­ ческая кавитация вообще легче поддается аналитическим и экспе­ риментальным исследованиям.

Многие качественные результаты этих исследований могут быть использованы и используются при анализе механизма более сложной гидродинамической кавитации.

8

ч

Эксперименты В. Е. Джонсона [89] с помощью скоростной киносъемки показали, что при кавитации за тысячные доли се­ кунды пузырек может вырасти до нескольких миллиметров и затем схлопнуться еще в два раза быстрее.

Движущиеся с потоком, не связанные с обтекаемой поверх­ ностью кавитационные каверны имеют обычно приблизительно сферическую форму или приближаются к ней в процессе развития. Поэтому классической моделью кавитационного процесса является динамика сферической полости в жидкости.

Впервые задачу о замыкании сферической полости в неограни­ ченном объеме невязкой несжимаемой и лишенной поверхностного натяжения жидкости теоретически решил Релей более 50 лет на­ зад [99]. Рассматривалось радиальное движение сферической по­ лости под воздействием постоянного давления при наличии инер­ ционных сил. Причем сам Релей обращал внимание на то, что схема идеализирована и приводит в конечном итоге к абсурдному выводу о бесконечно больших скоростях и давлениях во всем объеме жид­ кости в последний момент замыкания полости. На самом деле дав­ ления действительно достигают очень больших величин, чем и обусловливается кавитационная эрозия, но не бесконечных, а ско­ рости конечны и в некоторые моменты равны нулю. В дальнейшем классическое решение Релея совершенствовалось путем выявления влияний различных его допущений.

В каверне, развившейся из газонаполненного кавитационного зародыша, в который вследствие диффузии при пониженном давле­ нии из окружающего раствора поступает, кроме того, и дополни­ тельный газ, неизбежно наличие газа. Газ не допускает полного смыкания каверны, она сжимается до каких-то конечных размеров и под действием давления сжатого газа вновь расширяется. Возни­ кает колебательный процесс. Это усугубляется еще и тем, что пар, находящийся в каверне, по данным Флинна [65], конденсируется не мгновенно, а с конечной скоростью, равной 6,5 м/с. Следова­ тельно, на последних стадиях замыкания, когда радиальная ско­ рость стенки превышает скорость конденсации, пар тоже играет роль упругого газа. В конце концов периодический процесс зату­ хает.

Громадные давления, возникающие в момент завершения сжатия и последующего расширения паровоздушной смеси ка­ верны, вызывают упругие колебания в жидкости с широким спек­ тром звуковых и ультразвуковых частот. Поэтому пренебрежение сжимаемостью среды тоже приводит к погрешности. Звук может распространяться только в упругой сжимаемой среде. На образо­ вание звука тратится часть запасенной энергии и за счет этого ско­ рость замыкания тоже уменьшается. Учесть сжимаемость аналити­ чески очень трудно и долгое время никому не удавалось. Только в 60-х годах было получено достаточно строгое решение задачи для сжимаемой невязкой жидкости при адиабатическом про­ цессе.

9

Влияние вязкости, как показывает анализ, для данной задачи менее существенно, тем более, что оно в большой степени компен­ сируется поверхностным натяжением.

Кавитационная каверна при гидродинамической, а иногда и при акустической кавитации возникает вблизи стенки. Поэтому сферическая симметрия, которая предполагается при рассмотре­ нии задач динамики кавитационной полости, существенно нару­ шается. Нормальные к стенке скорости на ее поверхности равны нулю.

Получающийся реальный поток можно представить, заме­ нив пузырек диполем и введя зеркально отображенный относи­ тельно стенки такой же диполь. Тогда оказывается, что каверна при замыкании приближается к стенке со скоростью того же по­ рядка, что и скорость замыкания. Причем скорость замыкания и давление при наличии стенки меньше, чем без нее.

Наконец, все эти рассуждения предполагали, что сферическая полость все время сохраняет устойчивость, т. е. остается сфери­ ческой. Оказывается это справедливо лишь для стадии расширения, а при захлопывании пузырек может потерять свою форму особенно под влиянием расположенных вблизи твердых стенок или свобод­ ной поверхности. И тогда вместо обычно представляемого смыка­ ния пузырька происходит его разрушение на множество более мелких пузырьков.

Нод и Эллис [45] предложили схему кумулятивного схлопывания сферической каверны при потере устойчивости. В соответствии с этой схемой сфера деформируется таким образом, что во внутрь ее врывается струйка жидкости, которая и производит разрушаю­ щий удар по обтекаемой поверхности.

Кстати сказать, при расчетах по схеме кумулятивного схлопывания интенсивность эрозионного воздействия получается больше и ближе к экспериментальным данным. Очевидно, что при гидро­ динамической кавитации еще более, чем при акустической, ве­ роятно кумулятивное схлопывание.

2. КАВИТАЦИЯ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕЧЕНИЯ

Изолированная кавитационная каверна практически никогда не возникает в реальных течениях. Даже в идеализированных лабо­ раторных условиях трудно воспроизвести такую каверну. Обычно имеет место некоторая кавитационная область, определенная зона потока, содержащая множество кавитационных каверн. Для ха­ рактеристики кавитационной области введено понятие индекса развитости кавитации или индекса кавитации [3]

где V — некоторый объем внутри кавитационной области; ДУ — часть объема У, занимаемая кавитационными полостями.

10

Индекс кавитации имеет локальный характер и является функ­ цией координат и времени. Можно себе представить среднюю ин­ тегральную величину индекса кавитации всей кавитационной области.

В зависимости от индекса кавитации меняется осредненная плотность среды. Зная распределение плотности по кавитационной области, можно для приближенного исследования кавитационных течений воспользоваться уравнениями аэродинамики для сжимае­ мых сред с переменной плотностью.

До начала кавитации индекс кавитации равен нулю, затем по мере развития кавитации он возрастает. В пределе, когда кавита­ ционная область представляет одну большую каверну, индекс кавитации равен единице. В этом случае имеет место так называе­ мое струйное течение. Изучением таких течений занимается спе­ циальный раздел гидромеханики. Каверна рассматривается как внешняя для потока область, а ограничивающая ее поверхность — как свободная поверхность с постоянным давлением.

Между предельными бескавитационным и струйным течениями имеют место различные формы кавитации при различных степенях развития. Если кавитация возникла, то она развивается тем больше, чем ниже давление в системе или чем больше скорости течения.

Для характеристики степени развития кавитации принято ис­ пользовать безразмерный параметр, называемый числом кавитации

(1.4)

где рсо и о,» — давление и скорость на бесконечности перед обте­ каемым телом; р — плотность жидкости.

Выражение (1.4) для числа кавитации структурно напоминает выражение для коэффициента давления

где р — давление в точке обтекаемого тела.

Если в какой-либо точке i обтекаемого тела давление р( = pd,

то число кавитации k равно коэффициенту давления рьв этой точке с обратным знаком

Если р. соответствует минимальному давлению на обтекаемом профиле, т. е. pt — pmln, то соответствующее число кавитации называют критическим

II