Kawitacja

Kawitacja wokół śruby, eksperyment w tunelu wodnym.

Kawitacja jest zjawiskiem polegającym na gwałtownej przemianie fazowej z fazy ciekłej w fazę gazową pod wpływem zmniejszenia ciśnienia. Jeżeli ciecz gwałtownie przyśpiesza zgodnie z zasadą zachowania energii, ciśnienie statyczne cieczy musi zmaleć. Dzieje się tak np. w wąskim otworze przelotowym zaworu albo na powierzchni śruby napędowej statku.

Wpływ czynników na kawitację

Temperatura wrzenia cieczy zależy od jej ciśnienia i im ciśnienie to jest niższe, tym niższa temperatura wrzenia. Lokalny spadek ciśnienia statycznego prowadzić może do wrzenia cieczy i tworzenia się pęcherzyków gazu (ang. cavity = dziura, ubytek). Kiedy ciecz opuści obszar szybkiego przepływu, ciśnienie statyczne ponownie rośnie. Pęcherzyki zapadają się, a często gwałtownie implodują, co wytwarza fale uderzeniowe.

Głównym czynnikiem wpływającym na występowanie kawitacji jest temperatura cieczy. Wpływ na zjawisko kawitacji w cieczy o danej temperaturze mają przede wszystkim jej prędkość, kształt powierzchni z jaką się kontaktuje, występowanie w cieczy zanieczyszczeń i inne.

Rejon objęty kawitacją, jest obszarem burzliwego (turbulentnego) przepływu cieczy. Ruch taki charakteryzuje się wielką złożonością, zaś wystąpienie kawitacji dodatkowo utrudnia jego opis, ponieważ ciecz jako taka traci ciągłość i należy taki przepływ opisywać jako przepływ wielofazowy (to znaczy taki, w którym bierze udział wiele faz jednej substancji: np. wody w fazie ciekłej i gazowej, oraz następują przemiany termodynamiczne).

Kawitacja jest gwałtownym i najczęściej bardzo niepożądanym zjawiskiem. Lokalne nagłe zmiany ciśnienia mogą przekraczać ciśnienie cieczy nawet kilkusetkrotnie, a powstające uderzenia są tak silne, iż mogą zniszczyć niemal dowolny materiał.

Uszkodzenie spowodowane zjawiskiem kawitacji

Powstające podczas implozji bąbelków gazu fale uderzeniowe powodują mikrouszkodzenia śrub okrętowych, łopat turbin, zaworów i innych elementów i znacząco skracają czas ich eksploatacji.

Znaczenie i zastosowanie

Kawitacja jest jednym z głównych źródeł hałasu, co stanowi szczególny problem na przykład na okrętach podwodnych, czy w instalacjach pracujących pod wysokim ciśnieniem. Współcześnie coraz częstszą uciążliwością staje się też kawitacja występująca w tunelach sterów strumieniowych, zamontowanych na małych statkach specjalistycznych wykorzystujących tzw. DP (system dynamicznego pozycjonowania) oraz na statkach pasażerskich wyposażonych w takie stery, w celu uzyskania dużej manewrowości w ciasnej zabudowie portowej.

Kawitacja może mieć jednak także użyteczne zastosowania, takie jak produkcja emulsji, czyszczenie powierzchni, pompa kawitacyjna, urządzenia grzewcze o bardzo wysokiej sprawności (opatentowane przez Jima Griggsa (USA pat. no. 5188090 - z 1993 r. i 5385298 z 1995 r.)) i inne.

Aktualnie prowadzone są badania nad torpedą superkawitacyjną. Dzięki umieszczeniu na przodzie torpedy odpowiednio ukształtowanego stożka lub tzw. śmigła kawitacyjnego następuje zjawisko superkawitacji. Dzięki temu torpeda de facto porusza się nie w otoczeniu cieczy lecz gazu, co znacznie zmniejsza opór ośrodka i teoretycznie pozwala jej osiągnąć prędkości zbliżone do prędkości rozchodzenia się dźwięku w powietrzu.

Kawitacja występuje także podczas intensywnego podgrzewania cieczy i to ona jest odpowiedzialna za syczenie wody podczas jej podgrzewania.

Zjawisko kawitacji wykorzystywane jest w tzw. sonicznych szczoteczkach do zębów. W cieczy poddanej działaniu fali dźwiękowej (ultradźwiękowej) powstają obszary zwiększonego i obniżonego ciśnienia (a nawet próżni), które to pomagają usunąć (rozluźniają) przylegającą do zęba płytkę nazębną (bakterie), nawet w pewnej odległości od włókna szczoteczki.

Podział

Podział zjawiska kawitacji według kształtu obłoku kawitacyjnego pojawiającego się za opływanym ciałem:

• Wędrująca kawitacja pęcherzykowa - pęcherzyki przesuwają się wzdłuż przedmiotu opływanego i stają się widoczne w pobliżu obszaru o najmniejszym ciśnieniu.
• Kawitacja pęcherzykowa w warstwie ścinania - pęcherzyki narastają na powierzchni przedmiotu i następnie są zrywane przez przepływ.
• Kawitacja pasmowa przyłączona - obszar kawitacji to kawerna z gładką powierzchnią wypełnioną jednorodną mieszaniną parowo-gazową
  • Miejscowa kawitacja przyłączona.
  • Miejscowa kawitacja pęcherzykowa.
  • Kawitacja wirowa.

W Polsce tunel kawitacyjny posiada Centrum Techniki Okrętowej S.A. z siedzibą w Gdańsku.

Zobacz też

• Superkawitacja