Kawitacja

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Kawitacja wokół śruby, eksperyment w tunelu wodnym

Kawitacjazjawisko fizyczne polegające 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. Kawitacja występuje wyłącznie w cieczach[1].

Wpływ czynników na kawitację[edytuj | edytuj kod]

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 (łac. "cavum" = pusty). 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[edytuj | edytuj kod]

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.

Aktualnie[kiedy?] 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.

Podział[edytuj | edytuj kod]

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[2].

Kawitacja w turbinach wodnych[edytuj | edytuj kod]

Istnieją cztery zasadnicze rodzaje kawitacji, które mogą wystąpić w turbinach wodnych[3].

  • Kawitacja powierzchniowa - zjawisko kawitacji powstające w przestrzeniach przylegających do omywanych powierzchni elementów turbiny.
  • Kawitacja przestrzenna - zjawisko kawitacji powstające w przestrzeni wodnej w pewnym oddaleniu od omywanych powierzchni elementów turbiny.
  • Kawitacja osiowa - zjawisko kawitacji przestrzennej powstające w osi rury ssącej, zazwyczaj przy spływie wody z opływki wirnika.
  • Kawitacja szczelinowa - zjawisko kawitacji powstające w otoczeniu szczelin między ruchomymi i nieruchomymi elementami turbiny.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. dr inż. Artur Dudziak; "Wady i zalety kawitacji" - Magazyn Instalatora 12/2013
  2. Tunel kawitacyjny (pol.). www.cto.gda.pl. [dostęp 28 grudnia 2009].
  3. Jackowski K.: Elektrownie wodne - turbozespoły i wyposażenie, WNT, Warszawa 1971.