Явление кавитации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

на тему: «Явление кавитации»

План

кавитация энергия тепловой поток

Введение

Эффект кавитации

Механизмы возникновения и параметры кавитационных пузырьков

Кавитация как следствие скоростного разрыва потока

Тепловой механизм возникновения кавитации

Другие способы получения кавитации

Что внутри кавитационных пузырьков

Тепловая и механическая кавитации -- разные явления

Термодинамика пузырьков

Рост и схлопывание пузырьков

Асимметрия роста и схлопывания

О разогреве при схлопывании

Кавитация и свободная энергия

Возможные источники свободной энергии

О бодрящем холоде

Список использованная литература

Введение

На явление кавитации наука обратила внимание ещё в конце XIX века, когда возросшие скорости и мощности создаваемых машин сделали её существенным препятствием на некоторых направлениях развития техники, прежде всего в судостроении. Однако до сих пор можно сказать, что это явление изучено недостаточно. Объясняется это высокими скоростями, а также очень малыми размерами и временами жизни типичных кавитационных пузырьков. В результате даже при современном уровне техники прямые измерения параметров этих пузырьков практически невозможны. Непосредственному измерению доступны лишь интегральные параметры квазистационарных зон кавитации. Поэтому неудивительно, что это явление очень часто рассматривается как вероятный источник получения дополнительной «сверхъединичной» энергии. Возможно, в этом есть и рациональное зерно.

Эффект кавитации

Собственно эффект кавитации заключается в очень быстром схлопывании пузырьков в жидкости, в результате чего в точке схлопывания возникает гидравлический удар, ударная волна от которого распространяется в окружающей жидкости.

Механизмы возникновения и параметры кавитационных пузырьков

Причины возникновения этих пузырьков могут быть различны, и это очень важно, поскольку в результате различаются параметры самих пузырьков (прежде всего их размеры и давление внутри них). В свою очередь, этим обусловлены и различия в последствиях разных видов кавитации. Более того, я считаю, что под названием «кавитация» в настоящее время иногда объединяют два внешне схожих, но принципиально разных явления.

Кавитация как следствие скоростного разрыва потока

«Классический» механизм возникновения кавитации заключается в образовании в текущем потоке пузырьков-полостей в зонах разрежения, возникающих во время быстрого движения жидкости по каналам переменного сечения и / или сложной формы. По сути, причиной этого является то, что исходя из соотношения скорости, сечения и расхода жидкости, количества жидкости просто «не хватает» для плотного заполнения сечения в данном месте канала. В уравнении Бернулли для таких условий появляются отрицательные значения давления -- меньше абсолютного нуля (то есть меньше «давления» вакуума). Но поскольку отрицательное давление физически нереализуемо, а жидкости являются практически несжимаемыми и нерастяжимыми субстанциями, в реальности в такой ситуации происходит разрыв сплошного потока -- в нём образуются пустоты-пузырьки, суммарный объём которых равен «лишнему» объёму в данном месте канала. В результате для средней (интегральной) плотности двухфазного потока (жидкость + пустоты) давление в уравнении Бернулли становится неотрицательным. Отличие этой плотности от плотности спокойной жидкости позволяет оценить степень кавитации в том или ином сечении канала.

При снижении скорости потока и восстановлении давления такие пузырьки-разрывы почти мгновенно «схлопываются», при этом возникает микро-гидроудар. Это возникновение кавитации по механическим причинам.

Тепловой механизм возникновения кавитации

Иногда упоминают и о другом механизме возникновения кавитационных пузырьков -- тепловом. Например, считается, что именно такая кавитация обуславливает шум закипающего чайника или кастрюли. Там под воздействием внешнего тепла на горячей стенке или на дне сосуда создаются условия, позволяющие жидкости перейти в парообразное состояние. Давление при этом достаточно велико -- оно равно давлению над поверхностью жидкости в сумме с давлением столба жидкости, соответствующим глубине образования пузырька. Пузырёк пара растёт, за счёт теплоты испарения отбирая «лишнее» тепло у ближайшей к нему жидкости и тем самым предотвращая появление пузырьков-«конкурентов» в своих ближайших окрестностях.

Наконец, объём пузырька становится достаточно велик, чтобы под действием архимедовой силы и локальных течений, которые всегда возникают в объёме жидкости при местном интенсивном нагреве, он смог оторваться от своего места и отправиться в самостоятельное плавание. Удалившись от горячей стенки, он попадает в менее нагретую область жидкости. Эти условия становятся недостаточными для поддержания парообразного состояния жидкости внутри пузырька, поэтому пар остывает, начинается его быстрая конденсация, объём пузырька резко сокращается, и он исчезает.

Следует заметить, что таким образом исчезают лишь достаточно мелкие пузырьки, которые имеют большое соотношение площади поверхности к объёму и потому всплывают не слишком быстро, испытывая относительно большое гидродинамическое сопротивление. В воде даже пузырьки диаметром в полмиллиметра часто не исчезают, а успевают благополучно достичь поверхности воды, если глубина их образования лежит в пределах 50 см, -- они имеют достаточно большое соотношение объёма к поверхности, и за счёт этого поднимаются достаточно быстро, чтобы пар внутри них не успел остыть в нужной степени, а падение давления жидкости по мере подъёма ведёт к дальнейшему росту их объёма и затруднению конденсации. Тем не менее, заранее трудно сказать, какого именно размера пузырьки успеют исчезнуть, а какого -- нет. Слишком много факторов действует на этот процесс в реальности, начиная от конструкции и конфигурации нагреваемой ёмкости и заканчивая текущей температурой жидкости и особенностями подвода тепла.

Другие способы получения кавитации

Есть и другие способы получить кавитационные пузырьки -- например, с помощью высокочастотного электроразряда или ультразвука. Однако в случае электрического разряда в конце концов всё сводится к тепловому и механическому аспектам воздействия искры на жидкость (нагрев и расширение паров). Ультразвук вызывает высокочастотные механические колебания в жидкости, поэтому непосредственной причиной появления кавитационных пузырьков является скоростной разрыв жидкости в ходе этих колебаний (амплитуда их очень мала, но благодаря высокой частоте мгновенная скорость и ускорения частиц жидкости могут достигать очень больших величин, достаточных для её скоростного разрыва). Поэтому можно сказать, что два рассмотренных выше механизма -- скоростной (механический) и тепловой (термодинамический) -- и являются основными механизмами возникновения кавитационных пузырьков.

Что внутри кавитационных пузырьков

Практически в любом учебнике можно прочитать, что пузырьки образуются за счёт растворённых в этой жидкости газов. Со всей уверенностью можно сказать, что это не так! Когда кавитационные пузырьки образуются за счёт скоростного разрыва потока, то в них -- практически вакуум, пустота, давление, близкое к нулю (максимум -- это равновесное давление паров жидкости, успевшей испариться со стенок пузырька при данной температуре, например, для воды при 17°С это всего лишь 15 мм.рт.ст., менее 0.02 атм)! Дело в том, что свободные пузырьки в потоке жидкости движутся быстро, а время жизни их очень мало, -- поэтому прямые измерения никто не проводил. Прямые измерения проводились лишь для квазистационарных областей разрежения в зоне кавитации, и там действительно присутствуют пары жидкости и выделившиеся из неё растворённые газы -- область-то квазистационарная, и она собирает растворённые газы со всего огромного объёма жидкости, прошедшего по её границам за всё время её существования. Поэтому давление выделившихся растворённых газов там может быть вполне заметным, но, кстати, оно же не даст этой области мгновенно «схлопнуться» в случае исчезновения условий кавитации, -- эти газы образуют хотя и сжавшуюся в размерах, но достаточно долгоживущую группу пузырей.

У пузырька в потоке благодаря мизерному времени жизни с его стенок может даже не успеть испариться количество жидкости, достаточное для создания равновесной концентрации паров, хотя скорость такого процесса весьма велика. Про «растворённые газы» в этом случае говорить вообще не приходится -- за исключением каких-то особых случаев (например, предварительного насыщения ими жидкости при повышенном давлении) их количество в ближайших окрестностях пузырька исчезающе мало и при всём желании они не могут создать ощутимого давления внутри него (скажем, растворимость большинства газов в воде при нормальных условиях не превышает доли процента -- каков будет их вклад в давление внутри внезапно образовавшейся полости?). С расстояния же чуть подальше такие газы просто не успеют диффундировать внутрь пузырька за ничтожное время его жизни, длящейся миллисекунды или доли миллисекунд. Молекулы и микропузырьки растворённых газов могут лишь являться «точками разрыва» жидкости, центрами возникновения, провоцирующими образование кавитационных пузырьков именно в данном месте, но никак не могут создать внутри них сколь-нибудь существенное давление! Поэтому с механической точки зрения обычно можно считать, что кавитационные пузырьки внутри потока являются областями вакуума -- такого же, как тот, что возникает в «зоне отрыва» достаточно сильного «обычного» гидроудара и однозначно фиксируется приборами именно как почти абсолютный ноль давления.

При тепловом механизме образования пузырьков они существуют не за счёт внешнего разрежения, а за счёт высокого внутреннего давления паров. Это давление очень далеко от вакуума, а если говорить точнее -- оно равно давлению окружающей пузырёк жидкости. Поэтому и здесь обычно нельзя утверждать, что существенную часть содержимого пузырька составляют растворённые в жидкости газы -- он заполнен парами жидкости.

Тепловая и механическая кавитации -- разные явления

Анализируя всё вышесказанное, я считаю, что скоростная и тепловая кавитации -- это два разных явления, хотя и близкородственных, многие черты которых весьма похожи друг на друга. Но есть и принципиальные различия -- прежде всего это давление и температура внутри пузырьков. В первом случае это очень низкое давление, близкое к абсолютному нулю, и весьма низкая температура, далёкая от температуры кипения жидкости при статическом давлении окружающей среды. Во втором случае это высокое давление паров внутри пузырька, практически равное статическому давлению окружающей жидкости, и высокая температура, близкая к температуре кипения при этом давлении.

В результате при тепловой кавитации схлопывание пузырька никогда не будет слишком интенсивным -- высокое давление и температура паров внутри него будут тормозить этот процесс и дополнительно подпитываться теплом, выделяющимся при конденсации.

В то же время крайне низкое давление в пузырьках, образующихся при скоростном разрыве, мало препятствует их схлопыванию. Поэтому такое схлопывание будет гораздо более быстрым, чем при тепловой кавитации, а возникающие при этом локальные гидроудары -- гораздо более интенсивными. Более того, использование жидкостей с низким парообразованием, например, различных масел, может обеспечить внутри таких пузырьков весьма высокую степень разрежения. Поскольку для получения «свободной энергии» наиболее перспективными представляются самые экстремальные условия, то основное внимание следует уделить именно этой, «механической», разновидности кавитации.

В соответствии с вышесказанным, я склонен считать «истинной кавитацией» лишь пузырьки-пустоты при скоростном разрыве, а тепловую кавитацию рассматривать как разновидность термодинамических процессов. Неудивительно, что и время роста, и время исчезновения «тепловых» пузырьков как минимум на один-два порядка превышает аналогичные времена при «скоростной» кавитации. Это различие принципиально, так же как принципиальна и практическая безвредность тепловой кавитации. Ни один чайник и ни одна кастрюля ещё не пострадали от тепловой кавитации как таковой. Накипь для них гораздо опаснее. Более того, хотя при «скоростной» кавитации повышение общей температуры жидкости и приводит к более интенсивному образованию кавитационных пузырьков, в силу большего внутреннего давления эти пузырьки становятся менее «злыми» и менее опасными.

Различие причин появления пузырьков при всей внешней схожести процессов приводит к существенно разным условиям и результатам. В дальнейшем на этой странице речь будет идти именно о «механической» низкотемпературной кавитации, и лишь иногда придётся упомянуть её тепловую «сестру».

Термодинамика пузырьков

Безусловно, при образовании и исчезновении кавитационных пузырьков, даже если они возникают «механическим путём» из-за скоростного разрыва потока, происходят термодинамические процессы. Во время роста пузырька жидкость со стенок полости интенсивно испаряется в образующуюся пустоту. В соответствии с классической термодинамикой, это должно сопровождаться существенным охлаждением образовавшегося пара и тончайшего слоя жидкости на границах полости. Однако каков реальный результат этого процесса? Вследствие охлаждения процесс испарения становится менее интенсивным, а равновесное давление паров жидкости снижается, обеспечивая более высокую степень разрежения внутри пузырька по сравнению с равновесной концентрацией паров для температуры основного объёма жидкости. При исчезновении пузырька происходит обратный процесс -- повышение давления и конденсация этих холодных паров с выделением теплоты. В силу краткого времени жизни пузырька, обычно исчисляемого малыми долями секунды, эти процессы можно считать адиабатическими и потому не влияющими на тепловой баланс даже в ближайших окрестностях, за исключением тонкого слоя стенок пузырька. В связи с этим явления испарения и конденсации при кавитации в первом приближении можно исключить из рассмотрения как малозначащие, а связанные с ними термодинамические эффекты считать несущественными, по крайней мере, для одиночных пузырьков с малым временем жизни.

В результате наиболее значимыми остаются лишь механические аспекты кавитации, -- а они оказываются теми же самыми, что характерны для обычного гидроудара. Это образование области пустоты из-за скорости и несжимаемости жидкости (а следовательно, и её нерастягиваемости без разрыва), и повышение давления при «схлопывании» пузырька из-за скоростного напора его сходящихся стенок. Если же время жизни пузырька достаточно велико (зона кавитации имеет большую протяжённость), его объём действительно может заполниться парами до состояния равновесия с жидкостью, но давление этих паров всё равно очень низко, и обычно, по сравнению с давлением на других участках русла потока, им вполне можно пренебречь, приравняв его к вакууму (конечно, это не глубокий «космический» вакуум, но с точки зрения механики разность между перепадами давления в 1.00 и 0.98 атм -- 2% -- в подавляющем большинстве случаев не имеет никакого значения; при большем давлении жидкости эта разница ещё меньше, например при характерных для водопровода избыточных давлениях от 2 до 6 атмона составит от 0.7% до 0.3% соответственно).

Рост и схлопывание пузырьков

Кавитационный пузырёк за время своей жизни проходит две важнейшие стадии -- рост и схлопывание. В большинстве случаев эти процессы происходят с разной скоростью, причём эта разница принципиальна и обуславливает многие особенности кавитации.

Асимметрия роста и схлопывания

Рост кавитационного пузырька почти всегда происходит намного медленнее, чем его схлопывание -- и чем выше напор жидкости, тем больше эта разница. Дело в том, разрыв потока определяется «отрицательным» давлением, то есть разрывающими усилиями, возникающими в толще жидкости. Для сверхчистых жидкостей в специальных условиях эти усилия могут достигать весьма существенных величин, однако в обычных условиях, да ещё в движущемся потоке, жидкость рвётся почти без усилий. С учётом того, что перед разрывом все части жидкости в ближайших окрестностях точки разрыва имели практически одинаковую скорость, их расхождение будет достаточно медленным, что ограничивает скорость роста каждого отдельного пузырька. Если условия требуют более интенсивного роста, то это будет компенсироваться увеличением количества точек разрыва, т.е. бульшим дроблением жидкости -- вплоть до превращения её в пену, -- но сами образующиеся пузырьки будут иметь примерно один и тот же размер. По мере дальнейшего роста в зависимости от расположения исходных «точек разрыва», эти пузырьки могут разрастаться и объединяться. При стабилизации кавитационных условий возможна «перегруппировка» пузырьков, когда часть из них исчезнет, а оставшаяся часть увеличится в размерах, однако этот процесс потребует достаточно заметного времени, исчисляемого как минимум несколькими миллисекундами.

Когда условия для кавитации пропадают и внешнее давление начинает нарастать, стенки пузырька устремляются навстречу друг другу. Этот процесс прямо определяется внешним давлением, и чем оно выше, тем больше сила, действующая на стенки, тем больше их ускорение. Правда, поскольку максимальная скорость передачи механических воздействий в жидкости определяется скоростью распространения в ней звука, скорость схлопывания не должна превысить скорость звука (взаимная скорость в месте схлопывания и определяемая ею сила гидроудара, соответственно, -- удвоенную скорость звука). Однако и этого более чем достаточно для достижения фантастических давлений. Скажем, оценка по формуле Жуковского для воды даёт давление в точке схлопывания порядка 4 ГПа (примерно 40000 атмосфер, что соответствует напору водяного столба высотой 400 км). Это на один-три порядка превышает пределы прочности почти всех известных материалов, включая сталь, -- как на сжатие, так и на растяжение.

Таким образом, можно сказать, что во время роста пузырьков ничего особо экстремального и разрушительного не происходит. Всё самое необычное может происходить лишь в момент схлопывания пузырька. Это подтверждается экспериментальными фактами, например, однозначно установлено, что вспышки при сонолюминесценции происходят именно в момент схлопывания пузырька, а не в период его образования.

О разогреве при схлопывании

Тем не менее, обычно удар не бывает столь жёстким. Дело в том, что какая-то толика паров в объёме пузырька присутствует всегда. Количество их мало, и потому большую часть процесса схлопывания они не оказывают сколько-нибудь существенного сопротивления сближению стенок пузырька. И лишь в самом конце, когда оставшийся объём пузырька составляет проценты или доли процента от его максимального объёма, их давление становится сравнимо с внешним давлением на стенки пузырька.

Однако стенки уже набрали скорость и инерцию, поэтому остановить их не так просто. В результате скоростной напор стенок продолжает сжимать пузырёк, и давление в нём становится намного больше давления в основной толще жидкости. При этом в силу кратковременности процесса, длящегося на этой стадии не милли-, а микросекунды, даже при нормальной температуре все пары не успеют сконденсироваться. Но температура в центре схлопнувшегося пузырька не нормальная -- в результате адиабатического сжатия она намного превышает температуру основной жидкости. В зависимости от условий схлопывания это превышение может достигать десятков и сотен градусов (иногда приводятся значения 8000°С, 11000°С и даже 20000°С -- втрое выше, чем на поверхности Солнца -- но это весьма сомнительно, т.к. сине-голубой свет сонолюминесценции примерно соответствует теоретическому излучению «абсолютно чёрного тела» при температуре 6000°С, хотя мы можем не видеть более «высокотемпературной» ультрафиолетовой составляющей, активно поглощаемой жидкостью).

Существуют теории, утверждающие, что при схлопывании пузырька основная жидкость принципиально конденсируется полностью, но вот ранее содержавшиеся в ней и оставшиеся в пузырьке газы раствориться обратно не успевают, и именно они испытывают адиабатическое сжатие. Подтверждением этого можно считать сильную зависимость сонолюминесценции от вида растворённых в воде газов (одно- или двухатомных), а также тот факт, что молекулярный вес одноатомных газов оказывает огромное влияние на яркость сонолюминесценции.

Таким образом, в конце схлопывания пузырька в его центре мы имеем «нано-облачко» газа с огромным давлением и температурой. Это облачко несколько «амортизирует» жёсткий удар в конце схлопывания. Но всё это длится слишком короткий период времени, исчисляемый микросекундами. Потом ударная волна расходится от центра бывшего пузырька, давление и температура там падают, несконденсированные пары, если они ещё остались, благополучно конденсируются, а газы вновь растворяются в жидкости. Затем теплообмен в течении считанных миллисекунд приводит все параметры жидкости в этом месте в состояние, практически не отличающееся от остального её объёма. При действительно сильном схлопывании этот процесс принимает характер повторных гидроударов и повторяется несколько раз с постепенным затуханием.

Особо следует подчеркнуть, что чисто адиабатический разогрев не даёт дополнительной энергии и в конечном счёте не способен изменить исходную температуру жидкости. Однако при этом возможен дополнительный разогрев жидкости за счёт энергии, освобождающейся при торможении струи во время кавитационных процессов, то есть за счёт гидравлического трения. Но это не внутренняя энергия жидкости, а внешняя энергия, затраченная непосредственно на разгон жидкости или на создание напора, обеспечивающего этот разгон. Среди прочего, об этом говорят и многие результаты тестирования известных «кавитационных генераторов» ЮСМАР, давая для них неплохой КПД (вплоть до 95% и выше), но не подтверждая их сверхъединичность относительно «взятого из розетки».

Кавитация и свободная энергия

И всё же, может ли кавитация дать «свободную энергию»?

Как говорилось выше, ни с механической, ни с термодинамической точки зрения ждать получения дополнительной энергии от кавитации не стоит. Похоже, то же самое относится и к любым другим механизмам в рамках общепринятой физики. Многочисленные опыты и тщательные измерения различных кавитационных генераторов подтверждают это.

В то же время, существует достаточно много сведений о работе тех или иных конструкций, использующих кавитацию. Многие из них абсолютно независимы друг от друга, и некоторые выглядят вполне правдоподобно, а мотивы личной заинтересованности рассказчиков не просматриваются (если, конечно, они не ставили себе целью прослыть лжецами или доверчивыми простачками). Однако, дальнейшая судьба таких устройств либо умалчивалась, либо выяснялось, что после их модификации сами авторы не могли получить самоподдерживающийся режим, а попытки восстановить прежний режим работы также терпели фиаско. Всё это говорит о том, что если и есть какие-то эффекты, обеспечивающие при кавитации получение дополнительной энергии, то авторы подобных установок натыкались на них эмпирически, а затем, не зная истинной природы полученной энергии, в попытках улучшить своё устройство разрушали случайно достигнутые оптимальные условия и более не могли их восстановить.

Несколько особняком стоят устройства Шаубергера и Клема. Ни тот, ни другой не указывали кавитацию в качестве хоть сколько-нибудь значимой особенности своих устройств. Тем не менее, и в том, и в другом случае использовались быстродвижущиеся жидкости, и потому кавитация в тех или иных масштабах несомненно имела место.

Возможные источники свободной энергии

Итак, общепризнанные в физике механизмы не могут дать получения дополнительной энергии при кавитации. Химические реакции как возможный источник энергии также исключаются -- химия не допускает возможности реакций внутри вещества, химический состав которого стабилен в течении длительного времени, а реакция с материалами деталей при нужной интенсивности процесса «съела» бы всю установку за считанные минуты, чего в действительности, конечно, не наблюдается. Может ли быть какой-либо другой механизм, позволяющий получить такую энергию? Возможно, да.

Одно время в качестве такого механизма я рассматривал так называемые «фазовые переходы высшего рода» (ФПВР), о которых говорит Е.И.Андреев. По его мнению, они лежат в основе всех химических реакций, в том числе и обычного горения. По сути ФПВР является ядерным процессом с мизерным дефектом массы (~10-⁸), при котором отсутствует превышающее естественный фон радиационное излучение, а атомы сохраняют свои физические и химические свойства. Вместе с тем при многократном повторении, когда используется ограниченный объём рабочего тела в замкнутом цикле, дефект массы будет нарастать, а это постепенно приводит к изменению физических и химических свойств атомов (трансмутациям). Естественно, что структура и организация атомов по Андрееву кардинально отличается от общепринятых современных моделей, хотя внешние проявления соответствуют результатам опытов.

Для инициации ФПВР необходимо подвергнуть атом довольно экстремальным условиям, обеспечивающим некоторое нарушение его весьма стабильной структуры. Это могут быть сильные электрические и магнитные поля, это могут быть высокие температуры, это могут быть и механические воздействия на атом, -- прежде всего резкие ускорения, буквально «встряхивающие» атомы, -- а именно такая «встряска» как раз и имеет место при сильных перепадах давления. Подготовку атома к ФПВР обеспечивают не только очень сильные однократные, но и более слабые многократные воздействия на него, которые как бы расшатывают структуру атома, активизируя его и снижая порог воздействия, необходимого для ФПВР. Если же такой «активизированный» атом на некоторое время оставить в покое, стабильность его структуры восстановится, и для ФПВР снова потребуется более мощное воздействие. Слишком слабые воздействия «расшатать» структуру атомов не способны.

В общем случае ФПВР могут идти как с выделением, так и с поглощением энергии, однако обычно внешние воздействия на атом ведут к выделению энергии, ранее использовавшейся для взаимосвязи частиц атома. Именно эта выделяющаяся энергия и может быть движущей силой кавитационных генераторов.