228
Дсйли Дж., Хам мит Ф., Кавитация, пер, с англ., М., 1974; Френкель Я. И., Кинетическая теория жнд-костей. Л., 1975; Лввковский Ю. Л,, Структура кави-тапионных течений. Л., lf)7fi; Иванов А. II., Гидродинамика развитых каимтационных течений. Л., 1980.
А. Д, Перчик.
КАВИТАЦИЯ акустическая ≈ возникает под действием интенсивной звуковой волны. Если амплитуда звукового давления превосходит пек-рое критич. значение рк, соответствующее порогу К., то в фазе разрежения звуковой волны созда╦тся такое низкое давление, что сплошность жидкости нарушается и образуются пузырьки. В обычных условиях нарушение сплошности в жидкости возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщ, пара при данной теми-ре. Величина />к зависит от многих параметров, характеризующих как состояние жидкости ≈ га;!осодержапие, темп-pa, наличие примесей, так и звуковое поле ≈ частота, продолжительность звукового воздействия, пространственное распределение интенсивности звука.
Акустич. К. возникает в результате потери устойчивости кавитац. зародышей, попадающих в область пониж. давления в звуковой волне, и быстрого их роста. Отот процесс обусловлен рядом эффектов; давлением газа и пара в пузырьке, превышающем давление в окружающей жидкости; диффузией газа в пузыр╦к из жидкости; испарением жидкости и увеличением массы пара в пузырьке; коагуляцией зародышей. Первый из перечисленных механизмов играет основную роль в образовании кавитацпонной полости при быстром понижении давления (высокая частота звука) в жидкости с малым содержанием газа. Микроскопич, пузыр╦к, попадая в область разрежения, быстро расширяется под действием давления газа и пара внутри пего, превосходящего суммарное действие сил поверхностного натяжения и давления в окружающей жидкости.
Диффузионный механизм роста пузырька обычно проявляется при сравнительно медленных изменениях давления (низкая частота звука) в жидкости с большим содержанием гааа. При расширении пузырька концентрация газа в н╦м падает и газ диффундирует из жидкости в пузыр╦к. При сжатии пузырька процесс происходит в обратном направлении. Кол-во продиф-фундировавшего газа пропорционально площади поверхности пузырька, к-рая в стадии расширения больше, чем в стадии сжатия. В результате не происходит полной компенсации потоков газа, и в целом за период кол-во газа в пузырьке возрастает. Это явление паз. выпрямленной диффузией, оно вызывает рост пузырьков в поле перем. давления. Если темп-pa жидкости близка к точке кипения, то рост пузырька обычно связан с увеличением массы пара в н╦м за сч╦т испарения жидкости. При этом, так же как и в случае диффузионного механизма, возможен режим выпрямленной теплопередачи, приводящей к росту пульсирующего пузырька в среднем за период в результате увеличения массы пара.
Др. механизм роста пульсирующего парового пузырька связан с неадиабатичностью процесса изменения состояния пара при пульсации пузырька, приводящей к разогреву вещества и испарению жидкости в пузыр╦к. Этот механизм обычно проявляется при росте крупных зародышей. Звуковое поле в жидкости, вызывающей К., обычно неоднородно по пространству, что приводит к постунат. движению пузырьков. В результате этого, а также под действием сил взаимодействия между пульсирующими пузырьками (см. Пон-деромоторные силы в акустическом поле), пузырьки, пульсируя, перемещаются и иногда сливаются друг с другом ≈ развивается коагуляц. механизм роста зародышей. В реальных ситуациях описанные механизмы роста пузырька действуют одновременно, их относит, вклад зависит от состояния жидкости и характеристик звукового поля.
Количественно момент возникновения акустич. К, и степень е╦ развития харак-ер.ыуются, как и для гидродинамич. К,, числом К. к, к-рое в этом случае равно х≈ (р0≈рк)/р3, где pQ≈ гидростатич. давление в жидкости, рк ≈ давление е╦ насыщ. пара, р.Л ≈ амплитуда звукового давления. Момент ∙ возникновения К. характеризуют критич. числом К. хк, соответствующим критич, амплитуде звукового давления
Возникшие в звуковом поле кавитац. полости интенсивно пульсируют, расширяясь в фазе разрежения и схлопываясь в фазе повыш. давления. Степень сжатия пузырька при схлопывании, характеризуемая отношением макс, радиуса пузырька ЛмаКс к минимальному И мин, тем больше, чем больше давление в жидкости P^PQ-^PZ и меньше газосодержание в пузырьке, характеризуемое давлением газа Q, при
∙"≈"макс-
V»
макс
п
мин
(у ~~ показатель адиабаты газа в пузырьке). Макс, давление рмакс в пузырьке, соответствующее его мин. объ╦му, приближ╦нно выражается ф-лой
оно может составлять неск. тысяч МПа. В результате адиабатич. сжатия газ и пар (к-рый при больших скоростях изменения объ╦ма пузырька вед╦т себя как газ) нагреваются до темп-ры -^104 К, чем, по-видимому, и вызываются свечение пузырьков (з в у к о л то м и-н е с ц е н ц и я) и частичная ионизация содержащегося в них газа.
Макс, скорость схлопывания развивается в фазе, близкой к фазе мин. значения радиуса пузырька, и может стать весьма большой (сравнимой со скоростью звука в жидкости). Вследствие потери устойчивости формы пузырька его схлопывание может происходить несимметричным образом, вызывая образование кумулятивной струи жидкости, радиус к-рой близок к мин. радиусу пузырька, а скорость ≈ к скорости его схлопывания. Пр-и схлопывании пузырька в жидкость излучаются кратковременные (длительностью ~ 10~в с) импульсы давления до 100 МПа и более. Форма им пульса схематически изображена на рис. 1. Пиковое значение давления на расстоянии г от пузырька,вы-
LO
Ч
gc!
fD -175 кГц
М
Ю Ю2 Ю3 Частота f, кГц
Рис. 1. Форма импуль- Рис. 2. Спектр навитационтгого са давления, излучаемо- шума, вызванного волной ча-го при схлопывании . стоты 175 кГц.
пузырька.
ражается ф-лой р~рмакс^) длительность импульса
., где р ≈ плотность жидкости. В ус-
ловиях развитой К. в различные, случайно распредел╦нные моменты времени схлопывается множество пузырьков, в результате чего излучается шум со сплошным спектром в полосе от неск. сотеп Гц* до МГц. На фоне сплошного спектра выделяются дискретные гармония, и субгарнонич. компоненты звукового поля, вызывающего К. (рис. 2). Мощные гидродинамич. возмущения в кавитац. области в виде импульсов сжатия и микропотоков, порождаемых пульсирующими пузырьками, сопровождаются сильным разогревом вещества,- а также выделением газа, содержащего1 атомарную и ионизованную компоненты.
