En ny type ammunition til håndvåben, der effektivt kan affyres både på land og under vand. De nye kugler drager fordel af en af de fysik, som sejlere er mest fortrolige med. Vi taler om kavitation - processen med dannelse og hurtig kollaps af bobler fyldt med damp i en væske. Oprindeligt blev fænomenet kavitation betragtet som skadeligt, kun i stand til at skade skibe. Men senere fandt de nyttige applikationer til det. Vi besluttede at huske, hvordan militæret bruger kavitation til deres fordel.
I anden halvdel af 1800-tallet begyndte der at dukke dampskibe op med propeller, der var i stand til at nå hastigheder på flere snese af knob. Disse biler kunne hurtigt transportere passagerer og sammenlignede generelt positivt med langsomme sejlskibe. Sejlerne stødte dog hurtigt på en ubehagelig virkning: overfladen af propellerne, efter nogen tids drift, blev ru og ødelagt. Propeller blev derefter lavet af stål og selv korroderede hurtigt i vand, så deres ødelæggelse blev oprindeligt tilskrevet de negative virkninger af havvand. Men i slutningen af det 19. århundrede beskrev videnskabsmænd, herunder John William Strett, Lord Raleigh, fænomenet kavitation.
Kavitation er et fysisk fænomen, hvor små bobler fyldt med damp opstår i en væske bag et hurtigt bevægende objekt. For eksempel, når en propel roterer, opstår sådanne bobler bag bladene og på deres bagkant. Når disse bobler dukker op, kollapser de næsten øjeblikkeligt og danner en chokbølge. Fra hver boble individuelt er det fuldstændigt ubetydeligt, men over langvarig drift fører disse chokmikrobølger, multipliceret med antallet af bobler, til ødelæggelse af skruestrukturen. Grove propeller, der har mistet en del af bladet, mister betydeligt deres effektivitet.
Moderne propeller er lavet af en speciel legering - kunial. Det er en kobberbaseret legering med tilsætning af nikkel og aluminium. Deraf navnet - kunial (CuNiAl, Cuprum-Niccolum-Aluminium). Legeringen har samme styrke som stål, men er ikke udsat for korrosion; Kunial-propeller kan forblive i vandet i årtier uden nogen skade. Men selv disse moderne propeller er modtagelige for ødelæggelse på grund af kavitation. Men eksperter har lært at forlænge deres levetid ved at skabe et hydroakustisk system. Den registrerer begyndelsen af kavitation, så besætningen kan reducere propelhastigheden for at forhindre bobledannelse.
I 1970'erne blev der fundet nyttige anvendelser til kavitation. USSR Navy's forskningsinstitut har udviklet en højhastigheds undervandsmissiltorpedo "Shkval". I modsætning til konventionelle torpedoer, der blev brugt dengang og i drift i dag, kan Shkval nå kolossale hastigheder - op til 270 knob (ca. 500 kilometer i timen). Til sammenligning kan konventionelle torpedoer nå hastigheder på 30 til 70 knob, afhængigt af typen. Ved udviklingen af Shkval-torpedomissilet var forskere takket være kavitation i stand til at slippe af med vandmodstanden, som forhindrer skibe, torpedoer og ubåde i at udvikle høje hastigheder.
Enhver selv strømlinet genstand under vand har høj luftmodstand. Dette skyldes vands densitet og viskositet - større end luftens. Derudover bliver objektets overflader fugtet, når de bevæger sig under vand, og et tyndt laminært lag med en stor hastighedsgradient vises på dem - fra nul ved selve overfladen af objektet til strømningshastigheden ved den ydre grænse. Dette laminære lag skaber yderligere modstand. Et forsøg på at overvinde det, for eksempel med motorkraft, vil føre til øgede belastninger på propellerne og hurtigt slid på undervandsobjektets skrog på grund af deformation.
Under eksperimenter fandt sovjetiske ingeniører ud af, at kavitation betydeligt kan reducere modstanden af et undervandsobjekt. Shkval-torpedomissilet modtog en raketmotor, hvor brændstoffet begynder at oxidere ved kontakt med havvand. Denne motor kan accelerere et torpedomissil til høj hastighed, hvorved en kavitationsboble begynder at dannes i stævnen af Shkval, som fuldstændig omslutter ammunitionen. Dannelsen af en kavitationsboble lettes af en speciel enhed i stævnen af en torpedoraket - en kavitator.
Kavitatoren på Shkval er en skrå flad skive, i midten af hvilken der er et hul til vandindtag. Gennem dette hul kommer vand ind i motorrummet, hvor der opstår brændstofoxidation. En kavitationsboble dannes ved kanterne af kavitatorskiven. Torpedo-raketten flyver bogstaveligt talt i denne boble. Den opgraderede version af Shkval kan ramme fjendens skibe med en rækkevidde på op til 13 kilometer. Sammenlignet med rækkevidden af konventionelle torpedoer (30-140 kilometer) er dette ikke meget, og dette er den største ulempe ved ammunitionen. Faktum er, at et torpedomissil under flyvning laver en høj støj og afslører positionen for den ubåd, der lancerede det. Shkval dækker 13 kilometer meget hurtigt, men i løbet af denne tid vil ubåden ikke have tid til at undslippe returild.
Et torpedomissil, der flyver i en kavitationsboble, kan ikke manøvrere. Dette er ganske forståeligt: I et kavitationshulrum kan ammunitionen ikke interagere med vand for at ændre retning. Derudover vil en skarp ændring i bevægelsesbanen føre til delvis kollaps af kavitationshulrummet, på grund af hvilken del af torpedomissilet vil ende i vandet og blive ødelagt ved høj hastighed. Oprindeligt var Shkval udstyret med et nukleart sprænghoved med en kapacitet på 150 kiloton, som senere blev erstattet af et konventionelt højeksplosivt sprænghoved med en eksplosiv masse på 210 kilo. I dag er Tyskland og Iran, foruden Rusland, bevæbnet med kaviterende torpedoer.
Kavitator af Shkval-torpedomissilet
Den ene halvdel 3544 / Wikimedia Commons
I 2014 præsenterede Harbin Institute of Technology et koncept for en ubåd, der er i stand til at rejse under vandet med nær eller endda supersoniske hastigheder. Udviklerne meddelte, at sådan en ubåd ville være i stand til at sejle fra Shanghai til San Francisco (ca. ti tusinde kilometer) på omkring en time og 40 minutter. Ubåden vil bevæge sig inde i kavitationshulrummet. Den nye ubåd får en kavitator i stævnen, som vil begynde at operere med hastigheder på mere end 40 knob. Så vil ubåden hurtigt kunne opfange marchhastighed. Raketmotorer vil være ansvarlige for ubådens bevægelse i kavitationshulrummet.
Lydens hastighed i vand er omkring 5,5 tusinde kilometer i timen ved en temperatur på 24 grader og en saltholdighed på 35 ppm. Udviklerne præsenterede deres koncept og bemærkede, at flere problemer skal løses, før de opretter en ny ubåd. En af dem er ustabiliteten i kavitationsboblen, inden for hvilken ubåden skal flyve. Derudover er det nødvendigt at finde en pålidelig måde at kontrollere et skib, der bevæger sig under vandet med supersonisk hastighed. Som en af mulighederne overvejes muligheden for at lave ror, der ville strække sig ud over kavitationshulrummet.
I mellemtiden besluttede det centrale design- og forskningsbureau for sports- og jagtvåben fra Tula Instrument Design Bureau i begyndelsen af 2000'erne at bruge fænomenet kavitation, når de lavede et nyt maskingevær til kampsvømmere. Vi taler om en ADS (double-medium special assault rifle) - et assault rifle, der er i stand til at skyde lige effektivt både i luften og under vand. Våbnet er lavet efter bullpup-designet (udløsermekanismen er placeret i numsen) og har en integreret granatkaster. Våbenets vægt med en længde på 685 millimeter er 4,6 kg.
Dette maskingevær bruger specielle 5,45 mm PSP-patroner til affyring under vandet. De er udstyret med en stålkugle i form af en nål på 53 millimeter. Kuglevægten er 16 gram. Projektilet er forsænket i et patronhylster med krudtladning i det meste af dets længde, således at patronens samlede længde svarer til konventionel 5,45 mm kaliber automatisk ammunition. PSP-patronkuglen har et fladt område ved spidsen. Når man bevæger sig under vandet, skaber denne platform et kavitationshulrum omkring projektilet. Takket være denne funktion er den effektive skyderækkevidde for ADS under vandet i en dybde på fem meter 25 meter.
Ud over specielle patroner er maskingeværet i stand til at affyre konventionel ammunition. ADS'en kan udstyres med en lyddæmper. ADF'ens skudhastighed på land er 800 skud i minuttet, og den effektive rækkevidde er 500 meter. Våbnet er udstyret med et aftageligt kassemagasin med en kapacitet på 30 patroner. Maskinen har en kontakt til driftstilstande for vand/luftgasudstødningsmekanismen. Det ændrer funktionen af genopladningsmekanismen og tilpasser den til at arbejde i luft eller vand. Uden separate tilstande kan genopladningsmekanismen i vand sætte sig fast.
Konventionelle moderne våben er også i stand til at skyde under vandet, men er af ringe nytte til disse formål. For det første tillader væskens inertimodstand og den større tæthed af vand end luft ikke automatiske våben til hurtigt at genindlæse våben, og nogle gange gør det endda umuligt. For det andet er materialerne til landangrebsrifler og pistoler ikke oprindeligt designet til at fungere i et vandmiljø og er ikke modstandsdygtige over for langvarig eksponering - de mister hurtigt smøring, rust og svigter på grund af hydrauliske stød. Samtidig bliver almindelige kugler, som er meget nøjagtige på land, fuldstændig ubrugelige i vand.
Faktum er, at den aerodynamiske form af en almindelig kugle gør banen for dens flyvning i vand svær at forudsige. For eksempel, ved grænsen af varmt og koldt vandlag, kan en kugle rikochettere, der afviger fra skuddets længdeakse. Derudover mister et håndvåbenprojektil under vand på grund af sin form hurtigt sin energi og derfor sin dødelighed. Som et resultat bliver det næsten umuligt at ramme et mål med den samme Kalashnikov-angrebsriffel i vand, selv på meget kort afstand. Endelig deformeres almindelige blykugler med en tombac-kappe (en messinglegering baseret på kobber og nikkel) hurtigt under vand og kan endda blive ødelagt.
Problemet med at opløse kugler blev løst af det norske firma DSG Technology. Hun udviklede en ny type ammunition, CAV-X. De har ikke en klassisk ogiv form, som almindelige kugler, men en konisk form. Kuglens spids er fladtrykt, og når den rammer vand begynder den at fungere som en kavitator, hvorved der dannes et kavitationshulrum omkring projektilet. Som et resultat kommer kuglen praktisk talt ikke i kontakt med vand og bevarer den kinetiske energi længere. CAV-X kaviterende kugler er ikke meget længere end konventionelle kugler af samme kaliber, i modsætning til russiske kugler i PSP-patronen.
Kaviterende kugler er lavet af wolfram og presset ind i en messingkasse. I dag produceres de i kaliber 5,56, 7,62 og 12,7 millimeter. Ifølge DSG Technology, under vand, bevarer kaviterende kugler af disse kalibre deres dødelige effekt i intervaller på henholdsvis 14, 22 og 60 meter. Samtidig kan ammunition af andre kalibre op til artilleri 155 millimeter også kaviteres. Sandt nok er gennemførligheden af at skabe skaller til undervandsskydning meget tvivlsom. Det vides endnu ikke, hvilken slags våben CAV-X kaviterende kugler er planlagt til at blive brugt i. Konventionelle håndvåben uden særlige modifikationer er ikke egnede til at skyde under vandet.
Kaviterende kugler kan dog være nyttige, når der skydes mod undervandsmål fra land. Hvis du for eksempel skyder på en kampsvømmer under vandet fra kysten med en konventionel pistol eller maskingevær, så vil han højst sandsynligt svømme væk uskadt. Faktum er, at kuglerne enten vil bremse kraftigt, når de rammer vandet, eller rikochettere væk fra det; dette afhænger af vinklen af tøndeaksen til overfladen af det vand, hvor skydningen udføres. Kaviterende kugler vil praktisk talt uden afbøjning kunne passere vandoverfladen og ramme et undervandsmål. Men militæret står ikke over for behovet for at skyde på en undervandsfjende fra land så ofte, at de begynder masseindkøb af patroner med CAV-X kugler.
Selvom militæringeniører var i stand til at finde nyttige anvendelser til kavitation, var deres opfindelser stort set ikke særligt populære. Shkval missil-torpedoer er aldrig blevet brugt i kamp, og i dag bruges de slet ikke af den russiske flåde - denne ammunition viste sig at være for støjende og kortdistanceret. Patroner til undervandsskydning efterspørges kun af kampsvømmere og sabotører og bruges ret sjældent. Kinesiske specialisters evne til at designe en kaviterende ubåd er svær at tro. Så måske er kavitation stadig et fysisk fænomen, som det er bedre at forsøge at undgå.
Vasily Sychev
Dette koncept forklares som følger: dannelsen af diskontinuiteter i kontinuiteten af en væske som følge af et lokalt fald i trykket i den. Væskesprængninger er selvfølgelig bobler. Ordet kavitation kommer fra det latinske ord cavitas, som betyder tomhed.
Lad os midlertidigt sætte os et andet mål: Lad os stifte bekendtskab med det grundlæggende mønster, der styrer væsken, der strømmer i røret. Lad os forestille os et vandret rør med variabelt tværsnit, gennem hvilket væske strømmer. Hvor tværsnitsarealet er mindre, flyder væsken hurtigere, og hvor den er større, flyder den langsommere. Ifølge loven om energibevarelse kan følgende oplyses. Over det tildelte volumen af strømmende væske udføres arbejdet af trykkræfter, der tvinger dens strømning. Hvis væsken ikke har viskositet, vil dette arbejde kun blive brugt på at ændre dens kinetiske energi. Loven om energibevarelse giver ret til at sidestille trykkræfternes arbejde med en ændring i væskens kinetiske energi. Fra denne lighed følger ligningen for Daniel Bernoulli, som er opfyldt i enhver sektion af røret:
I denne ligning er væskens massefylde, er hastigheden af dens strømning, er trykket af væsken i strømmen og er en konstant værdi. Du kan læse det sådan her: summen af den kinetiske energitæthed og tryk i den strømmende væske forbliver uændret.
Den nedskrevne ligning er grundlæggende i flydende videnskab.
Lad os se omhyggeligt på formlen. Dette er, hvad formlen siger: Jo smallere rørets tværsnit er, jo større , jo mere, jo mindre, hvilket betyder" det kan være så højt, at trykket vil være mindre end en vis kritisk værdi. Gas- eller dampbobler til stede i en væske i bevægelse og fanget i en zone, hvor de begynder at stige i volumen, "kaviterer" væsken og bliver til et skumlignende medium. Bevæger sig sammen med strømmen til det område, hvor der er tryk, begynder boblerne at kollapse og forsvinde.
Så vi kan trygt forudsige udseendet af bobler i en flydende væske, baseret, som et fundament, kun på loven om bevarelse af energi. Fundamentet er solidt, og du skal kigge efter bobler.
Faktisk kan kavitation også opstå, når der af en eller anden grund opstår områder i en væske, hvor hastigheden af dens bevægelse er anderledes. For eksempel nær de roterende vinger på et motorskib eller nær en stang, der vibrerer i vandet.
"En dråbe slider en sten væk" - det ved alle. Men det faktum, at en boble ødelægger metal, lader ikke til at være almindelig kendt. Mange tilfælde af ødelæggelse af propeller af højhastighedsskibe af kavitationsbobler er blevet registreret. Disse ødelæggelser deaktiverer nogle gange propellen inden for blot et par timer efter skibets rejse. Kavitationszonen nær den roterende propel studeres omhyggeligt af skibsbyggere for at vælge den optimale form, hvor dens kavitationsmodstand vil være størst uden at gå på kompromis med andre egenskaber ved skibspropellen. Dette er en vigtig fase i design og fremstilling af et skib.
Her er endnu et eksempel på de destruktive virkninger af kavitation. Hvis en metalstang vibrerer i vand, vil dens endeoverflade blive dækket af områder med kavitationsødelæggelse: boblerne ødelægger metallet.
Der er flere antagelser om mekanismen for transmission af en flyvende boble til en metaloverflade. Efter at have nået overfladen af forhindringen, kan boblen hurtigt kollapse, excitere en chokbølge, og dette vil medføre virkningen af vand på overfladen. Fysikere, der har undersøgt kavitationsødelæggelse af metaller i detaljer, er blevet overbevist om, at de pulstryk, som overfladen opfatter, er tilstrækkelige til, at bobler kan skabe og udvikle kilder til ødelæggelse på metaloverfladen. For eksempel dette: gentagne gentagne pulsspændinger fører til lokale træthedsfejl.
I dag er der en hel del publikationer, der er viet til problemet med kavitation og metoder til at eliminere det, men kun nogle få af dem forklarer årsagerne til, at bobler har en så ødelæggende effekt.
Forekomsten af kavitation i centrifugalpumper er normalt forudgået af kogning. Det betyder ikke, at kogning i sig selv er farlig, men hvis de resulterende bobler ikke eksploderer, kan de give anledning til en meget kraftig kraft. Kogning er en af de processer, hvor en ændring i en væskes tilstand sker og bliver til damp.
Flydende vand og boblerne af vanddamp, der dannes under kogning, er sammensat af de samme molekyler. Den største forskel mellem dem er energiniveauet af molekylerne og det samlede rum, de optager som et resultat af den modtagne energi. Dampmolekyler har et væsentligt højere energiniveau. Deres hurtige og lange bevægelser kræver meget mere plads end flydende molekyler.
Kogning og dannelse af dampbobler opstår, når energien af vandmolekyler i flydende tilstand bliver større end trykket af vandet og det atmosfæriske tryk, der virker på dets overflade. Denne proces forklares normalt ud fra varme, men i pumpeindustrien er det ændringen i tryk, der er vigtigst.
Ved et atmosfærisk tryk ved havoverfladen på 760 mmHg koger vandet i gryden ved en temperatur på 100ºC. Volumenet af en dampboble, der dannes ved et kogepunkt på 100ºC, vil være 1673 gange større end volumenet af en vandboble ved samme temperatur. Når det når overfladen af vandet, eksploderer det og frigiver varme- og trykenergi. Den vigtigste energikilde er stadig varme. Sprængbølgen, der genereres, når en boble brister, har ringe kraft, da trykket i boblen er mindre end én atmosfære, og energien spredes i alle retninger over vandoverfladen.
Hvis du opvarmer den samme gryde, for eksempel i den sydlige del af Kislovodsk, hvor højden over havets overflade når 1600 m, vil vandet i den allerede koge ved en temperatur på 95ºC. Det lavere kogepunkt er forbundet med en højere position over Merya-niveauet og et lavere atmosfærisk tryk på 632 mmHg. Når trykket på overfladen af vandet er lavere, kræves der mindre termisk energi for at begynde overgangen af vand fra en tilstand til en anden. Og efterhånden som trykket falder, vil der kræves mindre og mindre varme, og ved et trykniveau på cirka 4,5 mmHg koger vand let ved frysepunktet.
Det samme mønster fungerer også omvendt: hvis trykket på vandoverfladen stiger med mere end én atmosfære, vil kogepunktet også stige. Hvis trykket bliver højere under kogningen, vil dampboblerne ikke eksplodere. De kollapser og vender tilbage til deres oprindelige flydende tilstand.
Den samme proces sker i en centrifugalpumpe under kavitation. Sugekavitation, den mest almindelige og let forudsigelige form, opstår, når det effektive positive tryk på sugesiden af en pumpe falder under damptrykket af vandet indeholdt i sugeenden af pumpen (damptryk er det tryk, der kræves for at holde vand i flydende tilstand ved en given temperatur). De dele af pumpehjulsbladene, der er mest modtagelige for virkningerne af denne type kavitation, er dem, der er i området med det laveste tryk, det vil sige dem, der er placeret nær indløbet. I denne del har bladene maksimal bøjning, og når vand strømmer rundt om dem, bliver trykket på deres overflade lavere.
Ved lavt nok tryk kan der dannes bobler (ved kogning), som kollapser på mindre end et sekund, når de kommer ind i et område med lidt højere tryk. Den energi, der frigives, når en boble af vanddamp kollapser, er radikalt forskellig fra den, der skabes, når den eksploderer. I modsætning til en dampboble, der eksploderer på vandoverfladen, vender en kollapset boble faktisk tilbage til sin flydende tilstand. Selvom varme også frigives under denne proces, er den vigtigste energikilde i dette tilfælde stødbølger dannet som følge af boblernes kollaps.
Chokbølger dannes ved kollision af vandmolekyler, som skynder sig til det punkt, hvor boblen kollapser for at udfylde det resulterende tomrum. Styrken af stødbølgen afhænger af flere faktorer. Forskning viser, at levetiden for en boble (fra dannelse til kollaps) er tre millisekunder (0,003 sekunder), så denne proces sker meget hurtigt. Jo hurtigere vandmolekyler støder sammen, jo mere energi frigives.
Størrelsen af kavitationsdampboblen kan være væsentligt større end den, der dannes under standardkogeprocessen ved normalt atmosfærisk tryk. For eksempel, ved en temperatur på 20ºC (standard pumpetemperatur), er den dampboble, der dannes som følge af kavitation, næsten 35 gange større end den, der dannes ved en temperatur på 100ºC! Og jo større boblen er, jo større er vandmassen, der er involveret i kollisionen.
Tilsammen giver disse faktorer (hastighed og masse) den samlede kinetiske energi af den kollapsende boble (KE = ½ mv²). Den høje hastighed som følge af boblens hurtige kollaps og den store masse på grund af boblens størrelse resulterer i frigivelse af enorm energi. Samtidig sker der en endnu vigtigere proces, som forstærker den kollapsende bobles ødelæggende kraft.
Figur 1 viser en række fotografier, der viser det gradvise sammenbrud af en dampboble. På trin 1 har boblen en næsten cirkulær form, som begynder at blive flad på trin 2. Denne proces fortsætter indtil trin 18, efterfulgt af fuldstændig kollaps.
Figur 1. Fra Cavitation and Bubble Dynamics af Christopher Brennen
og udgivet i 1995 af Oxford University Press
Et interessant punkt at bemærke opstår under trin 7, hvor en fordybning begynder at dannes i bunden af boblen. Denne formation, kaldet "entrance microjet", dannes på en af de flade overflader og fortsætter med at stige i størrelse indtil trin 13. På trin 14 bryder denne stråle gennem boblens øverste overflade og dirigerer kollapskraften i én retning.
Undersøgelsen viste også, at hvis en boble kollapser nær væggene af faste genstande (en klinge eller en beskyttende kappe), er virkningen af mikrostrålen næsten altid rettet mod væggene. Med andre ord er al kollapsenergi rettet mod et eller andet mikroskopisk område af pumpehjulets overflade, og som et resultat begynder ødelæggelsen af metallet.
Det er kombinationen af stærkt koncentreret energi og dens fokus i én retning, der giver den kollapsende boble en sådan ødelæggende kraft. Og selvom boblerne kollapser langt fra pumpehjulets overflade, og intet metal ødelægges, forårsager stødbølgerne stadig kraftige vibrationer, som kan føre til anden skade på pumpen.
Virksomhedens ingeniør
LLC "Industrielle pumper"
Sergey Egorov
Mystisk filmhelt
I slutningen af 1800-tallet skulle den engelske flåde fyldes op med to skibe, der var perfekte til den tid. "Dering" og "Turbinia" skulle bestå den sidste test - for hastighed, som i øvrigt blev fremført af designerne som deres største fordel. Desværre kunne den beregnede hastighed ikke opnås. En detaljeret undersøgelse af de mulige årsager til fejlen viste: propeller slides meget intensivt ved høj hastighed, bliver dækket af huller, hulrum, og synderen er talrige luft-dampbobler, der vises på bladene.
Under sådanne omstændigheder blev teknologien først bekendt med kavitation. Det er teknikken. Fordi videnskaben har kendt dette fænomen i tyve år. Det var teoretisk forudsagt af den engelske fysiker O. Reynolds. Og hvis designerne havde været mere opmærksomme på deres landsmands grundforskning, ville pinligheden måske ikke være sket.
Ja, teoretikeren kunne advare ingeniører mod at blive for begejstrede. Men intet mere. Hvis han var blevet spurgt: hvordan man bygger et virkelig ultra-højhastighedsskib, der omgår kavitation på en eller anden måde, ville videnskabsmanden næppe have haft et svar.
Og den dag i dag, mere end et århundrede senere siden kavitation blev opdaget, står videnskaben, der studerer dette fænomen, i gæld til teknologi. Det er ikke altid muligt at foretage en nøjagtig beregning af den tærskel, ud over hvilken kavitation, som er ødelæggende for en maskine eller struktur, opstår. Det smuldrer stadig, det afslører, metallet fra propeller, bladene på pumper og turbiner, betonlegemerne af dæmninger, kanaler og sluser.
Det er endnu sværere - og fristende tanker om dette blev ikke født i går - at transformere kavitationens destruktive kræfter og gøre dem til allierede.
Hvorfor giver mægtig moderne videnskab efter for kavitationens vigtigste hemmeligheder?
Lad os først huske, hvad hun ved om dette fænomen helt bestemt. Kavitationsbobler opstår i en væske, hvis der skabes et reduceret tryk i den. Dette sker for eksempel, når man flyder rundt om et fast legeme med høj hastighed eller, hvilket i det væsentlige svarer til, når kroppen selv bevæger sig hurtigt i en væske. Lyd- og ultralydsbølger, der passerer gennem en væske, skaber også områder med lavt tryk og forårsager kavitation. Kavitationsbobler holder ikke længe. Med stor fart, i små brøkdele af et sekund, kollapser de. Dette sammenbrud genererer ligesom en eksplosion en chokbølge. Lad disse bare være mikroeksplosioner. På korte øjeblikke sker hundredvis, tusindvis af dem. De overlapper hinanden og formerer deres kræfter. På forskellige steder i væsken springer temperaturen øjeblikkeligt til tusindvis af grader, trykket til mange titusvis af atmosfærer. Boblerne kan producere de fineste stinger-stråler, der virker på en hård overflade som et kumulativt projektil, der ødelægger rustning! Det er her de vægtløse boblers utrolige kræfter kommer fra.
Oftest er disse kræfter desværre destruktive. Kun i nogle få tilfælde begynder de at fungere nyttigt i dag - for eksempel renser de overfladen af dele, hjælper med at afsløre det naturlige mønster af efterbehandlingssten og blander "inkompatible" væsker såsom benzin og vand. For bedre at bekæmpe skadelig, destruktiv kavitation og mere fuldt ud bruge den til gode, er der kun én måde - at trænge dybere ind i dens hemmeligheder.
Hvad er forskellen mellem en kavitationsboble og en almindelig? Hvad sker der indeni? Ifølge hvilke love finder omdannelsen af energi sted i den? Hvis videnskabsmænd kendte svarene på disse spørgsmål i dag, se, i morgen ville superhurtige skibe blive virkelige. Men indtil videre er der kun talrige, konkurrerende hypoteser. Og det betyder, at ingeniøren ikke er i stand til med den nødvendige nøjagtighed at beregne en ny struktur eller maskine, hvori han gerne vil udnytte kavitationskræfterne.
Hvor utilstrækkelig viden om dette fænomen endnu er, viser dette eksempel. For næsten et halvt århundrede siden blev sonoluminescens opdaget - gløden af væsker under påvirkning af ultralyd, såvel som sonokemiske reaktioner, der kun opstår, når reagenser bestråles med lyd. Begge disse fænomener er meget energikrævende, og kun kavitation kan forårsage dem. Effekterne blev en slags test for kavitation. Imidlertid er mekanismen og deres natur stadig et mysterium.
Hvorfor er kavitation så utilgængelig? Hvilke forhindringer står i vejen for dens hemmeligheder? For tydeligere at forestille dig de transformationer, der sker med en kavitationsboble, skal du først nøje overvåge, hvordan den fødes, bevæger sig, forsvinder, kort sagt alle stadier af dens liv.
Kavitationsboblen er blevet en af hovedpersonerne i videnskabsfilm. Den blev filmet på utallige meter film i snesevis af laboratorier rundt om i verden. Men desværre kan selv ultra-højhastighedsfilm ikke følge med i hans livs øjeblikke. Vores filmhelt lever kun hundrede tusindedele eller endda milliontedele af et sekund! Vi skal også tage højde for: størrelsen af boblerne er hundrededele, tusindedele af en millimeter. Endelig er kavitation ikke en eller endda tusinde bobler født på et øjeblik. I en kubikcentimeter af det såkaldte kavitationsfelt pulserer omkring en milliard af dem på én gang! Det er ikke tilfældigt, at en af de første holografiske helte, så snart den dukkede op i en laboratorie-eksperimentel version, igen var en kavitationsboble... Og mysterierne blev ikke mindre.
Pindsvin in vitro
I videnskaben sker det ofte sådan: at løse ethvert komplekst problem, som de bedste hjerner, bevæbnet med den mest avancerede teknologi, har kæmpet om i mange år, mangler en meget enkel idé, en eller anden elementær, næsten skoleerfaring. I problemet med kavitation blev dette måske afgørende skridt taget af forskere fra den kemiske fysiksektor ved All-Union Scientific Research Institute of Organic Synthesis.
Mens nogle forskere stolede på stadigt mere avanceret udstyr og de nyeste metoder til at løse usædvanligt komplekse systemer af differentialligninger for boblers bevægelse, ledte VNIIOS-specialister efter en ikke-frontal løsning. Hvad var deres tilsigtede manøvre? De ræsonnerede sådan noget. Det er svært tydeligt at se kavitationsbobler på grund af deres lille størrelse og ekstremt korte levetid. Dette afhænger af hyppigheden af oscillationer, der excellerer kavitation. Hvis forskere var i stand til at opnå kavitation, f.eks. ved frekvenser på 10-100 Hz, kunne boblerne ifølge beregninger leve i tiendedele af et sekund og blive op til en centimeter store. Så ville vi se vores filmhelt i virkelig nærbillede.
Er denne simple idé virkelig aldrig faldet nogen ind før? Selvfølgelig kom hun. Der var mange forsøg. En artikel med resultaterne af den sidste af dem, som blev foretaget af amerikanske forskere, lå på bordet for sektorens leder, M. A. Margulis. Og der er ikke noget trøstende ved det. Endnu en gang er der modtaget bekræftelse af det sædvanlige synspunkt: kavitation er et tærskelfænomen, det vil sige, det opstår fra en bestemt frekvens, og denne frekvens beregnes desværre i kilohertz... Og alligevel tvang noget til åbenlyst mislykket eksperiment, der skal reproduceres. Dette var drevet af både god vrede over et vanskeligt problem og forskning i passion, udholdenhed og intuition.
Det var ikke svært for amerikanerne at gennemføre eksperimentet. Dens skema var enkelt: en oscillerende stang sænkes ned i et kar med væske, og spektrometeret, hvis der opstår kavitation, skulle registrere gløden. Alt blev gjort som det skulle - intet som kavitation. Vi forsøgte at øge amplituden af stangens svingninger og sagde, at excitationen ville blive mere intens. Det ultrafølsomme spektrometer er lydløst. Syden og turbulensen i væsken intensiveres, men der er ingen strækning. Væsken ser ud til at være for elastisk; selvom den hvirvler, formår den stadig at flyde rundt om den langsomt oscillerende stang. Men det er nødvendigt, at hun opfatter stangens vibrationer, som om de var slag. Hvordan opnår man dette?
Det var nok til at udelukke flow omkring den oscillerende stang, og lavfrekvent kavitation blev opdaget
Det nye eksperiment blev udført med udstyr, der sandsynligvis ville blive fundet selv i et fysikklasselokale i skolen: et reagensglas, et stativ, en stang udskåret af plexiglas, en 25-watt højttaler, en gammel rørforstærker... Dens eneste subtilitet - der blev lavet en oscillerende stang i form af et stempel, så afstanden til reagensglassets vægge kun var en tiendedel millimeter. Samtidig kunne væsken ikke længere flyde så let rundt om stangen som før.
Lydgeneratoren tændes ved en frekvens på 90 Hz. M. A. Margulis siger om, hvad der derefter skete:
Vi bemærkede ikke noget særligt i et minut. Derefter, i et lille område nær væggen af reagensglasset fyldt med væske, opstod der små sfæriske bobler under det oscillerende stempel. Deres antal voksede hurtigt. De dannede en stor koagel, der lignede et pindsvin. Dette pindsvin pulserede synligt. De begyndte gradvist at øge frekvensen. Ved 200 Hz og højere var det muligt at skabe to eller endnu flere ekstraordinære pindsvin. De blev født i forskellige dele af reagensglasset. Fra tid til anden skyndte de sig hen imod hinanden, slog sig sammen og fløj så fra hinanden med et styrt. Det var straks bemærkelsesværdigt, at pindsvinene ikke ligner konglomerater - klynger af individuelle pulserende bobler, men er store, bizart formede bobler...
Men ikke alt blev fanget med det blotte øje. Forskerne brugte deres sædvanlige værktøj - højhastighedsfilm. Vi afspillede den filmede video, men... vi fandt ingen pindsvin. Fremspringene, ret tykke processer, indviklet buede fangarme, der så ud til at skyde ud fra kroppen af en stor boble, lignede slet ikke nålene på en sød skovbeboer. Og videnskabsmænd gav dette usædvanlige væsen et mere prosaisk navn - en stor deformeret boble (forkortet BDP). På skærmen var det muligt at se, hvordan små gennemsigtige sfæriske bobler brød væk fra BDP og derefter skyndte sig tilbage.
Hvad var det? Kavitation, der genererer tusinde graders temperaturer og kolossale tryk? Eller måske et nyt fænomen observeret for første gang? For at tjekke, som vi allerede ved, er der specielle tests, slags lakmustest, der afslører kavitation - lyd-kemiske reaktioner og glød af væsker.
Nedbrydning af barrierer
I det allerførste testeksperiment udløste lavfrekvent lyd nemt en kædereaktion med at omdanne maleinsyre til fumarsyre. Der var stadig tvivl – selvom denne reaktion anses for kompleks og lunefuld blandt kemikere, kræver den relativt lidt energi at starte. Men da divalent jern i et laboratorie-reagensglas blev til trivalent, da vandmolekyler begyndte at splitte sig i det, som nødder under en hammer, kunne der ikke længere være to meninger - ægte kavitation var ophidset. I starten havde forskerne selv svært ved at tro på deres egne resultater. Men gentagne kontroller bekræftede, at lydkemiske reaktioner kan udføres allerede ved en lydfrekvens på 7 Hz, og nogle løsninger begyndte at lyse ved 30 Hz.
Vi taler om en opdagelse, der kan kaldes hot. Forskning i lavfrekvent kavitation er kun lige begyndt.
Men fra de første dage bringer de interessante resultater. For eksempel, så snart videnskabsmænd så BDP med deres egne øjne og blev overbevist om, at de kaviterede, kollapsede en af de mest autoritative teorier om kavitation. Det blev antaget, at modsatte ladninger opstår på overfladen af den fremkommende kavitationsboble. På et bestemt tidspunkt opstår elektronisk nedbrud. Derfor den store energifrigivelse, glød og initiering af de sværeste kemiske reaktioner. Den eneste betingelse for sådan et forløb er, at kavitationsboblen skal være... en upåklagelig korrekt linseformet form. På skærmen så forskerne som bekendt en eller anden form for fantastisk formet plante.
"God it" ikke kun til den elektriske teori, men også til en anden - den termiske teori om kavitation. Det lød: i processen med hurtig kompression og kollaps af kavitationsboblen opvarmes damp-gasblandingen til temperaturer på tusindvis af grader. Samtidig begynder det naturligt at lyse som glødetråden i en almindelig pære, og plasmatemperaturen splitter molekylerne og igangsætter de mest utrolige kemiske reaktioner. Men nu, som et resultat af omhyggelig forskning, er det blevet fastslået: sonoluminescens er den samme kolde glød som for ildfluer, der flimrer om natten.
Næsten hvert nyt eksperiment viste den nu velkendte kavitation fra en uventet vinkel og afslørede dens ekstraordinære evner. Lad os sige, at den destruktive kraft af højfrekvent kavitation var velkendt. Det kunne forvandle den glatte overflade af metaller til en ru en i løbet af få minutter, og fliser ganske store partikler væk. Lavfrekvent kavitation viste sig tværtimod at være et subtilt og delikat våben. Det var ikke svært for hende at glatte ud og polere den groveste overflade og prikke kun mikroskopiske metalpartikler ud.
Lavfrekvent kavitation fremstillede nemt og hurtigt emulsioner fra væsker, der var ublandbare under normale forhold, knuste faste granulat nedsænket i væske, lancerede de mest energikrævende kemiske reaktioner... Selvfølgelig kan ultralyd, højfrekvent kavitation gøre alt dette. Men for at skabe det, som du ved, har du brug for specialudstyr, generatorer. Tilslut nu oscillationskilden til netværket, der driver din hjemmeradio, og alle de nyttige kavitationsevner står til din tjeneste. Lad os sige, at du skal blande stoffer med den største omhu og hurtighed i en kemisk reaktor med en kapacitet på flere jernbanetanke. Denne opgave er den mest almindelige, almindelig for den kemiske, farmaceutiske og mikrobiologiske industri. Traditionel løsning: Blanderen er noget i retning af en propel eller skruesnegl, lavet af de dyreste, kemisk resistente legeringer. Eller du kan installere en simpel oscillationskilde i reaktoren og sætte den i en almindelig netværksstikkontakt – effekten, som beregninger viser, bliver endnu bedre.
Det er usandsynligt, at nogen i dag vil være i stand til at forudsige de forskellige praktiske anvendelser af den "anden" opdagelse af kavitation. Indtil videre baner det kun vejen for en dybere forståelse af dette interessante fænomen og vælter de barrierer, der har stået i vejen for forskere i mange årtier. Forståelse af den sande mekanisme af kavitation, hvordan og hvor dens ekstraordinære kræfter opstår, er stadig til at komme. Og bagved ligger der, som det altid sker i videnskaben, nye muligheder for ingeniøren, designeren, teknologen, som i dag er umulige at forudse.
L. GALAMAGA, ingeniør-fysiker
Tegninger af A. MATROSOV
Artiklens indhold
CAVITATION, dannelse af gasbobler i en væske. Udtrykket blev introduceret ca. 1894 af den britiske ingeniør R. Froude. Hvis trykket på et hvilket som helst punkt i væsken bliver lig med det mættede damptryk af denne væske, så fordamper væsken på det tidspunkt, og der dannes en dampboble. Et eksempel er kogende vand. Når vandet opvarmes, stiger dets mættede damptryk. Når kogepunktet er nået, bliver damptrykket lig med det omgivende tryk, og der opstår dampbobler i vandet.
Dampbobler dannes lettere i væsker ved reduceret tryk. Når det omgivende tryk bliver større end væskens mættede damptryk, kollapser kavitationsboblen med kraft. Et sådant kollaps af bobler skaber støj, forårsager vibrationer og skader på strukturer og påvirker driften af relaterede maskiner og mekanismer negativt. Et lokalt fald i trykket i en væske opstår med hurtig relativ bevægelse af kroppen og væsken.
Bernoullis lov.
Ifølge Bernoullis lov er energien konstant langs strømlinjen i en friktionsfri væske. Dette kan komme til udtryk ved ligestillingen
Hvor s- pres, r– tæthed, og v- fart. Subscripts 0, 1 og 2 refererer til tre punkter på en given strømlinje.
Af denne lighed følger det, at når hastigheden stiger, falder det lokale tryk (proportionalt med kvadratet af hastigheden). Enhver væskepartikel, der bevæger sig langs en buet strømlinje, f.eks. omslutter en profil (fig. 1), accelereres og undergår et fald i det lokale tryk. Hvis trykket falder til mættet damptryk, opstår der kavitation. Dette er mekanismen bag fænomenet kavitation på hydrofoiler, propeller, turbineblade og pumpeblade.
I tilfælde af en væske, der strømmer gennem et rør, i henhold til loven om bevarelse af masse (kontinuitetsligning), øges væskens hastighed på steder, hvor røret indsnævres, hvor kavitation også er mulig.
Kavitationskoefficient.
Fænomenet kavitation er nøjagtig det samme for strømmen, der flyder rundt om et stationært legeme, og for det medium, hvori kroppen bevæger sig. I begge tilfælde er kun relativ hastighed og absolut tryk vigtige. Forholdet mellem tryk og hastighed, hvormed kavitation opstår, er givet af det dimensionsløse kriterium s, som kaldes kavitationskoefficienten (kavitationstal) og bestemmes af udtrykket
Hvor pv– mættet damptryk af en væske ved en given temperatur.
Typer af kavitation.
I fig. Figur 2 viser kavitation på en fast hydrofoil, filmet i et højhastigheds hydrodynamisk rør. Ved en vis hastighed af vandstrømmen falder det lokale tryk ved overfladen af vingen til trykket af vanddamp. Kavitationshulrum vises på overfladen af vingen. Bobler vokser og bevæger sig i strømmens retning. (Fordi boblerne dannes nær overfladen af vingen, er de halvkugleformede.) Denne type kavitation kaldes ustabil (løbende) boblekavitation. Hvis der er noget fremspring på overfladen, koncentrerer boblerne sig om det. En sådan stationær kavitation er også vist i fig. 2.
Kavitation kan forekomme i den zone af hvirvler, der dannes på steder med øget forskydning og lavt tryk. Vortex-kavitation observeres ofte ved forkanten af hydrofoils, ved forkanten af bladene og bag propelnavet. Det er muligt, at forskellige typer kavitation kan forekomme samtidigt. I fig. Figur 3 viser en skibspropel med hvirvelkavitation på bladenes forkanter, stationære kavitationshulrum på overfladen af bladene og fastgjort hvirvelkavitation bag navet. Kavitation i en væske forårsaget af en lydbølge kaldes akustisk.
Kavitation og teknologi.
Strømningshastigheden falder normalt meget ved profilens bagkant. Her bliver trykket højere end damptrykket. Så snart forhold, der er gunstige for kavitation, forsvinder, kollapser boblerne straks. Den energi, der frigives, når bobler kollapser, er ret betydelig.
Erosion.
Den store energi, der spredes under sammenbruddet af kavitationsbobler, kan føre til skader på overfladerne af undervandsstrukturer, propeller, turbiner, pumper og endda atomreaktorkomponenter. Omfanget af dette fænomen, kaldet hydraulisk erosion, kan variere fra præcis overfladeerosion efter mange års drift til katastrofalt svigt af store strukturer.
Vibration.
Kavitation på propeller kan forårsage periodiske udsving i tryk, der virker på skibets skrog og kraftværker. Kavitationsvibrationer af skibet skaber ubehagelige forhold for passagerer og besætning.
Effektivitet og hastighed.
Kavitation kan øge den hydrodynamiske modstand betydeligt, hvilket resulterer i et fald i effektiviteten af hydraulisk udstyr. Overdreven propelkavitation kan reducere propeltryk og begrænse fartøjets maksimale hastighed; Kavitation kan også forårsage et fald i ydeevnen af en turbine eller pumpe og endda svigt af dens drift.
Støj.
Noget af den energi, der frigives under sammenbrud af kavitationsbobler, omdannes til lydbølger. Sådan støj er især uønsket på flådefartøjer, da det øger sandsynligheden for detektion.
Generelt er kavitation uønsket (i marine- og turbopumpeapplikationer). Men i nogle tilfælde er det forårsaget med vilje. Et eksempel er en hydraulisk kavitationsmonitor. Den store energi, der frigives ved sammenbrud af kavitationsbobler i en vandstråle, bruges til boring (på grund af erosion) af sten og til overfladebehandling.