Một loại đạn mới dành cho vũ khí nhỏ có thể bắn hiệu quả cả trên bộ và dưới nước. Loại đạn mới tận dụng một trong những nguyên lý vật lý mà các thủy thủ quen thuộc nhất. Chúng ta đang nói về cavitation - quá trình hình thành và sụp đổ nhanh chóng của bong bóng chứa đầy hơi nước trong chất lỏng. Ban đầu, hiện tượng xâm thực được coi là có hại, chỉ có khả năng gây hại cho tàu thuyền. Nhưng sau đó họ đã tìm thấy những ứng dụng hữu ích cho nó. Chúng tôi quyết định ghi nhớ cách quân đội sử dụng cavitation để tạo lợi thế cho họ.
Vào nửa sau thế kỷ 19, tàu hơi nước có chân vịt có khả năng đạt tốc độ vài chục hải lý/giờ bắt đầu xuất hiện. Những chiếc xe này có thể nhanh chóng vận chuyển hành khách và thường được so sánh thuận lợi với những chiếc tàu chạy chậm. Tuy nhiên, các thủy thủ sớm gặp phải hậu quả khó chịu: bề mặt chân vịt sau một thời gian hoạt động trở nên thô ráp và bị phá hủy. Các cánh quạt sau đó được làm bằng thép và bản thân chúng nhanh chóng bị ăn mòn trong nước, do đó sự phá hủy của chúng ban đầu được cho là do tác động bất lợi của nước biển. Nhưng vào cuối thế kỷ 19, các nhà khoa học, trong đó có John William Strett, Lord Raleigh, đã mô tả hiện tượng xâm thực.
Cavitation là một hiện tượng vật lý trong đó các bong bóng nhỏ chứa đầy hơi nước xuất hiện trong chất lỏng phía sau một vật thể chuyển động nhanh. Ví dụ, khi một cánh quạt quay, những bong bóng như vậy xuất hiện phía sau các cánh quạt và trên mép sau của chúng. Một khi những bong bóng này xuất hiện, chúng gần như sụp đổ ngay lập tức và tạo thành sóng xung kích. Từ mỗi bong bóng riêng lẻ, nó hoàn toàn không đáng kể, tuy nhiên, khi hoạt động trong thời gian dài, các vi sóng sốc này nhân với số lượng bong bóng sẽ dẫn đến phá hủy cấu trúc vít. Cánh quạt thô sơ bị mất một phần cánh quạt sẽ mất hiệu quả đáng kể.
Cánh quạt hiện đại được làm bằng hợp kim đặc biệt - kunial. Nó là một hợp kim dựa trên đồng có thêm niken và nhôm. Do đó có tên - kunial (CuNiAl, Cuprum-Niccolum-Nhôm). Hợp kim có độ bền tương đương thép nhưng không bị ăn mòn; Cánh quạt Kunial có thể ở dưới nước hàng chục năm mà không gây hại gì. Tuy nhiên, ngay cả những cánh quạt hiện đại này cũng dễ bị phá hủy do hiện tượng xâm thực. Nhưng các chuyên gia đã học cách kéo dài thời gian sử dụng bằng cách tạo ra hệ thống thủy âm. Nó phát hiện sự khởi đầu của hiện tượng xâm thực để phi hành đoàn có thể giảm tốc độ cánh quạt nhằm ngăn chặn sự hình thành bong bóng.
Vào những năm 1970, người ta đã tìm ra những ứng dụng hữu ích của cavitation. Viện nghiên cứu của Hải quân Liên Xô đã phát triển loại ngư lôi mang tên lửa dưới nước tốc độ cao Shkval. Không giống như các loại ngư lôi thông thường được sử dụng thời đó và đang được sử dụng ngày nay, Shkval có thể đạt tốc độ khổng lồ - lên tới 270 hải lý/giờ (khoảng 500 km/h). Để so sánh, ngư lôi thông thường có thể đạt tốc độ từ 30 đến 70 hải lý/giờ, tùy thuộc vào loại. Khi phát triển tên lửa ngư lôi Shkval, các nhà nghiên cứu nhờ vào cavitation đã có thể loại bỏ khả năng cản nước, điều này ngăn cản tàu, ngư lôi và tàu ngầm phát triển tốc độ cao.
Bất kỳ vật thể nào được sắp xếp hợp lý dưới nước đều có lực cản cao. Điều này là do mật độ và độ nhớt của nước - lớn hơn không khí. Ngoài ra, khi di chuyển dưới nước, các bề mặt của vật thể bị ướt và xuất hiện trên chúng một lớp mỏng có độ dốc vận tốc lớn - từ 0 tại chính bề mặt của vật thể đến tốc độ dòng chảy ở ranh giới bên ngoài. Lớp tầng này tạo ra lực cản bổ sung. Ví dụ, nỗ lực khắc phục nó bằng công suất động cơ sẽ dẫn đến tăng tải trọng lên các cánh quạt và nhanh chóng mài mòn thân tàu của vật thể dưới nước do biến dạng.
Trong các thí nghiệm, các kỹ sư Liên Xô phát hiện ra rằng bọt khí có thể làm giảm đáng kể lực cản của vật thể dưới nước. Tên lửa ngư lôi Shkval nhận được động cơ tên lửa, nhiên liệu bắt đầu bị oxy hóa khi tiếp xúc với nước biển. Động cơ này có thể tăng tốc tên lửa ngư lôi lên tốc độ cao, tại đó bong bóng tạo bọt bắt đầu hình thành ở mũi tàu Shkval, bao bọc hoàn toàn đạn dược. Sự hình thành bong bóng tạo bọt được tạo điều kiện thuận lợi nhờ một thiết bị đặc biệt ở mũi tên lửa ngư lôi - máy tạo bọt.
Máy tạo bọt trên Shkval là một máy giặt phẳng nghiêng, ở giữa có một lỗ để lấy nước. Qua lỗ này, nước đi vào khoang động cơ, nơi xảy ra quá trình oxy hóa nhiên liệu. Một bong bóng tạo bọt được hình thành ở các cạnh của máy giặt tạo bọt. Tên lửa ngư lôi bay trong bong bóng này theo đúng nghĩa đen. Phiên bản nâng cấp của Shkval có thể tấn công tàu địch ở cự ly lên tới 13 km. So với tầm bắn của ngư lôi thông thường (30–140 km), tầm bắn này không nhiều và đây là nhược điểm chính của loại đạn này. Sự thật là trong quá trình bay, tên lửa ngư lôi phát ra tiếng động lớn, làm lộ vị trí của tàu ngầm đã phóng nó. Shkval di chuyển rất nhanh 13 km, nhưng trong thời gian này, tàu ngầm sẽ không có thời gian để thoát khỏi làn đạn đáp trả.
Tên lửa ngư lôi bay trong bong bóng cavitation không thể cơ động. Điều này khá dễ hiểu: trong khoang tạo bọt, đạn không thể tương tác với nước để đổi hướng. Ngoài ra, sự thay đổi mạnh về quỹ đạo chuyển động sẽ dẫn đến sự sụp đổ một phần khoang tạo bọt, do đó một phần của tên lửa ngư lôi sẽ rơi xuống nước và bị phá hủy ở tốc độ cao. Ban đầu, Shkval được trang bị đầu đạn hạt nhân có sức công phá 150 kiloton, sau đó được thay thế bằng đầu đạn nổ mạnh thông thường có khối lượng nổ 210 kg. Ngày nay, ngoài Nga, Đức và Iran còn được trang bị ngư lôi tạo khoang.
Cavitator của tên lửa ngư lôi Shkval
Một nửa 3544 / Wikimedia Commons
Vào năm 2014, Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân đã trình bày ý tưởng về tàu ngầm có khả năng di chuyển dưới nước với tốc độ gần hoặc thậm chí siêu âm. Các nhà phát triển đã thông báo rằng một chiếc tàu ngầm như vậy sẽ có thể đi từ Thượng Hải đến San Francisco (khoảng mười nghìn km) trong khoảng một giờ 40 phút. Tàu ngầm sẽ di chuyển bên trong khoang cavitation. Tàu ngầm mới sẽ nhận được một cavitator ở mũi tàu, nó sẽ bắt đầu hoạt động ở tốc độ hơn 40 hải lý/giờ. Sau đó, tàu ngầm sẽ có thể nhanh chóng tăng tốc độ hành trình. Động cơ tên lửa sẽ chịu trách nhiệm cho sự chuyển động của tàu ngầm trong khoang cavitation.
Tốc độ âm thanh trong nước là khoảng 5,5 nghìn km một giờ ở nhiệt độ 24 độ và độ mặn 35 ppm. Trình bày ý tưởng của mình, các nhà phát triển lưu ý rằng trước khi tạo ra một tàu ngầm mới, một số vấn đề cần được giải quyết. Một trong số đó là sự mất ổn định của bong bóng tạo bọt mà tàu ngầm phải bay trong đó. Ngoài ra, cần phải tìm ra phương pháp đáng tin cậy để điều khiển con tàu di chuyển dưới nước với tốc độ siêu âm. Là một trong những lựa chọn, khả năng chế tạo bánh lái có thể mở rộng ra ngoài khoang tạo bọt đang được xem xét.
Trong khi đó, vào đầu những năm 2000, Cục Thiết kế và Nghiên cứu Vũ khí Thể thao và Săn bắn Trung ương của Cục Thiết kế Dụng cụ Tula đã quyết định sử dụng hiện tượng xâm thực khi chế tạo súng máy mới dành cho vận động viên bơi lội chiến đấu. Chúng ta đang nói về ADS (súng trường tấn công đặc biệt cỡ trung đôi) - một loại súng trường tấn công có khả năng bắn hiệu quả như nhau cả trên không và dưới nước. Vũ khí được chế tạo theo thiết kế bullpup (cơ cấu cò súng nằm ở báng) và có tích hợp súng phóng lựu. Trọng lượng của vũ khí có chiều dài 685 mm là 4,6 kg.
Súng máy này sử dụng hộp đạn PSP 5,45 mm đặc biệt để bắn dưới nước. Chúng được trang bị một viên đạn thép ở dạng kim dài 53 mm. Trọng lượng đạn là 16 gram. Đạn được đặt chìm trong hộp đạn với lượng bột tích tụ trong phần lớn chiều dài của nó, sao cho chiều dài tổng thể của hộp đạn tương ứng với loại đạn tự động cỡ nòng 5,45 mm thông thường. Đầu đạn của hộp mực PSP có một vùng phẳng ở đầu. Khi di chuyển dưới nước, bệ này tạo ra một khoang tạo bọt xung quanh đạn. Nhờ tính năng này, tầm bắn hiệu quả của ADS dưới nước ở độ sâu 5 mét là 25 mét.
Ngoài các loại đạn đặc biệt, súng máy còn có khả năng bắn các loại đạn thông thường. ADS có thể được trang bị bộ giảm âm. Tốc độ bắn của ADF trên đất liền là 800 phát/phút và tầm bắn hiệu quả là 500 mét. Vũ khí được trang bị hộp tiếp đạn có thể tháo rời với sức chứa 30 viên. Máy có công tắc chuyển đổi các chế độ hoạt động của cơ cấu xả khí/nước. Nó thay đổi hoạt động của cơ chế nạp lại, điều chỉnh nó để hoạt động trong không khí hoặc nước. Nếu không có các chế độ riêng biệt, cơ chế sạc trong nước có thể bị kẹt.
Các loại vũ khí hiện đại thông thường cũng có khả năng bắn dưới nước nhưng ít được sử dụng cho những mục đích này. Thứ nhất, lực cản quán tính của chất lỏng và mật độ nước lớn hơn không khí không cho phép vũ khí tự động nạp đạn nhanh chóng, thậm chí đôi khi khiến điều đó là không thể. Thứ hai, vật liệu của súng trường tấn công và súng lục trên đất liền ban đầu không được thiết kế để hoạt động trong môi trường nước và không có khả năng chống chịu khi tiếp xúc lâu dài - chúng nhanh chóng mất chất bôi trơn, rỉ sét và hỏng hóc do va chạm thủy lực. Đồng thời, những viên đạn thông thường có độ chính xác cao trên cạn lại trở nên hoàn toàn vô dụng khi ở dưới nước.
Thực tế là hình dạng khí động học của một viên đạn thông thường khiến cho quỹ đạo bay của nó trong nước trở nên khó dự đoán. Ví dụ, ở ranh giới của lớp nước ấm và nước lạnh, viên đạn có thể nảy lại, lệch khỏi trục dọc của viên đạn. Ngoài ra, do hình dạng của nó, một viên đạn vũ khí nhỏ dưới nước sẽ nhanh chóng mất đi năng lượng và do đó có khả năng sát thương. Kết quả là, việc bắn trúng mục tiêu bằng súng trường tấn công Kalashnikov tương tự trong nước trở nên gần như không thể ngay cả ở khoảng cách rất ngắn. Cuối cùng, những viên đạn chì thông thường có vỏ bọc (hợp kim đồng thau dựa trên đồng và niken) nhanh chóng biến dạng dưới nước và thậm chí có thể bị phá hủy.
Vấn đề làm đạn tan rã đã được công ty DSG Technology của Na Uy giải quyết. Cô đã phát triển một loại đạn mới, CAV-X. Chúng không có hình dạng ogive cổ điển như những viên đạn thông thường mà có dạng hình nón. Đầu đạn dẹt và khi chạm nước, nó bắt đầu hoạt động như một lỗ tạo bọt, do đó xung quanh viên đạn hình thành một khoang tạo bọt. Kết quả là viên đạn thực tế không tiếp xúc với nước và giữ được động năng lâu hơn. Đạn cavitation CAV-X không dài hơn nhiều so với đạn thông thường cùng cỡ nòng, không giống như đạn Nga trong hộp đạn PSP.
Đạn tạo bọt được làm bằng vonfram và được ép vào vỏ đồng thau. Ngày nay chúng được sản xuất với các cỡ nòng 5,56, 7,62 và 12,7 mm. Theo DSG Technology, dưới nước, những viên đạn tạo bọt của những cỡ nòng này vẫn giữ được tác dụng gây chết người ở cự ly lần lượt là 14, 22 và 60 mét. Đồng thời, các loại đạn có cỡ nòng khác lên đến pháo 155 mm cũng có thể được tạo khoang. Đúng vậy, tính khả thi của việc chế tạo đạn pháo để bắn dưới nước là rất đáng nghi ngờ. Hiện vẫn chưa rõ loại đạn cavitation CAV-X dự kiến sẽ được sử dụng vào loại vũ khí nào. Các loại vũ khí nhỏ thông thường không có sửa đổi đặc biệt sẽ không thích hợp để bắn dưới nước.
Tuy nhiên, đạn tạo bọt có thể hữu ích khi bắn vào các mục tiêu dưới nước từ đất liền. Ví dụ: nếu bạn bắn vào một vận động viên bơi lội chiến đấu dưới nước từ bờ bằng súng lục hoặc súng máy thông thường, thì rất có thể anh ta sẽ bơi đi mà không hề hấn gì. Thực tế là những viên đạn sẽ giảm tốc độ mạnh khi chạm mặt nước, hoặc bật ra khỏi nó; điều này phụ thuộc vào góc của trục nòng súng với mặt nước nơi thực hiện bắn. Đạn tạo bọt sẽ có thể, gần như không bị lệch, xuyên qua mặt nước và bắn trúng mục tiêu dưới nước. Nhưng quân đội không phải đối mặt với nhu cầu thường xuyên bắn vào kẻ thù dưới nước từ trên đất liền đến mức họ bắt đầu mua hàng loạt hộp đạn CAV-X.
Mặc dù các kỹ sư quân sự đã có thể tìm ra những cách sử dụng hữu ích cho cavitation, nhưng nhìn chung các phát minh của họ không đặc biệt phổ biến. Ngư lôi tên lửa Shkval chưa bao giờ được sử dụng trong chiến đấu và ngày nay chúng hoàn toàn không được sử dụng bởi hạm đội Nga - những loại đạn này hóa ra quá ồn và có tầm bắn ngắn. Hộp mực để bắn dưới nước chỉ được yêu cầu bởi những người bơi lội chiến đấu và những kẻ phá hoại và được sử dụng khá hiếm. Khả năng các chuyên gia Trung Quốc thiết kế tàu ngầm tạo bọt là điều khó tin. Vì vậy, có lẽ hiện tượng xâm thực vẫn là một hiện tượng vật lý mà tốt hơn hết bạn nên cố gắng tránh.
Vasily Sychev
Khái niệm này được giải thích như sau: sự hình thành những điểm gián đoạn trong tính liên tục của chất lỏng do sự giảm áp suất cục bộ trong nó. Tất nhiên, những vết nứt ở chất lỏng là bong bóng. Từ cavitation xuất phát từ tiếng Latin cavitas, có nghĩa là khoảng trống.
Chúng ta hãy tạm đặt cho mình một mục tiêu khác: hãy làm quen với mô hình cơ bản chi phối chất lỏng chảy trong ống. Hãy tưởng tượng một ống nằm ngang có tiết diện thay đổi mà chất lỏng chảy qua. Nơi nào diện tích mặt cắt ngang nhỏ hơn thì chất lỏng chảy nhanh hơn và nơi nào lớn hơn thì chất lỏng chảy chậm hơn. Theo định luật bảo toàn năng lượng có thể phát biểu như sau. Trên thể tích phân bổ của chất lỏng đang chảy, công được thực hiện bởi lực áp suất ép nó chảy. Nếu chất lỏng không có độ nhớt thì công này sẽ chỉ làm thay đổi động năng của nó. Định luật bảo toàn năng lượng cho phép đánh đồng công của các lực áp suất với sự thay đổi động năng của chất lỏng. Từ đẳng thức này tuân theo phương trình của Daniel Bernoulli, được thỏa mãn trong bất kỳ phần nào của ống:
Trong phương trình này, là mật độ của chất lỏng, là tốc độ dòng chảy của nó, là áp suất của chất lỏng trong dòng chảy và là một giá trị không đổi. Bạn có thể đọc nó như thế này: tổng mật độ động năng và áp suất trong chất lỏng đang chảy không đổi.
Phương trình được viết ra là cơ bản trong khoa học chất lỏng.
Chúng ta hãy xem xét công thức một cách cẩn thận. Đây là những gì công thức nói: tiết diện của ống càng hẹp thì càng lớn , càng nhiều, càng ít, có nghĩa là" rằng có thể cao đến mức áp lực sẽ nhỏ hơn một giá trị tới hạn nào đó. Các bong bóng khí hoặc hơi nước xuất hiện trong chất lỏng chuyển động và bị mắc kẹt trong vùng nơi chúng bắt đầu tăng thể tích, chất lỏng “tạo bọt”, biến thành môi trường giống như bọt. Di chuyển theo dòng chảy đến nơi có áp suất, các bong bóng bắt đầu xẹp xuống và biến mất.
Vì vậy, chúng tôi tự tin dự đoán sự xuất hiện của bong bóng trong chất lỏng đang chảy, làm cơ sở, chỉ dựa trên định luật bảo toàn năng lượng. Nền móng chắc chắn và bạn nên tìm kiếm bong bóng.
Trên thực tế, hiện tượng xâm thực cũng có thể xảy ra khi, vì lý do nào đó, xuất hiện các vùng trong chất lỏng có tốc độ chuyển động khác nhau. Ví dụ, gần các cánh quay của động cơ tàu thủy, hoặc gần một thanh rung động trong nước.
“Một giọt đá mòn” - điều này ai cũng biết. Nhưng việc bong bóng phá hủy kim loại dường như không được nhiều người biết đến. Đã ghi nhận nhiều trường hợp chân vịt tàu cao tốc bị phá hủy do bong bóng cavitation. Những sự phá hủy này đôi khi làm vô hiệu hóa chân vịt chỉ trong vòng vài giờ sau hành trình của con tàu. Vùng xâm thực gần chân vịt quay được các nhà đóng tàu nghiên cứu kỹ lưỡng để chọn ra hình dạng tối ưu sao cho khả năng chống xâm thực của nó sẽ lớn nhất mà không ảnh hưởng đến các đặc tính khác của chân vịt quay. Đây là một giai đoạn quan trọng trong việc thiết kế và chế tạo một con tàu.
Đây là một ví dụ khác về tác động phá hủy của cavitation. Nếu một thanh kim loại dao động trong nước, bề mặt đầu của nó sẽ bị bao phủ bởi các vùng bị phá hủy do tạo bọt: các bong bóng sẽ phá hủy kim loại.
Có một số giả định về cơ chế truyền bong bóng bay tới bề mặt kim loại. Khi chạm tới bề mặt của chướng ngại vật, bong bóng có thể nhanh chóng xẹp xuống, kích thích sóng xung kích và điều này sẽ kéo theo tác động của nước lên bề mặt. Các nhà vật lý đã nghiên cứu chi tiết về sự phá hủy kim loại bằng bọt khí đã bị thuyết phục rằng áp suất xung mà bề mặt cảm nhận được là đủ để bong bóng tạo ra và phát triển các nguồn phá hủy trên bề mặt kim loại. Ví dụ, điều này: ứng suất xung lặp đi lặp lại dẫn đến hư hỏng mỏi cục bộ.
Ngày nay, có khá nhiều ấn phẩm đề cập đến vấn đề tạo bọt và các phương pháp loại bỏ nó, nhưng chỉ một số trong đó giải thích lý do tại sao bong bóng lại có tác động hủy diệt như vậy.
Sự xuất hiện của hiện tượng xâm thực trong máy bơm ly tâm thường xuất hiện trước hiện tượng sôi. Điều này không có nghĩa là bản thân việc đun sôi là nguy hiểm, nhưng nếu bong bóng tạo thành không nổ thì chúng có thể tạo ra một lực rất mạnh. Đun sôi là một trong những quá trình xảy ra sự thay đổi trạng thái của chất lỏng và biến thành hơi.
Nước lỏng và bong bóng hơi nước hình thành trong quá trình sôi được cấu tạo từ các phân tử giống nhau. Sự khác biệt chính giữa chúng là mức năng lượng của các phân tử và tổng không gian mà chúng chiếm giữ do năng lượng nhận được. Các phân tử hơi nước có mức năng lượng cao hơn đáng kể. Chuyển động nhanh và dài của chúng đòi hỏi nhiều không gian hơn các phân tử chất lỏng.
Sự sôi và hình thành bong bóng hơi xảy ra khi năng lượng của các phân tử nước ở trạng thái lỏng trở nên lớn hơn áp suất của nước và áp suất khí quyển tác động lên bề mặt của nó. Quá trình này thường được giải thích dưới dạng nhiệt, nhưng trong ngành bơm, sự thay đổi áp suất là quan trọng nhất.
Ở áp suất khí quyển ở mực nước biển là 760 mmHg, nước trong nồi sôi ở nhiệt độ 100°C. Thể tích của bong bóng hơi hình thành ở nhiệt độ sôi 100°C sẽ lớn hơn thể tích của bong bóng nước ở cùng nhiệt độ là 1673 lần. Khi chạm tới mặt nước, nó phát nổ, giải phóng năng lượng nhiệt và áp suất. Nguồn năng lượng chính vẫn là nhiệt. Sóng nổ tạo ra khi bong bóng vỡ có lực nhỏ vì áp suất trong bong bóng nhỏ hơn một atm và năng lượng bị tiêu tán theo mọi hướng trên mặt nước.
Ví dụ, nếu bạn đun nóng cùng một chiếc nồi ở phía nam Kislovodsk, nơi độ cao so với mực nước biển lên tới 1600 m, thì nước trong đó sẽ sôi ở nhiệt độ 95°C. Điểm sôi thấp hơn có liên quan đến vị trí cao hơn mức Merya và áp suất khí quyển thấp hơn 632 mmHg. Khi áp suất trên bề mặt nước thấp hơn, cần ít năng lượng nhiệt hơn để bắt đầu chuyển nước từ trạng thái này sang trạng thái khác. Và khi áp suất giảm, lượng nhiệt cần thiết sẽ ngày càng ít hơn và ở mức áp suất khoảng 4,5 mmHg, nước dễ dàng sôi ở nhiệt độ đóng băng.
Mô hình tương tự cũng diễn ra ngược lại: nếu áp suất trên bề mặt nước tăng hơn một atm thì nhiệt độ sôi cũng sẽ tăng. Nếu áp suất tăng cao trong quá trình đun sôi, bọt hơi sẽ không nổ. Chúng sụp đổ và trở lại trạng thái lỏng ban đầu.
Quá trình tương tự xảy ra trong máy bơm ly tâm trong quá trình xâm thực. Xâm thực hút, dạng phổ biến nhất và dễ dự đoán nhất, xảy ra khi áp suất dương hiệu dụng ở đầu hút của máy bơm giảm xuống dưới áp suất hơi của nước chứa ở đầu hút của máy bơm (áp suất hơi là áp suất cần thiết để duy trì nước ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ nhất định). Các bộ phận của cánh quạt dễ bị ảnh hưởng bởi kiểu tạo bọt này nhất là những bộ phận nằm trong vùng có áp suất thấp nhất, tức là những bộ phận nằm gần cửa vào. Ở phần này, các cánh có độ uốn cong tối đa và khi nước chảy xung quanh chúng, áp suất lên bề mặt của chúng sẽ giảm xuống.
Ở áp suất đủ thấp, bong bóng có thể hình thành (bằng cách sôi) và vỡ ra trong vòng chưa đầy một giây khi chúng đi vào khu vực có áp suất cao hơn một chút. Năng lượng giải phóng khi bong bóng hơi nước sụp đổ hoàn toàn khác với năng lượng tạo ra khi nó phát nổ. Không giống như bong bóng hơi phát nổ trên mặt nước, bong bóng vỡ thực sự sẽ trở lại trạng thái lỏng. Mặc dù nhiệt cũng được giải phóng trong quá trình này, nguồn năng lượng chính trong trường hợp này là sóng xung kích được hình thành do sự sụp đổ của bong bóng.
Sóng xung kích được hình thành do sự va chạm của các phân tử nước, chúng lao tới điểm bong bóng sụp đổ để lấp đầy khoảng trống tạo thành. Sức mạnh của sóng xung kích phụ thuộc vào một số yếu tố. Nghiên cứu cho thấy thời gian tồn tại của bong bóng (từ khi hình thành đến khi sụp đổ) là ba mili giây (0,003 giây) nên quá trình này diễn ra rất nhanh. Các phân tử nước va chạm càng nhanh thì năng lượng được giải phóng càng nhiều.
Kích thước của bong bóng hơi tạo bọt có thể lớn hơn đáng kể so với kích thước được hình thành trong quá trình đun sôi tiêu chuẩn ở áp suất khí quyển bình thường. Ví dụ, ở nhiệt độ 20°C (nhiệt độ bơm tiêu chuẩn), bong bóng hơi hình thành do hiện tượng xâm thực lớn hơn gần 35 lần so với bong bóng hình thành ở nhiệt độ 100°C! Và kích thước của bong bóng càng lớn thì khối lượng nước tham gia vào vụ va chạm càng lớn.
Các yếu tố này kết hợp với nhau (tốc độ và khối lượng) tạo ra tổng động năng của bong bóng đang co lại (KE = ½ mv²). Tốc độ cao do bong bóng sụp đổ nhanh chóng và khối lượng lớn do kích thước của bong bóng dẫn đến việc giải phóng năng lượng khổng lồ. Đồng thời, một quá trình thậm chí còn quan trọng hơn xảy ra, giúp tăng cường sức công phá của bong bóng đang vỡ.
Hình 1 cho thấy một loạt ảnh mô tả sự sụp đổ dần dần của bong bóng hơi. Ở giai đoạn 1, bong bóng có hình dạng gần như tròn, bắt đầu xẹp xuống ở giai đoạn 2. Quá trình này tiếp tục cho đến giai đoạn 18, sau đó là sự sụp đổ hoàn toàn.
Hình 1. Từ Cavitation và Động lực học bong bóng của Christopher Brennen
và được xuất bản năm 1995 bởi Nhà xuất bản Đại học Oxford
Một điểm thú vị cần lưu ý xảy ra ở bước 7, trong đó vết lõm bắt đầu hình thành ở đáy bong bóng. Sự hình thành này, được gọi là "microjet lối vào", hình thành trên một trong các bề mặt phẳng và tiếp tục tăng kích thước cho đến giai đoạn 13. Ở giai đoạn 14, dòng phản lực này xuyên qua bề mặt trên của bong bóng và hướng lực xẹp theo một hướng.
Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng nếu một bong bóng vỡ ra gần thành của vật thể rắn (lưỡi dao hoặc vỏ bảo vệ), thì hoạt động của tia siêu nhỏ hầu như luôn hướng về phía thành. Nói cách khác, tất cả năng lượng của sự sụp đổ đều hướng đến một khu vực cực nhỏ nào đó trên bề mặt cánh quạt, và kết quả là sự phá hủy kim loại bắt đầu.
Chính sự kết hợp của năng lượng tập trung cao độ và sự tập trung của nó theo một hướng đã mang lại cho bong bóng đang sụp đổ sức mạnh hủy diệt như vậy. Và ngay cả khi các bong bóng xẹp xuống cách xa bề mặt cánh quạt và kim loại không bị phá hủy, sóng xung kích vẫn gây ra rung động nghiêm trọng, có thể dẫn đến các hư hỏng khác cho máy bơm.
Kỹ sư công ty
LLC "Bơm công nghiệp"
Serge Egorov
Anh hùng điện ảnh bí ẩn
Vào cuối thế kỷ 19, hải quân Anh sẽ được bổ sung hai con tàu hoàn hảo cho thời điểm đó. "Dering" và "Turbinia" đã phải vượt qua bài kiểm tra cuối cùng - về tốc độ, nhân tiện, điều này được các nhà thiết kế coi là lợi thế chính của họ. Thật không may, tốc độ tính toán không thể đạt được. Một nghiên cứu chi tiết về những nguyên nhân có thể dẫn đến sự cố cho thấy: cánh quạt bị mòn rất mạnh ở tốc độ cao, bị bao phủ bởi ổ gà, hốc và thủ phạm là nhiều bọt khí-hơi nước xuất hiện trên các cánh quạt.
Trong hoàn cảnh như vậy, công nghệ lần đầu tiên làm quen với cavitation. Đó là kỹ thuật. Bởi vì khoa học đã biết đến hiện tượng này từ hai mươi năm nay. Về mặt lý thuyết, nó đã được dự đoán bởi nhà vật lý người Anh O. Reynolds. Và nếu các nhà thiết kế chú ý hơn đến nghiên cứu cơ bản của đồng bào mình thì có lẽ sự bối rối đã không xảy ra.
Đúng vậy, nhà lý thuyết có thể cảnh báo các kỹ sư không nên quá phấn khích. Nhưng không có gì hơn. Nếu được hỏi làm thế nào để chế tạo một con tàu thực sự có tốc độ cực cao, vượt qua cavitation theo một cách nào đó, nhà khoa học khó có thể có câu trả lời.
Và cho đến ngày nay, hơn một thế kỷ sau kể từ khi cavitation được phát hiện, ngành khoa học nghiên cứu hiện tượng này đều mắc nợ công nghệ. Không phải lúc nào cũng có thể tính toán chính xác ngưỡng xảy ra hiện tượng xâm thực, phá hủy máy móc hoặc kết cấu. Nó vẫn vỡ vụn, nó để lộ ra kim loại của cánh quạt, cánh của máy bơm và tua-bin, thân bê tông của đập, kênh và âu thuyền.
Thậm chí còn khó khăn hơn - và những suy nghĩ hấp dẫn về điều này chưa được sinh ra ngày hôm qua - để biến đổi lực hủy diệt của cavitation và biến chúng thành đồng minh.
Tại sao khoa học hiện đại hùng mạnh lại tiết lộ những bí mật quan trọng nhất của cavitation?
Đầu tiên, chúng ta hãy nhớ lại những gì cô ấy biết về hiện tượng này một cách khá chắc chắn. Bong bóng xâm thực xuất hiện trong chất lỏng nếu áp suất giảm được tạo ra trong đó. Điều này xảy ra, chẳng hạn, khi chuyển động xung quanh một vật rắn ở tốc độ cao hoặc, về cơ bản là tương đương, khi bản thân vật đó chuyển động nhanh trong chất lỏng. Sóng âm thanh và siêu âm truyền qua chất lỏng cũng tạo ra các vùng áp suất thấp và gây ra hiện tượng xâm thực. Bong bóng cavitation không tồn tại lâu. Với tốc độ cực lớn, trong tích tắc rất nhỏ, chúng sụp đổ. Sự sụp đổ này, giống như một vụ nổ, tạo ra một làn sóng xung kích. Hãy coi đây chỉ là những vụ nổ vi mô. Trong những khoảnh khắc ngắn ngủi, hàng trăm, hàng nghìn chuyện như vậy xảy ra. Họ chồng lên nhau, nhân lên sức mạnh của họ. Tại các điểm khác nhau trong chất lỏng, nhiệt độ ngay lập tức tăng vọt lên hàng nghìn độ, áp suất lên tới hàng chục atm. Các bong bóng có thể tạo ra những tia sáng mạnh nhất tác động lên bề mặt cứng giống như một viên đạn tích lũy phá hủy áo giáp! Đây là nơi bắt nguồn sức mạnh đáng kinh ngạc của bong bóng không trọng lượng.
Thật không may, những lực lượng này thường có tính chất hủy diệt. Ngày nay chỉ trong một số trường hợp, chúng mới bắt đầu hoạt động hữu ích - ví dụ: chúng làm sạch bề mặt của các bộ phận, giúp bộc lộ kiểu dáng tự nhiên của đá hoàn thiện và trộn các chất lỏng “không tương thích” như xăng và nước. Để chống lại hiện tượng xâm thực có hại, mang tính hủy diệt tốt hơn và sử dụng nó một cách triệt để hơn cho mục đích tốt, chỉ có một cách - thâm nhập sâu hơn vào bí mật của nó.
Sự khác biệt giữa bong bóng cavitation và bong bóng thông thường là gì? Chuyện gì đang xảy ra bên trong vậy? Sự biến đổi năng lượng diễn ra trong đó theo những định luật nào? Nếu các nhà khoa học hôm nay biết được câu trả lời cho những câu hỏi này thì ngày mai những con tàu siêu tốc sẽ trở thành hiện thực. Nhưng cho đến nay chỉ có rất nhiều giả thuyết cạnh tranh nhau. Và điều này có nghĩa là người kỹ sư không thể tính toán với độ chính xác cần thiết về một cấu trúc hoặc máy móc mới mà anh ta muốn khai thác lực xâm thực.
Ví dụ này cho thấy mức độ hiểu biết chưa đầy đủ về hiện tượng này. Gần nửa thế kỷ trước, người ta đã phát hiện ra hiện tượng phát quang siêu âm - sự phát sáng của chất lỏng dưới tác động của siêu âm, cũng như các phản ứng hóa âm chỉ xảy ra khi thuốc thử được chiếu xạ bằng âm thanh. Cả hai hiện tượng này đều tiêu tốn rất nhiều năng lượng và chỉ có hiện tượng xâm thực mới có thể gây ra chúng. Các hiệu ứng đã trở thành một loại thử nghiệm cho cavitation. Tuy nhiên, cơ chế và bản chất của chúng vẫn còn là một bí ẩn.
Tại sao cavitation lại không thể tiếp cận được? Những trở ngại nào cản trở bí mật của nó? Để hình dung rõ hơn những biến đổi xảy ra với bong bóng xâm thực, trước tiên bạn phải theo dõi cẩn thận cách nó được sinh ra, di chuyển, biến mất, nói một cách dễ hiểu, tất cả các giai đoạn trong vòng đời của nó.
Bong bóng cavitation đã trở thành một trong những nhân vật chính của phim khoa học. Nó được quay trên vô số mét phim ở hàng chục phòng thí nghiệm trên khắp thế giới. Nhưng than ôi, ngay cả việc quay phim tốc độ cực cao cũng không thể bắt kịp những khoảnh khắc của cuộc đời anh. Anh hùng điện ảnh của chúng ta chỉ sống được một trăm phần nghìn, thậm chí một phần triệu giây! Chúng ta cũng phải tính đến: kích thước của bong bóng là phần trăm, phần nghìn milimét. Cuối cùng, cavitation không phải là một hay thậm chí hàng nghìn bong bóng sinh ra trong chốc lát. Trong một cm khối của cái gọi là trường xâm thực, khoảng một tỷ trong số chúng rung động cùng một lúc! Không phải ngẫu nhiên mà một trong những anh hùng đầu tiên của điện ảnh ba chiều, ngay khi xuất hiện trong phòng thí nghiệm, phiên bản thử nghiệm, lại là một bong bóng cavitation... Và những bí ẩn vẫn không hề giảm bớt.
Nhím trong ống nghiệm
Trong khoa học, điều đó thường xảy ra như thế này: để giải quyết bất kỳ vấn đề phức tạp nào mà những bộ óc giỏi nhất, được trang bị công nghệ tiên tiến nhất, đã phải vật lộn trong nhiều năm, thì thiếu một số ý tưởng rất đơn giản, một số kinh nghiệm tiểu học, gần như ở trường học. Trong vấn đề tạo bọt, bước đi có lẽ mang tính quyết định này đã được các nhà khoa học thuộc lĩnh vực vật lý hóa học tại Viện nghiên cứu khoa học tổng hợp hữu cơ của Liên minh thực hiện.
Trong khi một số nhà nghiên cứu dựa vào thiết bị ngày càng tiên tiến và các phương pháp mới nhất để giải các hệ phương trình vi phân phức tạp bất thường về chuyển động của bong bóng, thì các chuyên gia VNIIOS đang tìm kiếm một giải pháp giải quyết không trực diện. Hành động dự định của họ là gì? Họ lý luận một cái gì đó như thế này. Rất khó để nhìn rõ các bong bóng tạo bọt do kích thước nhỏ và thời gian tồn tại cực ngắn của chúng. Điều này phụ thuộc vào tần số dao động kích thích tạo bọt. Nếu các nhà nghiên cứu có thể thu được hiện tượng xâm thực ở tần số 10-100 Hz, thì theo tính toán, các bong bóng có thể tồn tại trong một phần mười giây và có kích thước lên tới một centimet. Sau đó chúng ta sẽ thấy người hùng trong phim của chúng ta thật cận cảnh.
Có phải ý tưởng đơn giản này thực sự chưa từng xảy ra với bất cứ ai trước đây? Tất nhiên là cô ấy đã đến. Đã có rất nhiều nỗ lực. Một bài báo với kết quả cuối cùng trong số đó, được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu Mỹ, nằm trên bàn của người đứng đầu ngành, M. A. Margulis. Và không có gì an ủi về nó. Một lần nữa, chúng tôi đã nhận được xác nhận về quan điểm thông thường: xâm thực là một hiện tượng ngưỡng, nghĩa là nó xảy ra bắt đầu từ một tần số nhất định và tần số này được tính, than ôi, tính bằng kilohertz... Tuy nhiên, có điều gì đó đã buộc tôi phải làm để tái tạo một thí nghiệm rõ ràng là không thành công. Điều này được thúc đẩy bởi cả sự tức giận trước một vấn đề nan giải và niềm đam mê nghiên cứu, sự kiên trì và trực giác.
Người Mỹ thực hiện thí nghiệm này không khó. Sơ đồ của nó rất đơn giản: một thanh dao động được hạ xuống trong một bình chứa chất lỏng, và máy quang phổ, nếu xảy ra hiện tượng xâm thực, sẽ ghi lại sự phát sáng. Mọi thứ đã được thực hiện như bình thường - không có gì giống như cavitation. Chúng tôi đã cố gắng tăng biên độ dao động của thanh, nói rằng sự kích thích sẽ trở nên mãnh liệt hơn. Máy quang phổ siêu nhạy không hoạt động. Sự sôi sục và hỗn loạn trong chất lỏng ngày càng tăng, nhưng không có sự giãn nở. Chất lỏng dường như quá đàn hồi; mặc dù nó xoáy nhưng nó vẫn có thể chảy quanh thanh dao động chậm. Nhưng điều cần thiết là cô ấy phải cảm nhận được sự rung động của thanh như thể chúng là những cú đánh. Làm thế nào để đạt được điều này?
Chỉ cần loại trừ dòng chảy xung quanh thanh dao động là đủ và người ta đã phát hiện ra hiện tượng xâm thực tần số thấp.
Thí nghiệm mới được thực hiện với các thiết bị có thể được tìm thấy ngay cả trong lớp học vật lý ở trường: ống nghiệm, giá đỡ, thanh được chạm khắc từ tấm mica, loa 25 watt, bộ khuếch đại ống cũ... Sự tinh tế duy nhất của nó - một thanh dao động có dạng pít-tông được chế tạo sao cho khe hở với thành ống nghiệm chỉ bằng 1/10 milimét. Đồng thời, chất lỏng không còn có thể chảy quanh thanh dễ dàng như trước nữa.
Máy phát âm thanh được bật ở tần số 90 Hz. M. A. Margulis nói về những gì xảy ra tiếp theo:
Chúng tôi không nhận thấy điều gì đặc biệt trong một phút. Sau đó, tại một khu vực nhỏ gần thành ống nghiệm chứa đầy chất lỏng, xuất hiện những bong bóng hình cầu nhỏ dưới piston đang dao động. Số lượng của họ tăng lên nhanh chóng. Chúng tạo thành một cục máu lớn trông giống con nhím. Con nhím này đang đập rõ ràng. Họ bắt đầu tăng dần tần số. Ở tần số 200 Hz trở lên, có thể tạo ra hai hoặc thậm chí nhiều con nhím phi thường. Họ được sinh ra ở những phần khác nhau của ống nghiệm. Thỉnh thoảng chúng lao về phía nhau, hòa vào nhau rồi vỡ tan tành. Có thể nhận thấy ngay rằng những con nhím trông không giống như những tập đoàn - những cụm bong bóng riêng lẻ đang rung động, mà là những bong bóng lớn, có hình dạng kỳ lạ...
Nhưng không phải mọi thứ đều được chụp bằng mắt thường. Các nhà khoa học đã sử dụng công cụ quen thuộc của họ - quay phim tốc độ cao. Chúng tôi đã phát đoạn video đã quay, nhưng... chúng tôi không tìm thấy con nhím nào cả. Những điểm nổi bật, những quá trình khá dày, những xúc tu cong phức tạp, dường như bắn ra từ thân của một bong bóng lớn, hoàn toàn không giống những chiếc kim của một cư dân rừng dễ thương. Và các nhà khoa học đã đặt cho sinh vật khác thường này một cái tên bình thường hơn - một bong bóng biến dạng lớn (viết tắt BDP). Trên màn hình có thể thấy các bong bóng hình cầu nhỏ trong suốt đang vỡ ra khỏi BDP và sau đó lao trở lại.
Đó là gì vậy? Cavitation, tạo ra nhiệt độ hàng nghìn độ và áp suất khổng lồ? Hoặc có lẽ là một hiện tượng mới nào đó lần đầu tiên được quan sát thấy? Để kiểm tra, như chúng ta đã biết, có những thử nghiệm đặc biệt, loại thử nghiệm quỳ tím để phát hiện hiện tượng xâm thực - phản ứng hóa học âm thanh và sự phát sáng của chất lỏng.
Phá vỡ rào cản
Trong thí nghiệm thử nghiệm đầu tiên, âm thanh tần số thấp dễ dàng gây ra phản ứng dây chuyền chuyển đổi axit maleic thành axit fumaric. Vẫn còn nghi ngờ - mặc dù phản ứng này được các nhà hóa học coi là phức tạp và thất thường, nhưng nó đòi hỏi tương đối ít năng lượng để bắt đầu. Nhưng khi trong ống nghiệm, sắt hóa trị hai biến thành sắt hóa trị ba, khi các phân tử nước bắt đầu phân tách trong đó, giống như các hạt dưới búa, không thể có hai ý kiến - sự tạo bọt thực sự đã bị kích thích. Lúc đầu, bản thân các nhà nghiên cứu cũng khó tin vào kết quả của chính họ. Tuy nhiên, các cuộc kiểm tra lặp đi lặp lại đã xác nhận rằng các phản ứng hóa học âm thanh có thể được thực hiện ở tần số âm thanh 7 Hz và một số dung dịch bắt đầu phát sáng ở tần số 30 Hz.
Chúng ta đang nói về một khám phá có thể gọi là hấp dẫn. Nghiên cứu về cavitation tần số thấp chỉ mới bắt đầu.
Tuy nhiên, ngay từ những ngày đầu tiên, chúng đã mang lại những kết quả thú vị. Ví dụ, ngay khi các nhà khoa học tận mắt nhìn thấy BDP và tin rằng chúng tạo ra bọt khí, một trong những lý thuyết có căn cứ nhất về bọt khí đã sụp đổ. Người ta tin rằng các điện tích trái dấu phát sinh trên bề mặt bong bóng tạo bọt đang nổi lên. Tại một thời điểm nhất định, sự cố điện tử xảy ra. Do đó, giải phóng năng lượng lớn, phát sáng và bắt đầu các phản ứng hóa học khó khăn nhất. Điều kiện duy nhất để mọi việc diễn ra như vậy là bong bóng tạo bọt phải... có hình dạng thấu kính chính xác hoàn hảo. Như chúng ta đã biết, trên màn hình, các nhà nghiên cứu đã nhìn thấy một loại thực vật có hình dạng kỳ lạ.
“Hiểu được” không chỉ lý thuyết điện mà còn cả lý thuyết khác - lý thuyết nhiệt về cavitation. Nó ghi: trong quá trình nén và xẹp nhanh chóng bong bóng tạo bọt, hỗn hợp hơi-khí được nung nóng đến nhiệt độ hàng nghìn độ. Đồng thời, nó bắt đầu phát sáng một cách tự nhiên giống như dây tóc của một bóng đèn thông thường, và nhiệt độ plasma sẽ phân tách các phân tử và bắt đầu những phản ứng hóa học đáng kinh ngạc nhất. Tuy nhiên, hiện nay, nhờ nghiên cứu kỹ lưỡng, người ta đã khẳng định: siêu âm là ánh sáng lạnh lẽo giống như ánh sáng của đom đóm nhấp nháy trong đêm.
Hầu hết mọi thí nghiệm mới đều cho thấy hiện tượng xâm thực quen thuộc từ một góc độ không ngờ tới và bộc lộ những khả năng phi thường của nó. Giả sử sức mạnh hủy diệt của cavitation tần số cao đã được biết đến rộng rãi. Nó có thể biến bề mặt nhẵn của kim loại thành bề mặt nhám chỉ trong vài phút, loại bỏ các hạt khá lớn. Ngược lại, cavitation tần số thấp hóa ra lại là một vũ khí tinh vi và tinh vi. Không khó để cô làm phẳng và đánh bóng bề mặt thô ráp nhất, chỉ chọc ra những hạt kim loại cực nhỏ.
Tạo bọt tần số thấp dễ dàng và nhanh chóng chuẩn bị nhũ tương từ chất lỏng không thể trộn lẫn trong điều kiện bình thường, nghiền nát các hạt rắn ngâm trong chất lỏng, thực hiện các phản ứng hóa học tiêu tốn nhiều năng lượng nhất... Tất nhiên, tạo bọt siêu âm, tần số cao có thể làm được tất cả những điều này. Nhưng để tạo ra nó, như bạn biết, bạn cần có thiết bị đặc biệt, máy phát điện. Bây giờ hãy kết nối nguồn dao động với mạng cung cấp năng lượng cho đài phát thanh tại nhà của bạn và tất cả các khả năng hữu ích của tạo bọt đều có sẵn cho bạn. Giả sử bạn cần trộn các chất một cách cẩn thận và nhanh chóng nhất trong một lò phản ứng hóa học có sức chứa bằng vài thùng xe lửa. Đây là nhiệm vụ thông thường nhất, phổ biến nhất đối với các ngành hóa chất, dược phẩm, vi sinh. Giải pháp truyền thống: máy trộn là một thứ giống như cánh quạt hoặc máy khoan trục vít, được làm từ hợp kim kháng hóa chất đắt tiền nhất. Hoặc bạn có thể cài đặt một nguồn dao động đơn giản vào lò phản ứng và cắm nó vào ổ cắm mạng thông thường - hiệu quả, như tính toán cho thấy, sẽ còn tốt hơn nữa.
Ngày nay khó có ai có thể dự đoán được những ứng dụng thực tế khác nhau của khám phá “thứ hai” về cavitation. Hiện tại, nó chỉ dọn đường cho sự hiểu biết sâu sắc hơn về hiện tượng thú vị này và lật ngược những rào cản đã cản trở các nhà nghiên cứu trong nhiều thập kỷ. Vẫn còn phải tìm hiểu cơ chế thực sự của hiện tượng xâm thực, các lực đặc biệt của nó phát sinh như thế nào và ở đâu. Và đằng sau nó, như mọi khi xảy ra trong khoa học, là những cơ hội mới cho kỹ sư, nhà thiết kế, nhà công nghệ, điều mà ngày nay không thể đoán trước được.
L. GALAMAGA, kỹ sư-vật lý
Bản vẽ của A. MATROSOV
Nội dung của bài viết
SỰ XÚC TIẾN, sự hình thành bọt khí trong chất lỏng. Thuật ngữ này được giới thiệu vào khoảng 1894 bởi kỹ sư người Anh R. Froude. Nếu áp suất tại bất kỳ điểm nào trong chất lỏng bằng áp suất hơi bão hòa của chất lỏng đó thì chất lỏng tại điểm đó sẽ bay hơi và hình thành bong bóng hơi. Một ví dụ là nước sôi. Khi nước được làm nóng, áp suất hơi bão hòa của nó tăng lên. Khi đạt đến điểm sôi, áp suất hơi nước bằng áp suất xung quanh và bọt hơi xuất hiện trong nước.
Bong bóng hơi hình thành dễ dàng hơn trong chất lỏng ở áp suất giảm. Khi áp suất xung quanh lớn hơn áp suất hơi bão hòa của chất lỏng, bong bóng tạo bọt sẽ sụp đổ do lực. Sự vỡ bong bóng như vậy tạo ra tiếng ồn, gây rung động và hư hỏng các công trình, ảnh hưởng xấu đến hoạt động của các máy móc, cơ chế liên quan. Sự giảm áp suất cục bộ trong chất lỏng xảy ra khi cơ thể và chất lỏng chuyển động tương đối nhanh chóng.
Định luật Bernoulli.
Theo định luật Bernoulli, trong chất lỏng không ma sát, năng lượng không đổi dọc theo đường dòng. Điều này có thể được thể hiện bằng đẳng thức
Ở đâu P- áp lực, r- mật độ và v- tốc độ. Các chỉ số 0, 1 và 2 đề cập đến ba điểm bất kỳ trên một đường thẳng cho trước.
Từ đẳng thức này, suy ra rằng khi tốc độ tăng thì áp suất cục bộ giảm (tỷ lệ với bình phương tốc độ). Bất kỳ hạt chất lỏng nào di chuyển dọc theo một đường cong, ví dụ, bao bọc một mặt cắt (Hình 1), đều được gia tốc và trải qua sự giảm áp suất cục bộ. Nếu áp suất giảm xuống áp suất hơi bão hòa thì hiện tượng xâm thực xảy ra. Đây là cơ chế gây ra hiện tượng xâm thực trên tàu cánh ngầm, cánh quạt, cánh tuabin và cánh bơm.
Trong trường hợp chất lỏng chảy qua đường ống, theo định luật bảo toàn khối lượng (phương trình liên tục), tốc độ của chất lỏng tăng ở những nơi đường ống bị thu hẹp, nơi cũng có thể xảy ra hiện tượng xâm thực.
Hệ số xâm thực.
Hiện tượng xâm thực hoàn toàn giống nhau đối với dòng chảy xung quanh một vật thể đứng yên và đối với môi trường mà vật thể đó chuyển động. Trong cả hai trường hợp, chỉ có tốc độ tương đối và áp suất tuyệt đối là quan trọng. Mối quan hệ giữa áp suất và tốc độ xảy ra hiện tượng xâm thực được đưa ra bởi tiêu chí không thứ nguyên S, được gọi là hệ số xâm thực (số xâm thực) và được xác định bằng biểu thức
Ở đâu pv- áp suất hơi bão hòa của chất lỏng ở nhiệt độ nhất định.
Các loại cavitation.
Trong hình. Hình 2 cho thấy hiện tượng xâm thực trên một tàu cánh ngầm cố định, được quay trong ống thủy động lực tốc độ cao. Ở một tốc độ dòng nước nhất định, áp suất cục bộ trên bề mặt cánh giảm xuống áp suất của hơi nước. Các lỗ hổng xuất hiện trên bề mặt cánh. Bong bóng phát triển, di chuyển theo hướng dòng chảy. (Bởi vì các bong bóng hình thành gần bề mặt của cánh nên chúng có hình bán cầu.) Kiểu tạo bọt này được gọi là tạo bọt bong bóng không ổn định (chạy trốn). Nếu có bất kỳ phần nhô ra nào trên bề mặt thì các bong bóng sẽ tập trung vào đó. Sự xâm thực cố định như vậy cũng được thể hiện trong hình. 2.
Cavitation có thể xảy ra trong vùng xoáy hình thành ở những nơi có lực cắt tăng và áp suất thấp. Xâm thực xoáy thường được quan sát thấy ở mép đầu của tàu cánh ngầm, ở mép đầu của cánh quạt và phía sau trục chân vịt. Có thể các loại cavitation khác nhau có thể xảy ra đồng thời. Trong hình. Hình 3 thể hiện một chân vịt hàng hải có tạo bọt khí xoáy trên các cạnh đầu của cánh, các khoang tạo bọt cố định trên bề mặt các cánh và khoang tạo bọt xoáy gắn liền phía sau trục. Sự xâm thực trong chất lỏng do sóng âm gây ra được gọi là âm học.
Cavitation và công nghệ.
Vận tốc dòng chảy thường giảm đáng kể ở mép sau của biên dạng. Ở đây áp suất trở nên cao hơn áp suất hơi nước. Ngay khi các điều kiện thuận lợi cho sự xâm thực biến mất, các bong bóng ngay lập tức sụp đổ. Năng lượng giải phóng khi bong bóng vỡ ra là khá đáng kể.
Xói mòn.
Năng lượng lớn tiêu tán trong quá trình vỡ bọt khí có thể dẫn đến hư hỏng bề mặt của các công trình dưới nước, cánh quạt, tua bin, máy bơm và thậm chí cả các bộ phận của lò phản ứng hạt nhân. Quy mô của hiện tượng này, được gọi là xói mòn thủy lực, có thể thay đổi từ xói mòn bề mặt ở từng điểm nhỏ sau nhiều năm hoạt động cho đến sự phá hủy thảm khốc của các công trình lớn.
Rung.
Xâm thực trên chân vịt có thể gây ra những dao động định kỳ về áp suất tác động lên thân tàu và các nhà máy điện. Rung động cavitation của tàu tạo điều kiện khó chịu cho hành khách và thủy thủ đoàn.
Hiệu quả và tốc độ.
Xâm thực có thể làm tăng đáng kể sức cản thủy động lực, dẫn đến giảm hiệu suất của thiết bị thủy lực. Xâm thực chân vịt quá mức có thể làm giảm lực đẩy chân vịt và hạn chế tốc độ tối đa của tàu; Cavitation cũng có thể làm giảm hiệu suất của tuabin hoặc máy bơm và thậm chí làm hỏng hoạt động của nó.
Tiếng ồn.
Một phần năng lượng được giải phóng trong quá trình vỡ bong bóng tạo bọt được chuyển thành sóng âm. Tiếng ồn như vậy đặc biệt không mong muốn đối với các tàu hải quân vì nó làm tăng khả năng bị phát hiện.
Nói chung, hiện tượng xâm thực là không mong muốn (trong các ứng dụng hàng hải và máy bơm tuốc bin). Nhưng trong một số trường hợp nó được gây ra có chủ ý. Một ví dụ là thiết bị giám sát thủy lực cavitation. Năng lượng lớn được giải phóng trong quá trình vỡ bong bóng xâm thực trong tia nước được sử dụng để khoan (do xói mòn) đá và xử lý bề mặt.