Kawitacja

Rysunek 1. Kawitacja za śrubą
[Źródło: Wiki]

Zastanawiałeś się kiedyś jak to możliwe, że za obracającą się śrubą motorówki, albo statku powstają bąbelki? Dlaczego turbiny i pompy są takie głośne mimo, że w zasadzie najczęściej nie ma ku temu powodu? Dziś opowiem o zjawisku, które jest temu winne. O kawitacji.

Kawitacja

Kawitacja (od angielskiego cavity - jama, dziura) to zjawisko spędzające sen z powiek niejednemu inżynierowi. Pojawia się ono w czasie zwiększanie prędkości przepływu cieczy najczęściej na elementach takich jak turbiny, pompy, śruby okrętowe. Elementy te zwiększają prędkość cieczy co powoduje również spadek jej ciśnienia statycznego (zgodnie z równaniem Bernoullego). Jeżeli ciśnienie to spadnie do wartości ciśnienia pary nasyconej (punktu, w którym ciecz zamienia się w gaz) to w pewnych miejscach powstają pęcherzyki pary - innymi słowy ciecz zaczyna się gotować.

 

Rysunek 2. Zniszenia spowodowane przez kawitacje
[Źrógło: Wiki]

Spadku ciśnienia powoduje, że maleje temperatura potrzebna do wrzenia cieczy. Zjawisko to obserwują ludzie w wysokich górach. Na przykład na szczycie Rysów (2 499m.n.p.m. w Polsce) woda wrze już w 90 stopniach. Jednak co w tym strasznego? Przecież woda gotowana w garnku nie jest groźna - chyba, że się nią oblejemy i oparzymy co w przypadku turbin nie jest możliwe bo wrząca woda ma temperaturę otoczenia.

Rysunek 3. Powstanie i zapadnięcie się pęcherzyka kawitacyjnego
[Źródło: 2]

Powstające bąbelki pary rozrastają się i po chwili w skutek obniżenia ciśnienia zapadają do środka co powoduje nie tylko hałas, ale generuje też mikrostrumień o wysokiej energii (czasami nawet fale naddźwiękową). Strumień ten jest na tyle potężny, że może spowodować zniszczenie metalowych części maszyn (oczywiście w skutek wielokrotnego uderzania) i powodować niemałe straty finansowe.

Powszechnie uważa się, że chęć cieczy do kawitacji zależy od ciśnień (ciśnienia cieczy i ciśnienia przejścia cieczy w gaz), gęstości cieczy i jej prędkości. Jednakże badania z 2017 roku wykazały, że zależą również od przyśpieszenia cieczy.

Badacze z wykorzystaniem kamery szybkoklatkowych zaobserwowali, że w trakcie upuszczania probówki na ziemie odbija się ona 

 i dopiero później pęka. W międzyczasie w wodzie wydzielają sie bąbelki. Jak słusznie przypuszczano, były to bąbelki pary i to one powodowały rozpęknięcie się szklanej probówki, nie zaś uderzenie.

W celu zbadania tego fenomenu uderzali w zamknięty, trzymany przez człowieka pojemnik młotkiem (oczywiście w wieczko) i mierzyli jego przyśpieszenie. Jak się okazało przy odpowiednim przyśpieszeniu w wodzie obserwowano zjawisko kawitacji mimo, że według wcześniejszej wiedzy nie powinno ono występować. Badania dostarczyły nie tylko nową, ciekawą wiedzę, ale również niesamowite filmiki.

Kawitacja ma też pozytywne strony. Wykorzystuje się ją do pasteryzacji jaj, czyszczenia powierzchni, a nawet niszczenia kamieni nerkowych czy fakoemulsyfikacji (metoda usuwania zaćmy). Zjawisko to wykorzystuje/wało również wojsko do stworzenia torped superkawitacyjnych - torped, które poruszają się tak szybko, że na ich wierzchołku tworzy się warstwa pary/gazu, co pozwala na zmniejszenie oporów tarcia (niemiecka torpeda superkawitacyjna porusza się z prędkością 200 węzłów, w porównaniu do 80 węzłów prędkości zwykłej torpedy).
Warto tu jeszcze wspomnieć o negatywnym wpływie kawitacji, które jest mało znane ale niezmiernie ważne. Okazuje się, że kawitacja odpowiada za uszkadzanie zastawek wszytych w serce i może prowadzić do hemolizy (zniszczenia czerwonych krwinek) co z koleji w skrajnych sytuacjach może doprowiadzić do niedokrwistości. Spowodowane jest to lokalnym spadkiem cisnienia krwi w skutek zamknięcia zastawki - co doskonale pokazuje poniższy rysunek. Okazuje się również, że problem i zastosowania kawitacji w medycynie są naprawde ciekawym i rozległym tematem. Świadczy o tym mnogość publikacji jakie można znaleźć.

Może znasz jakieś inne ciekawe zastosowanie kawitacji, albo masz jakieś fajne zdjęcia jej obserwacji? Podziel się koniecznie?

Rysunek 4. Schemat przepływu na przykłądzie zastawki mechanicznej

Źródła i ciekawe artykuły:

1.Pan, Z., Kiyama, A., Tagawa, Y., Daily, D. J., Thomson, S. L., Hurd, R., & Truscott, T. T. (2017). Cavitation onset caused by acceleration. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(32), 8470-8474.

2. Cavitation - Easily explained!, IET Institute for Energy Technology at HSR University of Applied Sciences Rapperswil in Switzerland
3. Brennen, C. E. (2015). Cavitation in medicine. Interface focus, 5(5), 20150022.

4. Kawitacja -Wikipedia
5. Torpedy superkawitacyjne - Wikipedia

EDIT: Artykuł edytowano 03.05.2020. Dodano źrudło 3 i przedostatni akapit.