Кавитация

Явление кавитации в акустике

Кавитация — это процесс образования, роста и последующего схлопывания паровых или газовых пузырьков в жидкости, возникающий при снижении локального давления до величин ниже давления насыщенного пара. В контексте акустики кавитация часто вызывается интенсивными звуковыми волнами, особенно в ультразвуковом диапазоне (частоты выше 20 кГц), где колебания давления в жидкости чередуются достаточно быстро, чтобы инициировать и поддерживать процесс кавитации.

Основной физической причиной кавитации является то, что в редкостной фазе акустической волны (когда давление ниже атмосферного) жидкость не способна поддерживать непрерывность структуры. Если давление падает ниже критического порога, в объёме жидкости возникают пустоты — кавитационные пузырьки. При последующем повышении давления эти пузырьки схлопываются, что сопровождается выбросом энергии в виде ударной волны, тепла и света (в случае сонолюминесценции).

Механизмы образования кавитационных пузырьков

Существует два основных механизма зарождения кавитации:

  1. Гетерогенное зарождение — наиболее вероятный сценарий в реальных условиях, когда кавитационные пузырьки возникают на микроскопических дефектах поверхности, загрязнениях или уже существующих газовых включениях.
  2. Гомогенное зарождение — происходит в идеально чистой жидкости при очень высоких амплитудах акустического давления. Требует существенно более экстремальных условий и практически не реализуется вне лаборатории.

Классификация кавитации

Акустическая кавитация может быть условно разделена на:

  • Инерционную (или трансзвуковую) кавитацию — сопровождается стремительным схлопыванием пузырьков с образованием ударных волн, температур до нескольких тысяч кельвинов и давления до сотен атмосфер. Этот тип кавитации оказывает наиболее разрушительное воздействие на материалы.
  • Стабильную кавитацию — пузырьки не схлопываются полностью, а пульсируют на протяжении многих акустических циклов. Такой процесс характерен при относительно низких амплитудах ультразвука и может существовать устойчиво длительное время.

Динамика кавитационного пузырька

Радиус пузырька R(t) под действием акустического давления описывается нелинейным уравнением Рэлея–Плессета:

$$ \rho \left(R \ddot{R} + \frac{3}{2} \dot{R}^2\right) = P_g(R) - P_0 - P_a(t) - 4 \mu \frac{\dot{R}}{R} - \frac{2\sigma}{R} $$

где:

  • ρ — плотность жидкости,
  • Pg(R) — давление газа внутри пузырька,
  • P0 — статическое давление,
  • Pa(t) — внешнее акустическое давление,
  • μ — вязкость жидкости,
  • σ — поверхностное натяжение.

Это уравнение описывает динамику пузырька с учетом внешнего акустического воздействия, вязкого трения и поверхностных сил. При резком увеличении внешнего давления пузырек схлопывается, генерируя экстремальные условия внутри.

Энергетические проявления

При инерционном схлопывании кавитационного пузырька возможны следующие явления:

  • Ударная волна — локальное резкое повышение давления до десятков тысяч атмосфер вблизи точки схлопывания.
  • Сонолюминесценция — свечение, возникающее внутри пузырька в момент схлопывания, обусловленное термодинамическими эффектами при сверхвысоких температурах (до 10 000 К).
  • Микроагрегаты — в химически активных жидкостях возможно образование новых химических соединений вследствие высокотемпературного воздействия.

Влияние кавитации на материалы

Кавитация оказывает значительное воздействие на твердые поверхности, находящиеся в жидкости. Повторяющиеся кавитационные схлопывания вызывают эрозию — разрушение и утомление поверхности за счет микровзрывов вблизи материала. Особенно интенсивна эрозия на металлах, что широко учитывается при проектировании:

  • гидравлических турбин,
  • судовых винтов,
  • клапанов высокого давления,
  • ультразвуковых излучателей.

Повреждения от кавитации включают появление микротрещин, кратеров, отслоение частиц, а при длительном воздействии — полное разрушение материала.

Ультразвуковая кавитация в технологических и научных приложениях

Кавитационные эффекты нашли широкое применение в различных отраслях:

  • Ультразвуковая очистка — разрушение загрязнений и пленок с поверхностей благодаря микроскопическим кавитационным импульсам.
  • Сонохимия — использование кавитации для ускорения химических реакций, синтеза наноматериалов, деградации загрязнителей.
  • Медицинская ультразвуковая терапия — направленное кавитационное воздействие применяется, например, для дробления камней в почках (литотрипсия) и разрушения опухолей.
  • Ультразвуковая эмульгация — создание устойчивых эмульсий за счет высокоэнергетических микроструй, возникающих при схлопывании пузырьков.
  • Сельское хозяйство и пищевая промышленность — ускорение процессов экстракции, стерилизации, гомогенизации.

Особенности и параметры ультразвука, вызывающего кавитацию

Для возникновения кавитации необходимо соблюдение следующих условий:

  • Частота ультразвука — обычно в диапазоне 20–100 кГц. Более низкие частоты эффективнее для инерционной кавитации.
  • Интенсивность звукового поля — должна превышать порог кавитации (типично порядка 1–10 Вт/см² в воде).
  • Температура и давление среды — повышение температуры снижает вязкость и способствует кавитации; повышение внешнего давления, наоборот, подавляет ее.
  • Состав жидкости — наличие растворенных газов, примесей, микропузырьков резко снижает порог кавитации.

Численные и экспериментальные методы изучения

Для моделирования кавитации применяются:

  • Методы вычислительной гидродинамики (CFD) с учетом нестабильных границ пузырька.
  • Оптическая визуализация — высокоскоростная съемка пузырьков и световых вспышек при сонолюминесценции.
  • Акустическая эмиссия — анализ высокочастотных импульсов, сопровождающих кавитационные события.
  • Пьезоэлектрические сенсоры давления — позволяют регистрировать ударные волны от схлопываний.

Кавитация как нелинейное акустическое явление

Кавитация относится к нелинейным эффектам в акустике. Это означает, что при достижении определенного порога акустического давления наблюдаются качественные изменения поведения среды, не поддающиеся линейному описанию. Результирующее акустическое поле содержит обертоны, гармоники и модуляции, отражающие сильную нелинейность кавитационного отклика жидкости.

Управление и подавление кавитации

В инженерной практике кавитация часто является нежелательным явлением. Методы борьбы с ней включают:

  • изменение геометрии обтекаемых тел (обтекатели, профилированные лопасти),
  • повышение локального давления,
  • использование кавитационно-устойчивых материалов и покрытий,
  • снижение амплитуды ультразвука ниже порога кавитации при сохранении требуемой интенсивности воздействия.
Оглавление