Кавитация

//Кавитация

Под кавитацией в жидкости понимают образование заполненных паром и газом полостей или пузырьков (каверн) при локальном понижении давления в жидкости до давления насыщенных паров. Соотношение содержания газа и пара в полости может быть различным (теоретически от нуля до единицы). В зависимости от концентрации пара или газа в полости их называют паровыми или газовыми.
Понижение давления в жидкости до давления насыщенных паров возможно также при кипении или вакуумировании жидкости. Но эти процессы распространяются по всему объему жидкости в отличие от кавитации, которая имеет ограниченную область, размером обычно около долей миллиметра.

В конечном счете, воздействие кавитации на водные растворы сводится к единственному процессу – расщеплению молекул воды в кавитационных пузырьках. Независимо от природы растворенных веществ, звук действует на одно вещество – на воду, что приводит к изменению ее физико-химических свойств: увеличению рН, электропроводности воды, увеличению числа свободных ионов и активных радикалов, структуризации и активации молекул.

В процессе своего жизненного цикла кавитационные пузырьки теряют сферическую форму в большей или меньшей степени в зависимости от максимального радиуса, частоты акустического поля, вязкости, наличия поверхностно-активных веществ и т.п. Наибольшие деформации наблюдаются на заключительной стадии сжатия. Особенно большое влияние имеет соседство твердой стенки или близкорасположенного кавитационного пузырька.

На кинограмме виден процесс образования кумулятивной струи по направлению к твердой поверхности, при этом максимальный радиус пузырька составляет 1,1 мм.

Различают гидродинамическую кавитацию, возникающую за счет местного понижения давления в потоке жидкости при обтекании твердого тела, и акустическую кавитацию, возникающую при прохождении через жидкость акустических колебаний.

Акустическая в жидкостях инициирует различные физико-химические явления:

  • сонолюминесценция — свечение жидкостей
  • химические эффекты — звукохимические реакции
  • эрозия твердого тела — разрушение поверхности
  • диспергирование — измельчение твердых частиц в жидкости
  • эмульгирование — смешивание и гомогенизация несмешивающихся жидкостей.

Акустическая кавитация представляет собой эффективное средство концентрации энергии звуковой волны низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков. Общая картина образования кавитационного пузырька представляется в следующем виде. В фазе разрежения акустической волны в жидкости образуется разрыв в виде полости, которая заполняется насыщенным паром данной жидкости. В фазе сжатия под действием повышенного давления и сил поверхностного натяжения полость захлопывается, а пар конденсируется на границе раздела фаз. Через стены полости в нее диффундирует растворенный в жидкости газ, который затем подвергается сильному адиабатическому сжатию.

В момент схлопывания в области пузырька давление и температура газа достигают значительных величин (по некоторым данным до 100 МПа и 10000 °С). После схлопывания полости в окружающей жидкости распространяется сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве.

Действие звукового поля на вещества, проникающие в полость, является непосредственным, прямым:
cavitation-reaction-01 и
cavitation-reaction-02

При схлопывании кавитационного пузырька в раствор переходят радикалы Н°, ОН°, ионы и электроны малой энергии, образовавшиеся в газовой фазе при расщеплении молекулы Н2О и веществ с высокой упругостью пара, продукты их взаимодействия и частичных рекомбинаций, а также метастабильные возбужденные молекулы Н2О:

Суммарная схема кавитационного расщепления

Подробнее в статье Промтова М.А. [Download not found]