Пузырёк при кавитации проходит три стадии: рождается там, где местное давление упало ниже давления насыщенного пара, растёт, пока это давление низкое, и схлопывается, когда попадает в зону высокого давления. В момент схлопывания пар внутри конденсируется, стенки смыкаются со скоростью в сотни метров в секунду, а у твёрдой поверхности возникает кумулятивная струя, которая и выбивает металл. Кипение отличается тем, что пузыри растут и всплывают при почти одинаковом давлении, а кавитация — локальный перепад давления в потоке.
Почему пузырёк — это пар, а не воздух
Когда давление жидкости падает ниже давления насыщенного пара при текущей температуре, жидкость вскипает прямо в потоке. Внутри полости оказывается пар той же жидкости. Растворённый воздух тоже может диффундировать внутрь и смягчать схлопывание, но основная масса — пар.
Для воды при 20 °C давление насыщенного пара около 2,3 кПа. Это меньше одной сороковой атмосферы. Если в узком месте насоса давление упадёт ниже этого значения, вода вскипит при комнатной температуре — без нагрева.
Зародышами служат микрочастицы и микропузырьки газа, которые всегда есть в реальной жидкости. Чистая вода без зародышей выдерживает растяжение, но в технике таких условий нет.
Рост в зоне низкого давления
Пока давление вокруг низкое, пар продолжает поступать в полость, и пузырёк увеличивается. Скорость роста зависит от того, как долго жидкость остаётся в зоне пониженного давления. На входе в рабочее колесо насоса поток ускоряется, давление падает, и пузырёк успевает вырасти до десятых долей миллиметра.
В потоке пузырёк вытягивается и теряет сферичность из-за градиента скорости. Размеры варьируются от единиц микрометров до миллиметров — в зависимости от условий.
Для оценки начала кавитации используют число кавитации: σ = (p − p_v) / (0,5ρv²), где p — местное давление, p_v — давление насыщенного пара, ρ — плотность жидкости, v — скорость потока. Чем меньше σ, тем ближе режим к кавитационному.
Схлопывание: что происходит в последние микросекунды
Когда пузырёк уносит туда, где давление выше давления насыщенного пара, пар внутри конденсируется. Объём резко уменьшается, жидкость вокруг смыкается к центру. Стенка разгоняется до сотен метров в секунду, и процесс занимает микросекунды.
В центре кратковременно возникают очень высокие температура и давление. Оценки по модели Рэлея дают давления порядка сотен и тысяч атмосфер и температуры в сжатом газе в тысячи кельвинов — порядка 5000 К в типичных оценках. Точные значения зависят от условий: размера пузырька, содержания газа, температуры жидкости.
Если пузырёк схлопывается у твёрдой стенки, симметрия нарушается. Возникает кумулятивная струя, которая бьёт в поверхность со скоростью до сотен метров в секунду. Именно она, а не только сферическая ударная волна, вызывает эрозию.
Пример: вода при 20 °C в сужении
Вода при 20 °C течёт через сужение, где давление падает до 1,5 кПа, а затем восстанавливается до 150 кПа. Сравните 1,5 кПа с давлением насыщенного пара около 2,3 кПа. Давление ниже — вода вскипает, образуются пузырьки пара.
За сужением давление 150 кПа, намного выше 2,3 кПа. Пар конденсируется, пузырьки схлопываются. Если это происходит у стенки, повторяющиеся удары постепенно разрушают поверхность.
Тот же механизм работает в ультразвуковой ванне: на частоте 40 кГц пузырьки схлопываются у поверхности детали и сбивают загрязнения. Физика одна, а результат разный — в насосе эрозия, в ванне очистка.
Чем кавитация отличается от кипения и аэрации
| Признак | Кавитация | Кипение | Аэрация |
|---|---|---|---|
| Причина появления пузыря | Местное падение давления ниже давления насыщенного пара | Нагрев до температуры кипения при данном давлении | Захват воздуха потоком или механическое перемешивание |
| Что внутри | Пар жидкости, частично растворённый газ | Пар жидкости | Воздух |
| Где схлопывается | В зоне восстановления давления, локально | Обычно всплывает и лопается на поверхности | Всплывает, не даёт ударного схлопывания |
| Типичный эффект | Эрозия, шум, падение КПД | Перемешивание, парообразование | Пена, снижение плотности |
Последствия на практике: эрозия, шум и потери
Кавитационная эрозия — это результат повторяющихся ударов кумулятивных струй. Металл устаёт, на лопастях и втулках появляются раковины-каверны. Кавитационный шум и вибрация служат диагностическим признаком: если насос начинает трещать, проверьте давление на входе.
Методы борьбы: повысить давление на входе, изменить геометрию проточной части, обеспечить достаточный кавитационный запас NPSH. Для конкретного насоса сверяйтесь с его паспортом и отраслевыми руководствами — универсальных цифр здесь нет.
Полезная сторона — ультразвуковая очистка и кавитационная обработка жидкостей. Эффект зависит от частоты, амплитуды и газосодержания. Слишком мощная кавитация уже сама повреждает обрабатываемые поверхности.
Вопрос: пузырёк при кавитации — это воздух?
Нет, в основном это пар жидкости. Растворённый воздух может присутствовать и смягчать схлопывание, но полость образуется из-за вскипания при низком давлении.
Вопрос: почему кавитация возникает при комнатной температуре?
Потому что жидкость кипит не только при 100 °C. Критерий — давление ниже давления насыщенного пара при текущей температуре. Для воды при 20 °C это около 2,3 кПа.
Вопрос: чем опасна кавитация в насосе?
Схлопывание у стенки даёт кумулятивную струю и ударную нагрузку. Повторяющиеся циклы выбивают металл, растёт шум, падает напор и КПД.
Вопрос: можно ли использовать кавитацию на пользу?
Да, в ультразвуковой очистке и обработке жидкостей. Но параметры — частоту и мощность — подбирают под задачу, иначе эрозия перейдёт на оборудование и детали.