Физические аспекты явления кавитации

В.П. Гоч, М.С. Черноокий, А.А. Китаев, Е.В. Кузнецова
гг. Севастополь, Санкт-Петербург

 

Вероятно, каждый из нас неоднократно наблюдал, как кипит вода в чайнике. Этот процесс всегда сопровождается интенсивным образованием воздушных пузырьков, которые резво поднимаются вверх от самого дна. При нормальном атмосферном давлении температура кипения воды (температура парообразования) равна 100°С. А вот при пониженном давлении, например в горах, она может кипеть и при более низкой температуре.

Оказывается, для всех жидкостей (вода, жидкий кислород, водород) между температурой и давлением насыщенного пара существует однозначная монотонная зависимость — с ростом температуры давление насыщенного пара всегда увеличивается (Рис. 1). И наоборот, при уменьшении давления, температура насыщенного пара понижается. Например, чтобы вода закипела при температуре 50°С, давление в резервуаре должно упасть до 10 кПа, т.е. должно стать в 10 раз ниже нормального атмосферного [9].

С физической точки зрения образование воздушных пузырьков при кипении легко объясняется тем, что в любой жидкости практически всегда содержится огромное количество микропузырьков, образованных растворённым в ней воздухом и другими газами. В обычной ситуации эти микропузырьки равномерно распределены по всему объёму, находятся в равновесном состоянии и невооружённым глазом даже не видны. При нагреве жидкости, по мере приближения её температуры к температуре кипения, вода начинает испаряться внутрь этих воздушных микропузырьков, вследствие чего давление пара внутри них локально повышается, они начинают увеличиваться в размерах, обретают «плавучесть» и всплывают.

В начальной фазе кипения воздушные пузырьки «пляшут» только у самого дна и не выходят на поверхность (рис. 2, слева). Это объясняется тем, что при нагреве воды в первую очередь прогревается её нижний придонный слой, поэтому в начальный момент закипания пар начинает выделяться только в те пузырьки, которые находятся в этом прогретом слое.

По мере прогрева всего остального объёма воды её испарение внутрь воздушных пузырьков становится всё более интенсивным, благодаря чему пузырьки очень быстро увеличиваются в размерах и, достигнув определённой величины, отрываются от дна чайника и устремляются вверх. В конечном итоге все оторвавшиеся от горячего дна пузырьки достигают поверхности и лопаются, выпуская наружу содержавшийся в них пар. С этого момента процесс кипения переходит в установившийся режим с постоянной температурой и постоянным давлением (рис. 2, справа).

Существуют промышленные технологии, которые требуют увеличения температуры кипения рабочей жидкости, например до 110°С в радиаторе грузового автомобиля. Для осуществления данного требования на практике обычно используют повышение давления, которое автоматически образуется естественным путём за счёт увеличения температуры в замкнутом контуре охлаждения. Но существуют и другие технологии, при которых внешнее давление специально понижают — над жидкостью создают разрежение. Как следует из анализа рис. 1, уменьшение давления способно приводить к закипанию и парообразованию внутри воды при значительно более низких температурах, вплоть до комнатной. И это свойство широко используется в производстве композитных материалов.

Например, при вакуумном формовании стеклопластиковых или углепластиковых изделий в специальной камере, в которую помещена заготовка, создаётся пониженное давление — разрежение. Такой приём позволяет создать условия для испарения влаги и образования воздушных газовых пузырьков внутри заготовки даже при комнатных температурах. Благодаря этому микропузырьки воздуха и других газовых примесей, которые всегда неизбежно присутствуют в компонентах изделия, как бы вытягиваются изнутри на поверхность.

Как и в рассмотренном выше случае закипания воды, из-за пониженного давления первоначально мелкие пузырьки объединяются в большие растущие пузыри, а затем они выносятся на поверхность и лопаются — возникает кавитация. Благодаря такой процедуре будущее изделие освобождается от воздушных и газовых примесей и получается намного прочнее, нежели при обычном отверждении, так как внутри него существенно снижается количество невидимых глазом внутренних воздушных микропор и микрополостей [5,6,9].

Внешне процесс образования воздушных пузырьков при вакуумировании очень сильно похож на процесс кипения жидкости, поэтому кавитацию очень часто называют «холодным кипением» жидкости. Но кавитация возникает лишь в тех случаях, когда давление в жидкости падает ниже некоторого критического значения и создаются условия для превращения части жидкости в пар. Поэтому кавитация возможна только в несжимаемых средах. Наглядный пример «холодного кипения» — шампанское или газировка.

И в случае кипения воды, и при вакуумировании изменение фазового состояния жидкости происходит при среднем по всему объёму давлении, равном давлению насыщенного пара. Однако наиболее характерным случаем кавитации всё же является образование заполненных паром и/или газом полостей или пузырьков при локальном понижении давления до давления насыщенных паров, тогда как среднее давление жидкости по всему объёму может быть гораздо выше давления насыщенного пара.

Возможность возникновения такой кавитации была предсказана Л. Эйлером ещё в XVIII веке и О. Рейнольдсом в 1873 году, однако на практике она впервые была обнаружена лишь в 1893 году при испытании английского эскадренного миноносца «Дэринг». Оказалось, что в области гребного винта корабля за счёт большой скорости вращения его лопастей возникают локальные нарушения целостности потока воды, т.е. появляются локальные парообразные полости или фазовые пустоты, получившие название кавитационных пузырей или каверн. В этих локальных пустотах создаётся давление ниже некоторого порогового, критического значения, соответствующего давлению насыщения при данной окружающей температуре. Присутствующие в воде мельчайшие пузырьки газа или пара легко попадают — выжимаются в эти пустоты и обретают способность к неограниченному росту, — возникает кавитация [5,6,9] (Рис. 3).

Термин «кавитация» был введён английским инженером Фрудом в 1894 году. Кавитация (от латинского cavita — пустота) — это процесс образования и последующего схлопывания пузырьков в потоке жидкости или воды, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образованием в жидкости полостей (кавитационных пузырьков или пустот), которые могут содержать разреженный пар.

Из-за высокой скорости вращения гребного винта возникающие локальные фазовые пустоты очень быстро перемещаются вслед за лопастями винта, поэтому жизнь кавитационных пузырьков быстротечна. Попадая в зону пониженного давления, они вначале очень быстро растут, увеличиваются в объёме, соединяются вместе, но уже через мгновение, когда они переносятся потоком жидкости в область пониженных скоростей и повышенных давлений, они исчезают, схлопываются, а пар внутри них снова конденсируется в жидкость, и каверна исчезает [5,6,9].

Таким образом, вблизи любого быстро движущегося в жидкости обтекаемого тела создается локальная кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками. Размеры пузырей могут варьироваться от микроскопических до громадных каверн, практически полностью заполняющих близлежащее пространство, а количество пузырьков в каверне может быть огромным. Соотношение содержания газа и пара в полости также может быть различным, и в зависимости от этой концентрации их называют либо паровыми, либо газовыми пузырьками [5,6,9].

Так как локальное понижение давления и образование кавитационных пузырей происходит вследствие возникновения больших местных скоростей в потоке движущейся жидкости, то такая кавитация называется гидродинамической. Если обратимое локальное парообразование вызвано локальным снижением статического давления данной жидкости, то такая кавитация называется паровой. А если в воде содержится большое количество растворённых газов, то в ней может возникать и газовая кавитация — локальное выделение газов. Если кавитационные пузыри содержат достаточно много газа, то при достижении ими минимального радиуса они восстанавливаются и совершают несколько циклов затухающих колебаний, а если мало, то пузырёк схлопывается в первом же цикле. Так как сокращение кавитационных пузырьков происходит с очень большой скоростью, то оно сопровождается звуковым импульсом, причём тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырёк.

Другой достаточно распространённой причиной возникновения кавитации является локальное уменьшение давления при увеличении скорости течения жидкости, например, при местном сужении потока в диафрагме или в сопле трубы (Рис. 4). Физическая основа этого явления объясняется с помощью закона Бернулли: «Полная удельная механическая энергия идеальной жидкости всегда остаётся неизменной». Закон Бернулли — это следствие закона сохранения энергии для стационарного потока идеальной и несжимаемой жидкости [5,6,9].

Если жидкость проходит через сужение в горизонтальной трубе, то при входе в более узкую часть, независимо от того, что это — сужение самой трубы или диафрагма в ней, в зоне сужения происходит существенное увеличение скорости потока и падение давления. Абсолютное давление на данном участке может уменьшаться до значения, равного упругости насыщенных паров этой жидкости при данной температуре, т.е. до давления, при котором начинается интенсивное выделение газов.

После прохождения участка сужения в расширяющейся части трубы скорость потока опять уменьшается, а давление возрастает, поэтому выделение паров и газов прекращается. Все выделившиеся пары частично или полностью конденсируются, а газы постепенно растворяются. Такое явление кавитации можно наблюдать визуально, если взять прозрачную трубку, диаметр которой сначала плавно уменьшается, а затем ещё более плавно увеличивается, и пропустить через неё поток жидкости, скорость которого можно регулировать с помощью специального крана или вентиля (рис. 5).

При малой скорости потока жидкости падение давления в узком месте трубки будет незначительным, поэтому он будет оставаться прозрачным. При увеличении скорости потока, абсолютное давление жидкости в узком месте трубки в соответствии с уравнением Бернулли будет падать всё сильнее и при некотором его значении, равном давлению насыщенных паров, в трубке появится отчётливо видимое помутнение, обусловленное появлением пузырьков газа. Это и есть зона кавитации. И эта зона будет тем больше, чем выше скорость потока жидкости в трубке.

Кавитация может возникать в любых устройствах, в которых поток жидкости попадает в местное сужение с последующим расширением, например, в сантехнических кранах, вентилях, задвижках, диафрагмах, жиклерах и т.п. Кавитация может иметь место в гидромашинах (насосах и гидротурбинах), а также на лопастях быстровращающихся гребных винтов.

В гидросистемах кавитация может возникать в трубопроводах низкого давления — во всасывающих трубопроводах. В этом случае область кавитации распространяется на значительную часть всасывающего трубопровода или даже на всю его длину. Не важно, что послужило причиной снижения давления ниже давления насыщенного пара, — движение жидкости в трубе или движение твёрдого тела в ней, — важно изменение величины скорости движения жидкости и связанное с этим изменение её давления.

Так как конденсация пузырьков пара — их сжатие — происходит со значительной скоростью, то заполняющие полость конденсирующегося пузырька частицы жидкости устремляются к его центру и в момент завершения конденсации вызывают значительное местное повышение давления — местный гидравлический удар. Две фазы существования пузырька — расширение и схлопывание — образуют полный термодинамический цикл кавитации. Резкая смена давления в кавитационных пузырях при их схлопывании и конденсации насыщенного пара приводит к скачкообразному увеличению давления до давления окружающей жидкости и, как следствие, к возникновению точечных импульсов сжатия — ударной волны.

В результате в зоне кавитации создаются высокоинтенсивные поля давлений от 5 до 10 тыс. атм. (до 1013 МПа). При этом температура газа внутри кавитационных пузырьков может составлять от нескольких сотен градусов до 1500-2000°C. Помимо характерного шума, а также резкого повышения температуры и давления в малой окрестности вблизи пузырька, процесс его схлопывания всегда сопровождается люминесцентным свечением [6,9].

Особо следует отметить, что схлопывание пузырька около твёрдых стенок всегда происходит несимметрично, с образованием так называемой кумулятивной струйки, обладающей высокой скоростью и большой разрушающей способностью. Поэтому гидродинамическое воздействие при кавитации имеет два разрушающих механизма: распространение ударных волн вблизи центра схлопывающегося кавитационного микропузырька и ударное кумулятивное действие микроструек при несимметричном коллапсе кавитационных микропузырьков. Как следствие, разрушение материала при кавитации происходит не там, где выделяются пузырьки, а там, где они конденсируются (схлопываются) вследствие длительного воздействия знакопеременных сил [3,6,9].

Опасность кавитации заключается в том, что при схлопывании кавитационных пузырей энергия окружающей жидкости сосредотачивается в очень небольших объёмах. В результате этих явлений ударной волной, как при взрыве, разрушается поверхность проточной части гидромашин и их рабочих органов — лопаток и винтов. А химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает дополнительную эрозию материалов [3,5].

Кавитация жидкости под действием ультразвуковой волны

Ультразвук по своей сути является акустической механической волной, возбуждаемой в той среде или в том веществе, в котором он распространяется. При прохождении через жидкость акустическая волна большой интенсивности создаёт в ней упругие колебания — знакопеременные локальные изменения давления, вследствие которых в жидкости возникают соответствующие локальные области сжатия и разрежения, в которых могут зарождаться и схлопываться кавитационные пузыри. Такой вид кавитации получил название акустической (ультразвуковой) кавитации (Рис. 6) [7,10].

В зависимости от соотношения размеров резервуара с жидкостью и длины волны (частоты) ультразвукового излучения образующаяся волна может быть как бегущей, так и стоячей. Стоячая волна более характерна для резонансного случая соотношения размеров резервуара с частотой излучения. Как в первом, так и во втором случае во время полупериода разрежения акустической волны в жидкости возникают растягивающие усилия, которые приводят к появлению локальных зон с пониженным ниже критического значения давлением, что способствует возникновению полостей, в которых часть жидкости превращается в пар, — возникает кавитация [7,10].

Многочисленные эксперименты показали, что существует определённое пороговое акустическое давление, при котором происходит расширение паровых пузырьков до критического размера, после чего они начинают взрывообразно расти (рис. 7). Чем ниже частота акустической волны, тем ниже это пороговое давление.

С ростом гидростатического давления, со снижением температуры жидкости, при её обезгаживании и снижении продолжительности облучения величина порога повышается. Так как для бегущей волны кавитационный порог всегда выше, чем для стоячей, то для создания кавитации предпочтительнее использовать резонансные стоячие волны [7,10].

При акустической кавитации пузыри, как правило, заполнены насыщенным паром, поэтому кавитация часто называется паровой. Но если до включения ультразвука жидкость содержала растворённые в ней газовые пузырьки, то наряду с паровой в ней также возникает и газовая кавитация.

Основное отличие газовой кавитации от паровой заключается в том, что она вызывается выделением газов и может протекать при любых значениях амплитуды давления звуковой волны. Т.е. в отличие от паровой, при газовой кавитации отсутствует какое-либо критическое значение амплитуды давления или так называемый кавитационный порог [3, 5].

Всякий раз, когда до какой-то локальной области в жидкости доходит фаза разрежения ультразвуковой волны, в этой области тут же возникают кавитационные пузырьки — кавитация. Однако эти пузырьки долго не живут, ибо уже следующая за разрежением фаза сжатия приводит к схлопыванию их большей части. Перемещаясь в общем потоке в область с более высоким давлением, или во время полупериода сжатия, кавитационные пузырьки схлопываются, что приводит к излучению импульса сжатия как при взрыве, и иногда сопровождается вспышкой света, называемой сонолюминисценцией.

Акустическая кавитация является эффективным средством концентрации энергии звуковой волны в зоне схлопывания кавитационных пузырьков. При схлопывании каждого кавитационного пузырька возникает ударная волна, развивающая громадные давления. Наибольшее давление возникает при кавитации на более низких частотах и в обезгаженной жидкости с малым давлением насыщенного пара. Поскольку кавитационных пузырьков очень много и их схлопывание происходит много тысяч раз в секунду, а в относительно небольших объёмах жидкости может рассеиваться большое количество энергии, то в зоне кавитации создаётся существенное механическое воздействие, которое способно разрушать все препятствия на своём пути [1-3,5,10].

Благодаря указанным свойствам в настоящее время акустическая кавитация широко используется при ультразвуковой очистке поверхностей твёрдых тел и даже в стиральных машинах. Схлопываясь, кавитационные пузыри порождают ударные волны, которые разрушают частицы загрязнений или отделяют их от поверхности очищаемого изделия. В результате снижается потребность в опасных и вредных для здоровья чистящих веществах и стиральных порошках. Аналогично акустическая кавитация часто используется для смешивания или осадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, смеси красок и т.п. [1-3,5,10].

Существует семейство установок, которые используют эффект гидродинамической кавитации для очистки металлических, пластиковых, деревянных поверхностей и железобетонных оснований, свай, опор и прочих конструкций морской и речной акватории. Такая установка создаёт скоростную кавитационную струю небольшого давления, сильно насыщенную парогазовыми микроскопическими пузырьками.

В результате направленного схлопывания микропузырьков возле обрабатываемой поверхности образуются микросекундные микровзрывы, которые создают ударные волны с давлением в точке очистки порядка 10000 атм. Возникающие гидравлические удары вызывают разрушение обрастаний морскими водорослями, моллюсками, ракушками, а также ржавчины и отслоившейся краски без нарушения основного лакокрасочного, антиобрастающего и антикоррозийного покрытия обрабатываемой поверхности [1-3,10].

Использование кавитации в медицине

Уникальные направленные свойства ультразвуковой кавитации сегодня уже широко используется в ультразвуковой хирургии — для бескровного иссечения тканей плотных органов, и в стоматологии — ультразвуковая чистка зубов, разрушение зубного камня и пигментированного налёта курильщика. Использование эффекта кавитации имеет ряд преимуществ: в ультразвуковой хирургии увеличивается объём коагуляции в фокальной области, что потенциально сокращает время обработки больших поражений, снижает воздействие ультразвуковой волны за областью фокуса, снижает порог термического повреждения и необходимую мощность для лечения.

Сонопорация использует кавитацию для введения различных веществ, например, фрагментов ДНК, лечебных растворов и анестетиков. Кавитация позволяет разбить тромб при ишемическом инсульте. Инъекции ультразвуковых контрастных агентов в сочетании с ультразвуком позволяют преодолеть гематоэнцефалический барьер мозга различным терапевтическим агентам.

Аналогично ультразвуковая кавитация используется в косметологии. Наряду с ней в косметологии может также использоваться оптическая кавитация, которая возникает вследствие локального воздействия интенсивными лазерными импульсами или же искрой электрического разряда. Эффект кавитации применяется и в других областях медицины. И вообще, большинство современных практических применений ультразвука в медицине основано на эффекте кавитации [4,7].

Так, например, при лечении ожирения с помощью специального ультразвукового устройства происходит разрушение жировых клеток в подкожной жировой клетчатке. Жировая ткань имеет относительно низкую плотность и прилегает непосредственно к коже, что позволяет селективно индуцировать в ней кавитационные процессы при минимальной мощности излучения и без использования мощных сфокусированных излучателей. Экспериментально было выявлено: под действием низкочастотного ультразвука с параметрами 30-70 КГц, давлением 0,6 кПа и определённой плотности потока в жировых клетках возникает эффект кавитации, то есть в них образуются микропузырьки (рис. 8) [4,7].

Чем выше частота, тем пузырьки меньше в размере, чем частота ниже, тем пузырьки больше. Оптимальной для жировой ткани является частота 37-42 КГц. При этой частоте образуется максимальное количество пузырьков оптимального размера. Увеличиваясь в размерах, они разжижают жир и вытесняют его из адипоцитов. Адипоцит — клетка, из которой в основном состоит жировая ткань. Адипоциты участвуют в жировом обмене, обладают способностью накапливать жиры, которые в дальнейшем используются организмом для выработки энергии.

При схлопывании пузырьков внутри жировой клетки происходит мощный гидродинамический толчок, своего рода микровзрыв. Эти микровзрывы повреждают клеточные мембраны адипоцитов. Повреждаются в первую очередь мембраны наиболее наполненных жиром клеток, вследствие их наибольшего напряжения. В то же время, другие клетки и ткани (мышечные фибриллы, клетки эпидермиса, эндотелия сосудов и т.д.) под действием кавитации не повреждаются, т.к. являются относительно прочными и имеют достаточный коэффициент эластичности [4,7].

Высвободившиеся триглицериды, из которых состоят жировые клетки, выводятся из межклеточного пространства посредством естественных метаболических процессов. Примерно 90% продуктов распада выводится через лимфатическую систему и 10% абсорбируется в кровеносное русло, где в результате реакции триглицериды преобразуются в молекулы глюкозы. Триглицериды — это важные липиды в крови человека, производные глицерина, они являются источником энергии для нормальной жизнедеятельности клеток организма.

Чтобы свести к минимуму нежелательное воздействие кавитации на поверхность кожи при воздействии на жировой слой обычно используют вязкие гели, дегазацию сред и плотный контакт излучателя во время процедуры. Как правило, используются гели, которые имеют более высокую вязкость, чем водные растворы и, соответственно, более устойчивы к возникновению в них кавитации [4,7].

Ещё одно использование ультразвука в медицине, как правило, не связывают с кавитацией — это УЗИ-исследования плода во время беременности. Конечно, здесь крайне важна безопасность для ещё не родившегося ребёнка и матери. Официальный отчёт № 875 Всемирной организации здравоохранения за 1998 год поддерживает мнение, что ультразвук безвреден. Несмотря на отсутствие данных о вреде ультразвука для плода, Управление по контролю качества продуктов и лекарств (США) рассматривает рекламу, продажу и аренду ультразвукового оборудования для создания «видео плода на память» как нецелевое, несанкционированное использование медицинского оборудования. Но есть один нюанс: в британских журналах для акушеров в XXI веке (с 1998 года прошло уже 22 года!) регулярно печатаются исследования, показывающие корреляцию между использованием УЗИ и количеством заболеваний новорожденных, в основном — заболеваний и патологий головного мозга и в целом нервной системы [8].

Именно исследование акустической кавитации может дать ответ, почему плод в утробе матери старается увильнуть от УЗИ-датчика, уворачивается, борется. Он испытывает сильнейший дискомфорт. Официально УЗИ считается безвредным и назначается всем беременным без исключения, но уже начинает набирать популярность более разумный подход. Многие думающие врачи придерживаются мнения, что эта диагностическая процедура должна применяться только если есть веские медицинские показания, с таким наименьшим возможным сроком воздействия ультразвука, который позволит получить необходимую диагностическую информацию, то есть по принципу минимального допустимого или АЛАРА-принципу (c английского ALARA – As Low As Reasonably Achievable, настолько низко/мало, насколько допустимо и разумно). Будем надеяться, что полезный эффект кавитации будет использоваться в дальнейшем именно исходя из пользы — ради приумножения блага и сохранения здоровья.

Литература

1. Антонченко В.Я. Основы физики воды. / В.Я. Антонченко, А.С. Давыдов, В.В. Ильин. — Киев: Наукова Думка, 1991.

2. Арзуманов З.С. Кавитация в местных гидравлических сопротивлениях. — М.: Энергия, 1978.

3. Низов, В.А. Энергоимпульсные эффекты в технологиях гетерогенных систем: учеб. пособие / В.А. Низов, В.А. Никулин; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2017.

4. И.И. Резников, В.Н. Фёдорова, Е.В. Фаустов, А.Р. Зубарев, А.К. Демидова. Физические основы использования ультразвука в медицине. Учебное пособие, Российский Национальный Исследовательский Медицинский Университет имени Н.И. Пирогова, — М.: 2015.

5. Фокин Г.А. Акустические и вихревые поля в водосодержащих системах: моногр. / Г.А. Фокин, О.В. Тетюшева, А.С. Гуськов. — Пенза: ПГУАС, 2013.

6. http://library.pguas.ru/xmlui/bitstream/handle/123456789/299/Фокин.pdf?sequence=1&isAllowed=y

7. http://newbeautytech.ru/blog/ultrasound-fat-reduction/

8. https://ru.wikipedia.org/wiki/Ультразвуковое_исследование

9. https://studopedia.su/10_146034_kavitatsiya-i-superkavitatsiya.html

10. http://www.megid.ru/?page=2&category=670

 

Вверх страницы