Тараз
мемлекеттік университеті, Казахстан
ГИДРОДИНАМИКАЛЫҚ КАВИТАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЯСЫ
Механикалық өзара әсер
принциптеріне негізделген ұсатушылар дамудың барлық шегіне
жетті, көптеген салаларда аппараттар мен үрдістердің
дамудың негізгі тенденциясы турбулентті, кавитациялық,
вихрлық (құйындық), қабықты
физикалық- химиялық айналуының интенсификациясына
бағытталған және габариті кішкене
құрылғылардан жоғарғы гомогенді субмикронды супсензия,
эмульсия, ұнтақтар шығарылады.
Мұндай
үрдістерді осындай әдістермен жүзеге асыру өнімділік
пен өзіндік жағынан
ғана тиімді емес және технологияны түбегейлі өзгертуге,
кейде жаңа құралдар табуға мүмкіндік береді.
Кавитациялық технологияны құру мен қолданудың
шешуші факторларына жататындар:
-
соңғы өнімнің микронды және
субмикронды дисперсиялығы;
-
майдаланатын материалдардың бөліктеріне интенсивті
(0,1-5 мкм);
-
физикалық-механикалық әсері, соның
нәтижесінде белсенді-зарядталған жағдайда болуы;
-
майдаланатын
материалдарды гомогенизациялаудың интенсивті әдістері (кейде
бірнешеу) араластыру, массаның жылу алмасуы;
-
жаңа сапалы интенсивті физикалық-химиялық
айналдыратын активті- зарядталған материалдарды қолдану, олар
келесілерді құруға мүмкіндік береді:
-
белгілі материалдарды жаңа
әдістермен;
-
белгілі
материалдарды жаңа қасиеттерімен;
-
жаңа материалдарды жаңа қасиеттерімен.
Кавитация
дегеніміз бу және газ толтырылған қуысты жасау немесе
сұйықтағы қысымды төмендете отырып
қанық буға жеткізу. Қуыстағы газ және
будың ара қатынасы әртүрлі болуы мүмкін. Бу
немесе газдың шоғырлануынан тәуелді оларды булы немесе газды
деп атайды.
Қанық
бу қысымын алу сондай-ақ сұйықты қайнату немесе
вакуумдеу арқылы жүзеге асатынын ескерту қажет. Бірақ
бұл үрдістер кавитациядан ерекшелігі шектеулі облысы бар
барлық объект бойынша таралады.
Кавитация
гидродинамикалық және акустикалық болып бөлінеді.
Гидродинамикалық
кавитация катты денеден аққан кезде сұйық
ағынында түпкілікті қысымды төмендету арқылы
пайда болады, ал акустикалық кавитация сұйық арқылы
акустикалық тербелістер өткен кезде пайда болады. Түрлі
көздерден бу және газбен толтырылған кавитациялық
каверн көпіршік, т.б. деп аталады. Бұл терминдерді қарастырылған
жағдайларға сәйкес кавитацияның физикалық
мәніне сәйкестігіне қолдануға болады.
Акустикалық
кавитация - кавитациялық көпіршіктердің өшуі мен
өсуіне байланысты дыбыс толқындарының төменгі
тығыздығының энергиясының булануының тиімді
құралдарын көрсетеді.
Кавитациялық
көпіршіктердің пайда болуының жалпы суреті келесі түрде
етілді. Сұйықтағы акустикалык толқындардың
қиылу фазасында осы қалдықтың қанық буымен
толтырылған қуыс пайда болады. Сығу фазасында ен қысым
әсерімен және беттің тартылуымен қуыс жабылады, ал бу
оның бөліну шекарасында буға конденсацияланады. Қуыс
қабырғалары
сүйықта еріген газ диффундацияланады, содан соң
өте күшті абатикалық қысымға түседі.
Жабылу
кезінде газдың қысымы мен температурасы едәуір жоғары
мән қабылдайды (кейбір мәліметтер бойынша 1000°С). Қуыс
құрылған соң қоршаған сұйықта
кеңістікте тез өшетін сфералын екпінді толкындар тарайды.
Әдебиеттерде жабылу, аннигиляция, колланс және т.б. терминдер
қолданылады, бірақ олардың бәрі бір
құбылысты бейнелейді. Көпіршік радиусын Ктіп
минимумге дейін кеміту үшін немесе қуыс радиусын күту,
оның өзгеруі және бірнеше көпіршікке бөлінуі.
Сұйықта қуыс пайда болу үшін оның көрші
молекулаларын олардың ара қашықтығы екі есе алатындай
қашықтыққа жылжыту қажет. Сұйық
келесі формуламен өтелетін барынша созылатын кернеуге шыдауы қажет.
Рᵙ2δ/R, (1.9)
мұндагы
δ -
сүйықтық беттің керілуі;
R - көпіршік радиусы.
Су
үшін R = 2 *10-10
м, Р =
1000 МПа өңделмеген судың кавитациялық беріктігі
бірнеше ондаған мегапаскальдан аспайды. Кавитация туындайтын
акустикалық толқындар жиілігі мен шекаралық қысымда төмен.
арасындагы Эше Хисығы түрінде берілген қисықта
сызықтық емес тәуелділік бар.
Кішкентай
көпіршіктер теориялық көрсетілуге сәйкес
сұйықта ериді, ал үлкендері — үстіне жүзіп
шығады. Өте майда көпіршіктер бетте жэне майда кагты
бәліктердің сызаттарында түрақталады.
Гидродинамикалық
кавитация құбылысы ағынның қысымы кейбір
шекті
мәнге
төмендеген телімдерде пайда болады. Сұйықта кездесетін газ
немесе бу сұйық ағынымен қозғала отырып,
қысымы шеткіден төмен облысқа түседі де шексіз
өсу қабілеттілігіне ие болады. Қысымның төмендеу
аймағына өткен соң көпіршіктер кішірейе бастайды. Егер
көпіршектерде газ көп болса, онда олардың радиусы минимал
болғанда олар қайта қалпына келеді және бірнеше
өшетін тербеліс жасайды, ал аз болса, онда көпіршік бірінші циклде
толық жабылады. Сонымен айналысынан су ағатын денеде
қозғалатын көпіршіктермен толтырылған
кавитациялық зона пайда болады.
Егер
дене арқылы кавитация туындаған каверна (тесік) ішіне
атмосфералық ауа немесе газ енгізілсе, онда каверна мөлшері
үлғаяды. Бүл кезде су буының қанық
кысымымен емес, ал каверна ішіндегі газ қысымымен түзілген,
кавитация санына сәйкес ағын орнатылады. Мұндай
жағдайда өте аз жылдамдықта ең кішкентай мәнге сәйкес
келетін ағын алуға болады, яғни кавитация дамуының
терең дәрежесі.
Егер
дене 6-10 м/сек жылдамдықпен қозғалатын болса, онда
оған 100 м/сек жылдамдыққа сәйкес келетін ағын
алуға болады. Газды каверн ішіне енгізіп нәтижесінде алған
кавитациялық ағын жасанды кавитация (суперкавитация) деп аталады.
Егер сұйық біркелкі, ал ол жанасатын қатты дене өте
жақсы суланатын болса, онда үзілу қанық бу
қысымына қараганда едәуір төмен кысымда болуы
мүмкін. Жылу флуктациясын есепке ала отырып есептелген судың
үзілуге беріктіп 150 Мн/м2 (1500 кг/см ) тең. 10°С
температурада созылған тиянақты тазартылған судың
максималды созылуы 28 Мн/м (280 кг/см). Кәдімгі жағдайда
үзілу қанық бу қысымынан сәл төмен
қысымда туындайды. Нақты сұйықтардың
беріктігінің төмендігі оларда кавитациялық
ұрықтардың болуынан, қатты дененің нашар
суланатын телімі, газбен толтырылған сызаты бар бөлшектер, ион
түзілулерін органикалық кабықшалармен мономолекулалық
еруден қорғайтын микроскопиялық газ көпіршіктері.
Кавитациялық көпіршіктерді қысқарту өте
үлкен жылдамдықпен жүреді және газға
қарағанда көпіршігі күшті дыбыстық импульспен бірге
жүреді. Егер кавитациялық каверн су ағатын денеге жақын
тоқтаса, онда өте көп қайталанатын соғылулар су
ағатын дене бетін бұзады. Спектр көпіршік радиусы
максималға ұлғайған сайын төменгі жиілік
облысында кеңейтеді. Кавитация басталған соң ағын
жылдамдығының артуы өзінен көпіршік санының
өсуін арттырады, содан соң оларды жалпы кавитациялық кавернге
біріктіреді және ағын жіңішкеге ауысады. Бұл кезде
ағын каверннің тұйықталу облысында суы нашар
ағатын денелер маңында ұйымдастырылады.
Гидродинамикалық кавитация ұшқын шығару және
люминесценция сияқты физикалық - химиялық эффекттермен бірге
жүреді.