Для возникновения кавитации в жидкости необходимо, чтобы растягивающие напряжения могли вызвать местный разрыв сплошности. Эксперименты показали, что в обычных жидкостях прочность на растяжение, если не принимать специальных мер, очень мала. Как показали Гарвей и др. [19—22], наиболее важным фактором, определяющим прочность на растяжение, является содержание газа в жидкости. Экспериментальным путем они установили, что, если воду, содержащую воздух, подвергнуть перед испытанием на растяжение воздействию высокого статического давления, прочность воды на растяжение возрастает от величины, близкой к нулю, до большой величины (10—20 МПа). Этот экспериментальный факт объясняется растворением свободного газа в воде под действием статического давления.[ ...]
Эта величина согласуется с расчетами Френкеля [16]. Однако Финч [13] указал, что нужно учитывать движение пустот в поле сил, действующих на жидкость. По результатам экспериментов Бриггса [6] Финч вычислил прочность воды на растяжение, получив величину 2—3 МПа, и показал, что разрыв при воздействии растягивающего напряжения может наступить через 2 с. Действительное напряжение разрыва в этих экспериментах равно 20—30 МПа при температурах 5—15°С, и эти величины являются наибольшими из всех опубликованных. Некоторые экспериментаторы измерили прочность на растяжение различных, очень чистых, дегазированных жидкостей, содержащихся в тщательно очищенных лабораторных сосудах, пользуясь при этом самыми разнообразными методами. Результаты, полученные даже одним и тем же экспериментатором, имеют большой разброс. Но за истинную прочность на растяжение самой жидкости можно принимать лишь наибольшие величины, найденные для данной жидкости по соответствующей экспериментальной методике. Меньшие величины могли быть получены при воздействии факторов, определяющих прочность на растяжение обычных жидкостей.[ ...]
Обычные жидкости содержат жидкие и твердые примеси и ■более или менее насыщены различными газами. В отношении к кавитации эти примеси имеют существенное значение лишь в случае, если они оказывают заметное влияние на возникновение, рост и схлопывание каверн. Вообще говоря, представляет интерес лишь случай нерастворимых примесей и содержание газов.[ ...]
Однако из-за броуновского движения ядра радиусом 10 нм всегда остаются во взвешенном состоянии (даже в покоящейся жидкости), и каверны такого размера будут расти при растягивающих напряжениях порядка 10 МПа. Эта величина согласуется с экспериментальными значениями прочности на растяжение. В движущихся жидкостях пребывают во взвешенном состоянии ядра даже большего размера, и они способствуют дальнейшему снижению прочности на растяжение. Кроме того, к ядрам могут прилегать газовые пленки. Это приводит, вообще говоря, к уменьшению поверхностного натяжения и, следовательно, к уменьшению прочности жидкости на растяжение.[ ...]
Таким образом, существует теоретическое обоснование для объяснения причин большого разброса экспериментально найденных значений прочности жидкости на растяжение. Даже если приняты меры для удаления примесей, некоторое количество примесей малого размера остается, и они ограничивают прочность жидкости. Измерения показали, что прочность нормально-очищенных жидкостей на растяжение очень мала; это можно-объяснить изложенной выше теорией гидрофобных твердых, ядер. Тем не менее «слабые места», связанные с присутствием неконденсируемого газа в виде свободных пузырьков и газовых карманов в трещинах, несомненно, играют важную роль, как показали Гарвей и др. [19, 20, 22], Кнэпп [36] и Страсберг [62] в опытах с опрессовкой воды, которые привели к значительному увеличению прочности на растяжение.[ ...]
В действительности давление, обусловленное поверхностным натяжением, смещает условие равновесия на значения />1, поэтому пузырьки растворяются даже в насыщенной жидкости (/= 1). Однако, как рассчитали Эпштейн и Плессет [12], этот процесс очень медленный, и в движущихся жидкостях будут существовать в течение нескольких секунд газовые пузырьки размером • •>• 10 мкм, но они, по существу, неустойчивы. Следует отметить, что само равновесие также неустойчиво, поэтому даже малые возмущения вызывают рост или растворение пузырьков. Тем не менее свободный газ не должен присутствовать в жидкости в виде пузырьков; он может втягиваться в мелкие трещины на поверхности гидрофобных твердых частиц или в трещины на ограничивающих жидкость поверхностях (как установили Гарвей и др. [19]), и здесь ядра могут существовать в устойчивой форме.[ ...]
В потоках жидкости могут непрерывно образовываться и существовать в течение достаточно длительного времени небольшие газовые пузырьки, которые служат ядрами кавитации. Твердые частицы сами по себе также могут быть ядрами кавитации, и образующиеся от них каверны будут содержать лишь небольшие количества неконденсируемого газа. Вообще говоря, прочность жидкостей на растяжение можно считать пренебрежимо малой вследствие присутствия этих газообразных и твердых ядер кавитации, которые, по-видимому, существуют в таких количествах, что в малых объемах жидкости может образоваться много каверн.[ ...]
Рисунки к данной главе:
| Модель стабилизированного ядра кавитации по Гарвею. |
 |