Considerații teoretice
Cavitația este un proces dinamic de formare, dezvoltare și implozie a unor bule sau cavități
umplute cu vapori și gaze, în masa unui lichid. Determinată de scăderea tranzitorie a presiunii locale
sub anumite valori critice, cavitația poate fi:
- vaporoasă dacă presiunea scade sub nivelul presiunii vaporilor saturați ai lichidului
corespunzătoare temperaturii acestuia;
- gazoasă, caracterizată prin difuzia gazului, din lichid în bula cavitationala și prin creșterea
lentă a acesteia. În acest caz nu este obligatoriu ca presiunea locală să scadă până la valoarea
presiunii de vaporizare a lichidului.
Apariția și dezvoltarea bulelor cavitationale necesită prezența unor factori favorizanți, numiți
germeni cavitationali. Impuritățile aflate în lichid precum și microfisurile, crestăturile, imperfecțiunile
de formă ale corpurilor solide care mărginesc sau vin în contact cu fluidul în mișcare, favorizează
reținerea unor volume microscopice de gaz nedizolvat în lichid care constituie nuclee sau germeni de
cavitație.
Atunci când presiunea scade local și tranzitoriu atingând valori critice (ex. presiunea de
vaporizare), nucleele sau germenii cavitationali, având o suprafață liberă vor amorsa fenomenul de
vaporizare. Datorită gazelor degajate din lichid și a evaporării lichidului înconjurător, nucleele
cavitationale se dezvoltă, devenind bule sau cavități umplute cu un amestec de gaze dizolvate și/sau
vapori de lichid. Aceste cavități pot ajunge să cuprindă în interiorul lor chiar particulele solide care au
adăpostit germenii cavitationali.
Bulele cavitationale, odată formate în zonele de presiune scăzute sunt preluate de către
curentul de fluid și transportate în regiuni cu presiuni mai ridicate unde are loc condensarea bruscă a
vaporilor din cavități sau lichefierea bulelor de gaz care determină implozia bulelor, adică surparea
bruscă a pereților cavităților către interiorul acestora. Această „prăbușire" are loc dinspre peretele
supus la o presiune mai mare spre peretele opus, prezența unui perete solid în vecinătatea bulei
conduce la surparea asimetrică a acesteia, cu apariția unui microjet care străbate cavitatea.
Impactul dintre peretele bulei cavitationale și jetul lichid, având diametrul de ordinul 10-100
μm și viteza de ordinul sutelor de metri pe secundă, dă naștere la unde acustice și la emisii de lumină
care se produc în mijlocul bulei. De asemenea, undele de presiune care se produc sunt de ordinul
1000 MPa.
Valorile extrem de mari ale presiunii și vitezelor generate în lichidul înconjurător bulei în
timpul imploziei, undele de soc emise în punctul final al colapsului precum și impactul microjeturilor
lichide, care străbat interiorul bulei, asupra suprafețelor adiacente, atunci când bula evoluează în
imediata vecinătate a acestora, constituie cauza principală a distrugerilor cavitationale.
Distrugerea materialelor supuse fenomenului cavitational poate avea loc fie într-o perioadă
scurtă de timp, în cazul în care acțiunea factorilor distructivi este foarte intensă (cazul în care
curgerea are caracter oscilant) sau pe o perioadă mai lungă de timp.
Fenomenul de cavitație poate apărea în aproape toate domeniile tehnicii în care intervine
mișcarea fluidelor. Turbinele hidraulice și pompele centrifuge sunt cele mai expuse condițiilor de
apariție a cavitației vaporoase ale cărei efecte de distrugere a paletelor turbinelor sau a rotoarelor
pompelor, de producere de zgomote și vibrații respectiv de modificare a câmpului hidrodinamic sunt
cele mai intense. De aceea la proiectarea sistemelor hidraulice se căuta soluții constructive pentru
evitarea, pe cât posibil, a creerii condițiilor favorabile scăderii presiunii statice până la valoarea
presiunii de vaporizare. Dacă acestea nu pot fi identificate atunci se recomandă utilizarea unor
materiale rezistente la eroziunea cavitaionala cum ar fi oțelurile inoxidabile pentru componentele
expuse riscului de apariție a cavitației.
Din cele arătate mai sus reiese că, în vederea estimării riscului de apariție a cavității este de
interes urmărirea evoluției presiunii statice în domeniul ocupat de fluidul în mișcare.
Pentru exemplificare se consideră curgerea unui fluid ideal, incompresibil printr-o ștrangulare
de tip Venturi, formată dintr-un tronson tronconic convergent continuată cu o porțiune cilindrică
scurtă numită gâtuire și, la ieșire, un tronson tronconic divergent (vezi Figura 5.1).
Considerând două puncte M1 și M2 pe linia de curent care coincide cu axa conductei astfel
încât M1 aparține secțiunii drepte de intrare în ștrangulare S1 iar M2 secțiunii minime din zona gâtuirii
S2, diferența dintre presiunile statice p1 și p2 dintre cele două puncte poate fi citită fie direct cu
ajutorul unor tuburi piezometrice deschise, fie poate fi determinată cu ajutorul unui manometru
diferențial.
Documentul este oferit gratuit,
trebuie doar să te autentifici in contul tău.