Периодически появляются описания непонятных объектов движущихся под водой со скоростью более 300 км/час. В результате появляются рассуждения о чудесах, сверхестественном. Но ничего сверхестественного в этом нет.
Кавитация.
О кавитации в Wikipedia пишут:
Кавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта.
При движении струи жидкости с ростом ее скорости падает местное давление ниже порогового и образуются паро-газовые полости. При попадании такого кавитационного пузыря в область где давление выше порогового он схлопывается и образует ударную волну.
Число кавитации
Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):
Кавитация
P — гидростатическое давление набегающего потока, Па;
Ps — давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па;
ρ — плотность среды, кг/м³;
V — скорость потока на входе в систему, м/с.
Как уже говорилось выше, кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости V = Vc , когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.
| Хотелось бы обратить Ваше внимание на параметр Ps — давление насыщенных паров жидкости, который зависит не только от температуры, но и от давления в жидкости. Это говорит о том что скорость выхода на кавитационный (и выше) режим существенно зависит от параметров среды. |
В зависимости от величины Χ можно различать четыре вида потоков:
- докавитационный — сплошной (однофазный) поток при Χ >1,
- кавитационный — (двухфазный) поток при Χ ~1,
- пленочный — с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при Χ < 1,
- суперкавитационный — при Χ
Результат работы кавитации
Кавитация работает в промышленности в системах ультразвуковой очистки деталей от загрязнений.
Общеизвестно, что проявление кавитации имеет отрицательный эффект. Она разрушает поверхность узлов находящихся в контакте с кавитирующим потоком. Известно применение кавитации в военной технике.
Ранее разработки в области сверхкавитации применялись при создании оружия:
— Это Российская подводная ракета «Шквал» способна развивать скорость до 200 узлов (около 100 метров в секунду) и крайне эффективна в борьбе с надводными и подводными кораблями.
— Германской антиторпедной ракеты Barracuda с подводной скоростью движения 200 узлов и выше, а также,
— новой иранской торпеды.
— В США была создана авиационная система быстрого разминирования Rapid Airborne Mine Clearance System, в которой вертолет отстреливал сверхкавитационные снаряды.
— Известны также специализированное личное оружие для подводной стрельбы – автомат Симонова АПС и подводный пистолет Heckler Подводного Экспресса» — сверхбыстрой перспективной подводной лодки, способной перемещаться под водой со скоростью до 100 узлов — свыше 150 км/ч. По сообщениям издания C4I Journal, компания Electric Boat (дочерняя фирма General Dynamics) и Northrop Grumman Electronic Systems получили контракты на общую сумму более $11 млн. (с опционным продолжением до $71 млн.).
По заданию управления DARPA, разработчики должны обеспечить технический прорыв в области сверхкавитации – эффекта, связанного с обтеканием быстродвижущихся под водой тел пузырьками газа. По данным DARPA, сверхкавитация позволяет снизить сопротивление движению подводного объекта на 70%.
Кавитация.
Но, прошло более 5лет, пока об результатах этой работы неизвестно. Хотя при малейшем успехе у американских компаний звон стоит изрядный.
Попробуем разобраться
Движение под водой в суперкавитационной паро-газовой оболочке снижает гидродинамическое сопротивление движению, за счет создания оптимального обтекания и снижения трения на границе раздела жидкость — паро-газовая оболочка.
Физика явления кавитации и суперкавитации говорит: — «нет проблем в достижении и применении этих эффектов, надо просто разогнать подводную лодку до скорости более 75 — 100 км/час».
Так ли это просто?
Практика показывает, что для достижения подводной лодкой скорости 30 узлов, в зависимости от ее размеров (лобового сопротивления), массы и других параметров, требуется мощность привода ходовых винтов более 35000 л.с. (35000 — 200000 л.с.). Для достижения скорости выхода на суперкавитационный режим нужна многократно большая мощность (более 10 раз).
Правда с помощью создания искусственной парогазовой оболочки можно снизить требуемое увеличение мощности энергоустановки для выхода на кавитационный до 3-5 раз.
Сопротивление движению в режиме суперкавитации снижается на 70% по сравнению с сопротивлением движению на той же скорости без паро-газовой суперкавитационной оболочки.
Но все равно, для современных АПЛ и аппаратов подобного водоизмещения (подводных танкеров), это мощности 100 — 1000 тыс. л.с.
Проблемы
Есть несколько проблем маячащих на горизонте при создании суперкавитационных скоростных подводных аппаратов.
Первая проблема
Это мощность двигательной установки.
Для достижения скоростей необходимых для выхода на скорости необходимые для перехода в кавитационный режим необходимы мощности многократно превосходящие мощности современных подводных аппаратов.
Поскольку технический прогресс идет в направлении увеличения мощности двигательных установок транспортных средств, можно предположить, что решение этой проблемы нас ожидает в близком будущем.
Вторая и наиболее важная проблема
Это движитель подводного аппарата движущегося в суперкавитационном режиме.
Та самая сверх кавитационная паро-газовая оболочка, которая помогает выходу подводного аппарата на сверхскоростной режим движения лишает его возможности отталкиваться от среды и двигаться. Поскольку винт оптимизированный для движения в воде попадая в воздушную (паро-газовую) среду почти полностью теряет свою тягу (работает в газовой среде), применение винта, как движителя, не допустимо.
Да и сам винт (его поверхности расположенные на максимальном расстоянии от оси его вращения) имеет линейную скорость приближающуюся к скоростям при которых возникает кавитация и не может служить движителем подводных аппаратов.
Из имеющихся сейчас движителей, только ракетный может работать при движении подводного аппарата в суперкавитационном режиме. Он и используется в существующих моделях таких подводных аппаратов — например ракетной торпеде Шквал.
Получается, что для движения в водной среде в суперкавитационном режиме нужен движитель с тягой создаваемой без взаимодействия с окружающей средой. пока таких двигателей нет.
Третья проблема
Управление подводным аппаратом движущимся в суперкавитационной каверне.
Та самая паро-газовая каверна, которая позволяет двигаться с огромными скоростями под водой лишает подводный аппарат связи со средой и воздействия на нее для создания управляющих движением моментов.
Получается для управления движением в нашем случае нужен управляемый вектор тяги. Управляемый вектор тяги известен и применяется в современной авиации и ракетной технике.
И самое последнее
Наличие в этом режиме движения среды многократно меняющейся плотности (твердая поверхность аппарата — > паро-газовая каверна -> плотная водная среда) не позволяет, при существующем уровне развития техники, поддерживать связь, контролировать курс и окружающее пространство, управлять аппаратом.
Так можно ли создать подводные аппараты со скоростью самолета?
Смею утверждать — можно!
Но, самое главное, для этого надо этого энергетическая установка с мощностью по крайней мере на порядок — несколько большей существующих. И возможно еще на порядок большими мощностями двигательной установки для обеспечения требуемой управляемости — ведь законы физики отменить нельзя.
Не менее важно, чтобы они имели движитель нового уровня, работающий без механического контакта с внешней средой, а для обеспечения управления подводным аппаратом движущимся в режиме сверхкавитации он должен иметь управляемый вектор тяги. И вполне возможно это совсем не движитель построенный на принципе реактивной тяги.
Вам это ничего не напоминает?
Одно можно сказать торпеда это реальность, а подводный обитаемый (да и автомат тоже) аппарат продолжительность плавания которого измеряется часами и сутками — это дело не года — пяти, а существенно более дальних времен.
И что самое главное, такие подводные аппараты смертельно опасны для всего живого на их пути!
3. Российская ракета-торпеда «Шквал»
Источник: www.electrosad.ru
5.7. Кавитация гребных винтов
Нарушение сплошности жидкости, сопровождающееся образованием полостей, заполненных паром и газом, носит название кавитации. Кавитация возникает в результате понижения давления, происходящего в процессе обтекания жидкостью твердых тел, движущихся с большими скоростями.
Понижение давления приводит к появлению растягивающих напряжений и нарушению прочности жидкости.
С увеличением частоты вращения возрастает упор судового движителя в следствие возрастания давления на нагнетательной стороне лопасти и понижения давления до величины насыщенного пара на засасывающей стороне.
В этом случае вода вскипает и на засасывающей поверхности образуются пустоты, заполняющиеся парами воды и газами, которые Наличие этих пустот, или, как их называются кавитационными кавернами и существенно изменяет условия обтекания лопасти . Каверны в жидкости имеют различные размеры и формы, которые и определяют вид и степень развития кавитации.
Известны следующие основные виды кавитации:
Вихревая, представляющая собой отдельные пузырьки или сплошные кавитационные области в ядрах свободных вихрей, образующихся при обтекании винтов на краях лопастей;
Профильная пузырчатая, имеющая вид отдельных почти сферических пузырьков, образующихся у передней кромки лопасти и перемещающихся по ее поверхности, схлопываясь у задней кромки.
Пленочная кавитация представляет собой сплошную полость без отдельных пузырьков. Возможен периодический переход пленочной кавитации в пузырчатую и обратно.
Вопрос о том, в каких случаях возникает та или иная форма кавитации окончательно не решен, можно лишь отметить, что для начальной стадии кавитации наиболее характерны вихревая и пузырчатая формы, которые затем переходят в пленочную.
Экспериментальные исследования кавитации гребных винтов показывают, что кавитация начинается у края лопасти и распространяется по направлению к ступице узкой полосой по входящей кромке засасывающей поверхности лопасти авиационного профиля, и в районе наибольшей толщины, если профиль сечения сегментный. Такая картина соответствует первой стадии кавитации винта.
Хотя гидродинамические характеристики винта практически не меняются, но пузыри схлопываются, вызывая кавитационную эрозию, вследствие чего лопасти теряют прочность
При дальнейшем возрастании скорости наступает вторая стадия кавитации, когда каверна захватывает всю засасывающюю поверхность лопасти, и поэтому эрозия отсутствует, но существенно меняются гидродинамические характеристики винта и резко падает его КПД.
Для того чтобы не возникала кавитация, гребной винт должен работать на ходовом режиме при числе оборотов, на 10-15% меньше, чем.
Для устранения последствий, связанных с первой стадией кавитации, стремятся устранить или отдалить ее появление, путем увеличения дискового отношения θ и изменяя профиль сечения лопастей. Полностью устранить первую стадию кавитации не удается, поэтому выбирают дисковое соотношение, исключающее появление второй стадии кавитации.
Гребные винты с толстыми лопастями более подвержены кавитации.
Чем глубже погружен винт, тем меньше вероятность его кавитации, так как давление столба жидкости увеличивается с ростом глубины погружения.
Последствия кавитации приводят к ухудшению пропульсивных качеств, разрушению лопастей, эрозии, шуму и вибрации гребного винта.
Источник: studfile.net
Понятие о кавитации и эрозии гребных винтов.
Здравствуйте сегодня я хотел бы написать о том что такое «Кавитация» и «Эрозия» гребных винтов и как она происходит.
Для начала узнаем что такое кавитация — Кавитация (от лат. cavita — пустота) — процесс образования и последующего схлопывания пузырьков в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или пустот), которые могут содержать разреженный пар.
Если площадь лопастей небольшая, то давление здесь понижается настолько, что вода, обтекающая лопасть, вскипает, выделяя пузырьки пара. Микроскопические пузырьки сливаются в более крупные—каверны, а при очень сильном разрежении — в сплошную полость, что нарушает непрерывность потока. Это явление и называется кавитацией.
Различают две стадии кавитации. На первой студии каверны невелики и на работе винта практически не сказываются.
Однако пузырьки, лопаясь, создают огромные местные давления, отчего поверхность лопасти выкрашивается. При длительной работе кавитирующего винта такие эрозионные разрушения могут быть настолько значительными, что эффективность винта снизится.
При дальнейшем повышении скорости наступает вторая стадия кавитации. Сплошная полость захватывает всю лопасть и даже может замыкаться за ее пределами. Развиваемый винтом упор падает из-за резкого увеличения лобового сопротивления и искажения формы лопастей.
Кавитацию винта можно обнаружить по тому, что скорость лодки перестает расти, несмотря на дальнейшее повышение числа оборотов; гребной винт при этом издает специфический шум, на корпус передается вибрация, лодка движется скачками.
Момент наступления кавитации зависит не только от числа оборотов, но и от ряда других характеристик. Так, чем меньше площадь лопастей, больше толщина их профиля, ближе к ватерлинии расположен винт, тем при меньшей частоте вращения, т. е. «раньше», наступает кавитация. Появлению кавитации способствуют также большой угол наклона гребного вала, дефекты лопастей — изгиб, некачественная поверхность.
Так же при кавитации и возникает эрозия так как химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает эрозию материалов, с которыми соприкасается жидкость, в которой развивается кавитация. Эта эрозия и составляет один из факторов вредного воздействия кавитации.
Кавитационная эрозия металлов вызывает разрушение гребных винтов судов, рабочих органов насосов, гидротурбин и т. п., кавитация также является причиной шума, вибрации и снижения эффективности работы гидроагрегатов.
Схлопывание кавитационных пузырей приводит к тому, что энергия окружающей жидкости сосредотачивается в очень небольших объёмах. Тем самым, образуются места повышенной температуры и возникают ударные волны, которые являются источниками шума и приводят к эрозии металла. Шум, создаваемый кавитацией, является особой проблемой на подводных лодках, так как снижает их скрытность.
Хотя кавитация нежелательна во многих случаях, есть исключения. Например, сверхкавитационные торпеды, используемые военными, обволакиваются в большие кавитационные пузыри. Существенно уменьшая контакт с водой, эти торпеды могут передвигаться значительно быстрее, чем обыкновенные торпеды.
Так сверхкавитационная торпеда «Шквал», в зависимости от плотности водной среды, развивает скорость до 370 км/ч. Еще кавитация используется при ультразвуковой очистке поверхностей твёрдых тел. Специальные устройства создают кавитацию, используя звуковые волны в жидкости. Кавитационные пузыри, схлопываясь, порождают ударные волны, которые разрушают частицы загрязнений или отделяют их от поверхности. Таким образом, снижается потребность в опасных и вредных для здоровья чистящих веществах во многих промышленных и коммерческих процессах, где требуется очистка как этап производства.
Ниже представлены фотографии как кавитация действует на гребной винт.
Источник: samvguvt.livejournal.com