Кавитация физика: КАВИТАЦИЯ | Энциклопедия Кругосвет

КАВИТАЦИЯ | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

КАВИТАЦИЯ, образование газовых пузырьков в жидкости. Термин был введен ок. 1894 британским инженером Р.Фрудом. Если давление в какой-либо точке жидкости становится равным давлению насыщенного пара этой жидкости, то жидкость в этом месте испаряется и образуется паровой пузырек. Примером может служить кипение воды. При нагревании воды давление ее насыщенного пара повышается. Когда достигается температура кипения, давление пара становится равным давлению окружающей среды, и в воде появляются паровые пузырьки.

Паровые пузырьки в жидкости легче образуются при пониженном давлении. Когда же давление окружающей среды становится больше давления насыщенного пара жидкости, кавитационный пузырек с силой схлопывается. Такое схлопывание пузырьков создает шум, вызывает вибрацию и повреждения конструкций, неблагоприятно отражается на работе соответствующих машин и механизмов. Местное понижение давления в жидкости происходит при быстром относительном движении тела и жидкости.

Закон Бернулли.

Согласно закону Бернулли, в жидкости без трения энергия постоянна вдоль линии тока. Это можно выразить равенством

где p – давление, r – плотность, а v – скорость. Индексы 0, 1 и 2 относятся к любым трем точкам на данной линии тока.

Из указанного равенства следует, что при увеличении скорости понижается местное давление (пропорционально квадрату скорости). Всякая частица жидкости, движущаяся по искривленной линии тока, например, огибающей профиль (рис. 1), ускоряется и претерпевает понижение местного давления. Если давление снижается до давления насыщенного пара, то возникает кавитация. Таков механизм явления кавитации на подводных крыльях, гребных винтах, лопатках турбин и лопастях насосов.

В случае жидкости, текущей по трубе, согласно закону сохранения массы (уравнению неразрывности), скорость жидкости увеличивается в местах сужения трубы, где также возможна кавитация.

Кавитационный коэффициент.

Явление кавитации совершенно одинаково и для потока, обтекающего неподвижное тело, и для среды, в которой движется тело. В обоих случаях важны лишь относительная скорость и абсолютное давление. Соотношение между давлением и скоростью, при которых происходит кавитация, дается безразмерным критерием s, который называется кавитационным коэффициентом (числом кавитации) и определяется выражением

где p_v – давление насыщенного пара жидкости при данной температуре.

Типы кавитации.

На рис. 2 представлена кавитация на неподвижном подводном крыле, снятая в высокоскоростной гидродинамической трубе. При определенной скорости течения воды местное давление у поверхности крыла понижается до давления водяного пара. На поверхности крыла появляются кавитационные каверны. Пузыри растут, смещаясь в направлении течения. (Поскольку пузыри образуются возле поверхности крыла, они имеют полусферическую форму.) Такой тип кавитации называется нестационарной (сбегающей) пузырьковой кавитацией. Если на поверхности имеется какой-нибудь выступ, то пузыри концентрируются на нем. Такая стационарная кавитация тоже показана на рис. 2.

Кавитация может происходить в зоне вихрей, образующихся в местах повышенного сдвига и пониженного давления. Вихревая кавитация часто наблюдается на передней кромке подводных крыльев, на передних кромках лопастей и позади ступицы гребного винта. Возможно одновременное возникновение разных типов кавитации. На рис. 3 представлен морской гребной винт с вихревой кавитацией на передних кромках лопастей, стационарными кавитационными кавернами на поверхности лопастей и присоединенной вихревой кавитацией позади ступицы. Кавитация в жидкости, вызываемая звуковой волной, называется акустической.

Кавитация и техника.

Скорость течения обычно сильно снижается у задней кромки профиля. Здесь давление становится выше давления пара. Как только условия, благоприятные для кавитации, исчезают, пузырьки тут же схлопываются. Энергия, высвобождающаяся при схлопывании пузырей, весьма значительна.

Эрозия.

Большая энергия, рассеиваемая при схлопывании кавитационных пузырей, может приводить к повреждению поверхностей подводных конструкций, гребных винтов, турбин, насосов и даже узлов ядерных реакторов. Масштабы такого явления, называемого гидравлической эрозией, могут быть разными – от точечной поверхностной эрозии после многих лет эксплуатации до катастрофического выхода из строя больших конструкций.

Вибрация.

Кавитация на гребных винтах может вызывать периодические колебания давления, действующего на корпус судна и силовые установки. Кавитационная вибрация судна создает дискомфортные условия для пассажиров и команды.

КПД и скорость.

Кавитация может существенно увеличивать гидродинамическое сопротивление, в результате чего снижается коэффициент полезного действия гидравлического оборудования. Чрезмерная кавитация на гребном винте может уменьшить его тягу и ограничить максимальную скорость судна; кавитация может также быть причиной снижения производительности турбины или насоса и даже срыва его работы.

Шум.

Некоторая часть энергии, высвобождающейся при схлопывании кавитационных пузырей, преобразуется в звуковые волны. Такой шум особенно нежелателен на военно-морских судах, поскольку повышает вероятность их обнаружения.

Как правило, кавитация нежелательна (в морской и турбонасосной технике). Но в некоторых случаях ее вызывают намеренно. Примером может служить кавитационный гидромонитор. Большая энергия, высвобождающаяся при схлопывании кавитационных пузырей в водяной струе, используется для бурения (за счет эрозии) горных пород и для обработки поверхностей.

Биологическое действие.

При ультразвуковом медицинском обследовании в биологических тканях могут возникать и расти кавитационные пузырьки. При наличии кавитации ультразвук большой интенсивности может вызвать повреждение тканей. См. также ГИДРОЛОКАТОР; УЛЬТРАЗВУК.

Явление кавитации, применение, процесс, вред и польза

В мире имеется большое количество физических процессов, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. Кавитация ее является исключением. Она в переводе с латинского обозначает пустоту.

Процесс кавитации

Кавитация происходит в жидких субстанциях, когда в них происходят местные изменения давления. Данное физическое явление представляет собой процесс образования пара в жидкости с последующим образованием конденсата из него в потоке жидкости. Для данного процесса характерно появление шума и гидравлических ударов. При понижении давления в жидкости образуются пузырьки, наполненные паром от нее. Уменьшение уровня давления в жидкой субстанции может случить в результате:

• увеличения скорости движения жидкости,
• прохождения через акустическую волну высокой интенсивности.

Это далеко не все причины, которые приводят к появлению кавитации. Одной из таких причин является прохождение потока жидкости через поток с высоким давлением. В результате пузырек с паром лопается и появляется ударная волна, которая влияет на остальные пузырьки жидкости.

Данное явление не происходит повсеместно. Для него необходимо создать определенные условия.

По своим физическим проявлениям кавитацию можно сравнить с процессом кипения. Они отличаются лишь тем, что в процессе кипения в жидкости давление внутри образующихся пузырьков равно давлению жидкости. При кавитации давление жидкости заметно меньше, чем в пузырьках с паром. При кавитации понижение давление происходит только в определенном месте.

Вред кавитации

Сегодня кавитацию активно используют во многих сферах человеческой жизнедеятельности. Однако не всегда ее применение является полезным и обоснованным. При кавитации в пузырьках жидкости образуются скопления газов. Они могут вызывать появление эрозии металлов. Агрессивное действие газов и высокая температура способны за короткое время разъесть металлы разных видов. В результате такого вредного воздействия уничтожаются винты судов, приходят в негодность насосы и гидротурбины. К тому при наличии кавитации образуются неприятные шумы, которые приводят к тому. что работа водных приборов начинает становиться менее эффективной.

Лопающиеся пузырьки жидкости приводят к тому, что в определенной области начинает повышаться давление и температура. В результате происходит ударная волна, которая провоцирует появление неприятного шума. В итоге всего этого процесса металл полностью разъедается.

При кавитации появляется высокий уровень шума, что приводит к невозможности наиболее эффективно использовать подводные лодки, которые должны быть малозаметными или вообще незаметными.

Польза кавитации

Несмотря на то, что в некоторых случаях не рекомендуется использовать кавитацию, все же есть ситуации, когда она просто необходима. В современном мире производится больше количество сверхкавитационных торпед, которые активно применяются в военных целях. Такие торпеды обладают высокой скоростью передвижения по воде. Одна из самых известных кавитационных торпед способна развить скорость до пятисот километров в час.

Кавитацию полезно использовать для проведения ультразвуковой очистки различных видов поверхностей. Звуковые волны в жидкости, которые образуются после того, как пузырьки лопаются, способны очистить поверхность любого предмета от загрязнений.

Польза кавитации заключается в том, что она подходит для очищения различных жидких субстанций. В частности этот физический процесс незаменим при очищении топлива. Благодаря кавитации в любом виде топлива значительно сокращается количество смол.

Применение кавитации

В современном мире кавитация нашла широкое применение в различных областях. Большую роль она играет в биомедицине. Она помогает бороться с проблемами с почками. Она используется для удаления камней в этой области. Уничтожение камней осуществляется при помощи ударной волны. Для процедуры используется такой вид оборудования, как литотриптор. Он работает по принципу кавитации. Он помогает разрушать камни даже без хирургической процедуры.

Кавитацию также используют стоматологи. Благодаря этому стало возможным ультразвуковое очищение зубов.

В судостроении не редко встречается использование кавитации. В насосах и винтах судов используется это явление. Оно применяется в местах, где при соприкосновении с водой вращающиеся твердые детали понижаю ее давление. В результате она начинает нагреваться и образуются пузырьки, после лопания которых появляется характерный шум.

В военной промышленности кавитация тоже нашла свое применение. Она позволяет создавать уникальные острые виды пуль и сверхбыстрые торпеды.

Кавитация — это… Что такое Кавитация?

Моделирование кавитации

Кавита́ция (от лат. cavitas — пустота) — процесс парообразования и последующей конденсации пузырьков воздуха в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, 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. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырёк захлопывается, излучая при этом ударную волну.

Кавитация разрушает поверхность гребных винтов, гидротурбин, акустических излучателей и др.

Обзор

Согласно определению Кристофера Бреннена: «Когда жидкость подвергается давлению ниже порогового (напряжению растяжения), тогда целостность ее потока нарушается, и образуются парообразные полости. Это явление называется кавитацией. Когда местное давление жидкости в некоторой точке падает ниже величины, соответствующей давлению насыщения при данной окружающей температуре, тогда жидкость переходит в другое состояние, образуя, в основном, фазовые пустоты, которые называются кавитационными пузырями. Возможно и другое образование кавитационных пузырей путем местной подачи энергии. Это может быть достигнуто фокусировкой интенсивного лазерного импульса (оптическая кавитация) или искрой электрического разряда».

Во многих источниках физика этого явления объясняется следующим образом. Физический процесс кавитации близок процессу закипания жидкости. Основное различие между ними заключено в том, что при закипании изменение фазового состояния жидкости происходит при среднем по объёму жидкости давлении равном давлению насыщенного пара, тогда как при кавитации среднее давление жидкости выше давления насыщенного пара, а падение давления носит локальный характер.

Однако более поздние исследования показали, что ведущую роль в образовании пузырьков при кавитации играют газы, выделяющиеся внутрь образовывающихся пузырьков. Эти газы всегда содержатся в жидкости, и при местном снижении давления начинают интенсивно выделяться внутрь указанных пузырьков.

Поскольку под воздействием переменного местного давления жидкости пузырьки могут резко сжиматься и расширяться, то температура газа внутри пузырьков колеблется в широких пределах, и может достигать нескольких сот градусов по цельсию. Имеются расчётные данные, что температура внутри пузырьков может достигать 1500 градусов цельсия ^[1]. Следует также учитывать, что в растворённых в жидкости газах содержится больше кислорода в процентном отношении, чем в воздухе, и поэтому газы в пузырьках при кавитации химически более агрессивны, чем атмосферный воздух.

Вредные последствия

Повреждения, наносимые эффектом кавитации (часть насоса) Кавитационные повреждения гребного винта

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. Второй фактор обусловлен большими забросами давления, возникающими при схлопывании пузырьков и воздействующими на поверхности указанных материалов.

Поэтому кавитация во многих случаях нежелательна. Например, она вызывает разрушение гребных винтов судов, рабочих органов насосов, гидротурбин и т. п., кавитация вызывает шум, вибрации и снижение эффективности работы.

Когда схлопываются кавитационные пузыри, энергия жидкости сосредотачивается в очень небольших объемах. Тем самым, образуются места повышенной температуры и возникают ударные волны, которые являются источниками шума. Шум, создаваемый кавитацией, является особой проблемой на подводных лодках (субмаринах), так как из-за шума их могут обнаружить. При разрушении каверн освобождается много энергии, что может вызвать повреждения. Эксперименты показали, что вредному, разрушительному воздействию кавитации подвергаются даже химически инертные к кислороду вещества (золото, стекло и др.), хотя и намного более медленному. Это доказывает, что помимо фактора химической агрессивности газов, находящихся в пузырьках, важным является также фактор забросов давления, возникающих при схлопывании пузырьков. Кавитация ведёт к большому износу рабочих органов и может значительно сократить срок службы винта и насоса. В метрологии, при использовании ультразвуковых расходомеров, кавитационные пузыри модулируют волны, излучаемые расходомером, что приводит к искажению его показаний.

Полезное применение кавитации

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 500 км/ч. Такие исследования проводились, например, в Институте гидромеханики НАН Украины.^[2]

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.

В промышленности кавитация часто используется для гомогенизации (смешивания) и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, например, смеси красок или молоке. Многие промышленные смесители основаны на этом принципе. Обычно это достигается благодаря конструкции гидротурбин или путём пропускания смеси через кольцевидное отверстие, которое имеет узкий вход и значительно больший по размеру выход: вынужденное уменьшение давления приводит к кавитации, поскольку жидкость стремится в сторону большего объёма. Этот метод может управляться гидравлическими устройствами, которые контролируют размер входного отверстия, что позволяет регулировать процесс работы в различных средах. Внешняя сторона смесительных клапанов, по которой кавитационные пузыри перемещаются в противоположную сторону, чтобы вызвать имплозию (внутренний взрыв), подвергается огромному давлению и часто выполняется из сверхпрочных или жестких материалов, например, из нержавеющей стали, стеллита или даже поликристаллического алмаза (PCD).

Также были разработаны кавитационные водные устройства очистки, в которых граничные условия кавитации могут уничтожить загрязняющие вещества и органические молекулы. Спектральный анализ света, испускаемого в результате сонохимической реакции, показывает химические и плазменные базовые механизмы энергетической передачи. Свет, испускаемый кавитационными пузырями, называется сонолюминесценцией.

Кавитационные процессы имеют высокую разрушительную силу, которую используют для дробления твердых веществ, которые находятся в жидкости. Одним из применений таких процессов является измельчение твердых включений в тяжёлые топлива, что используется для обработки котельного топлива с целью увеличения калорийности его горения.

Кавитационные устройства снижают вязкость углеводородного топлива, что позволяет снизить необходимый нагрев и увеличить дисперсность распыления топлива.

Кавитационные устройства используются для создания водно-мазутных и водно-топливных эмульсий и смесей, которые часто используются для повышения эффективности горения или утилизации обводнённых видов топлива.

Применение в биомедицине

Кавитация играет важную роль для уничтожения камней в почках и мочеточнике посредством ударной волны литотрипсии. Литотриптор — прибор, предназначенный для разрушения камней в мочеполовом тракте без открытого хирургического вмешательства.

В настоящее время исследованиями показано, что кавитация также может быть использована для перемещения макромолекул внутрь биологических клеток (сонопорация).

Кавитация, создаваемая прохождением ультразвука в жидкостной среде, используется в работе хирургических инструментов для бескровного иссечения тканей плотных органов (см. CUSA).

Кавитация также применяется в стоматологии при ультразвуковой чистке зубов, разрушая зубной камень и пигментированный налет («налет курильщика»), а также косметологии.

Лопастные насосы и винты судов

В местах контакта жидкости с быстро движущимися твердыми объектами (рабочие органы насосов, турбин, гребные винты судов, подводные крылья и т. д.) происходит локальное изменение давления. Если давление в какой-то точке падает ниже давления насыщенного пара, происходит нарушение целостности среды. Или, проще говоря, жидкость закипает. Затем, когда жидкость попадает в область с более высоким давлением, происходит «схлопывание» пузырьков пара, что сопровождается шумом, а также появлением микроскопических областей с очень высоким давлением (при соударении стенок пузырьков). Это приводит к разрушению поверхности твердых объектов. Их как бы «разъедает». Если зона пониженного давления оказывается достаточно обширной, возникает кавитационная каверна — полость, заполненная паром. В результате нормальная работа лопастей нарушается и возможен даже полный срыв работы насоса. Любопытно, но есть примеры, когда кавитационная каверна специально закладывается при расчете насоса. В тех случаях, когда избежать кавитации невозможно, такое решение позволяет избежать разрушительного влияния кавитации на рабочие органы насоса. Режим, при котором наблюдается устойчивая кавитационная каверна, называют «режимом суперкавитации».

Лопастные насосы. Кавитация на стороне всасывания

Как правило, зона кавитации наблюдается вблизи зоны всасывания, где жидкость встречается с лопастями насоса. Вероятность возникновения кавитации тем выше,

• чем ниже давление на входе в насос;
• чем выше скорость движения рабочих органов относительно жидкости;
• чем более неравномерно обтекание жидкостью твердого тела (высокий угол атаки лопасти, наличие изломов, неровностей поверхности и т. п.)

Центробежные насосы. Кавитация в уплотнении рабочего колеса

У классических центробежных насосов часть жидкости из области высокого давления проходит через щель между рабочим колесом и корпусом насоса в зону низкого давления. Когда насос работает с существенным отклонением от расчетного режима в сторону повышения давления нагнетания, расход утечек через уплотнение между рабочим колесом и корпусом возрастает (из-за увеличения перепада давления между полостями всасывания и нагнетания). Из-за высокой скорости жидкости в уплотнении возможно появление кавитационных явлений, что может привести к разрушению рабочего колеса и корпуса насоса. Как правило, в бытовых и промышленных случаях режим кавитации в рабочем колесе насоса возможен при резком падении давления в системе отопления или водоснабжения: например, при разрыве трубопровода, калорифера или радиатора. При резком падении давления в зоне рабочего колеса насоса образуется вакуум, вода при низком давлении начинает вскипать. При этом напор резко падает. Режим кавитации приводит к эрозии рабочего колеса насоса, и насос выходит из строя.

Кавитация в двигателях

Некоторые большие по размеру дизельные двигатели страдают от кавитации из-за высокого сжатия и малогабаритных стенок цилиндра. В результате в стенках цилиндра образовываются отверстия, которые приводят к тому, что охлаждающая жидкость начинает попадать в цилиндры двигателя. Предотвратить нежелательные явления возможно при помощи химических добавок в охлаждающую жидкость, которые образуют защитный слой на стенках цилиндра. Этот слой будет подвержен той же кавитации, но он может самостоятельно восстанавливаться.

Сосудистые растения

Кавитация происходит в ксилемных сосудистых растениях, когда водный потенциал становится таким большим, что растворившийся в воде воздух расширяется, чтобы заполнить клетки растения, или элементы сосудов, капилляры. Обычно растения способны исправить кавитационную ксилему, например, при помощи корневого давления, но для других растений, таких как виноградники, кавитация часто приводит к гибели. В некоторых деревьях ясно слышен кавитационный шум. Осенью температурное понижение увеличивает образование воздушных пузырей в капиллярах некоторых видов растений, что вызывает опадание листьев.

Предотвращение последствий

Наилучшим методом предотвращения вредных последствий кавитации для деталей машин считается изменение их конструкции таким образом, чтобы предотвратить образование полостей либо предотвратить разрушение этих полостей возле поверхности детали. При невозможности изменения конструкции могут применяться защитные покрытия, например, газотермическое напыление сплавов на основе кобальта.

В системах гидропривода часто используют системы подпитки. Они, упрощённо говоря, представляют собой дополнительный насос, жидкость от которого начинает поступать через специальный клапан в гидросистему, когда в последней давление падает ниже допустимого значения. Если давление в гидросистеме не опускается ниже допустимого, жидкость от дополнительного насоса идёт на слив в бак. Системы подпитки установлены, например, во многих экскаваторах.

Другие области применения

Кавитация применяется для стабилизации игольчатых пуль подводных боеприпасов (например, боеприпасы автомата АПС или патроны 5.45×39 ПСП для автомата АДС), для увеличения скорости торпед (Шквал и Барракуда).

Кавитация может быть использована для измельчения разных материалов (в том числе руд). Для этих процессов выпускается промышленное оборудование ^[3], в котором кавитацию получают при помощи силового ультразвука.

Число кавитации

Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):

, где

 — гидростатическое давление набегающего потока, Па;
 — давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па;
 — плотность среды, кг/м³;
 — скорость потока на входе в систему, м/с.

Известно, что кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости , когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.

В зависимости от величины можно различать четыре вида потоков:

• докавитационный — сплошной (однофазный) поток при ,
• кавитационный — (двухфазный) поток при ,
• пленочный — с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при ,
• суперкавитационный — при .

Измерение

Уровень кавитации измеряют (как правило в относительных единицах) с помощью приборов, называемых кавитометрами^[4].

Литература

• Биркгоф Г., Сарантонелло Э. Струи, следы и каверны. пер. с англ. М.: Мир, 1964. 466с.
• Корнфельд М. Упругость и прочность жидкостей. М.: ГИТТЛ, 1951. 200с.
• Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. М.: Мир, 1974. 678 с.
• Акуличев В. А. Кавитация в криогенных и кипящих жидкостях. М.: Наука, 1978. 280c.
• Левковский Ю. Л. Структура кавитационных течений. Л.: Судостроение, 1977. 222с.
• Иванов А. Н. Гидродинамика развитых кавитационных течений. Л.: Судостроение, 1980. 237с.
• Пирсол И. Кавитация / Пер. с англ. Ю. Ф. Журавлёва; Под ред., с предисл. и доп. Л. А. Эпштейна.. — М.: Мир, 1975. — 96 с. — (В мире науки и техники). (обл.)
• Перник А. Д. Проблемы кавитации. 2-ое изд. Л.: Судостроение, 1966. 435 с.
• Рождественский В. В. Кавитация. Л.: Судостроение, 1977. 248c.
• Федоткин И. М., Гулый И. С. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности (теория, расчеты и конструкции кавитационных аппаратов).Ч.1. — К.: Полиграфкнига, 1997. — 940 с.

Примечания

Ссылки

Кавитация в системе отопления Текст научной статьи по специальности «Физика»

Кавитация в системе отопления

Шалунова Виктория Александровна

преподаватель кафедры начертательной геометрии и графики, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», [email protected]

В статье анализируются причины и условия возникновения кавитации, ее последствия в системах водоснабжения и отопления, а также предлагаются способы, как устранения кавитационных явлений, так и использования положительных свойств кавитации.

Исходя из опыта эксплуатации систем теплоснабжения, очевидно, что наименее надежным звеном данных систем является транспортировка тепла. Основными проблемами тепловых сетей, на ряду с коррозионными разрушениями и загрязнениями трубопроводов является, техническое и технологическое несовершенство машинного оборудования, например, циркалюционных насосов, генераторов, кавита-ционных котлов и т.п.

Возникающие проблемы безопасности и надежности функционирования систем водоподготовки в энергетических комплексах могут быть решены с помощью кавитационной технологии, основанной на использовании эффектов кавитации. В связи с этим возникает много важных вопросов, ответы на которые должны быть найдены в процессе всесторонних исследований.

Ключевые слова: кавитация, каверна, система отопления, система водоснабжения, гидродинамика, обтекание тел, ламинарный пограничный слой, турбулентный процесс, динамика жидкости, кинетическая энергия, число кавитаций.

Согласно определению Кристофера Бренне-на: «Когда жидкость подвергается давлению ниже порогового (напряжению растяжения), тогда целостность ее потока нарушается, и образуются парообразные полости. Это явление называется кавитацией.

Формирование и схлопывание пузырьков пара происходит в течении долей секунды. Схло-пывание каждого пузырька вызывает относительно небольшое повреждение, но в течении тысяч циклов формирования и схлопывания повреждения накапливаются. Как только на поверхности появятся неравномерности, кавита-ционные разрушения начнут концентрироваться у поврежденных участков, вызывая глубокую локализованную кавитацию.

Кавитацию в насосах часто вызывают слишком большие перепады давления между всасыванием и нагнетанием. Ускоряющий кавитацию причиной обычно становиться недостаточное выходное давление. Высоким перепадам давления способствует дросселирование на стороне всасывания насоса. Образованию пузырьков может способствовать газ, уносимый через негерметичные прокладки и выделяющийся при разложении химических веществ, содержащихся в воде. Неожиданно часто вызывают трудности и неправильно сконструированные крыльчатки, и другие детали насосов.

Рассмотрим процессы образования кавитации на примере крыльчатки насоса отопительной системы более подробно.

Рссмотрение спектров обтекания различных элементов тел показывает, что отрыв пограничного слоя наступает на том участке поверхности, где при плавном обтекании давление возрастает. В тоже время, детальные исследования картин обтекания показывает, что отрыв пограничного слоя наступает не сразу после начала движения. Картинка обтекания вначале будет неустановившейся. Продолжительность начальной стадии движения от размеров и формы тела, скорости его движения и свойств жидкости [1,2,3].

Таким образом, необходимым условием отрыва потока является положительный градиент давления В общем же случае отрыв по-

тока происходит под воздействием положительного градиента, а также ламинарных и турбулентных процессов. Если оба эти фактора от-

х

X

о

го А с.

X

го т

о

ю 2

М О

О)

о

см

см

О!

о ш т

X

3

<

т О X X

сутствуют, то отрыва не происходит, например, поток не отрывается от плоской пластины, для которой характерными являются постоянство давления во всех сечениях пограничного слоя и, следовательно, равенство продольного градиента давления @р^х=0) [4,5,6] (Рисунок 1).. В точках потока жидкости, в которых давление падает до этого значения, происходит нарушение сплошности течения, то есть срыв пограничного слоя, и образуется область, заполнения парами жидкости и газами, выделившимися из раствора. Это явление в гидродинамике называется кавитацией [7].

Рисунок 1 — Смешанный пограничный слой на стенке:

1 — точка потери устойчивости ламинарного пограничного слоя;

2 — нарастающие возмущения в нем; 3 — начало области «турбулентных

пятен»; 4 — область «турбулентных пятен»; 5 — начало области развитого

турбулентного слоя; А — ламинарный пограничный слой; Б — переходная

зона; В — турбулентный пограничный слой; П — точка перехода

Однако дать определение явлению возникновения кавитации оказывается совсем не так просто, как это может показаться на первый взгляд. С понятием возникновения кавитации хотя и принято связывать появление в однородном жидком объеме паровых или газовых полостей. Однако без специальных оговорок принять такое определение нельзя, поскольку установлено, что газовые включения — кавитацион-ные зародыши — всегда существуют в жидкости, и, следовательно, однородной средой она не является.

Вместе с тем ясно, что в конечном итоге представляет интерес не сам факт наличия в жидкости каверн тех или иных размеров, а те

специфические эффекты, к которым оно приводит. Проявления кавитации чрезвычайно многообразны: изменение гидродинамических характеристик обтекаемых тел, кавитационная эрозия, люминесценция, шум, диссипация и рассеяние энергии распространяющихся в кавита-ционной области звуковых волн и т. п.

Тем не менее, всякое проявление кавитации связано с возникновением определенного вида движения каверн относительно окружающей жидкости, поэтому при определении явления возникновения кавитации целесообразно ориентироваться на тот физический механизм, вследствие действия которого стационарно существовавшие в жидкости и поэтому никак себя не проявлявшие кавитационные зародыши преобразуются в каверны и приобретают возможность совершать тот или иной вид движения.

Исследования кавитационных течений при пузырьковой и вихревой формах кавитации показывают, что при сильных степенях их развития у тела возникает связанная с ним или, как ее принято называть, присоединенная каверна. Характерные свойства таких каверн — практически прозрачная заполненная паром головная часть и пульсации заполненной пеной хвостовой части, сопровождающиеся выбросом в поток пенистых парогазовых образований.

Известно, что в хвостовой части развитой каверны невозможно существование задней критической точки, так как давление в ней, с одной стороны, должно быть равно давлению в невозмущенной жидкости, натекающей на тело, а с другой — давлению заполняющих каверну насыщенных паров (Рисунок 2).

Рисунок 2- Схема развитого кавитационного течения с обратной струйкой

Также известно, что при идеализации течения и представлении его стационарной схемой, обеспечивающей возможность долгого существования струйки (схема Эфроса), скорость на границе каверны, в том числе и в обратной струйке,

V = + , (1)

где Vм — скорость невозмущенного натекающего на тело потока;

а — число кавитации,

а площадь сечения струйки ^ пропорциональна площади миделевого сечения каверны Эк и коэффициенту сопротивления тела сп [8,9]

у = • сп

4 . (2)

В действительности такая схема течения реализовываться не может, так как поступающая в каверну масса жидкости должна каким-то образом эвакуироваться из каверны. Наблюдения показывают, что обратная струйка возникает и исчезает периодически. Следовательно, ее возникновение должно сопровождаться не упругим ударом смыкающихся в хвостовой части каверны слоев жидкости, связанным с потерями энергии и образованием пенообразной пароводяной смеси. Это подтверждается опытами: скорость струйки оказывается меньше скорости частиц жидкости на поверхности каверны.

Более детальное описание процессов, приводящих к нестационарному характеру течения в хвостовой части каверны, дает гипотеза, высказанная Л. А.Эпштейном. Схематически, согласно этой гипотезе, механизм происходящих в хвостовой части каверны процессов выглядит следующим образом. Под действием начального импульса пенообразная масса, пополняемая за счет обратной струйки, продвигается вперед -по направлению к головной части каверны.

Скорость движения на оси струйки выше, чем на периферии, так как при соприкосновении периферийных частей струйки с границей каверны возникают касательные напряжения, отбрасывающие эти частицы назад к основанию струйки. В результате пена приходит во вращательное движение, образуя тороидальный вихрь. Сила трения на границе каверны, будучи пропорциональной площади границы, на которой действуют касательные напряжения, растет по мере заполнения пеной ее хвостовой части, достигая в конце концов величины секундного импульса обратной струйки. После этого возникают условия, нарушающие силовое равновесие: сила трения продолжает расти в результате поступления пены в хвостовую часть каверны, а импульс обратной струйки уменьшается, поскольку из-за заполнения каверны пеной давление в хвостовой части падает (Рисунок 3).

Таким образом, основополагаясь на основные законы гидродинамики следует отметить, что момент возникновения кавитации характеризуется критической величиной параметра кавитации, который обычно записывают в форме числа Эйлера и имеет следующий вид

а =

кр

Р- Pv

V2

р-«

2(p„- Pv) PV2 ‘

2 (3)

где ру- давление паров насыщения; р« — давление в невозмущенном потоке; V« — скорость в невозмущенном натекающем (набегающем) на тело потоке; р — массовая плотность воды.

Рисунок 3 — Выброс пены из каверны

При искусственной кавитации давление насыщенных паров равно давлению в каверне, то есть рн = рк, а давление над свободной поверхностью равно атмосферному давлению, то есть рм = р0 [7]. Тогда выражение для параметра кавитации можно переписать в следующем виде

2(Рс — Рк)

а = ■

pVl

(4)

Структура числа кавитации — критерия моделирования кавитационных явлений — показывает, что на момент возникновения кавитации оказывает влияние не только скорость потока, но и давление, обусловленное глубиной погружения. С увеличением глубина погружения кавитация «затрудняется». Данный вывод подтверждается и результатами расчетов, проведенных Седовым Л.И., Логвиновичем Г.В., Эпштейном Л.А. [10,11,12] для веретенообразных тел с величиной числа кавитации 0,3.

Из анализа указанных работ следует также и вывод о том, что для так называемых плохо обтекаемых тел величина критической скорости наступления кавитации меньше, чем для тел хорошо обтекаемых форм

Таким образом, отрыв потока представляет собой одно из характерных явлений, сопровождающих движение жидкости. При отрыве происходит перераспределение давления на поверхность тела, вследствие чего изменяется гидродинамическая сила. Используя отрыв, вызвав его искусственным путем на каком-либо месте поверхности тела, можно, обеспечить уменьшение силы лобового сопротивления, а соответственно и потери кинетической энергии данного тела в воде.

Литература

1. Белоцерковский С.М. Математическое моделирование плоскопараллельного отрывного обтекания тел. — М.: Наука, 1988.

2. Смирнова М.Н., Звягин А.В. Подводное движение тонкого тела вблизи свободной поверхности с учетом отрыва жидкости от тела. \\ Известия российской академии ракетных и артиллерийских наук №3/2014 — С-Пб.: Научно-производственное объединение специальных материалов, 2014, с. 75-83

3. Nazarenko, Sergey (2014), Fluid Dynamics via Examples and Solutions, CRC Press (Taylor & Francis group), ISBN 978-1-43-988882-7

x x О го А С.

X

го m

о

ю 2

М О

to

4. Лойцянский Л.Г. Ламинарный пограничный слой. — М.: Физматиздат, 1962.

5. Капранова А.Б., Солопов С.А., Мельцер А.М. О способах описания процесса формирования кавитационных потоков. \\ Евразийский союз ученых №6-2 (15)/2015 — М.: ООО «Международный Образовательный Центр», 2015, с. 99-102

6. Martin, Michael J. Blasius boundary layer solution with slip flow conditions. AIP conference proceedings 585.1 2001: 518-523. American Institute of Physics. 24 Apr 2013

7. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. Перевод с англ. докт. техн. наук Э.А. Ашратова.

— М.: Мир, 1974.

8. Перник А.Д. Проблемы кавитации. — С.П.: Судостроение, 1966.

9. Прокофьев В.В., Козлов И.И., Очеретяный С.А. Моделирование каверн с отрицательным числом кавитации — обзор некоторых работ, проведенных в институте механики МГУ. Сборник научных трудов: посвящается 80-летию со дня рождения А. Г. Терентьева. — Чебоксары, 2016. С. 138-151.

10. Седов Л.И. Плоские задачи гидродинамики и аэродинамики. — М.: Наука, 1966.

11. Логвинович Г.В. Гидродинамика течений со свободными границами. — Киев, Наукова думка, 1969.

12. Эпштейн Л.А. Методы теории размерностей и подобия в задачах гидромеханики судов.

— Л.: Судостроение, 1970.

References

1. Belotserkovskiy S.M. Matematicheskoye modelirovaniye ploskoparallel’nogo otryvnogo obtekaniya tel. — M.: Nauka, 1988.

2. Smirnova M.N., Zvyagin A.V. Podvodnoye dvizheniye tonkogo tela vblizi svobodnoy poverkhnosti s uchetom otryva zhidkosti ot tela. \\ Izvestiya rossiyskoy akademii raketnykh i artilleriyskikh nauk №3/2014 — S-Pb.: Nauchno-proizvodstvennoye ob»yedineniye spetsial’nykh materialov, 2014, s. 75-83.

3. Nazarenko, Sergey (2014), Fluid Dynamics via Examples and Solutions, CRC Press (Taylor & Francis group), ISBN 978-1-43-988882-7

4. Loytsyanskiy L.G. Laminarnyy pogranichnyy sloy. — M.: Fizmatizdat, 1962.

5. Kapranova A.B., Solopov S.A., Mel’tser A.M. O sposobakh opisaniya protsessa formirovaniya kavitatsionnykh potokov. \\ Yevraziyskiy soyuz uchenykh №6-2 (15)/2015 — M.: OOO «Mezhdunarodnyy Obrazovatel’nyy Tsentr», 2015, s. 99-102.

6. Martin, Michael J. Blasius boundary layer solution with slip

flow conditions. AIP conference proceedings 585.1 2001: 518-523. American Institute of Physics. 24 Apr 2013.

7. Knepp R., Deyli Dzh., Khemmit F. Kavitatsiya. Perevod s angl.

dokt. tekhn. nauk E.A. Ashratova. — M.: Mir, 1974.

8. Pernik A.D. Problemy kavitatsii. — S.P.: Sudostroyeniye, 1966.

9. Prokofyev V.V., Kozlov 1.1., Ocheretyanyy S.A. Modelirovaniye kavern s otritsatel’nym chislom kavitatsii -obzor nekotorykh rabot, provedennykh v institute mekhaniki MGU. Sbornik nauchnykh trudov: posvyashchayetsya 80-letiyu so dnya rozhdeniya A. G. Terent’yeva. — Cheboksary, 2016. S. 138-151.

10. Sedov L.I. Ploskiye zadachi gidrodinamiki i aerodinamiki. -M.: Nauka, 1966.

11. Logvinovich G.V. Gidrodinamika techeniy so svobodnymi granitsami. — Kiyev, Naukova dumka, 1969.

12. Epshteyn L.A. Metody teorii razmernostey i podobiya v zadachakh gidromekhaniki sudov. — L.: Sudostroyeniye, 1970.

o>

о

es

es

Ol

О Ш

m

X

The power effect of the incident flow of fluid on the streamlined body

Shalunova V.A.

National Research Moscow State University of Civil Engineering

The article analyzes the causes and conditions for the occurrence of cavitation, its consequences in the systems of water supply and heating, and also suggests ways to eliminate cavitation phenomena and to use the positive properties of cavitation.

Based on the experience of operating heating systems, it is obvious that the least reliable link in these systems is the transportation of heat. The main problems of heat networks, along with corrosion damage and contamination of pipelines, are technical and technological imperfections of machinery, for example, circulating pumps, generators, cavitation boilers, etc.

The emerging problems of safety and reliability of water treatment systems in energy complexes can be solved using cavitation technology based on the use of cavitation effects. In this regard, there are many important questions, the answers to which must be found in the process of comprehensive research.

Key words: cavitation, cavity, heating system, water supply system, hydrodynamics, body flow, laminar boundary layer, turbulent process, fluid dynamics, kinetic energy, number of cavitations.

3

<

m о x

X

Кавитация

Образование паровых пустот низкого давления в жидкости

Кавитационное повреждение гребного винта гидроцикла. Бронзовый винт речной баржи с антикавитационной пластиной над стойкой.

Кавитация это явление, при котором быстрые изменения давление в жидкости приводят к образованию небольших полостей, заполненных паром, в местах с относительно низким давлением.

Под воздействием более высокого давления эти полости, называемые «пузырьками» или «пустотами», схлопываются и могут образовывать ударная волна она сильна очень близко к пузырю, но быстро ослабевает по мере удаления от пузыря.

Кавитация — серьезная причина износа некоторых инженерное дело контексты. Коллапсирующие пустоты, которые взрываются рядом с металлической поверхностью, вызывают циклическое напряжение через многократный взрыв. Это приводит к поверхностной усталости металла, вызывая износ, также называемый «кавитацией». Наиболее частыми примерами такого износа являются рабочие колеса насоса и изгибы, когда происходит резкое изменение направления жидкости. Кавитация обычно делится на два класса поведения: инерционная (или переходная) кавитация и неинерционная кавитация.

Процесс, при котором пустота или пузырь в жидкости быстро схлопывается, производя ударная волна, называется инерционной кавитацией. Инерционная кавитация возникает в природе при ударах креветки-богомолы и пистолетные креветки, а также в сосудистые ткани растений. В искусственных объектах это может происходить в регулирующие клапаны, насосы, пропеллеры и рабочие колеса.

Неинерционная кавитация — это процесс, при котором пузырь в жидкости вынужден колебаться по размеру или форме из-за некоторой формы подводимой энергии, такой как акустическое поле. Такая кавитация часто применяется в ультразвуковая чистка ванны, а также могут наблюдаться в насосах, гребных винтах и ​​т. д.

Поскольку ударные волны, образующиеся при схлопывании пустот, достаточно сильны, чтобы вызвать значительное повреждение деталей, кавитация обычно является нежелательным явлением в оборудовании (хотя желательно, если преднамеренно используется, например, для стерилизации загрязненных хирургических инструментов, разложения загрязняющих веществ при очистке воды. системы, эмульгировать ткань для хирургии катаракты или камня в почках литотрипсия, или же гомогенизировать жидкости). Его очень часто специально избегают при проектировании таких машин, как турбины или гребные винты, и устранение кавитации является важной областью исследования динамика жидкостей. Однако иногда это полезно и не вызывает повреждений, когда пузырьки схлопываются вдали от оборудования, например, в суперкавитация.

Физика

Инерционная кавитация впервые была обнаружена в конце 19 века, когда рассматривался коллапс сферической пустоты внутри жидкости. Когда объем жидкости подвергается достаточно низкой давление, он может разорваться и образовать полость. Это явление придумано начало кавитации и может возникать за лопастью быстро вращающегося гребного винта или на любой поверхности, вибрирующей в жидкости с достаточной амплитудой и ускорением. Быстрая река может вызывать кавитацию на поверхности скал, особенно при обрыве, например, на водопаде.

Другие способы создания кавитационных пустот включают локальное выделение энергии, например интенсивный сфокусированный лазерный импульс (оптическая кавитация) или электрический разряд через искру. Пар газы испаряются в полость из окружающей среды; Таким образом, в полости не идеальный вакуум, а относительно низкое давление газа. Такой пузырь низкого давления в жидкости начинает схлопываться из-за более высокого давления окружающей среды. Когда пузырек схлопывается, давление и температура пара внутри него повышаются. Пузырь в конечном итоге схлопывается до мельчайшей доли своего первоначального размера, после чего газ внутри растворяется в окружающей жидкости. через довольно сильный механизм, который высвобождает значительное количество энергии в виде акустической ударной волны и видимый свет. В момент полного схлопывания температура пара внутри пузыря может составлять несколько тысяч кельвин, а давление несколько сотен атмосфер.^[1]

Инерционная кавитация также может возникать в присутствии акустического поля. Микроскопические пузырьки газа, которые обычно присутствуют в жидкости, будут вынуждены колебаться из-за приложенного акустического поля. Если интенсивность звука достаточно высока, пузырьки сначала увеличиваются в размере, а затем быстро схлопываются. Следовательно, инерционная кавитация может возникнуть, даже если разрежение в жидкости недостаточно для возникновения рэлеевской пустоты. Высокое напряжение ультразвук обычно используют инерционную кавитацию микроскопических пузырьков вакуума для обработки поверхностей, жидкостей и шламов.

Физический процесс возникновения кавитации аналогичен кипячение. Основное различие между ними — термодинамический пути, предшествующие образованию пара. Закипание происходит, когда местная температура жидкости достигает температура насыщения, и дополнительное тепло подается, чтобы позволить жидкости достаточно изменение фазы в газ. Возникновение кавитации происходит, когда местное давление падает значительно ниже давления насыщенного пара, значения, определяемого пределом прочности жидкости на разрыв при определенной температуре.^[2]

Для возникновения кавитации кавитационные «пузырьки» обычно нуждаются в поверхности, на которой они могут зародыш. Эта поверхность может быть обеспечена стенками контейнера с помощью примеси в жидкости или небольшими нерастворенными микропузырьками в жидкости. Принято считать, что гидрофобный поверхности стабилизируют мелкие пузыри. Эти уже существующие пузыри начинают неограниченно расти, когда они подвергаются давлению ниже порогового значения, называемого порогом Блейка.

Давление пара здесь отличается от метеорологического определения давления пара, которое описывает парциальное давление воды в атмосфере при некотором значении менее 100% насыщения. Давление пара, связанное с кавитацией, относится к давлению пара в условиях равновесия и поэтому может быть более точно определено как равновесное (или насыщенное) давление газа.

Неинерционная кавитация — это процесс, при котором маленькие пузырьки в жидкости вынуждены колебаться в присутствии акустического поля, когда интенсивность акустического поля недостаточна для полного схлопывания пузырьков. Эта форма кавитации вызывает значительно меньшую эрозию, чем инерционная кавитация, и часто используется для очистки хрупких материалов, таких как кремниевые пластины.

Гидродинамическая кавитация

Гидродинамическая кавитация описывает процесс испарения, образования пузырьков и схлопывания пузырьков, который происходит в текущей жидкости в результате снижения и последующего увеличения местного давления. Кавитация произойдет только в том случае, если местное давление упадет до некоторой точки ниже уровня насыщения. давление газа жидкости и последующее восстановление выше давления пара. Если давление восстановления не выше давления пара, говорят, что произошло мгновенное испарение. В трубопроводных системах кавитация обычно возникает либо в результате увеличения кинетической энергии (через сужение площади), либо в результате увеличения высоты трубы.

Гидродинамическую кавитацию можно создать, пропуская жидкость через суженный канал в определенном скорость потока или путем механического вращения объекта через жидкость. В случае суженного канала и в зависимости от конкретной (или уникальной) геометрии системы, комбинация давления и кинетической энергии может создать гидродинамическую кавитационную каверну ниже по потоку от локального сужения, генерирующую кавитационные пузыри высокой энергии.

Согласно диаграмме термодинамического фазового перехода, повышение температуры может инициировать известный механизм фазового перехода, известный как кипение. Однако уменьшение статического давления также может помочь пройти многофазную диаграмму и запустить другой механизм фазового перехода, известный как кавитация. С другой стороны, локальное увеличение скорости потока может привести к падению статического давления до критической точки, в которой может возникнуть кавитация (на основе принципа Бернулли). Критическая точка давления — давление насыщенного пара. В замкнутой гидравлической системе, в которой утечка потока не обнаружена, уменьшение площади поперечного сечения приведет к увеличению скорости и, следовательно, падению статического давления. Это принцип работы многих реакторов на основе гидродинамической кавитации для различных применений, таких как очистка воды, сбор энергии, улучшение теплопередачи, обработка пищевых продуктов и т. Д.^[3]

По мере развития кавитационного потока обнаруживаются различные режимы течения, а именно: начальный, развитый поток, суперкавитация и закупоренный поток. Начало — это первый момент появления в системе второй фазы (газовой фазы). Это самый слабый кавитирующий поток, захваченный в системе, соответствующий наибольшему число кавитации. Когда полости увеличиваются в размерах в конструкциях с отверстиями или Вентури, регистрируется развивающийся поток. Наиболее интенсивный кавитирующий поток известен как суперкавитация, когда теоретически вся площадь сопла отверстия заполнена пузырьками газа. Этот режим потока соответствует самому низкому числу кавитации в системе. После суперкавитации система не может пропускать больший поток. Следовательно, скорость не изменяется при увеличении давления на входе. Это привело бы к увеличению числа кавитации, что свидетельствует о возникновении закупоренного потока.^[4]

Процесс образования пузырьков и последующий рост и схлопывание кавитационных пузырьков приводит к очень высокой плотности энергии и очень высоким локальным температурам и локальным давлениям на поверхности пузырьков в течение очень короткого времени. Таким образом, общая жидкая среда остается в условиях окружающей среды. В неконтролируемом состоянии кавитация разрушительна; тем не менее, управляя потоком кавитации, можно использовать энергию, не разрушающую ее. Контролируемая кавитация может использоваться для усиления химических реакций или распространения определенных неожиданных реакций, поскольку в процессе образуются свободные радикалы из-за диссоциации паров, захваченных кавитационными пузырьками.^[5]

Сообщается, что отверстия и Вентури широко используются для создания кавитации. Трубка Вентури имеет неотъемлемое преимущество перед отверстием из-за ее гладких сужающихся и расходящихся секций, так что она может создавать более высокую скорость потока в горловине при заданном перепаде давления на нем. С другой стороны, отверстие имеет то преимущество, что оно может вместить большее количество отверстий (больший периметр отверстий) в заданной площади поперечного сечения трубы.^[6]

Явлением кавитации можно управлять для улучшения характеристик высокоскоростных морских судов и снарядов, а также в технологиях обработки материалов, в медицине и т. Д. Управление кавитационными потоками в жидкостях может быть достигнуто только за счет развития математических основ кавитации. процессы. Эти процессы проявляются по-разному, наиболее распространенными и перспективными для управления являются пузырьковая кавитация и суперкавитация. Первое точное классическое решение, возможно, следует отнести к известному решению Герман фон Гельмгольц в 1868 г.^[7] В книге опубликованы первые выдающиеся исследования академического типа по теории кавитирующего течения со свободными границами и суперкавитации. Струи, следы и каверны^[8] с последующим Теория струй идеальной жидкости.^[9] В этих книгах широко использовалась развитая теория конформных отображений функций комплексного переменного, позволяющая получить большое количество точных решений плоских задач. В работе исследована еще одна площадка, сочетающая существующие точные решения с приближенными и эвристическими моделями. Гидродинамика течений со свободными границами.^[10] доработали применяемые методы расчета, основанные на принципе независимости от расширения полости, теории пульсаций и устойчивости вытянутых осесимметричных полостей и др.^[11] И в Методы размерности и подобия в задачах гидромеханики судов..^[12]

Естественное продолжение этих исследований было недавно представлено в Гидродинамика кавитирующих потоков.^[13] — энциклопедический труд, охватывающий все лучшие достижения в этой области за последние три десятилетия и сочетающий классические методы математических исследований с современными возможностями компьютерных технологий. Это разработка нелинейных численных методов решения задач трехмерной кавитации, уточнение известных плоских линейных теорий, развитие асимптотических теорий осесимметричных и почти осесимметричных течений и др. По сравнению с классическими подходами новое направление характеризуется расширением теории в трехмерные потоки. Это также отражает определенную корреляцию с текущими работами прикладного характера по гидродинамике суперкавитирующих тел.

Гидродинамическая кавитация также может улучшить некоторые производственные процессы. Например, кукурузная суспензия с кавитацией дает более высокие урожаи в этиловый спирт производство по сравнению с невкавитированной кукурузной суспензией на объектах сухого помола.^[14]

Это также используется при минерализации био-огнеупорных соединений, которые в противном случае потребовали бы чрезвычайно высоких температур и условий давления, поскольку в процессе образуются свободные радикалы из-за диссоциации паров, захваченных в кавитационных пузырьках, что приводит либо к усилению химическая реакция или может даже привести к развитию определенных реакций, невозможных в других условиях окружающей среды.^[15]

Приложения

Химическая инженерия

В промышленности кавитация часто используется для гомогенизировать, или смешать и разрушить взвешенные частицы в коллоидный жидкое соединение, такое как смеси красок или молоко. Многие промышленные смесительные машины основаны на этом принципе конструкции. Обычно это достигается за счет конструкции рабочего колеса или путем нагнетания смеси через кольцевое отверстие, которое имеет узкое входное отверстие с гораздо большим выходным отверстием. В последнем случае резкое снижение давления по мере того, как жидкость ускоряется в большем объеме, вызывает кавитацию. Этот метод можно контролировать с помощью гидравлический устройства, которые контролируют размер входного отверстия, позволяя динамически регулировать во время процесса или модифицировать для различных веществ. Поверхность смесительного клапана этого типа, о поверхность которой сталкиваются кавитационные пузырьки, вызывая их схлопывание, испытывает огромные механические и тепловые локальные нагрузки; поэтому они часто изготавливаются из сверхтвердых или жестких материалов, таких как нержавеющая сталь, Стеллит, или даже поликристаллический алмаз (PCD).

Кавитация очистка воды также были разработаны устройства, в которых экстремальные условия кавитации могут разрушать загрязнители и органические молекулы. Спектральный анализ света, излучаемого в сонохимические реакции раскрыть химические и плазменные механизмы передачи энергии. Свет, излучаемый кавитационными пузырьками, называется сонолюминесценция.

Использование этой технологии было успешно опробовано при щелочной очистке растительных масел.^[16]

Гидрофобные химические вещества притягиваются под водой кавитацией, поскольку разница давлений между пузырьками и жидкой водой заставляет их соединяться. Этот эффект может помочь в сворачивание белка.^[17]

Биомедицинские

Кавитация играет важную роль в разрушении камни в почках в ударно-волновая литотрипсия.^[18] В настоящее время проводятся испытания на предмет того, можно ли использовать кавитацию для переноса больших молекул в биологические клетки (сонопорация). Кавитация азота — это метод, используемый в исследованиях для лизировать клеточные мембраны, оставляя органеллы нетронутыми.

Кавитация играет ключевую роль в нетепловом, неинвазивном фракционировании тканей для лечения различных заболеваний.^[19] и может использоваться для открытия гематоэнцефалический барьер для увеличения поглощения неврологических препаратов в головном мозге.^[20]

Кавитация также играет роль в HIFU, методика термического неинвазивного лечения рак.^[21]

В ранах, вызванных высокоскоростными ударами (например, пулевые ранения), также есть эффекты из-за кавитации. Точные механизмы ранения еще полностью не изучены, так как существует временная кавитация и постоянная кавитация вместе с дроблением, разрывом и растяжением. Кроме того, большая разница в плотности внутри тела затрудняет определение его последствий.^[22]

Иногда ультразвук используется для увеличения костеобразования, например, в послеоперационном периоде.^[23]

Было высказано предположение, что звук «хрустящие» суставы происходит из-за коллапса кавитации в синовиальной жидкости сустава.^[24]

Уборка

При промышленной очистке кавитация обладает достаточной мощностью, чтобы преодолеть силы адгезии частиц к субстрату, разрыхляя загрязнения. Пороговое давление, необходимое для инициирования кавитации, сильно зависит от ширины импульса и потребляемой мощности. Этот метод работает путем создания акустической кавитации в очищающей жидкости, улавливания и уноса загрязняющих частиц в надежде, что они не прикрепятся к очищаемому материалу (что возможно, когда объект погружен, например, в ванну для ультразвуковой очистки. ). Те же физические силы, которые удаляют загрязнения, также могут повредить очищаемую цель.

Еда и напитки

Яйца

Кавитация применялась для пастеризации яиц. Ротор с заполненными отверстиями создает кавитационные пузырьки, нагревая жидкость изнутри. Поверхности оборудования остаются более холодными, чем проходящая жидкость, поэтому яйца не затвердевают, как на горячих поверхностях старого оборудования. Интенсивность кавитации можно регулировать, что позволяет настроить процесс для минимального повреждения белка.^[25]

Кавитационные повреждения

Кавитация во многих случаях является нежелательным явлением. В таких устройствах, как пропеллеры и насосыкавитация вызывает сильный шум, повреждение компонентов, вибрацию и снижение эффективности. Кавитация также стала проблемой в секторе возобновляемых источников энергии, поскольку она может возникать на поверхности лезвия турбины приливных потоков.^[26]

Когда кавитационные пузырьки схлопываются, они выталкивают энергичную жидкость в очень малые объемы, тем самым создавая точки с высокой температурой и испуская ударные волны, последние из которых являются источником шума. Шум, создаваемый кавитацией, представляет особую проблему для военных. подводные лодки, так как это увеличивает шансы быть обнаруженным пассивный сонар.

Хотя схлопывание небольшой полости — событие с относительно низкой энергией, сильно локализованные коллапсы могут со временем разрушить металлы, такие как сталь.^[27] Точечная коррозия, вызванная разрушением полостей, приводит к сильному износу компонентов и может значительно сократить срок службы гребного винта или насоса.

После того, как поверхность изначально подверглась кавитации, она имеет тенденцию к ускоренному разрушению. Кавитационные ямы увеличивают турбулентность поток жидкости и создают щели, которые действуют как места зарождения дополнительных кавитационных пузырьков. Ямки также увеличивают площадь поверхности компонентов и оставляют после себя остаточные напряжения. Это делает поверхность более склонной к коррозия под напряжением.^[28]

Насосы и пропеллеры

Основные места, где возникает кавитация, — это насосы, гребные винты или ограничения в текущей жидкости.

Когда лопасти рабочего колеса (в насосе) или гребного винта (как в случае корабля или подводной лодки) движутся через жидкость, образуются области низкого давления, когда жидкость ускоряется вокруг и движется мимо лопастей. Чем быстрее движется лезвие, тем меньше давление вокруг него. Когда он достигает давление газа, жидкость испаряется и образует небольшие пузыри газа. Это кавитация. Когда пузырьки схлопываются позже, они обычно вызывают очень сильные локальные ударные волны в жидкости, которые могут быть слышны и могут даже повредить лопасти.

Кавитация в насосах может происходить в двух разных формах:

Всасывающая кавитация

Всасывание Кавитация возникает, когда всасывание насоса находится в условиях низкого давления / высокого вакуума, когда жидкость превращается в пар у проушины рабочего колеса насоса. Этот пар переносится на нагнетательную сторону насоса, где он больше не видит вакуума и сжимается обратно в жидкость под действием давления нагнетания. Это взрывное действие происходит с большой силой и воздействует на поверхность рабочего колеса. Рабочее колесо, которое работало в условиях всасывающей кавитации, может иметь большие куски материала, удаленные с его поверхности, или очень маленькие кусочки материала, из-за чего рабочее колесо может выглядеть губчатым. Оба случая приведут к преждевременному выходу насоса из строя, часто из-за выхода из строя подшипника. Всасывающая кавитация часто определяется по звуку гравия или мрамора в корпусе насоса.

Распространенные причины кавитации на всасывании могут включать засорение фильтров, закупорку труб на стороне всасывания, плохую конструкцию трубопроводов, работу насоса слишком далеко вправо по кривой насоса или условия, не отвечающие требованиям NPSH (чистый положительный напор на всасывании).^[29]

В автомобильной промышленности забитый фильтр в гидравлической системе (гидроусилитель руля, гидроусилитель тормозов) может вызвать кавитацию на всасывании, создающую шум, который нарастает и падает синхронно с частотой вращения двигателя. Довольно часто это пронзительный вой, как будто нейлоновые шестерни неправильно зацепляются.

Кавитация разряда

Кавитация нагнетания возникает, когда давление нагнетания насоса чрезвычайно велико, обычно это происходит в насосе, который работает на уровне менее 10% от точки наилучшего КПД. Высокое давление нагнетания заставляет большую часть жидкости циркулировать внутри насоса, а не вытекать из нагнетания. Когда жидкость обтекает крыльчатку, она должна проходить через небольшой зазор между крыльчаткой и корпусом насоса с чрезвычайно высокой скоростью потока. Эта скорость потока вызывает возникновение вакуума у ​​стенки корпуса (аналогично тому, что происходит в Вентури), который превращает жидкость в пар. Насос, работавший в этих условиях, показывает преждевременный износ наконечников лопастей рабочего колеса и корпуса насоса. Кроме того, из-за условий высокого давления можно ожидать преждевременного выхода из строя механического уплотнения и подшипников насоса. В экстремальных условиях это может привести к поломке вала рабочего колеса.

Считается, что разрядная кавитация в суставной жидкости вызывает хлопок, производимый костью. совместное растрескивание, например, намеренно хрустнув костяшками пальцев.

Решения для кавитации

Поскольку всем насосам требуется хорошо развитый входной поток для реализации своего потенциала, насос может не работать или быть таким надежным, как ожидалось, из-за неправильной компоновки всасывающего трубопровода, например, изгиба на входном фланце. Когда слабо развитый поток попадает в рабочее колесо насоса, он ударяется о лопатки и не может следовать за проходом рабочего колеса. Затем жидкость отделяется от лопаток, вызывая механические проблемы из-за кавитации, вибрации и проблемы с производительностью из-за турбулентности и плохого заполнения крыльчатки. Это приводит к преждевременному выходу из строя уплотнения, подшипника и рабочего колеса, высоким затратам на техническое обслуживание, высокому энергопотреблению и меньшему напору и / или расходу.

Чтобы иметь хорошо развитую схему потока, в руководствах производителей насосов рекомендуется проложить прямой участок трубы (10 диаметров?) Перед входным фланцем насоса. К сожалению, проектировщики трубопроводов и персонал предприятия вынуждены мириться с ограничениями по пространству и расположению оборудования и обычно не могут выполнить эту рекомендацию. Вместо этого обычно используют колено, плотно соединенное со всасывающим патрубком насоса, что создает плохо развитую структуру потока на всасывании насоса.^[30]

Если насос двойного всасывания привязан к колену с моноблочной муфтой, распределение потока по рабочему колесу является плохим, что приводит к снижению надежности и производительности. Локоть делит поток неравномерно, больше направляется к внешней стороне локтя. Следовательно, одна сторона крыльчатки двойного всасывания получает больший поток при более высокой скорости потока и давлении, в то время как сторона с ограниченным объемом принимает сильно турбулентный и потенциально опасный поток. Это ухудшает общую производительность насоса (напор, расход и потребляемую мощность) и вызывает осевой дисбаланс, который сокращает срок службы уплотнения, подшипников и рабочего колеса.^[31]Чтобы преодолеть кавитацию: увеличьте давление всасывания, если возможно. Уменьшите температуру жидкости, если возможно. Дросселируйте нагнетательный клапан, чтобы уменьшить расход. Стравите газы из корпуса насоса.

Регулирующие клапаны

Кавитация может возникнуть в регулирующие клапаны.^[32] Если фактическое падение давления на клапане, определяемое давлениями на входе и выходе в системе, больше, чем позволяют расчет размеров, может произойти мгновенное падение давления или кавитация. Переход из жидкого состояния в парообразное происходит в результате увеличения скорости потока в точке наибольшего ограничения потока или сразу после него, которым обычно является отверстие клапана. Чтобы поддерживать постоянный поток жидкости через клапан, скорость потока должна быть наибольшей в контракте вены или в точке, где площадь поперечного сечения наименьшая. Это увеличение скорости потока сопровождается существенным уменьшением давления жидкости, которое частично восстанавливается ниже по потоку, когда площадь увеличивается, а скорость потока уменьшается. Это восстановление давления никогда не бывает полностью до уровня давления на входе. Если давление в сокращенной вене падает ниже давления пара жидкости, в потоке образуются пузырьки. Если после клапана давление восстанавливается до давления, которое снова превышает давление пара, пузырьки пара схлопываются и возникает кавитация.

Водосбросы

Когда вода течет через плотину водосброс, неровности на поверхности водосброса вызовут небольшие участки отрыва потока при высокоскоростном потоке, и в этих областях давление будет снижено. Если скорости потока достаточно высоки, давление может упасть ниже местного давления пара воды, и образуются пузырьки пара. Когда они уносятся вниз по потоку в область высокого давления, пузырьки схлопываются, вызывая высокое давление и возможное кавитационное разрушение.

Экспериментальные исследования показывают, что повреждения на конкретный желоб и водосбросы туннелей могут начинаться при скорости чистого потока воды от 12 до 15 м / с (27 и 34 миль в час), а до скорости потока 20 м / с (45 миль в час) можно защитить поверхность за счет оптимизации границ, улучшения отделки поверхности или использования прочных материалов.^[33]

Когда в воде присутствует немного воздуха, полученная смесь становится сжимаемой, и это снижает высокое давление, вызванное схлопыванием пузырька.^[34] Если скорости потока около обратного водосброса достаточно высоки, необходимо установить аэраторы (или аэрационные устройства) для предотвращения кавитации. Несмотря на то, что они были установлены в течение нескольких лет, механизмы вовлечения воздуха в аэраторы и медленное движение воздуха от поверхности водосброса все еще остаются сложными.^{[35][36][37][38]}

Конструкция устройства аэрации водосброса основана на небольшом отклонении дна водосброса (или боковой стенки), таком как пандус, и смещение для отклонения потока с высокой скоростью потока от поверхности водосброса. В полости, образованной под покрывалом, создается локальное пониженное давление под покрывалом, за счет которого воздух всасывается в поток. Полная конструкция включает в себя отклоняющее устройство (аппарель, смещение) и систему подачи воздуха.

Двигатели

Некоторые большие дизельные двигатели страдают от кавитации из-за сильного сжатия и недостаточного размера цилиндр стены. Вибрации стенки цилиндра вызывают чередование низкого и высокого давления в охлаждающая жидкость к стенке цилиндра. В результате на стенке цилиндра появляется точечная коррозия, которая в конечном итоге позволяет охлаждающая жидкость просачиваться в цилиндр, а дымовые газы просачиваться в охлаждающую жидкость.

Предотвратить это можно с помощью химических добавок в охлаждающую жидкость, которые образуют защитный слой на стенке цилиндра. Этот слой подвергнется той же кавитации, но восстановится.Кроме того, регулируемое избыточное давление в системе охлаждения (регулируемое и поддерживаемое давлением пружины крышки заливной горловины охлаждающей жидкости) предотвращает образование кавитации.

Примерно с 1980-х годов появились новые модели меньшего размера. бензин двигатели также показали явления кавитации. Одним из ответов на потребность в более компактных и легких двигателях был меньший объем охлаждающей жидкости и, соответственно, более высокая скорость потока охлаждающей жидкости. Это привело к быстрым изменениям скорости потока и, следовательно, к быстрым изменениям статического давления в областях с высокой теплопередачей. Когда образовавшиеся пузырьки пара схлопывались о поверхность, они сначала разрушали защитные оксидные слои (литых алюминиевых материалов), а затем неоднократно повреждали вновь образованную поверхность, предотвращая действие некоторых типов ингибиторов коррозии (например, ингибиторов на силикатной основе). . Последней проблемой было влияние повышенной температуры материала на относительную электрохимическую реакционную способность основного металла и его легирующих компонентов. В результате образовались глубокие ямы, которые могли образоваться и проникнуть в головку двигателя в течение нескольких часов, когда двигатель работал с высокой нагрузкой и высокой скоростью. Этих эффектов можно в значительной степени избежать, используя органические ингибиторы коррозии или (предпочтительно) сконструировав головку двигателя таким образом, чтобы избежать определенных условий, вызывающих кавитацию.

В природе

Геология

Некоторые гипотезы^{[кем?][пример необходим]}относящийся к алмаз образования предполагают возможную роль кавитации, а именно кавитации в кимберлит трубы, обеспечивающие экстремальное давление, необходимое для изменения чистой углерод в редкие аллотроп это алмаз. Три самых громких звука из когда-либо записанных во время 1883 извержение Кракатау, есть сейчас^{[когда?]}понимаемый как взрывы трех огромных кавитационных пузырей, каждый из которых больше предыдущего, образовавшихся в горле вулкана. Поднимающаяся магма, наполненная растворенными газами и находящаяся под огромным давлением, натолкнулась на другую магму, которая легко сжималась, позволяя пузырям расти и объединяться.^[39][40]

Есть макроскопический белый ламели внутри кварца и других минералов в Богемский массив напоминающие волновые фронты, порожденные падением метеорита, согласно Гипотеза Райлиха.^[41][42][43] Гипотетические волновые фронты состоят из множества микрополостей. Их происхождение видно в физическом явлении ультразвуковой кавитации.

Сосудистые растения

Кавитация возникает в ксилема из сосудистые растения когда давление воды внутри ксилемы превышает атмосферное давление. В сок локально испаряется, так что либо элементы сосуда, либо трахеиды заполнены водяным паром. Растения способны восстанавливать кавитированную ксилему несколькими способами. Для растений менее 50 см давления корней может быть достаточно для повторного растворения пара. Более крупные растения направляют растворенные вещества в ксилему через лучевые клетки, или в трахеиды, через осмос через окаймленные ямы. Растворенные вещества притягивают воду, давление повышается, и пар может снова растворяться. На некоторых деревьях слышен звук кавитации, особенно летом, когда скорость эвапотранспирация самый высокий. Некоторым лиственным деревьям приходится сбрасывать листья осенью отчасти из-за того, что кавитация увеличивается при понижении температуры.^[44]

Распространение спор в растениях

Кавитация играет роль в механизмах распространения спор некоторых растений. В папоротникиНапример, спорангий папоротника действует как катапульта, запускающая споры в воздух. Фаза зарядки катапульты осуществляется за счет испарения воды из кольцо ячеек, что вызывает снижение давления. Когда отрицательное давление достигает примерно 9 МПавозникает кавитация. Это быстрое событие вызывает распространение спор из-за упругая энергия высвобождается кольцевой структурой. Начальное ускорение спор чрезвычайно велико — до 10⁵ раз гравитационное ускорение.^[45]

морская жизнь

Подобно тому, как кавитационные пузырьки образуются на быстро вращающемся гребном винте лодки, они могут также образовываться на хвостах и ​​плавниках водных животных. В первую очередь это происходит у поверхности океана, где давление воды в окружающей среде низкое.

Кавитация может ограничивать максимальную скорость плавания мощных плавающих животных, таких как дельфины и тунец.^[46] Дельфинам, возможно, придется ограничить свою скорость, потому что схлопывающиеся кавитационные пузыри на их хвосте болезненны. У тунца костлявые плавники без нервных окончаний, и он не чувствует боли от кавитации. Они замедляются, когда кавитационные пузырьки создают вокруг их ребер паровую пленку. На тунце были обнаружены повреждения, соответствующие кавитационным повреждениям.^[47]

Некоторые морские животные нашли способы использовать кавитацию в своих интересах при охоте на добычу. В пистолетная креветка щелкает специальным когтем, чтобы создать кавитацию, способную убить небольшую рыбу. В креветка-богомол (из сокрушитель разновидность) также использует кавитацию, чтобы оглушить, разбить или убить моллюсков, которыми он питается.^[48]

Акулы-молотилки используют «хлопки хвостом», чтобы ослабить свою маленькую добычу, и кавитационные пузыри поднимаются из вершины дуги хвоста.^[49][50]

Береговая эрозия

За последние полдесятилетия^{[когда?]} прибрежная эрозия в виде инерционной кавитации является общепринятой.^[51] Пузырьки набегающей волны проникают в трещины разрушаемого утеса. При изменении давления происходит декомпрессия некоторых паровых карманов, которые впоследствии взрываются. Результирующие пики давления могут разносить фракции породы.

История

Еще в 1754 году швейцарский математик Леонард Эйлер (1707–1783) размышляли о возможности кавитации.^[52] В 1859 г. английский математик Уильям Генри Безант (1828–1917) опубликовал решение проблемы динамики схлопывания сферической полости в жидкости, которое было представлено англо-ирландским математиком Джордж Стоукс (1819–1903) в качестве одной из задач сената Кембриджского университета и наездников на 1847 год.^[53][54][55] В 1894 году ирландский гидродинамик Осборн Рейнольдс (1842–1912) изучал образование и схлопывание пузырьков пара в кипящих жидкостях и в суженных трубках.^[56]

Период, термин кавитация впервые появился в 1895 году в статье Джон Исаак Торникрофт (1843–1928) и Сидни Уокер Барнаби (1855–1925), которым он был предложен британским инженером Робертом Эдмундом Фроудом (1846–1924), третьим сыном английского гидродинамика. Уильям Фроуд (1810–1879).^[57][58] Торникрофт и Барнаби были первыми исследователями, которые наблюдали кавитацию на тыльной стороне лопастей пропеллера.^[59]

В 1917 г. британский физик Лорд Рэйли (1842–1919) расширил работу Безанта, опубликовав математическую модель кавитации в несжимаемой жидкости (без учета поверхностного натяжения и вязкости), в которой он также определил давление в жидкости.^[60] Математические модели кавитации, разработанные британским инженером Стэнли Смитом Куком (1875–1952) и лордом Рэлеем, показали, что схлопывающиеся пузырьки пара могут создавать очень высокое давление, способное вызвать повреждения, которые наблюдались на гребных винтах судов. .^[61][62] Экспериментальные доказательства кавитации, вызывающей такое высокое давление, были первоначально собраны в 1952 г. Марком Харрисоном (специалистом по гидродинамике и акустиком из модельного бассейна Дэвида Тейлора ВМС США в Кардероке, штат Мэриленд, США), который использовал акустические методы, а в 1956 г. — Вернфридом Гютом (физиком). и акустик Геттигенского университета, Германия), который использовал оптические Шлирен фотография.^[63][64][65]

Высокоскоростная струя воздействия жидкости на неподвижную поверхность.

В 1944 году советские ученые Марк Иосифович Корнфельд (1908–1993) и Л. Суворов из Ленинградского физико-технического института (ныне Физико-технический институт им. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург, Россия) предложили, что во время кавитации пузырьки вблизи твердой поверхности не схлопываются симметрично; вместо этого на пузырьке в точке напротив твердой поверхности образуется ямка, которая превращается в струю жидкости. Эта струя жидкости повреждает твердую поверхность.^[66] Эта гипотеза была подтверждена в 1951 году теоретическими исследованиями Мориса Рэттрея младшего, докторанта Института Калифорнийский технологический институт.^[67] Гипотеза Корнфельда и Суворова была экспериментально подтверждена в 1961 году Чарльзом Ф. Науде и Альбертом Т. Эллисом, специалистами по гидродинамике из Калифорнийского технологического института.^[68]

Серия экспериментальных исследований распространения сильных ударная волна (УВ) в жидкости с пузырьками газа, что позволило установить основные закономерности процесса, механизм трансформации энергии УВ, затухания УВ и образования структуры, а также эксперименты по Анализ затухания волн в пузырьковых экранах с различными акустическими свойствами был начат пионерскими работами советского ученого проф.В.Ф. Минин в Институте гидродинамики (Новосибирск, Россия) в 1957–1960 гг., который исследовал также первую удобную модель экрана — последовательность чередующихся плоских одномерных слоев жидкости и газа.^[69] При экспериментальном исследовании динамики формы пульсирующих газовых полостей и взаимодействия УВ с пузырьковыми облаками в 1957–1960 гг. В.Ф. Минин обнаружил, что под действием УВ пузырек асимметрично схлопывается с образованием кумулятивной струи, которая образуется в процессе схлопывания и вызывает фрагментацию пузыря. ^{а б} Шипилов, С.Е .; Якубов В П (2018). «История технической защиты. 60 лет науке: к юбилею проф. В.Ф. Минина». IOP Conf. Серия: Материаловедение и инженерия.. IOP Publishing. 363 (12033): 012033. Bibcode:2018MS & E..363a2033S. Дои:10.1088 / 1757-899X / 363/1/012033.

дальнейшее чтение

• О кавитации в растениях см. Физиология растений Тайз и Зейгер.
• По вопросам кавитации в инженерной области посетите [1]
• Корнфельт, М. (1944). «О разрушающем действии кавитации». Журнал прикладной физики. 15 (6): 495–506. Bibcode:1944JAP …. 15..495K. Дои:10.1063/1.1707461.
• Для гидродинамической кавитации в области этанола посетите [2] и журнал производителей этанола: «Крошечные пузырьки, которые сделают вас счастливыми» [3]
• Барнетт, С. (1998). «Нетепловые проблемы: кавитация — ее природа, обнаружение и измерение;». Ультразвук в медицине и биологии. 24: S11 – S21. Дои:10.1016 / с0301-5629 (98) 00074-х.
• О кавитации на турбинах приливных потоков см. Бакленд, Ханна С; Мастерс, Ян; Орм, Джеймс А.С.; Бейкер, Тим (2013). «Возникновение кавитации и моделирование в теории импульса лопастных элементов для моделирования турбин с приливными потоками». Труды Института инженеров-механиков, часть A: Journal of Power and Energy. 227 (4): 479. Дои:10.1177/0957650913477093. S2CID 110248049.

внешняя ссылка

Искать кавитация в Викисловаре, бесплатном словаре.

Литературный обзор физика упругих растяжений ДНК

МИНИСТРЕСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московского ордена Трудового Красного Знамени Физико-технический институт (государственный университет) Кафедра молекулярной биофизики ФМБФ Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН Воробьев Евгений Александрович Характер ультразвукового воздействия на молекулу ДНК Квалификационная работа магистра Научный руководитель: д.ф-м.н. Нечипуренко Ю.Д. Соискатель: студент 045 группы Воробьев Е.А. Рецензент: д.ф-м.н. Полозов Р.В. Москва – 2006 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ 2 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 3 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 19 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 20 ВЫВОДЫ 30 ЛИТЕРАТУРА 31 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.Физика упругих растяжений ДНК. 1.1.Методы исследования упругих свойств молекулы ДНК. Упругие свойства двуспиральной молекулы ДНК исследуются различными методами, например, с помощью магнитных бусин [1], стеклянных игл [2], оптических ловушек [3,4] и атомно — силовой микроскопии [5,6]. Магнитные бусинки прикрепляют к концам молекул ДНК. Внешнее магнитное поле действует на бусинки, вызывая натяжение молекул. Использование такого «магнитного пинцета» позволяет достигать растягивающих напряжений в диапазоне 0,01  10 пН. Для получения нагрузок в интервале 0,1  100 пН можно использовать методику «оптического пинцета» [7,8]. Принцип работы пинцета заключается в том, что к исследуемому образцу прикрепляется бусинка, на которую фокусируется лазерный луч. Изменяя мощность лазерного пучка, можно регулировать силу светового давления на бусинку, а, следовательно, и натяжение исследуемой молекулы. Использование атомно-силовой микроскопии позволяет достичь натяжения молекул в диапазоне 10  10000 пиконьютонов (пН). Эксперименты по исследованию упругости двухцепочечной молекулы ДНК показали, что каждому диапазону сил соответствует своя природа и свой коэффициент упругих растяжений. Различают, по крайней мере, четыре различных типа поведения двухцепочечной молекулы ДНК в зависимости от величины силы натяжения. 1.2.Режимы упругих растяжений молекулы ДНК. 1.2.1.Энтропийная жесткость. Вследствие тепловых флуктуаций двухцепочечная молекула ДНК в растворе постоянно находится в «искривленном» состоянии. Это приводит к тому, что расстояние между концами молекулы ДНК меньше ее общей длины. Будем говорить, что макросостояние молекулы ДНК характеризуется расстоянием между концами молекулы, а микросостояние тем, как «искривлена» молекула ДНК. Таким образом, одно макросостояние может быть реализовано несколькими микросостояниями. Растягивание молекулы ДНК приводит к увеличению расстояния между концами молекулы, что уменьшает количество микросостояний, соответствующих одному макросостоянию. Такую жесткость молекулы ДНК называют энтропийной жесткостью, так как растяжение молекулы приводит к уменьшению ее энтропии. Для теоретического описания энтропийной жесткости ДНК используются две модели. В модели «свободно сочлененной цепи» полагается, что молекула ДНК состоит из независимо ориентированных сегментов, длина b которых определяется жесткостью молекулы. В модели «червеобразной цепи» молекула ДНК считается сгибаемым стержнем длины L, слабо искривленным вследствие тепловых флуктуаций. Для такого стержня можно ввести понятие персистентной длины P, т.е. расстояния, на котором наблюдается корреляция между начальным и конечным сегментами стержня. В математическом виде определение персистентной длины выглядит следующим образом: где: и – векторы нормали к элементу стержня, а s – расстояние между и . Соответственно, чем жестче молекула, тем больше величина P. Персистентная длина двухцепочечной молекулы ДНК в водно-солевом растворе составляет примерно 50 нм. Эксперименты по исследованию упругости молекулы ДНК показали границы применимости этих двух моделей. Оказалось, что модель свободно сочлененной цепи хорошо описывает поведение молекулы при нагрузках до 0,1 пН. Заметим, что модель червеобразной цепи может быть применена в более широком диапазоне сил 0,01 ÷ 10 пН. Рис 1. Экспериментальная и теоретически рассчитанные зависимости растяжения двухцепочечной молекулы ДНК, в растворе 10 мМ Na+, от внешней силы («x» – экспериментальные значения, кривые растяжения, рассчитанные при P = 53 нм по модели червеобразной цепи: «―», «―»; по модели, при b = 2P = 106 нм, свободно сочлененной цепи «―»; из закона Гука (3) «―») [9]. В работе [9] приведена формула расчета удлинения x в зависимости от длины молекулы L и действующей на нее силы F: где: kB – константа Больцмана, T – температура. При малой величине отношения x/L формула (2) переходит в закон Гука: Таким образом, двухцепочечная молекула ДНК ведет себя как линейная пружина с коэффициентом жесткости kДНК = 3kBT/2PL, обратно пропорциональным общей длине и персистентной длине молекулы. Двухцепочечная молекула ДНК длиной 104 нм имеет коэффициент жесткости приблизительно 10-5 пН/нм. Такое же выражение для коэффициента жесткости можно получить и в модели свободно сочлененной цепи [10], приняв размер сегмента равным b = 2P. 1.2.2.Внутренняя эластичность. Выше упоминалось, что предложенные модели не могут описать поведение молекулы ДНК при нагрузках выше 10 пН. Действительно, при увеличении нагрузок расстояние между концами молекулы ДНК данной длины становится больше расстояния между концами молекулы ДНК в В – форме. При таких нагрузках структура молекулы ДНК меняется, и основной вклад в жесткость молекулы уже не является энтропийным. Эксперименты, проделанные оптическим пинцетом [3,4], демонстрируют наличие упругих растяжений в интервале нагрузок 5 ÷ 50 пН. Полагая, что общая длина молекулы ДНК возрастает линейно с ростом приложенной силы, имеем: где: S – модуль растяжения молекулы. S составляет примерно 1000 пН в растворе 150 мМ Na+. Модуль растяжения упругого стержня связан с его персистентной длиной P соотношением: где r — радиус стержня. 1.2.3.B-S переход. Когда молекула ДНК испытывает нагрузки около 65 пН или больше, она резко меняет свою структуру, растягиваясь на 70% по сравнению с длиной в канонической B – форме [2,3]. Различные модели S – формы ДНК ждут своего экспериментального подтверждения. Переход из B в S форму происходит кооперативно и в очень узком диапазоне сил. S – форма стабильна в растворах с высокой концентрацией соли при нагрузках до 150 пН, а для поли G-C до 300 пН. При дальнейшем увеличении нагрузок поведение S – ДНК становится таким же, как у двух одноцепочечных молекул. Таким образом, S – ДНК разделяется на две нити, т.е. происходит ее плавление. Рис 2. Кривые растяжения двухцепочечной и одноцепочечной молекул ДНК. «―•―» — растяжение двухцепочечной молекулы ДНК, «– –» — расчетная кривая по уравнению (), «▲». «■», «○»– растяжение одноцепочечной молекулы ДНК в 2 мМ Na+, 5 мМ Мg2+ , 150 мМ Na+ соответственно [9]. 1.2.4.Разрыв ковалентных связей в молекуле ДНК. Какое же натяжение необходимо, чтобы разорвать ковалентные связи в молекуле ДНК? Теоретические оценки показывают, что данная сила должна превышать 5000 пН. Однако в экспериментах в движущемся потоке разрыв молекул ДНК происходил уже при 100-300 пН. Одиночные двухцепочечные молекулы ДНК, растянутые водным мениском, разрывались при 960 пН [11]. Короткие двухцепочечные молекулы ДНК в атомно-силовой микроскопии [12] выдерживали натяжение более 1700 пН. Весьма сложно установить истинное значение силы, необходимой для разрыва двухцепочечной молекулы ДНК, т.к. она оказывается зависящей от длины молекулы (количества связей) и свойств растворителя. У полисахаридных молекул в водном растворе сила, необходимая для их разрыва, была определена при помощи атомно-силовой микроскопии и составляет около 1000пН [13]. 1.3.Термодинамика ДНК. Модель «ближайших соседей» для описания термодинамики молекулы ДНК была впервые предложена в работах Зимма [14], Тиноко и соавторов [15-19]. В этой модели предполагается, что стабильность пары оснований зависит от ближайших соседствующих пар нуклеотидов и от их пространственной ориентации. В таблице 1 представлены 10 степов молекулы ДНК (т.е. степ AC/TG означает, что 5’ – AC – 3’ димер спарен с 3’ – TG – 5’). Различия между степами, расположенными внутри, и граничными, расположенными на концах олигонуклеотида, учитывается параметром, называемым инициацией. Последовательность H ккал/моль S кал/моль*K G ккал/моль AA/TT -7,6 -21,3 -1,79 AT/TA -7,2 -20,4 -1,63 TA/AT -7,2 -21,3 -1,39 CA/GT -8,5 -22,7 -2,30 GT/CA -8,4 -22,4 -2,28 CT/GA -7,8 -21,0 -2,07 GA/CT -8,2 -22,2 -2,14 CG/GC -10,6 -27,2 -3,17 GC/CG -9,8 -24,4 -3,14 GG/CC -8,0 -19,9 -2,57 Инициация 0,2 -5,7 1,76 Симметрия 0,38 Таблица 1. Термодинамические параметры молекулы ДНК, используемые для расчетов в рамках модели ближайших соседей. Будем считать, что суммарная свободная энергия олигонуклеотида (GОБЩ) вычисляется по формуле: где: GИН – параметр инициации, Gi – свободная энергия одного степа (G1 = G273(AA/TT), G2 = G273(TA/AT) и т. д.), ni – количество раз, которое встречается i-ый степ, GСИМ — добавка, равная +0,43 ккал/моль, если олигонуклеотид сам себе комплементарен, и, равная нулю, если олигонуклеотид сам себе не комплементарен. Заметим, что G273 легко рассчитать по формуле: где: H, S – энтальпия и энтропия образования димерного дуплекса, Т – температура в градусах кельвина, в данном случае Т = 273 K. Используя уравнение и данные таблицы, приведем пример расчета GОБЩ для олигонуклеотида CGTTGA  TCAACG.

Не все то кавитация, что шумит или Что же происходит на самом деле?

Кавитация в камере насоса явление, мягко говоря, не желательное. Последствия разрушительного действия тысяч микроскопических гидроударов на рабочие колеса насосов видны на Рис 1, 2. Процесс кавитации сопровождается характерным звуком, шипением с металлическим звоном.
 Рис 1                                                                                Рис 2

Но если вы слышите звук и думаете, что это кавитация, то это не всегда так. Вернемся к физике процесса.

Кавитация и как её избежать

Кавитация — это процесс образования и схлопывания пузырьков пара в движущейся жидкости. Причиной возникновения пузырьков является локальное снижение давления на всасывающей стороне насоса и часть воды там закипает.

Из курса физики известно, что температура кипения воды зависит от давления. При нормальном атмосферном давлении вода закипает при 100°С, а на высокогорных плато, где атмосфера разрежена и давление ниже, уже при 70°.

В приемной камере насоса давление может падать до нескольких процентов от атмосферного и часть воды закипает даже при температуре 7-10°С, с образованием множества микроскопических пузырьков пара. А при прохождении жидкости через рабочее колесо, давление резко возрастает, процесс кипения прекращается, пузырьки схлопываются. Процесс резкого схлопывания сопровождается ударной волной (гидроударом), которая и разрушает рабочие части насоса и вызывает характерный шум.

Чтобы не допустить возникновения кавитации производители насосов в характеристиках указывают параметр NPSH: Net Positive Suction Head – чистый гидравлический напор (кавитационный запас). Измеряется в метрах водяного столба.

По сути, он значит, что давление перекачиваемой жидкости на всасывающей стороне насоса не должно опускаться ниже указанного уровня NPSH.

На Рис 3 изображен образец графика кривой насоса. Для выбранной рабочей точки Q=16,2м3\ч; H=45,5м кавитационный запас составляет 1,4 метра.

Рис 3

Чтобы оценить склонность системы к возникновению кавитации нужно сравнить реальное давление на всасывающей стороне (маркируется NPSHa) с данными от производителя (паспортным NPSH, в нашем примере =1,4 м, его еще маркируют NPSHr). Для стабильной работы насоса рекомендуется, чтобы уровень NPSHa был больше NPSHr минимум на 0,5м – в нашем примере NPSHa должен быть не меньше 1,4+0,5=1,9 метра.

Проще всего измерить уровень NPSHa с помощью манометра, установленного на всасывающей стороне перед насосом.

Но сделать это не всегда возможно, поэтому приводим несколько формул для расчета уровня NPSHa, для самых распространенных вариантов. Эскизы и формулы также полезны для понимания физики процесса.
 Рис 4                                                                                                 Рис 5

Где:

Pb = атмосферное давление, в метрах;

Vp = Давление насыщенных паров жидкости при максимальной рабочей температуре жидкости, в метрах;

P = Давление на поверхности жидкости в закрытой емкости, в метрах;

Ls = Максимальная высота всасывания, в метрах;

Lh =Максимальная высота подпора, в метрах;

Hf = Потери на трение во всасывающем трубопроводе при требуемой производительности насоса, в метрах.

Рис 6                                                                                          Рис 7

Воздухововлечение — что это и чем грозит

Но похожий звук могут давать и растворенный в воде воздух, который тоже образовывает пузырьки при падении давления. Вреда от этих пузырьков существенно меньше, так как они не могут так резко схлопнуться, чтобы образовать ударную волну.

Но если воздуха в воде будет слишком много, а так бывает если идет подсос через трещину в трубе или повреждение фланцевых уплотнений, то в рабочей камере насоса может образоваться «воздушный замок» и движение жидкости останавливается. Насос все же не компрессор и протолкнуть воздушную пробку не может, и в результате перестает качать. Давление на выходе падает, и хорошо, если насос отключит система защиты от сухого хода. Иначе насос выйдет из строя.

Но даже если воздуха в жидкости недостаточно чтобы образовать воздушную пробку и остановить поток, эта «гремучая смесь» вызывает вибрацию, которая вредит подшипниками и торцевым уплотнениям, а шум легко спутать с кавитацией.

Эта проблема чаще присуща самовсасывающим системам (см. Рис. 4, 6). Давление на всасывающей стороне у них ниже атмосферного и, если погруженный в емкость патрубок оказывается слишком близко к поверхности, он засасывает водно-воздушную смесь, которая и вызывает вышеописанные проблемы.

Чтобы рассчитать минимально необходимую глубину погружение патрубка существует множество формул главными переменными, в которых являются размер (производительность) насоса и скорость движения жидкости во всасывающем трубопроводе. Но по опыту эксплуатации и эмпирическим данным известно, что:

• для маломощных самовсасывающих насосов – минимальный уровень погружения патрубка – 1 метр;
• для больших насосов – уровень погружения патрубка не менее 3 метров.

Вихри и водовороты в области заборного патрубка

Бывают ситуации, когда выдержать требования по глубине погружения или скорости движения жидкости через водозаборный патрубок невозможно. В таких случаях есть опасность образования водных вихрей (водоворотов) в районе всасывающего патрубка. Структура формирования вихря показана на Рис 8.

 Рис 8

Закручивающийся водный поток образует «хобот», который затягивает воздух во всасывающий патрубок. К чему это может привести описано в предыдущем пункте.

А если сам «хобот» вихря поднимется по трубе в камеру насоса, то перед тем как он будет «разрублен» рабочим колесом, вал, само колесо и подшипниковые узлы испытывают значительные динамические нагрузки, и вибрацию. Тем более, что сам по себе водяной вихрь нестабилен, и его конец «гуляет» по радиусу рабочего колеса.

Эффективно противостоять возникновению вихря внутри всасывающего патрубка помогает раструб (колокол) на конце трубопровода, диаметр которого в 1,3 раза больше диаметра основной всасывающей трубы, см. Рис. 9. Кромка колокола разрубает «хобот» водоворота и не дает ему подняться в трубу.

Рис 9

Если раструба недостаточно специалисты рекомендуют также вертикальные перегородки вокруг труб, похожие на ракетные стабилизаторы.

На Рис 10, 11 изображены крайне нежелательные варианты взаимного расположения труб, которые увеличивают опасность возникновение вихрей во всасывающем трубопроводе.
 Рис 10                                                                                                 Рис 11

Если конструкция и размеры резервуара не позволяют максимально удалить всасывающие и напорные трубопроводы друг от друга, специалисты-гидротехники рекомендуют устанавливать между ними перегородку, которая будет разрушать вихревые потоки.

Надеемся материал статьи был для вас полезен, если есть дополнительные вопросы по подбору и эксплуатации насосного оборудования, звоните нам +38 (044) 587-78-30. Наш технический отдел всегда к вашим услугам.

Поделитесь статьей в соц сетях с Вашими коллегами, которым важно знать такие факты.

Спросите физика: Введение в кавитацию

Талита из Австралии пишет:
Мой парень настаивает на том, что если что-то быстро движется под водой, вода не сможет двигаться за объектом с той же скоростью и создаст воздушный пузырь. Мне это кажется неправильным — пожалуйста, помогите!

Talitha,
Итак, вот в чем дело: ваш парень почти прав, но это не совсем воздушный пузырь — процесс, который он описывает, называется кавитация , название происходит от слова «полость».

Вы когда-нибудь видели направления приготовления, которые нужно отрегулировать для разной высоты? Температура, при которой вода закипает, зависит от давления вокруг нее. Вы можете представить себе, как все отдельные молекулы воды в кружке чая сталкиваются друг с другом, отталкиваясь друг от друга благодаря своим отрицательно заряженным электронным оболочкам — они хотят уйти друг от друга как можно дальше. Однако помните, что здесь, на поверхности Земли, на молекулы воды в вашей кружке чая лежит огромный груз — мы практически на дне воздушного океана, и все это давление воздуха удерживает воду. молекулы сжались в чашке.Однако чем выше вы поднимаетесь, тем меньше давление воздуха, и в результате молекулам требуется меньше энергии, чтобы освободиться от объема воды, а это означает, что она может закипать при более низкой температуре. В этом видео парень на самом деле доводит воду до кипения до комнатной температуры, просто подключив ее к вакуумному насосу и вытягивая весь воздух!

Теперь предположим, что подводная лодка мчится по воде с огромной скоростью. По мере продвижения он сбивает с пути все молекулы перед собой.Как только он проходит, эти молекулы должны устремиться обратно, чтобы заполнить пространство, где находилась подводная лодка, и этот процесс действительно занимает определенное время. В результате объекты, быстро движущиеся через любую жидкость (воздух, воду и т. Д.), Создают на своем пути зону низкого давления. В некоторых случаях давление в этой зоне становится достаточно низким, чтобы вода могла «вскипеть» и образовать полость — пространство, которое в основном является вакуумом, но с несколькими молекулами водяного пара в нем. Это кавитация. Эта полость обычно очень быстро захлопывается — и когда это произойдет, будьте осторожны! Температура кавитации может достигать 8000 ° C в момент обрушения, создавая крошечную, но интенсивную ударную волну.Вы можете подумать, что такое случается только с истребителями или другими установщиками рекордов скорости, но на самом деле это серьезная проблема в судоходной отрасли: когда гребные винты корабля вращаются под водой, они часто движутся настолько быстро, что создают крошечные полости вокруг них, процесс, который в конечном итоге изнашивает их до тех пор, пока они не потребуют замены.

Пропеллер, создающий полости на своем следе. Изображение предоставлено: ВМС США, общественное достояние.

Хотя для того, чтобы вызвать кавитацию, требуется серьезная скорость, искусственные объекты — не единственное, что для этого достаточно мощно. Есть животное, называемое креветкой-богомолом, которое на самом деле использует кавитацию для самообороны и для охоты на свою добычу. У креветки-богомола необычайно мощный коготь, который работает немного как катапульта — креветка полностью раскрывает его, создавая необычайное напряжение. Затем, когда он готов, он снимает это напряжение, и коготь с криком закрывается в воде с невероятной скоростью — достаточно быстро, чтобы вода вокруг него не успевала среагировать.Внезапное движение его когтя создает впадину, а когда она разрушается, она создает в воде ударную волну, достаточно мощную, чтобы оглушить ближайшую рыбу или даже расколоть раковину моллюска после нескольких попыток.

Мощный коготь креветки-богомола ясно виден, создавая кавитационные пузыри на 1:58

. Но не только могучие креветки-богомолы могут создавать кавитационные пузыри — вы тоже можете! Это видео от YouTube знаменитостей The Slow Mo Guys показывает, как использовать кавитацию для удивительного трюка на вечеринке:

Возьмите перчатки и очки (возможно, под присмотром взрослых) и попробуйте.Теперь, когда вы знаете его физику, вы можете дважды взорвать умы своих друзей — один раз трюком, а второй — объяснением! (Если вы используете стеклянную бутылку из-под газировки или пивную бутылку, рекомендуется сначала вылить ее и снова наполнить водой. Догадываетесь, почему?)

— Стивен Сколник Термодинамика

— Что происходит во время кавитации?

Кавитация возникает, когда локальное давление в какой-либо точке жидкости падает ниже давления пара жидкости. В промышленных условиях этот эффект иногда наблюдается в рабочих колесах центробежных насосов, где жидкость, попадающая в «проушину» рабочего колеса, испытывает резкое падение давления, поскольку жидкость ускоряется через рабочее колесо и скорость жидкости быстро увеличивается (т.е., согласно уравнению Бернулли). Получающееся в результате низкое давление вызывает образование небольших пузырьков пара.

Пузырьки пара, образующиеся в результате кавитации, имеют очень короткий срок службы, потому что когда жидкость протекает через рабочее колесо насоса, ее давление быстро повышается, поскольку она толкается к корпусу насоса, прежде чем она будет вытеснена из напорного патрубка насоса. Это внезапное повышение давления вызывает резкое схлопывание кавитационных пузырьков, создавая при этом крошечную ударную волну. Если это схлопывание происходит на поверхности корпуса насоса, это приводит к образованию крошечной ямы, поскольку ударная волна отталкивает крошечный кусочек металла.Продолжение работы в этих условиях приведет к образованию язвенной коррозии, достаточной для разрушения оборудования.

Другие условия также могут привести к кавитации. Если достаточная плотность мощности ультразвуковых звуковых волн вводится в жидкость, такую ​​как вода, точки низкого давления в продольной звуковой волне создадут кавитационные пузырьки, которые схлопнутся через очень короткое время, когда пройдет часть высокого давления продольной звуковой волны. пузырь. Это часто приводит к достаточно высоким температурам, чтобы вызвать сонолюминесценцию (см. Https: // en.wikipedia.org/wiki/Sonoluminescence). Температура, создаваемая во время сонолюминесценции, действительно может быть чрезвычайно высокой, как указано в статье в Википедии.

Что касается предотвращения кавитации в водяных насосах, можно внести несколько изменений в процесс:

1) Уменьшите температуру жидкости на входе в насос. Это снизит давление пара жидкости, а это означает, что давление, при котором возникает кавитация, будет ниже и, надеюсь, ниже самого низкого давления, которое жидкость испытывает в корпусе насоса.Это изменение может быть реализовано путем изменения технологического процесса перед насосом, подачи непрерывного потока холодной воды на впускной трубопровод насоса и корпуса насоса, установки небольшого теплообменника на всасывающем трубопроводе насоса и т. Д.

2) Увеличьте давление всасывания насоса. Это действие увеличит давление в корпусе насоса и, как мы надеемся, увеличит минимальное давление в корпусе насоса выше давления кавитации.

3) Купите следующий насос большего размера, чтобы снизить скорость всасывающего трубопровода и корпуса насоса, чтобы мгновенный перепад давления в корпусе насоса не был достаточно большим для образования катализатора.

4) Поговорите с поставщиком насоса и попробуйте указать насос, в котором кавитация происходит полностью в объеме жидкости, где она не может удариться о какие-либо металлические поверхности и, следовательно, не может причинить никакого вреда.

Зарождение зародышей, картирование и контроль кавитации для доставки лекарств

1.

Лозе, Д., Шмитц, Б. и Верслуис, М. Щелкающие креветки образуют мигающие пузыри. Nature 413 , 477–478 (2001).

ADS Статья Google ученый

2.

Suslick, K. S. Sonochemistry. Наука 247 , 1439–1445 (1990).

ADS Статья Google ученый

3.

Митраготри, С. Исцеляющий звук: использование ультразвука для доставки лекарств и других терапевтических применений. Нац. Rev. Drug Discov. 4 , 255–260 (2005).

Артикул Google ученый

4.

Lehmann, J.Ф. и Херрик, Дж. Ф. Биологические реакции на кавитацию, необходимость ультразвуковой терапии. Arch. Phys. Med. Rehabil. 34 , 86–98 (1953).

Google ученый

5.

Нюборг, В. Л. Биологические эффекты ультразвука: разработка рекомендаций по безопасности. Часть II: общий обзор. Ultrasound Med. Биол. 27 , 301–333 (2001).

Артикул Google ученый

6.

Crum, L. A. Кавитационные микроструи как способствующий механизм распада почечных камней при ESWL. J. Urol. 140 , 1587–1590 (1988).

Артикул Google ученый

7.

Кеннеди, Дж. Э. Сфокусированный ультразвук высокой интенсивности в лечении солидных опухолей. Нац. Rev. Cancer 5 , 321–327 (2005).

Артикул Google ученый

8.

Fechheimer, M. et al. Трансфекция клеток млекопитающих плазмидной ДНК путем загрузки соскоба и загрузки ультразвуком. Proc. Natl Acad. Sci. США 84 , 8463–8467 (1987).

ADS Статья Google ученый

9.

МакДаннольд, Н., Выходцева, Н. и Хайнинен, К. Целевое нарушение гематоэнцефалического барьера с помощью сфокусированного ультразвука: связь с кавитационной активностью. Phys. Med. Биол. 51 , 793–807 (2006).

Артикул Google ученый

10.

Лангер Р. Доставка лекарств и нацеливание. Nature 392 (Приложение), 5–10 (1998).

Google ученый

11.

Husseini, G. A. & Pitt, W. G. Мицеллы и наночастицы для ультразвуковой доставки лекарств и генов. Adv. Препарат Делив. Ред. 60 , 1137–1152 (2008).

Артикул Google ученый

12.

Evjen, T. J. et al. Мониторинг in vivo высвобождения липосом в опухолях после ультразвуковой стимуляции. евро. J. Pharm. Биофарм. 84 , 526–531 (2013).

Артикул Google ученый

13.

Graham, S.M. et al. Инерционная кавитация для неинвазивного запуска и мониторинга внутриопухолевого высвобождения лекарственного средства из липосом, введенных внутривенно. J. Control. Выпуск 178 , 101–107 (2014).

Артикул Google ученый

14.

Колб Дж. И Найборг У. Л. Мелкомасштабные акустические потоки в жидкостях. J. Acoust. Soc. Являюсь. 28 , 1237–1242 (1956).

ADS Статья Google ученый

15.

Нюборг, В. Л. Акустические потоки около границы. J. Acoust. Soc. Являюсь. 30 , 329–339 (1958).

ADS MathSciNet Статья Google ученый

16.

Elder, S. & Nyborg, W. L. Акустический поток, возникающий из резонирующего пузыря. J. Acoust. Soc. Являюсь. 28 , 155–155 (1956).

Артикул Google ученый

17.

Marmottant, P. & Hilgenfeldt, S. Контролируемая деформация и лизис пузырьков с помощью одиночных колеблющихся пузырьков. Природа 423 , 153–156 (2003).

ADS Статья Google ученый

18.

Jia, C. et al. Генерация активных форм кислорода в гетерогенно сонопорированных клетках микропузырьками с помощью одноимпульсного ультразвука. Ultrasound Med. Биол. 44 , 1074–1085 (2018).

Артикул Google ученый

19.

Nce, A. О механизме кавитационного разрушения полусферическими полостями, схлопывающимися при контакте с твердой границей. J. Basic Eng. 83 , 648–656 (1961).

Артикул Google ученый

20.

Бенджамин, Т. Б. и Эллис, А. Т. Коллапс кавитационных пузырьков и создаваемое ими давление на твердых границах. Фил. Пер. R. Soc. Лондон. А 260 , 221–240 (1966).

ADS Статья Google ученый

21.

Enayati, M., Al Mohazey, D., Edirisinghe, M. & Stride, E. Стимулированное ультразвуком высвобождение лекарства из полимерных микро- и наночастиц. Биоинспир. Биомим. Нанобиоматер. 2 , 3–10 (2013).

Артикул Google ученый

22.

Ахмед, С. Э., Мартинс, А. М. и Хусейни, Г. А. Использование ультразвука для высвобождения химиотерапевтических препаратов из мицелл и липосом. J. Drug Target. 23 , 16–42 (2015).

Артикул Google ученый

23.

Hilgenfeldt, S., Лозе, Д. и Зомак, М. Реакция пузырьков на диагностический ультразвук: объединяющий теоретический подход. евро. Phys. J. B 4 , 247–255 (1998).

ADS Статья Google ученый

24.

Холт, Р. Г. и Рой, Р. А. Измерения нагрева пузырьков от сфокусированного ультразвука с частотой МГц в материале, имитирующем ткань. Ultrasound Med. Биол. 27 , 1399–1412 (2001).

Артикул Google ученый

25.

Хильгенфельдт, С. и Лозе, Д. Акустика диагностических микропузырьков: диссипативные эффекты и отложение тепла. Ультразвук 38 , 99–104 (2000).

Артикул Google ученый

26.

Hilgenfeldt, S., Lohse, D. & Zomack, M. Рассеяние звука и локализованное тепловыделение микропузырьков, управляемых импульсами. J. Acoust. Soc. Являюсь. 107 , 3530–3539 (2000).

ADS Статья Google ученый

27.

Юдина А. и др. Внутриклеточная доставка лекарств с помощью ультразвука с использованием микропузырьков и термочувствительных липосом. J. Control. Выпуск 155 , 442–448 (2011).

Артикул Google ученый

28.

Coussios, C.К. и Рой, Р. А. Применение акустики и кавитации в неинвазивной терапии и доставке лекарств. Annu. Rev. Fluid Mech. 40 , 395–420 (2008).

ADS MathSciNet МАТЕМАТИКА Статья Google ученый

29.

Бадер, К. Б., Грубер, М. Дж. И Холланд, К. К. Встряхивание и перемешивание: механизмы усиленного ультразвуком тромболизиса. Ultrasound Med. Биол. 41 , 187–196 (2015).

Артикул Google ученый

30.

Миллер Д. Л., Томас Р. М. и Уильямс А. Р. Механизмы гемолиза с помощью ультразвуковой кавитации во вращающейся экспонирующей системе. Ultrasound Med. Биол. 17 , 171–178 (1991).

Артикул Google ученый

31.

Просперетти А. Тепловые эффекты и механизмы демпфирования при вынужденных радиальных колебаниях газовых пузырьков в жидкостях. J. Acoust. Soc. Являюсь. 61 , 17–27 (1977).

ADS Статья Google ученый

32.

Флинт, Э. Б. и Суслик, К. С. Температура кавитации. Наука 253 , 1397–1399 (1991).

ADS Статья Google ученый

33.

Винтерборн, К. С. Согласование химии и биологии активных форм кислорода. Нац. Chem. Биол. 4 , 278–286 (2008).

Артикул Google ученый

34.

Кудо, Н. и Киношита, Ю. Влияние жесткости каркаса клеточной культуры на повреждение клеточной мембраны, вызванное сонопорацией. J. Med. Ультразвуковой. 41 , 411–420 (2014).

Артикул Google ученый

35.

McEwan, C. et al. Комбинированная сонодинамическая и антиметаболитная терапия для улучшенного лечения рака поджелудочной железы с использованием микропузырьков, нагруженных кислородом, в качестве средства доставки. Биоматериалы 80 , 20–32 (2016).

Артикул Google ученый

36.

Lee, J. Y. et al. Усиленная ультразвуком доставка миРНК с использованием нанокапель хитозан-дезоксихолевой кислоты, нагруженных магнитными наночастицами. Adv. Здоровьеc. Mater . 6 , 1601246 (2017).

Артикул Google ученый

37.

Розенталь, И., Сотарик, Дж.З. и Рис, П. Сонодинамическая терапия — обзор синергетических эффектов лекарств и ультразвука. Ультрасон. Sonochem. 11 , 349–363 (2004).

Google ученый

38.

Bohmer, M. R. et al. Сфокусированный ультразвук и микропузырьки для усиления экстравазации. J. Control. Выпуск 148 , 18–24 (2010).

Артикул Google ученый

39.

Carlisle, R. & Coussios, C.-C. Механические подходы к доставке онкологических препаратов. Ther. Deliv. 4 , 1213–1215 (2013).

Артикул Google ученый

40.

Арванитис, К. Д., Базан-Перегрино, М., Рифаи, Б., Сеймур, Л. В. и Кусиос, К. С. Экстравазация с усилением кавитации для доставки лекарств. Ultrasound Med. Биол. 37 , 1838–1852 (2011).

Артикул Google ученый

41.

Carlisle, R. et al. Повышенное поглощение опухолью и проникновение виротерапии с использованием полимерного стеллинга и сфокусированного ультразвука. J. Natl Cancer Inst. 105 , 1701–1710 (2013).

Артикул Google ученый

42.

Рифаи Б., Арванитис К. Д., Базан-Перегрино М. и Кусиос С. С. Доставка макромолекул в закупоренный сосуд с усилением кавитации. J. Acoust. Soc. Являюсь. 128 , El310 – El315 (2010).

ADS Статья Google ученый

43.

van Wamel, A. et al. Вибрирующие микропузырьки протыкают отдельные клетки: перенос лекарства в клетки посредством сонопорации. J. Control. Выпуск 112 , 149–155 (2006).

Артикул Google ученый

44.

Кудо, Н. Высокоскоростная система наблюдения in situ для сонопорации клеток с микропузырьками, контролируемыми размером и положением. IEEE Trans. Ультразвуковой. Сегнетоэлектр. Freq. Контроль 64 , 273–280 (2017).

Артикул Google ученый

45.

Эбботт, Н. Дж. Структура и функция гематоэнцефалического барьера и проблемы доставки лекарств в ЦНС. J. Inherit. Метаб. Дис. 36 , 437–449 (2013).

Артикул Google ученый

46.

Коойман, К., ван дер Стин, А.Ф. и де Йонг, Н. Роль внутриклеточного кальция и активных форм кислорода в изменениях проницаемости эндотелиального слоя, опосредованных микропузырьками. IEEE Trans. Ультразвуковой. Сегнетоэлектр. Freq. Контроль 60 , 1811–1815 (2013).

Артикул Google ученый

47.

Juffermans, L. J., Kamp, O., Dijkmans, P. A., Visser, C. A. & Musters, R. J. Облученные ультразвуком низкой интенсивности микропузырьки провоцируют локальную гиперполяризацию клеточной мембраны за счет активации каналов BK (Ca). Ultrasound Med. Биол. 34 , 502–508 (2008).

Артикул Google ученый

48.

Helfield, B. L., Chen, X. C., Qin, B., Watkins, S. C. & Villanueva, F. S. Механическое понимание сонопорации с помощью стимулированных ультразвуком полимерных микропузырьков. Ultrasound Med. Биол. 43 , 2678–2689 (2017).

Артикул Google ученый

49.

Acconcia, C. N., Leung, B. Y. и Goertz, D. E. Микромасштабная эволюция фронта эрозии тромбов, подвергшихся воздействию микропузырьков, стимулированных ультразвуком. J. Acoust. Soc. Являюсь. 139 , EL135 – EL141 (2016).

ADS Статья Google ученый

50.

Каски, К. Ф., Цинь, С., Дейтон, П. А. и Феррара, К. В. Туннелирование микропузырьков в гелевых фантомах. J. Acoust. Soc. Являюсь. 125 , EL183 – EL189 (2009).

ADS Статья Google ученый

51.

Самиотаки, Г. и Конофагу, Э. Э. Зависимость обратимости открытия гематоэнцефалического барьера, индуцированного сфокусированным ультразвуком, от давления и длительности импульса in vivo. IEEE Trans. Ультразвуковой. Сегнетоэлектр. Freq. Контроль 60 , 2257–2265 (2013).

Артикул Google ученый

52.

Плессет, М.С. & Просперетти, А. Динамика пузырей и кавитация. Annu. Rev. Fluid Mech. 9 , 145–185 (1977).

ADS МАТЕМАТИКА Статья Google ученый

53.

Lajoinie, G. et al. Несферические колебания вызывают высвобождение с помощью ультразвука целевых микропузырьков. Commun. Phys. 1 , 22 (2018).

54.

Чен, Х., Брайман, А.А., Крейдер, В., Бейли, М.Р. и Матула, Т. Дж. Наблюдения за перемещением и выбросом активированных ультразвуком микропузырьков в микрососуды брыжейки. Ultrasound Med. Биол. 37 , 2139–2148 (2011).

Артикул Google ученый

55.

Мартынов С., Костсон Э., Саффари Н. и Страйд Э. Вынужденные колебания пузырька в заполненном жидкостью упругом сосуде. J. Acoust. Soc. Являюсь. 130 , 2700–2708 (2011).

ADS Статья Google ученый

56.

Chen, X., Wang, J., Pacella, JJ & Villanueva, FS Динамическое поведение микропузырьков при длительном возбуждении ультразвуковой импульсной вспышкой: механическое понимание терапии, опосредованной ультразвуком и микропузырьками, с использованием высокоскоростной визуализации и кавитации обнаружение. Ultrasound Med. Биол. 42 , 528–538 (2016).

Артикул Google ученый

57.

Лентакер И., Де Кок И., Декерс Р., Де Смедт С. С. и Мунен К. Т. Понимание ультразвуковой сонопорации: определения и лежащие в основе механизмы. Adv. Препарат Делив. Ред. 72 , 49–64 (2014).

Артикул Google ученый

58.

Qin, P., Han, T., Yu, A.C., H. & Xu, L. Механическое понимание биоэффектов микропузырьков, управляемых ультразвуком, для улучшения доставки макромолекул. J. Control. Выпуск 272 , 169–181 (2018).

Артикул Google ученый

59.

Hebdm, W. Образование пузырей у животных. J. Cell. Комп. Physiol. 24 , 1–22 (1944).

Артикул Google ученый

60.

Бриггс, Л. Дж. Ограничение отрицательного давления воды. J. Appl. Phys. 21 , 721–722 (1950).

ADS Статья Google ученый

61.

Морч К. А. Возникновение кавитации из пузырьковых ядер. Интерфейс Focus 5 , 20150006 (2015).

Артикул Google ученый

62.

Страсберг М. Начало ультразвуковой кавитации в водопроводной воде. J. Acoust. Soc. Являюсь. 31 , 163–176 (1959).

ADS Статья Google ученый

63.

Атчли А. и Просперетти А. Щелевая модель зарождения пузырьков. J. Acoust. Soc. Являюсь. 86 , 1065–1084 (1989).

ADS Статья Google ученый

64.

Боркент, Б. М., Гекле, С., Просперетти, А. и Лозе, Д. Порог зарождения и механизмы дезактивации наноскопических ядер кавитации. Phys. Жидкости 21 , 102003 (2009).

65.

Фокс, Ф.Э. и Герцфельд К. Ф. Пузырьки газа с органической оболочкой в ​​качестве ядер кавитации. J. Acoust. Soc. Являюсь. 26 , 984–989 (1954).

ADS Статья Google ученый

66.

Юнт, Д. Э. Скины различной проницаемости — механизм стабилизации ядер газовой кавитации. J. Acoust. Soc. Являюсь. 65 , 1429–1439 (1979).

ADS Статья Google ученый

67.

Блейк, Ф. Г. Техническая записка. 12 (Лаборатория акустических исследований, Гарвардский университет, 1949 г.).

68.

Hsieh, D. Y. & Plesset, M. S. Теория выпрямленной диффузии массы в пузырьки газа. J. Acoust. Soc. Являюсь. 33 , 206–20 (1961).

ADS MathSciNet Статья Google ученый

69.

Church, C. C. Влияние упругого твердого поверхностного слоя на радиальные пульсации газовых пузырей. J. Acoust. Soc. Являюсь. 97 , 1510–1521 (1995).

ADS Статья Google ученый

70.

Carugo, D. et al. Модуляция молекулярной структуры в искусственных и биологических мембранах микропузырьками с фосфолипидной оболочкой. Биоматериалы 113 , 105–117 (2017).

Артикул Google ученый

71.

Лентакер, И., Де Смедт, С. С. и Сандерс, Н. Н. Конструкция микропузырьков с лекарственными средствами для доставки, запускаемой ультразвуком. Soft Matter 5 , 2161–2170 (2009).

ADS Статья Google ученый

72.

Mulvana, H. et al. Характеристика микропузырьков контрастного вещества для ультразвуковой визуализации и терапевтических исследований. IEEE Trans. Ультразвуковой. Сегнетоэлектр. Freq. Контроль 64 , 232–251 (2017).

Артикул Google ученый

73.

Тиньков С.С. и др. Новые фосфолипидные микропузырьки, нагруженные доксорубицином, для таргетной терапии опухолей: характеристика in vivo. J. Control. Выпуск 148 , 368–372 (2010).

Артикул Google ученый

74.

Geers, B. et al. Самостоятельно собранные микропузырьки с липосомами: недостающее звено для безопасной и эффективной доставки лекарств, запускаемой ультразвуком. J. Control. Выпуск 152 , 249–256 (2011).

Артикул Google ученый

75.

Гирс, Б., Девитт, Х., Де Смедт, С. К. и Лентакер, И. Решающие факторы и новые концепции доставки лекарств с помощью ультразвука. J. Control. Выпуск 164 , 248–255 (2012).

Артикул Google ученый

76.

Vlaskou, D. et al. Магнитные микропузырьки: векторы с магнитным нацеливанием и запуском ультразвука для доставки генов in vitro. Hum. Gene Ther. 21 , 1191–1191 (2010).

Google ученый

77.

Sheng, Y.J. et al. Магнитно-чувствительные микропузырьки как средства доставки для направленной сонодинамической и антиметаболитной терапии рака поджелудочной железы. J. Control. Выпуск 262 , 192–200 (2017).

Артикул Google ученый

78.

МакЭван, К.и другие. Кислородные микропузырьки для усиленной сонодинамической терапии гипоксических опухолей. J. Control. Выпуск 203 , 51–56 (2015).

Артикул Google ученый

79.

Грищенков Д. и др. Контрастное вещество для ультразвука с оксидом азота в качестве тераностического микроустройства. Drug Des. Dev. Ther. 9 , 2409–2419 (2015).

Артикул Google ученый

80.

Morel, D. R. et al. Фармакокинетика человека и оценка безопасности SonoVue, нового контрастного вещества для ультразвуковой визуализации. Инвест. Радиол. 35 , 80–85 (2000).

Артикул Google ученый

81.

Рапопорт, Н., Гао, З. и Кеннеди, А. Многофункциональные наночастицы для сочетания ультразвуковой визуализации опухолей и направленной химиотерапии. J. Natl Cancer Inst. 99 , 1095–1106 (2007).

Артикул Google ученый

82.

Wilhelm, S. et al. Анализ доставки наночастиц к опухолям. Нац. Rev. Mater . 1 , 16014 (2016).

83.

Ширан П. С., Луойс С., Дейтон П. А. и Мацунага Т. О. Формулирование и акустические исследования нового агента фазового сдвига для диагностического и терапевтического ультразвука. Langmuir 27 , 10412–10420 (2011).

Артикул Google ученый

84.

Джавади, М., Питт, В. Г., Белнап, Д. М., Цози, Н. Х. и Хартли, Дж. М. Инкапсулирование наноэмульсий внутри эллипосом для ультразвуковой доставки лекарств. Langmuir 28 , 14720–14729 (2012).

Артикул Google ученый

85.

Wang, C.H. et al. Акустические капли, конъюгированные с аптамером и содержащие лекарственное средство, для ультразвукового тераноза. Биоматериалы 33 , 1939–1947 (2012).

Артикул Google ученый

86.

Yu, J. S. et al. Эхогенные нанокапли хитозана для пространственно-временной доставки генов. J. Biomed. Nanotechnol. 14 , 1287–1297 (2018).

Артикул Google ученый

87.

Moyer, L.C. et al. Улучшение абляции высокоинтенсивным сфокусированным ультразвуком in vivo за счет нанокапель с фазовым сдвигом по сравнению с микропузырьками. J. Ther. Ультразвук 3 , 7 (2015).

Артикул Google ученый

88.

Хо, Ю. Дж. И Йе, К. К. Тераностическая характеристика пузырьков, генерируемых испарением акустических нанокапель в межтканевых тканях опухоли. Тераностика 7 , 1477–1488 (2017).

Артикул Google ученый

89.

Chen, C.C. et al. Таргетированная доставка лекарств с направленным открытием гематоэнцефалического барьера, индуцированным ультразвуком, с помощью акустически активируемых нанокапель. J. Control. Выпуск 172 , 795–804 (2013).

Артикул Google ученый

90.

Ширан П. С., Мацунага Т. О. и Дейтон П. А. Пороги фазового перехода и явления испарения для ультразвуковых наноэмульсий с фазовым переходом, оцененные с помощью высокоскоростной оптической микроскопии. Phys. Med. Биол. 58 , 4513–4534 (2013).

Артикул Google ученый

91.

Шпак, О. и другие. Испарение акустической капли инициируется супергармонической фокусировкой. Proc. Natl Acad. Sci. США 111 , 1697–1702 (2014).

ADS Статья Google ученый

92.

Wang, Y. et al. Стабильные инкапсулированные воздушные нанопузырьки в воде. Angew. Chem. Int. Эд. 54 , 14291–14294 (2015).

Артикул Google ученый

93.

Эрнандес, К., Ньевес, Л., де Леон, А. К., Адвинкула, Р., Экснер, А.А. Роль поверхностного натяжения в устойчивости газовых нанопузырьков под действием ультразвука. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 10 , 9949–9956 (2018).

Артикул Google ученый

94.

Paris, J. L. et al. Экстравазация мезопористых наночастиц диоксида кремния, опосредованная ультразвуком, усиленная кавитацией для доставки лекарств с контролируемым высвобождением. Chem. Англ. J. 340 , 2–8 (2018).

Артикул Google ученый

95.

Delogu, L.G. et al. Функционализированные многослойные углеродные нанотрубки как ультразвуковые контрастные вещества. Proc. Natl Acad. Sci. США 109 , 16612–16617 (2012).

ADS Статья Google ученый

96.

Straub, J. A. et al. Пористые микрочастицы PLGA: AI-700, контрастный агент для ультразвука, вводимый внутривенно, для использования в эхокардиографии. J. Control. Выпуск 108 , 21–32 (2005).

Артикул Google ученый

97.

Kwan, J. et al. Инерционная кавитация, вызванная ультразвуком от газостабилизирующих наночастиц. Phys. Ред. E 92 , 023019 (2015).

ADS Статья Google ученый

98.

Mannaris, C. et al. Газостабилизирующие наноконусы золота для акустически опосредованной доставки лекарств. Adv. Здоровьеc. Матер. 7 , 1800184 (2018).

Артикул Google ученый

99.

Kang, E. et al. Нанопузырьки из газообразующих полимерных наночастиц: ультразвуковая визуализация живых существ. Angew. Chem. Int. Эд. 49 , 524–528 (2010).

Артикул Google ученый

100.

Toyokuni, S. Генотоксичность и риск канцерогенности углеродных нанотрубок. Adv. Препарат Делив. Ред. 65 , 2098–2110 (2013).

Артикул Google ученый

101.

Просперетти А., Крам Л. А. и Коммандер К. В. Нелинейная динамика пузырей. J. Acoust. Soc. Являюсь. 83 , 502–514 (1988).

ADS Статья Google ученый

102.

Флинн, Х.Г. Динамика кавитации. 2. Свободные пульсации и модели кавитационных пузырьков. J. Acoust. Soc. Являюсь. 58 , 1160–1170 (1975).

ADS Статья Google ученый

103.

Черч, К. и Карстенсен, Э. Л. «Стабильная» инерционная кавитация. Ultrasound Med. Биол. 27 , 1435–1437 (2001).

Артикул Google ученый

104.

Neppiras, E. A. Акустическая кавитация. Phys. Rep. 61 , 159–251 (1980).

ADS MathSciNet Статья Google ученый

105.

Апфель, Р. Э. и Холланд, К. К. Измерение вероятности кавитации с помощью диагностического ультразвука с короткими импульсами и малым рабочим циклом. Ultrasound Med. Биол. 17 , 179–185 (1991).

Артикул Google ученый

106.

Маданшетти, С. И., Рой, Р. и Апфель, Р. Э. Акустическая микрокавитация: ее активное и пассивное акустическое обнаружение. J. Acoust. Soc. Являюсь. 90 , 1515–1526 (1991).

ADS Статья Google ученый

107.

Рабкин Б. А., Здерич В. и Ваэзи С. Гиперэхо в ультразвуковых изображениях HIFU-терапии: вовлечение кавитации. Ultrasound Med. Биол. 31 , 947–956 (2005).

Артикул Google ученый

108.

Coussios, C.К., Фарни, К. Х., Хаар, Г. Т. и Рой, Р. А. Роль акустической кавитации в доставке и мониторинге лечения рака с помощью сфокусированного ультразвука высокой интенсивности (HIFU). Внутр. J. Hyperthermia 23 , 105–120 (2007).

Артикул Google ученый

109.

Арнал, Б., Барангер, Дж., Демене, К., Тантер, М. и Перно, М. Построение кавитационных изображений в движущихся органах in vivo в реальном времени. Phys. Med. Биол. 62 , 843–857 (2017).

Артикул Google ученый

110.

Gateau, J., Aubry, J.-F., Pernot, M., Fink, M. & Tanter, M. Комбинированное пассивное обнаружение и сверхбыстрое активное отображение явлений кавитации, вызванных короткими импульсами высокой мощности. интенсивность ультразвука. IEEE Trans. Ультразвуковой. Сегнетоэлектр. Freq. Контроль 58 , 517–532 (2011).

Артикул Google ученый

111.

Рабкин Б. А., Здерич В., Крам Л. А. и Ваэзи С. Биологические и физические механизмы HIFU-индуцированного гиперэхо на ультразвуковых изображениях. Ultrasound Med. Биол. 32 , 1721–1729 (2006).

Артикул Google ученый

112.

Gyongy, M., Arora, M., Noble, J. A. & Coussios, C. C. Использование пассивных решеток для характеристики и картирования кавитационной активности во время воздействия HIFU. В 2008 IEEE Ultrasonics Symposium 871–874 (IEEE, 2008).

113.

Gyongy, M. & Coussios, C.C. Пассивное пространственное картирование инерционной кавитации во время воздействия HIFU. IEEE Trans. Биомед. Англ. 57 , 48–56 (2010).

Артикул Google ученый

114.

Салгаонкар, В. А., Датта, С., Голландия, К. К. и Маст, Т. Д. Пассивная кавитационная визуализация с помощью ультразвуковых решеток. J. Acoust. Soc. Являюсь. 126 , 3071–3083 (2009).

ADS Статья Google ученый

115.

Хаворт, К. Дж. И др. Пассивная визуализация с импульсным ультразвуковым излучением. J. Acoust. Soc. Являюсь. 132 , 544–553 (2012).

ADS Статья Google ученый

116.

Арванитис, К. Д., Крейк, К., МакДаннольд, Н. и Клемент, Г. Т. Пассивное акустическое картирование с использованием метода углового спектра. IEEE Trans. Med. Imaging 36 , 983–993 (2017).

Артикул Google ученый

117.

Gyongy, M. & Coussios, C.C. Картирование пассивной кавитации для локализации и отслеживания динамики пузырьков. J. Acoust. Soc. Являюсь. 128 , E175 – E180 (2010).

ADS Статья Google ученый

118.

Jensen, C. R. et al. Пространственно-временной мониторинг высокоинтенсивной фокусированной ультразвуковой терапии с пассивным акустическим картированием. Радиология 262 , 252–261 (2012).

Артикул Google ученый

119.

Грей, М. Д., Лика, Э. и Кусиос, К. С. Дифракционные эффекты и компенсация в пассивном акустическом картировании. IEEE Trans. Ультразвуковой. Сегнетоэлектр. Freq. Контроль 65 , 258–268 (2018).

Артикул Google ученый

120.

Coviello, C. et al. Пассивное акустическое картирование с использованием оптимального формирования луча в ультразвуковом терапевтическом мониторинге. J. Acoust. Soc. Являюсь. 137 , 2573–2585 (2015).

ADS Статья Google ученый

121.

Choi, J. J., Carlisle, R.C., Coviello, C., Seymour, L. & Coussios, C.-C. Неинвазивное и пассивное акустическое картирование доставки лекарств с помощью ультразвука в реальном времени. Phys. Med. Биол. 59 , 4861–4877 (2014).

Артикул Google ученый

122.

Kwan, J. J. et al. Ультразвуковые наночашки для доставки лекарств. Малый 11 , 5305–5314 (2015).

Артикул Google ученый

123.

Миллер Д. Л. Обзор экспериментальных исследований биологических эффектов медицинского ультразвука, вызванных активацией газового тела и инерционной кавитацией. Прог. Биофиз. Мол. Биол. 93 , 314–330 (2007).

Артикул Google ученый

124.

Хоббс, С.K. et al. Регуляция транспортных путей в сосудах опухоли: роль типа опухоли и микросреды. Proc. Natl Acad. Sci. США 95 , 4607–4612 (1998).

ADS Статья Google ученый

125.

Базан-Перегрино, М., Арванитис, К. Д., Рифаи, Б., Сеймур, Л. В. и Кусиос, С. С. Кавитация, вызванная ультразвуком, увеличивает доставку и терапевтическую эффективность онколитического вируса в модели in vitro. J. Control. Выпуск 157 , 235–242 (2012).

Артикул Google ученый

126.

Bazan-Peregrino, M. et al. Доставка реплицирующегося онколитического аденовируса в опухоли с усиленной кавитацией с помощью сфокусированного ультразвука. J. Control. Выпуск 169 , 40–47 (2013).

Артикул Google ученый

127.

Лафонд, М., Аптель, Ф., Mestas, J. L. & Lafon, C. Опосредованная ультразвуком доставка терапевтических агентов в глаза: обзор. Мнение эксперта. Препарат Делив. 14 , 539–550 (2017).

Артикул Google ученый

128.

Prieur, F. et al. Повышение проникновения флуоресцентного зонда в опухоли in vivo с помощью незатравленной инерционной кавитации. Ultrasound Med. Биол. 42 , 1706–1713 (2016).

Артикул Google ученый

129.

Li, T. et al. Импульсный сфокусированный ультразвук высокой интенсивности (pHIFU) усиливает доставку доксорубицина в доклиническую модель рака поджелудочной железы. Cancer Res. 75 , 3738–3746 (2015).

Артикул Google ученый

130.

Myers, R. et al. Полимерные стаканчики для доставки онколитического вируса осповакцины с помощью кавитации. Мол. Ther. 24 , 1627–1633 (2016).

Артикул Google ученый

131.

Dimcevski, G. et al. Клиническое испытание на людях с использованием ультразвука и микропузырьков для улучшения лечения гемцитабином неоперабельного рака поджелудочной железы. J. Control. Выпуск 243 , 172–181 (2016).

Артикул Google ученый

132.

Hynynen, K., McDannold, N., Vykhodtseva, N. & Jolesz, F. A. Неинвазивное фокальное открытие гематоэнцефалического барьера под контролем МРТ у кроликов. Радиология 220 , 640–646 (2001).

Артикул Google ученый

133.

МакДаннольд, Н., Выходцева, Н. и Хайнинен, К. Целенаправленное нарушение гематоэнцефалического барьера с помощью сфокусированного ультразвука: связь с кавитационной активностью. Phys. Med. Биол. 51 , 793–807 (2006).

Артикул Google ученый

134.

Тунг, Ю.-С. и другие. Определение порога транскраниальной кавитации in vivo при открытии гематоэнцефалического барьера под действием ультразвука у мышей. Phys. Med. Биол. 55 , 6141–6155 (2010).

MathSciNet Статья Google ученый

135.

Арванитис, К. Д., Ливингстон, М. С. и МакДаннольд, Н. Комбинированная ультразвуковая и МРТ-визуализация для проведения фокусированной ультразвуковой терапии в головном мозге. Phys. Med. Биол. 58 , 4749–4761 (2013).

Артикул Google ученый

136.

Джонс, Р. М. и др. Трехмерная транскраниальная визуализация микропузырьков для управления открытием гематоэнцефалического барьера с помощью объемного ультразвука. Тераностикс 8 , 2909–2926 (2018).

Артикул Google ученый

137.

Carpentier, A. et al. Клинические испытания нарушения гематоэнцефалического барьера импульсным ультразвуком. Sci. Пер. Med. 8 , 343re2 (2016).

Артикул Google ученый

138.

Lipsman, N. et al. Открытие гематоэнцефалического барьера при болезни Альцгеймера с помощью фокусированного ультразвука под МРТ. Нац. Commun. 9 , 2336 (2018).

ADS Статья Google ученый

139.

de Saint Victor, M., Crake, C., Coussios, C.-C. & Страйд, Э. Свойства, характеристики и применение микропузырьков для сонотромболизиса. Мнение эксперта. Препарат Делив. 11 , 187–209 (2014).

Артикул Google ученый

140.

Mercado-Shekhar, K. P. et al. Влияние жесткости сгустка на литическую чувствительность рекомбинантного тканевого активатора плазминогена in vitro. Ultrasound Med. Биол. 44 , 2710–2727 (2018).

Артикул Google ученый

141.

Datta, S. et al. Ультразвуковой тромболизис с использованием Definity® в качестве агента зародышеобразования кавитации. Ultrasound Med. Биол. 34 , 1421–1433 (2008).

Артикул Google ученый

142.

Datta, S. et al. Корреляция кавитации с ультразвуковым усилением тромболизиса. Ultrasound Med. Биол. 32 , 1257–1267 (2006).

Артикул Google ученый

143.

Molina, C.A. et al. Введение микропузырьков ускоряет лизис сгустка во время непрерывного ультразвукового мониторинга на частоте 2 МГц у пациентов с инсультом, получавших внутривенный тканевый активатор плазминогена. Инсульт 37 , 425–429 (2006).

Артикул Google ученый

144.

Mathias, W. et al. Эффективность опосредованного микропузырьками сонотромболиза для индукции ранней реканализации различных коронарных артерий у пациентов с острым инфарктом миокарда с подъемом сегмента ST. J. Am. Coll. Кардиол. 71 , A1460 (2018).

Артикул Google ученый

145.

Mathias, W. et al. Диагностические ультразвуковые импульсы улучшают микрососудистый кровоток у пациентов с ИМпST, получающих внутривенные микропузырьки. J. Am. Coll. Кардиол. 67 , 2506–2515 (2016).

Артикул Google ученый

146.

Molina, C.A. et al. Транскраниальное ультразвуковое исследование в клиническом исследовании сонотромболизиса (TUCSON). Ann. Neurol. 66 , 28–38 (2009).

Артикул Google ученый

147.

Owen, J. et al. Магнитное нацеливание микропузырьков на физиологически релевантные условия потока. Интерфейс Focus 5 , 20150001 (2015).

Артикул Google ученый

148.

Vignon, F. et al. Визуализация кавитации микропузырьков. IEEE Trans. Ультразвуковой. Сегнетоэлектр. Freq. Контроль 60 , 661–670 (2013).

Артикул Google ученый

149.

Qiao, S., Coussios, C. & Cleveland, R. Характеристика модульных решеток для транспинального ультразвукового исследования. J. Acoust. Soc. Являюсь. 141 , 3954–3954 (2017).

ADS Статья Google ученый

150.

Fletcher, S.-M. П. и О’Рейли, М. А. Анализ многочастотных и фазовых стратегий для фокусировки ультразвука в позвоночный канал человека. IEEE Trans. Ультразвуковой. Сегнетоэлектр.Freq. Контроль 65 , 2322–2331 (2018).

151.

O’Reilly, M.A. et al. Предварительное исследование доставки лекарств с помощью фокусированного ультразвука для лечения лептоменингеальных метастазов. Sci. Отчет 8 , 9013 (2018).

ADS Статья Google ученый

152.

Митраготри, С., Эдвардс, Д. А., Бланкштайн, Д. и Лангер, Р. Механистическое исследование усиленной ультразвуком трансдермальной доставки лекарств. J. Pharm. Sci. 84 , 697–706 (1995).

Артикул Google ученый

153.

Тезель А., Паливал С., Шен З. и Митраготри С. Низкочастотный ультразвук в качестве адъюванта чрескожной иммунизации. Vaccine 23 , 3800–3807 (2005).

Артикул Google ученый

154.

Полат, Б. Э., Харт, Д., Лангер, Р., Бланкштайн, Д.Трансдермальная доставка лекарств, опосредованная ультразвуком: механизмы, масштабы и новые тенденции. J. Control. Выпуск 152 , 330–348 (2011).

Артикул Google ученый

155.

Митраготри, С., Бланкштайн, Д. и Лангер, Р. Трансдермальная доставка лекарств с использованием низкочастотного сонофореза. Pharm. Res. 13 , 411–420 (1996).

Артикул Google ученый

156.

Тезель А., Сенс А., Тухшерер Дж. И Митраготри С. Частотная зависимость сонофореза. Pharm. Res. 18 , 1694–1700 (2001).

Артикул Google ученый

157.

Тезель А., Сенс А. и Митраготри С. Исследования роли кавитации в низкочастотном сонофорезе с использованием акустической спектроскопии. J. Pharm. Sci. 91 , 444–453 (2002).

Артикул Google ученый

158.

Тезель А. и Митраготри С. Взаимодействие инерционных кавитационных пузырьков с липидными бислоями рогового слоя во время низкочастотного сонофореза. Biophys. J. 85 , 3502–3512 (2003).

Артикул Google ученый

159.

Рич, К. Т., Хериг, К. Л., Рао, М. Б. и Маст, Т. Д. Взаимосвязь между акустической кавитацией и сопротивлением кожи во время средне- и высокочастотного сонофореза. Дж.Контроль. Выпуск 194 , 266–277 (2014).

Артикул Google ученый

160.

Бхатнагар, С., Шиффтер, Х. и Кусиос, К. С. Использование микропотока, вызванного акустической кавитацией, для улучшения молекулярного транспорта. J. Pharm. Sci. 103 , 1903–1912 (2014).

Артикул Google ученый

161.

Bhatnagar, S., Кван, Дж. Дж., Шах, А. Р., Куссиос, К. С. и Карлайл, Р. С. Использование ядер субмикронной кавитации для усиления опосредованного ультразвуком трансдермального транспорта и проникновения вакцин. J. Control. Выпуск 238 , 22–30 (2016).

Артикул Google ученый

162.

Feiszthuber, H., Bhatnagar, S., Gyöngy, M. & Coussios, C.-C. Доставка инсулина с усилением кавитации в моделях кожи человека на агаре и свиньях. Phys. Med. Биол. 60 , 2421–2434 (2015).

Артикул Google ученый

163.

Tran, D. M. et al. Увеличение длительности импульса при доставке генов с помощью ультразвука снижает порог акустического давления для эффективного переноса генов в клетки и мелких животных. J. Control. Выпуск 279 , 345–354 (2018).

Артикул Google ученый

164.

Lee, J. Y. et al. Нанокапли белок-полимер, нагруженные наночастицами, для повышения стабильности и эффективности преобразования при ультразвуковой визуализации и доставке лекарств. Adv. Матер. 27 , 5484–5492 (2015).

Артикул Google ученый

165.

Хаворт, К. Дж., Бадер, К. Б., Рич, К. Т., Холланд, К. К. и Маст, Т. Д. Количественное отображение пассивной кавитации в частотной области. IEEE Trans. Ультразвуковой. Сегнетоэлектр.Freq. Контроль 64 , 177–191 (2017).

Артикул Google ученый

166.

Lu, S. et al. Пассивное акустическое картирование кавитации с использованием надежного формирователя луча Capon в собственном пространстве в ультразвуковой терапии. Ультрасон. Sonochem. 41 , 670–679 (2018).

Артикул Google ученый

167.

Hockham, N., Coussios, C.C. & Arora, M.Контроллер в реальном времени для поддержания термически релевантной акустической кавитации во время ультразвуковой терапии. IEEE Trans. Ультразвуковой. Сегнетоэлектр. Freq. Контроль 57 , 2685–2694 (2010).

Артикул Google ученый

168.

О’Рейли, М. А. и Хайнинен, К. Гематоэнцефалический барьер: контролируемое в реальном времени сфокусированное ультразвуковое разрушение с помощью контроллера на основе акустической эмиссии. Радиология 263 , 96–106 (2012).

Артикул Google ученый

169.

Deng, L., O’Reilly, M.A., Jones, R.M., An, R. & Hynynen, K. Многочастотная разреженная полусферическая ультразвуковая фазированная матрица для транскраниальной терапии с микропузырьками и одновременного картирования кавитации. Phys. Med. Биол. 61 , 8476–8501 (2016).

Артикул Google ученый

Нанопузырьки, кавитация, ударные волны и черепно-мозговые травмы

При схлопывании пузырьков, микроскопических или наноскопических, из-за их взаимодействия с падающей волной давления образуется струя частиц, движущихся в направлении волны.Если поблизости есть поверхность, частицы высокоскоростной струи ударяются о нее, и в результате поверхность повреждается. Этот эффект кавитации хорошо известен и интенсивно изучается в случае пузырьков микроскопических размеров. Это может быть весьма разрушительным для материалов, включая биологические ткани, но также может быть полезным при контроле, например, в случае сонопорации биологических мембран с целью доставки лекарств. Здесь мы рассматриваем недавние работы по моделированию, выполненные для изучения коллапса нанопузырьков, подверженных воздействию ударных волн, чтобы понять подробный механизм вызванного кавитацией повреждения мягких материалов, таких как биологические мембраны.Мы также обсуждаем связь эффекта кавитации с черепно-мозговой травмой, вызванной взрывом. В частности, мы рассматриваем возможное повреждение модельных мембран, содержащих липидные бислои, бислои со встроенными белками ионных каналов, таких как те, которые обнаруживаются в нервных клетках, а также белковые сборки, обнаруженные в плотном соединении гематоэнцефалического барьера.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова? Команда

разработала новое математическое уравнение для прогнозирования кавитации

Исследователи из УрГУ разработали новую математическую формулу, которая более точно предсказывает кавитацию.Образовавшиеся в результате кавитации пузырьки газа могут разрушить подземные трубы и гребные винты судов. Предоставлено: Splash Lab.

Популярный научный эксперимент на заднем дворе привел команду экспертов по гидродинамике к новой математической формуле, которая более точно предсказывает кавитацию и ее разрушительные эффекты.

Кавитация, часто вызывающая повреждение водопроводных труб и гребных винтов судов, — это образование и схлопывание пузырьков газа, которые образуются в жидкостях.Кавитация также может происходить внутри стеклянной бутылки с длинным горлышком. Например, ударив о верхнюю часть бутылки, наполненной жидкостью, можно разбить ее дно, и ученые будут жаждать ответов.

Теперь исследователи устраняют загадку кавитации, вызванной ускорением, с помощью недавно опубликованного исследования и математического уравнения, которое доказывает, что ускорение жидкости может вызвать кавитацию. Их результаты были опубликованы 24 июля в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .

«Если вы будете искать ответы на вопросы о трюке с разбитием бутылок, вы получите множество теорий», — сказал д-р.Тэдд Траскотт, доцент кафедры машиностроения в Университете штата Юта и ведущий исследователь в школе Splash Lab. «Некоторые утверждают, что ваша рука нагнетает воздух в бутылку, которая создает в ней давление и закрывает ее, заставляя выдуть дно. Это не так».

Траскотт говорит, что энергия от импульсной силы, действующей на бутылку, передается жидкости и вызывает падение ее статического давления. Когда давление падает, жидкость может закипать при гораздо более низкой температуре, что приводит к образованию пузырьков пара внутри бутылки.Когда внутреннее давление выравнивается, кавитационные пузыри схлопываются крошечными, но сильными ударными волнами. «Возможность предсказать начало кавитации была бы чрезвычайно ценной для многих приложений», — добавил Траскотт. «Кавитация от ускорения жидкости происходит в подземных трубопроводах и клапанах, морских гребных винтах; даже некоторые травмы головного мозга являются результатом кавитации, вызванной ускорением».

Краткий обзор исследования возникновения кавитации. Предоставлено: Splash Lab

. Но традиционная формула кавитации, используемая десятилетиями в классах физики, часто неверно предсказывает начало кавитации в жидкостях, ускоренных за очень короткий период времени.

«Традиционная формула говорит нам, что кавитации не произойдет, если вы ударите ладонью о верхнюю часть бутылки», — добавил Траскотт. «Но опыт говорит нам об обратном. Бутылка обычно разбивается, и теперь у нас есть фотографические свидетельства образования кавитационных пузырьков около дна бутылки и их последующего схлопывания и ударных волн. Это говорит нам о том, что обычное число кавитации не всегда работает правильно. »

Траскотт и его команда, состоящая из исследователей из УрГУ, Токийского университета сельского хозяйства и технологий и Университета Бригама Янга, разработали новое уравнение, которое учитывает глубину жидкости и ее ускорение.Исследователи из Японии и Юты провели аналогичные эксперименты с кавитацией и получили идентичные результаты. Группа утверждает, что их новое уравнение правильно определяет физику возникновения кавитации.

Кавитация — это образование и схлопывание пузырьков газа, которые образуются в жидкостях при определенных условиях. Предоставлено: Токийский сельскохозяйственный и технологический университет.

---

Кавитационные пузыри лопаются с очищающей способностью

---

Дополнительная информация: Чжао Пан эль др., «Возникновение кавитации из-за ускорения», PNAS (2017). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1702502114 Предоставлено Университет штата Юта

Ссылка : Команда разработала новое математическое уравнение для прогнозирования кавитации (2017, 25 июля) получено 27 августа 2021 г. с https: // физ.org / news / 2017-07-team-math-Equation-cavitation.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Physics and Control of Cavitation

Кавитация — одно из наиболее серьезных отклонений от нормы потока жидкости, приводящих к пагубным последствиям как для поведения потока центробежного насоса, так и для физических характеристик.Зоны самого низкого давления центробежных насосов являются первыми жертвами кавитации, где кавитация проявляется в виде точечной коррозии внутренних твердых стенок насоса, сопровождающейся шумом и вибрацией, что приводит к ухудшению гидравлических характеристик насоса. В данной статье представлено общее описание производительности центробежного насоса и связанных с ним параметров. Обзор литературы позволил пролить свет на фундаментальные особенности кавитации; где кратко обсуждались различные аспекты кавитации в центробежных насосах.Центробежный насос, как и любой другой динамический насос, используется для перемещения жидкости из одной точки в другую в системе, просто добавляя к ней импульс. Он в основном состоит из двух важных частей: 1) крыльчатки и 2) спирального корпуса. Жидкость в осевом направлении поступает в проушину рабочего колеса, где она распространяется в радиальном направлении по направлению к областям потока между лопастями, и закручивается по касательной под действием вращающихся лопастей рабочего колеса. Импульс жидкости увеличивается при прохождении между быстро вращающимися лопастями рабочего колеса, пока он не достигает выходной зоны рабочего колеса, в результате чего с помощью улитки насоса на месте полученная высокая скорость жидкости преобразуется в увеличение давления, достаточное для преодоления необходимого напора. .Вращающее движение лопастей рабочего колеса непрерывно создает разрежение в проушине крыльчатки, что затем приводит к непрерывному всасыванию жидкости из впускной трубы в направлении проушины крыльчатки. Другими словами, центробежные насосы добавляют энергию текущей жидкости, стремящейся добраться до места назначения. Дополнительная энергия является результатом преобразования мощности механической мощности приводного вала двигателя в гидравлическую мощность. Из-за различных потерь внутри насоса или снаружи во время процесса передачи энергии, таких как трение диска, потери на удар, перемешивание, изменение направления жидкости, разделение, потери в подшипниках, турбулентность и потери утечки, гидравлическая энергия, получаемая жидкостью (вода лошадиных сил) всегда меньше, чем энергия, передаваемая валу (мощность тормоза).

Вот настоящая физика того, почему костяшки пальцев «трещат»

Скучающие и взволнованные люди давно «ломают» костяшки пальцев. Но только за последние 60 лет ученые серьезно задумались о физике трещин суставов. Господствующая теория, предложенная в 1971 году, заключалась в том, что резкий хлопок был вызван схлопыванием мелких кавитационных пузырьков в пястно-фаланговых суставах (Пястно-фаланговых суставах), третьем суставе от кончиков пальцев вниз.

Но статья 2015 года поставила под сомнение теорию схлопывания пузырей, используя МРТ в реальном времени, чтобы доказать, что создание кавитационных пузырей, а не их коллапс, было истинной причиной звука трещин торговой марки.

Теперь группа французских ученых считает, что они восстановили репутацию первоначальной теории схлопывания пузырей, используя математическое моделирование, чтобы доказать, что только быстро схлопывающийся кавитационный пузырь может генерировать акустические волны, достаточно мощные, чтобы произвести классический хлопок, согласно Статья опубликована в журнале Scientific Reports .

Абдул Баракат, соавтор статьи, профессор биодинамики в Политехнической школе, где он специализируется на моделировании механики сердечно-сосудистой системы, чтобы лучше понять болезни сердца.Это был один из учеников его магистра, первый писатель В. Чадран Суджа, который придумал моделировать неразгаданную тайну костяных пальцев.

Баракат сказал Искателю, что движение разделения суставов в суставе MCP создает кавитационные пузыри, крошечные полости или «пустоты» газа в синовиальной жидкости сустава.

«Если у вас есть две поверхности, разделенные вязкой жидкостью, и вы быстро разъединяете эти поверхности, вы сбрасываете давление жидкости между поверхностями», — пояснил Баракат.«Это внезапное снижение давления может привести к тому, что растворенные газы в жидкости превратятся в пузырьки».

СВЯЗАННЫЙ: Точно так же, как летучие мыши, люди могут эхолотировать

Человек, щелкающий костяшками пальцев, на самом деле не «лопает» кавитационные пузыри, манипулируя суставом. Вместо этого нестабильные пузыри схлопываются сами по себе почти мгновенно, создавая волны давления, которые преобразуются в звук.

Одна из претензий к статье 2015 года заключалась в том, что доля секунды, необходимая для полного схлопывания пузырьков, слишком медленная, чтобы издавать звук хлопка достаточно быстро.Математические модели Бараката и Суджи показывают, что даже частичного схлопывания пузыря было достаточно, чтобы вызвать волны давления, соответствующие скорости и интенсивности реальных трещин.

Французские исследователи предпочли математическое моделирование методам визуализации, использовавшимся в статье 2015 года, которые пытались записать МРТ-сканирование внутренних процессов в реальном времени. Баракат и Суджа считают, что метод визуализации, называемый синерадиографией, еще не достиг необходимого разрешения (1200 кадров в секунду), необходимого для наблюдения за схлопыванием пузырей в действии.Например, частота кадров в документе 2015 года составляла всего 3,2 кадра в секунду.

Вместо этого Баракат и Суджа разработали двухмерную математическую модель соединения MCP, чтобы проверить влияние различных переменных на звук, производимый схлопывающимися кавитационными пузырьками, включая форму и геометрию соединения MCP, силу и скорость, используемые для щелчки суставов и вязкость суставной жидкости, которая меняется с возрастом.

Они обнаружили, что расстояние, разделяющее суставы, было одной из критических переменных.Костяшки, которые находятся ближе друг к другу в положении покоя, производят более крупные пузыри, когда они разделяются во время растрескивания.