Кавитация и ее влияние на сооружение
Кавитация возникает в жидкости при понижении в ней давления до предела, при котором происходят разрывы сплошности потока. Наступление кавитации характеризуется появлением мельчайших парогазовых пузырьков, которые при соответствующем развитии кавитации могут образовать в потоке кавитационные пульсирующие каверны. При повышении пульсирующих давлений в вихревом следе за обтекаемым телом или при сносе кавитационных пузырьков потоком в области повышенного давления пузырьки захлопываются (разрушаются). Если захлопывание происходит у твердой стенки, материал ее подвергается значительным механическим ударным воздействиям, которые в соответствующих условиях приводят к возникновению кавитационной эрозии.
В практике эксплуатации водосбросных сооружений при недостаточном учете при проектировании и строительстве опасности кавитации имели место случаи кавитационной эрозии различных элементов этих сооружений — гасителей энергии и расщепителей потока, водобойных плит за гасителями и уступами, поверхностей за плохо обтекаемыми пазами затворов и оголовками быков глубинных водосбросов, различными строительными неровностями и дефектами (в местах плохого стыкования опалубки, за несрезанными стержнями арматуры и др.) [21, 22, 24, 77, 79]. Ощутимая кавитационная эрозия может образоваться быстро— для бетонов через несколько суток и даже часов, для стали через несколько месяцев, недель.
Условие появления кавитации — понижения давления в потоке жидкости до давления парообразования Нк, то есть когда мгновенное значение вакуума:
В общем случае значение Як зависит от температуры воды, выделяющегося из воды при кавитации воздуха и наличия твердых взвешенных частиц. Обычно два последних фактора не учитывают и приближенно принимают HK=Ht, где Ht — упругость водяных паров для чистой воды.
За критерий, характеризующий кавитацию, принимают параметр (число) кавитации:
В гидротехнических сооружениях срывная кавитация имеет место, например, при обтекании гасителей энергии, пазов затворов, неровностей на поверхностях водосбросов и т. п.
В некоторых случаях выделяют также щелевую кавитацию, образующуюся в узких зазорах, например уплотнений затворов и ряда других форм.
Важно учитывать степень развития кавитации, которая характеризуется либо отношением.
В зависимости от степени развития различают начальную стадию кавитации, развившуюся кавитацию и суперкавитацию (см. рис. 4.21).
Примерные значения 0 для плохо обтекаемых тел на границах различных стадий кавитации приведены на рисунке 4.23.
Различным формам и стадиям кавитации присущи различные особенности, в том числе и в отношении кавитационных разрушений. Так, для плохо обтекаемых тел при некотором значении в стадии развившейся кавитации у тела имеет место максимум кавитационной эрозии; в начальной же стадии и в стадии суперкавитации эрозия существенно меньше или вообще может отсутствовать, особенно при достаточно высокой кавитационной стойкости материала и непродолжительности кавитационных воздействий.
В связи с этим НИС Гидропроекта предложен коэффициент начала кавитационной Эрозии, при котором, несмотря на наличие кавитации, эрозия будет отсутствовать или будет настолько малой, что ею можно пренебречь.
Срывная кавитация разновидности А, особенно в развившейся стадии, может быть опасна в отношении кавитационной эрозии, так как в этом случае кавитационный факел замыкается на теле или на твердой стенке за кавитирующим телом (см. рис. 4.22, а — г). Кавитация разновидности Б (см. рис. 4.22, д) в основном не опасна, так как кавитационные области не замыкаются (или почти не замыкаются) на твердых стенках, что исключает или уменьшает возможность образования кавитационной эрозии. Такой вид срывной кавитации должен быть обычно безопасным не только в стадии суперкавитации или в начальной, но и при развившейся кавитации. Конструкции, работающие при кавитациии вида Б, часто называют суперкавитирующими или безэрозионными.
Кавитационную эрозию при срывной кавитации можно уменьшить или исключить при повышенном содержании воздуха в воде.
Интенсивность кавитационной эрозии i (при прочих равных условиях) существенно увеличивается с увеличением скорости течения v (см. рис. 4.23), На значение t влияет и форма обтекаемого тела. Например, интенсивность эрозии за возбудителем кавитации в виде цилиндра больше, чем за выступом (по схеме рис. 4.21).
Эрозия плавно обтекаемых тел обычно меньше, чем плохо обтекаемых. При оценке возможности возникновения кавитационной эрозии данного материала следует учитывать значения пороговых скоростей. При скоростях длительное время практически не происходит кавитационной эрозии. Значение зависит не только от вида материала, но и от очертаний обтекаемого тела, формы и стадии кавитации, а также от содержания воздуха (рис. 4.24).