Техника знает немало примеров того, как вредному эффекту находили полезное применение.
Искрящий электрический контакт быстро разрушается, но именно это зло составляет основу электроэрозионной обработки металлов. Трение порой словно склеивает поверхности соприкасающихся предметов, затрудняет их взаимное движение -, и подсказывает идею контактной сварки.
Таким же «злом, обращенным во благо», становится в наши дни кавитация. Разрушившая немало корабельных винтов, сегодня она разрушает заусенцы на штампованных деталях, отбраковывает дефектные кристаллы алмаза, зачищает металлические поверхности, очищает воду, и т. д.
НА ЧТО СПОСОБЕН ГАЗОВЫЙ ПУЗЫРЕК?
В жаркий летний день, выпивая стакан газированной воды, каждый из нас наблюдал, как из жидкости выделяются газовые пузырьки. Пузырьки растут, всплывают вверх и лопаются с еле слышным шумом.
Трудно поверить, что при определенных условиях газовый пузырек может обладать огромной разрушительной силой. И действительно, до начала нашего века никому не приходило в голову, что газовый пузырек способен разрушить и притом в довольно короткий срок - любой материал.
Поведением пузырьков в жидкости ученые заинтересовались вскоре после появления судов с паровыми двигателями. Гребные винты быстроходных кораблей выходили из строя через несколько сот часов работы. После непродолжительной эксплуатации латунный винт напоминал губку его поверхность была изъязвлена многочисленными ямками, напоминающими кратер вулкана в миниатюре, а на некоторых участках винта зияли сквозные дыры с рваными краями.
Причиной разрушения, по единодушному мнению членов комиссии, специально созданной английским Адмиралтейством, являлись газовые пузырьки.
ОБРАТИМСЯ К МЫСЛЕННОМУ ЭКСПЕРИМЕНТУ
Чтобы понять, как может небольшой газовый пузырек с ничтожными на первый взгляд энергетическими возможностями, производить столь серьезные разрушения, проделаем мысленно следующий эксперимент.
Допустим, что в жидкости находится полый стеклянный шарик, из которого полностью удален газ. Мысленно разобьем стеклянную оболочку. При этом в жидкости образуется сферическая полость, давление в которой равно нулю. Нетрудно представить, что окружающая жидкость будет «врываться» в образовавшуюся «пустоту» - полость захлопнется. Заметим, что при этом перемещается лишь часть жидкости, прилегающая к полости и называемая присоединенной массой жидкости.
Точный математический расчет, проведенный Релеем в 1917 году, показал, что если радиус захлопывающейся полости уменьшается до нуля, то давление в окрестностях полости растет неограниченно и может достичь огромной величины. Если бы в центре полости находилась частичка металла, размеры которой намного меньше размеров полости, то под действием колоссального давления она была бы разрушена.
На этом примере мы в общих чертах познакомились с явлением кавитации. Точности ради дадим его строгое определение образование в жидкости разрывов («пустот») вследствие локального понижения давления с последующим захлопыванием образовавшихся полостей. Название явления происходит от латинского слова cavitas, что означает «пустота»
При вращении гребного винта в жидкости образуются области повышенного и пониженного (по сравнению с атмосферным) давления. Допустим, что в области разрежения образовался небольшой газовый пузырек (как это может произойти, будет сказано ниже). В неподвижной жидкости давление пара и газа внутри пузырька уравновешивалось бы гидростатическим давлением и давлением, обусловленным силами поверхностного натяжения. В условиях пониженного давления пузырек начинает расти. Характер роста зависит от величины разрежения. Особенно быстрый рост происходит в том случае, когда давление окружающей жидкости равно давлению ее насыщенного пара. Это давление называется критическим.
Пузырек расширяется до тех пор, пока увеличение присоединенной массы жидкости и изменение внешнего давления не остановят развитие кавитационной полости (размеры кавитационных полостей зависят от многих факторов и колеблются в пределах от долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров). Вихревые потоки жидкости, возникающие при вращении винта, выносят не в меру разросшийся пузырек в область повышенного давления, где происходит сжатие полости. Чем меньше давление парогазовой смеси в полости (а оно снижается по мере расширения пузырька), и чем выше давление в области сжатия, тем ближе процесс захлопывания реальной полости к процессу захлопывания пустого шарика, о котором говорилось в начале главы.
Если обеспечить непрерывное образование газовых пузырьков в области разрежения, то процесс кавитации также будет непрерывным.
ПОГОВОРИМ О «ЗАРОДЫШАХ» КАВИТАЦИИ
Откуда же берутся газовые пузырьки в жидкости?
Молекулы жидких веществ, как правило, связаны между собой весьма прочно. Для разрыва межмолекулярных связей требуется приложить усилие порядка 10 тонн на каждый квадратный сантиметр внешней поверхности жидкости.
Между тем разрыв реальных жидкостей происходит при небольшом понижении давления. Чтобы убедиться в этом, можно проделать простой опыт. Наполним водой стеклянную трубку с загнутыми кверху концами и закрепим на горизонтальном диске (см. рис.). Приведем диск во вращение, наращивая обороты. При определенной скорости вращения раздастся хлопок, свидетельствующий о том, что произошел разрыв жидкости под действием центробежной силы.
Водопроводная вода имеет прочность всего 0,1 атмосферы. Тщательно дегазируя воду, очищая ее от примесей, можно повысить ее прочность до десятков атмосфер, но все равно теоретически предсказанное значение (десять тонн на квадратный сантиметр) останется недостижимым.
Почему это так?
Вычисляя силу, необходимую для разрыва межмолекулярных связей, мы представляли жидкость совершенно сплошной. На деле же этого никогда не бывает. Хаотические колебания температуры в микрообъемах жидкости - тепловые флюктуации - вызывают появление многочисленных мельчайших газовых и паровых пузырьков. Кроме того, жидкость, как правило, содержит загрязнения в виде несмачиваемых твердых частиц. Эти пузырьки и частицы нарушают сплошность жидкости и тем самым снижают ее прочность. Они же играют роль «зародышей» кавитации.
При вращении винта образуется множество кавитационных полостей, вырастающих из «зародышей» кавитации. Их пульсации вызывают постепенное разрушение винта.
Хотя изучением кавитации занимаются более пятидесяти лет, до настоящего времени нет удовлетворительных средств защиты от кавитационного разрушения.
Детальное изучение кавитационных процессов натолкнуло на мысль использовать кавитацию для активного воздействия на вещество.
ЧТО ТАКОЕ АКУСТИЧЕСКАЯ /КАВИТАЦИЯ?
Все предметы из ферромагнитных веществ - например, железа - в магнитном поле меняют свои размеры. Это явление называется магнитострикцией. У железа магнитострикционные свойства выражены слабо, но некоторые ферромагнетики, например, никель или пермендюр (сплав железа с кобальтом), изменяют свои размеры вполне ощутимо никелевый стержень длиной 200 миллиметров в поле, направленном вдоль стержня, укорачивается примерно на один микрометр.
Магнитострикционные свойства ферромагнетиков позволяют преобразовать электрические колебания в механические. Вибраторы, созданные на основе этого эффекта, используются для возбуждения кавитации в жидкости. Как правило, они работают на ультразвуковой частоте и совершают около 20 тысяч колебаний в секунду (см. рисунок внизу).
Кавитацию, возбуждаемую колебаниями звуковой или ультразвуковой частоты, принято называть акустической кавитацией.
Если магнитострикционный преобразователь колеблется с частотой 20 килогерц, а амплитуда смещения излучателя составляет всего 5 микрометров, то давление в жидкости достигает 10 атмосфер. Такого давления вполне достаточно для развития кавитационных процессов.
Вибратор в течение одной половины периода колебаний понижает давление в окрестностях пузырьков - «зародышей», способствуя их росту, а в течение второй половины периода помогает захлопнуться образовавшимся полостям.
Опыт показывает, что, создавая в жидкости переменное давление, можно вызвать образование кавитационных полостей двух видов. Некоторые полости захлопываются - они обладают огромной разрушительной силой, или, как принято говорить, имеют высокую эрозионную активность. Другая часть полостей пульсирует, не захлопываясь, - их эрозионная активность низка.
Пульсирующие полости образуются в первую очередь у поверхности вибратора и, покрывая ее, препятствуют распространению упругих колебаний по всему объему жидкости (фото на стр. 58 вверху).
Если использовать кавитационные процессы для активного воздействия на вещество, то следует, каким-то образом сократить число пульсирующих пузырьков и увеличить количество захлопывающихся. И наоборот, чтобы предохранить материал от кавитационного разрушения, следует уменьшать число захлопывающихся и увеличивать количество пульсирующих полостей.
Мы рассмотрим только первую часть задачи, задавшись вопросом «Можно ли заставить пульсирующий пузырек захлопнуться?»
ДОБАВИМ СТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ
Наряду с переменным давлением, которое создает вибратор, подвергнем жидкость еще и некоторому статическому давлению.
На первый взгляд такое решение носит оттенок парадокса. Ведь увеличивая статическое давление, мы способствуем растворению зародышевых пузырьков, следовательно, упрочняем жидкость и затрудняем развитие кавитационных процессов.
Однако, растворяя часть «зародышей», мы одновременно сокращаем число крупных пульсирующих полостей, очищаем от них поверхность вибратора, следовательно, улучшаем условия передачи акустической энергии от поверхности вибратора к удаленным участкам жидкости, увеличиваем число захлопывающихся полостей не только в непосредственной близости от источника колебаний, но и вдали от него.
Если число захлопывающихся полостей с повышением гидростатического давления нарастает быстрее, чем сокращается число «зародышей» кавитации, то эрозионная активность кавитационной области увеличивается.
Если с повышением гидростатического давления число «зародышей» сокращается быстрее, чем нарастает количество захлопывающихся полостей, то кавитационные процессы подавляются.
Регулируя соотношение между гидростатическим и акустическим давлением, можно в десятки и сотни раз увеличить эрозионную активность кавитационной области.
Сначала с ростом статического давления эрозионная активность растет, достигает максимума, а затем падает. Максимальная эрозия наблюдается тогда, когда статическое давление равно половине амплитуды переменного (фото справа).
Область кавитации при повышенном гидростатическом давлении выглядит совсем иначе, чем при атмосферном давлении (см. рис. на обложке). Мощный столб из множества захлопывающихся полостей формируется только в центре излучателя, где акустическое давление максимально. На поверхности излучателя нет пульсирующих полостей.
Захлопывание полостей сопровождается характерным сильным шумом. На конечной стадии захлопывания в полости протекают сложнейшие физические процессы; в частности, наблюдается заметное свечение, обусловленное ионизацией молекул газа.
Что же именно происходит в конце фазы захлопывания? Каков механизм кавитационного разрушения? На эти вопросы пока нет ответа.
Возможно, что на конечной стадии существования кавитационный пузырек утрачивает сферическую форму, разделяется на несколько более мелких частей, которые инициируют образование новых «зародышей»
РАСШИРИМ ОБЛАСТЬ КАВИТАЦИИ
Итак, кавитационными процессами можно управлять, регулируя соотношение между пульсирующими и захлопывающимися полостями за счет изменения гидростатического давления.
Однако при этом не решается еще одна важная задача - кавитационные области при повышенном давлении образуются только в определенной части объема жидкости.
А нельзя ли распространить кавитационную область по всему объему?
Поставленную задачу можно решить, искусственно снижая прочность жидкости в заданной части объема. Этого легко добиться, если пропускать через жидкость пузырьки газа под давлением выше атмосферного. Граница газового пузырька с жидкостью является тем слабым местом, на котором в первую очередь образуются кавитационные полости. Они «набрасываются» на газовый пузырек и за доли секунды разрушают его на мельчайшие осколки (фото слева внизу).
Меняя место подвода газа, можно изменять и положение кавитационной области. Таким образом удавалось получить область кавитации на расстоянии нескольких метров от излучателя.
ЧЕМ ПОЛЕЗНЫ КАВИТАЦИОННЫЕ ПУЗЫРЬКИ?
У кавитационных пузырьков много ценных качеств, на которых основано применение акустической кавитации в технологических процессах. Остановимся на некоторых из них.
Кавитационный пузырек очень «разборчив». В первую очередь под его ударами разрушаются наиболее слабые, дефектные места в материале. На этой особенности основан процесс удаления заусенцев с мелких штампованных деталей приборного и часового производства. Под градом кавитационных ударов заусенцы на деталях разрушаются, в то время, как сама деталь остается неповрежденной. Ультразвуковые установки для снятия заусенцев внедрены на ряде заводов, и с успехом заменили операции ручной зачистки (фото справа).
Акустическая кавитация используется для очистки изделий и деталей от возможных загрязнений. В очистке активное участие принимают не только захлопывающиеся, но, и пульсирующие полости. При пульсациях полостей в их окрестностях возникают вихревые микропотоки, вымывающие загрязнения из мельчайших пор и неровностей. Ультразвуковая очистка широко применяется в электронной технике, при производстве электровакуумных и полупроводниковых приборов, при подготовке поверхности металлов под нанесение разнообразных покрытий и во многих других областях техники.
Акустическую кавитацию можно применять также для получения небольших количеств сверхтонких порошков с размерами частиц менее микрометра.
Акустическая кавитация незаменима для избирательного разрушения дефектных синтетических и естественных алмазов. Эти процессы основаны на том, что трещины, выходящие на поверхность кристаллов, значительно ослабляют стойкость твердых тел к воздействию кавитации.
Часть энергии магнитострикционного вибратора, которая преобразуется в тот или иной полезный технологический эффект, невелика - много меньше одного процента. Это - следствие общего правила высокие плотности энергии достигаются дорогой ценой. Естественно, что использовать кавитационные полости экономически наиболее выгодно при невысоких затратах энергии, сконцентрированной в малом объеме.
Мы уже рассказывали о том, как разрушается газовый пузырек под воздействием акустической кавитации. Дробясь на мельчайшие пузырьки, газ быстро растворяется в жидкости до насыщения, соответствующего гидростатическому давлению, под которым находится жидкость. Подобным образом можно получить жидкости, в которых содержится избыточное количество свободного газа. После того, как давление сброшено и источник колебаний выключен, жидкость оказывается пересыщенной газом. На глаз она ничем не отличается от обычной, в ней не видно никаких пузырьков, ее объем остался прежним. Но стоит включить вибратор при атмосферном давлении или нагреть жидкость, как моментально начинается бурное выделение избыточного газа. Отдельные стадии этого процесса представлены на снимках (фото внизу).
Обычно содержание свободного газа в воде при атмосферном давлении не превышает десятых долей процента. Насыщая жидкость газом под повышенным гидростатическим давлением в мощных ультразвуковых полях, можно повысить эту цифру в сотни и тысячи раз.
Жидкости, пересыщенные газом, помогли бы решить некоторые проблемы защиты окружающей среды. Перечислим некоторые из них.
Известно, что капельки нефти образуют в воде стойкую эмульсию. Поверхность нефтяной капли не смачивается водой и поэтому к ней легко прилипает воздушный пузырек. На этом свойстве основана очистка воды от нефтепродуктов. Водная эмульсия подается в резервуары и некоторое время выдерживается под давлением выше атмосферного. Затем давление снижается до атмосферного и растворенный в воде воздух выделяется в виде множества мелких пузырьков. Воздушные пузырьки прилипают к капелькам нефти и выносят их на поверхность, с которой образовавшаяся нефтяная пленка легко снимается. Нетрудно представить, насколько можно ускорить этот процесс, используя акустическую кавитацию для пересыщения воды воздухом.
Пересыщение газом жидкости можно использовать для получения аэрозолей - взвесей мельчайших капелек жидкости в воздухе. Такие взвеси применяются в системах газоочистки металлургических и химических предприятий. Если пропускать через форсунки жидкость, пересыщенную газом, то газ по выходе из форсунки будет «взрывать» каждую каплю жидкости изнутри, способствуя образованию капельного тумана.
Несомненно, что эта новая область применения акустической кавитации в ближайшее время будет поставлена на службу человеку, как ультразвуковая очистка и другие методы, в которых кавитационные пузырьки выступают, как неутомимые труженики.
ЛИТЕРАТУРА
Биркгоф Г., Сарантонелло Э. Струи, следы и каверны, М„ 1964.
Физика и техника мощного ультразвука (Под ред. Л. Д. Розенберга), кн. 1 - 3, М„ 1968 - 1970.
