Современное понимание процесса кавитации

Кавитация (от лат. cavitas — пустота), образование в жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков, или каверн). Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения p _kp (в реальной жидкости p _kp определяется значением давления насыщенного пара этой жидкости при данной температуре и давлением атмосферного столба над поверхностью жидкости). Если понижение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то кавитацию называют гидродинамической, а если вследствие прохождения акустических волн — акустической.

Гидродинамическая кавитация. Поскольку в реальной жидкости всегда присутствует в растворенном виде газ, то, двигаясь с потоком и попадая в область давления р < р _кр, газ приобретает способность к выделению (к выходу) из воды, образуя газовые пузырьки микроскопических размеров. Если же давление в жидкости ниже значений, соответствующих температуре кипения при данном давлении, то в полости газовых пузырьков начинается испарение жидкости. Это есть парогазовая фаза кавитации. Если же давление в жидкости продолжает оставаться ниже значений кипения жидкости, то в образовавшихся пузырьках преобладающим становится пар. Это паровая фаза кавитации.

После перехода в зону повышенного давления и исчерпания кинетической энергии расширяющейся жидкости рост пузырька прекращается, и он начинает сокращаться. Если в пузырьке содержится достаточно много газа, то по достижении им минимального радиуса он может совершать нескольких циклов затухающих колебаний, а если газа мало, то пузырёк захлопывается полностью в первом периоде жизни. Таким образом, вблизи обтекаемого тела (например, в трубе с местным сужением, рисунок 3.33) создаётся довольно четко ограниченная “кавитационная зона”, заполненная движущимися пузырьками.

 

	Рисунок 2.33

 

Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом (своего рода гидравлическим ударом) тем более сильным, чем меньше пара содержит пузырёк. Если степень развития кавитации такова, что в случайные моменты времени возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным спектром от нескольких сотен герц до сотен и тысяч килогерц. Если кавитационная каверна замыкается вблизи от обтекаемого тела, то многократно повторяющиеся удары приводят к разрушению (к так называемой кавитационной эрозии) поверхности обтекаемого тела (лопастей гидротурбин, гребных винтов кораблей и др. гидротехнических устройств.

Еще в 1917 году Рэлэй, давший первую математическую модель схлопывания сферической полости - каверны, обратил внимание на то, что она может приводить к образованию огромных, как ему казалось, физически неосуществимых скоростей и давлений. Все последующие исследователи старались подправить Рэлэя, оставляя открытое явление в рамках классической физики. Однако рождение нейтронов в опытах Флигга и избыточной энергии у Григса из неопознанного пока источника свидетельствовало о том, что дело выглядит несколько сложнее. Простая подстановка чисел в формулу Рэлэя показывает, что при уменьшении размеров полости от 0,1 до 0,000001 миллиметра относительная скорость надвигающихся друг на друга стенок каверны близка к... скорости света. Все, стало быть, говорит о том, что модель Релея не соответствует действительности.

Непонимание явления кавитации породило модели, объясняющие процессы, протекающие при этих условиях, как процессы холодного термоядерного процесса. На этом, в частности, строится объяснение процесса, при котором коэффициент полезного действия, определяемый в соответствии с канонами классической термодинамики, превышает 100%. Например, установки Ю. Потапова, выпускаемые серийно последние 20 лет, имеют тепловой КПД порядка 120%. Установки, разработанные Колдамасовым, предъявляют жесткие требования к качеству исходной воды и при их использовании требуется добавка “тяжелой” воды. По этим причинам использование установок Колдамасова не нашло никакого применения, хотя в этих установках тепловой КПД достигает 250%. При этом Колдамасов обосновывает свои эффекты повышения кпд как раз наличием “холодного термояда”.

Кен Саслик (Ken Suslick) и Дэвид Флэнниган (David Flannigan) из университета Иллинойса (University of Illinois at Urbana-Champaign) на термоядерный синтез не замахиваются. Они изучали явление сонолюминисценции, которое известно уже давно. В 30-е годы при исследованиях акустической кавитации открыли сонолюминесценцию (звукосвечение). Природа этого свечения для ученых до сих пор остается загадкой. Исследователи только в 1959 году выяснили, что каждая вспышка сонолюминесценции представляет собой серию импульсов излучения, длительность каждого из которых не превышает ~ 10^-9 сек.

Исследования Ф. Гайтана и Л. Крума в университете штата Миссисипи, проведенные в 80-е годы, показали, что одиночный кавитационный пузырек, удерживаемый в сконструированной ими ультразвуковой установке, раздувается до 50 мкм, затем стремительно сжимается в миллионы раз и излучает световую вспышку длительностью ~ 50x10^-12 сек. При этом вспышки из одного и того же пузырька повторяются с потрясающе чёткой периодичностью, стабильность которой можно сравнить разве что со стабильностью работы кварцевого генератора хронографа.

При прохождении ультразвука через жидкость (при ряде условий) волны плотности вызывают явление сродни кавитации – быстрый рост и стремительное же схлопывание миниатюрных пузырьков газа, растворённого в этой жидкости, либо – пара самой жидкости. По некоторым данным, стенки этих пузырьков устремляются навстречу друг другу со скоростью до полутора километров в секунду, а ударная волна разогревает газ внутри до… Вот тут начинаются разночтения.

Некоторые экспериментаторы рапортуют о миллионах градусов и даже о достижении ядерного синтеза в пузырьках. Но споры вокруг таких "открытий" идут очень жаркие и не один год. Об этом чуть ниже, а пока – о новой работе. Саслик и Флэнниган говорят, что сделали запись самых интенсивных вспышек света, когда-либо видимых в таких пузырьках (и видимых простым глазом) и впервые детально замерили всё, что происходило внутри (рисунок 2.34).

Коллапсирующие пузырьки газа в их установке развивали температуру более 15 тысяч градусов Цельсия. При этом образовывалась плазма. Исследователи использовали звуковые волны с частотой 20-40 килогерц, направленные на сосуд с концентрированной серной кислотой, содержащей аргон. Сверхбыстрое колебание давления в жидкости вызывало рост и коллапс пузырьков. Их высокая температура была способна отделять электроны от их "родных" атомов. Доказательство существования в сосуде плазмы заключается, в числе прочего, в обнаружении там ионизированных молекул кислорода (O₂⁺).

Облако коллапсирующих пузырьков, испускающих свет, в эксперименте Саслика (фото с сайта nature.com). Рисунок 2.34

Некий процесс должен был удалить электрон из молекулы, не нарушая химическую связь двух атомов. Само по себе нагревание разбило бы молекулу на два отдельных атома, а значит, рассуждают авторы работы, кислород был ионизирован, когда столкнулся с электронами высокой энергии или другими ионами в горячем аргоновом плазменном сгустке. Однако при интерпретации данных эксперимента Саслик и Флэнниган допустили ряд ошибок.

При правильности проведенных замеров температуры авторы неверно трактовали момент появления плазмы (см. рисунок 3.35). Непонимание авторов эксперимента как раз обнаруживается при рассмотрении модели плазмы, использованной авторами, как модели ионизированного газа, что дает совершенно неверную интерпретацию процесса. Дело в том, что плазма может появиться только в виде квантов (фотонов высокой энергии), возникающих при разрушении электромагнитной оболочки ядер атома – разрушение электронов, нейтронов, протонов. Об этом говорит торсионная модель вещества.

.

Принцип сонолюминесценции (иллюстрация с сайта nature.com). Рисунок 3.35

Основатель электрической теории сонолюминесценции Я. И. Френкель еще в 1940 г. предположил, что кавитационные полости в воде возникают точно так же, как трещина в твёрдом теле. Это, в общем, понятно - ведь вода имеет квазикристаллическую структуру. А поскольку молекулы воды полярны, то на противоположных сторонах таких трещин в жидкой воде, по мнению Френкеля, появляются значительные заряды противоположных знаков, как при растрескивании ионных кристаллов. Затем между стенками полости начинают происходить электрические разряды в парогазовой среде, ведущие к возбуждению молекул и атомов газа с последующим высвечиванием ими фотонов.

Но опыты Гайтана и Крума продемонстрировали, что одиночный кавитационный пузырёк, не делясь, продолжает исправно излучать всё новые и новые импульсы света в течение многих циклов его расширения и сжатия в ультразвуковом поле. Как в нём за столь малое время между импульсами излучения восстанавливается электрический заряд, необходимый для следующего разряда? Восстанавливается без нарушения целостности поверхности пузырька! Отсутствие ответа на этот вопрос пошатнуло позиции электрической теории сонолюминесценции и заставило многих вернуться к термической теории. Вместе с тем, эти исследования показывают, что в кавитационных пузырьках нет, и не может быть никаких электрических разрядов.

По оценкам специалистов, исходивших из измеренной яркости свечения, температура газа в пузырьке при его схлопывании достигает сотен тысяч и даже миллионов градусов, то есть термоядерных температур. Но, увы, никому не удавалось зарегистрировать в воде, в которой наблюдалась ультразвуковая сонолюминесценция, следов продуктов реакций ядерного синтеза, превышающих уровень естественного фона. Следовательно, и о “холодном термояде” следует забыть. Снова следует подчеркнуть, что без использования торсионной модели вещества кавитация не сможет быть объяснена как по физике процессов, так и по возникающим энергетическим эффектам.

Тогда появились гипотезы о том, что в кавитационных пузырьках высвобождается энергия физического вакуума. Само по себе такое объяснение ни о чем не говорит и ничего не объясняет, так как все в мире объясняется свойствами физического вакуума. Таким образом, и такое объяснение не более чем ничем не обоснованные предположения, направленные на то, чтобы уйти от истинного объяснения процесса. Каждая из перечисленных моделей не имеет практически ничего общего с реальностью. Только признание факта электромагнитной природы любого вещества и, соответственно, торсионной модели вещества способно хоть как-то объяснить происходящие процессы.

Если бы жидкость была идеально однородной, а поверхность твёрдого тела, с которым она граничит, идеально смачиваемой, то разрыв происходил бы при давлении, значительно более низком, чем давление насыщенного пара жидкости. Прочность на разрыв воды, вычисленная при учёте тепловых флуктуаций, равна 150 Мн/м² (1500 кг/см²). Реальные жидкости менее прочны. Максимальное растяжение тщательно очищенной воды, достигнутое при растяжении воды при 10°С, составляет 28 Мн/м² (280 кг/см²).

Обычно же разрыв возникает при давлениях, лишь немного меньших давлениях насыщенного пара. Считают, что низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так называемых кавитационных зародышей: плохо смачиваемых участков твёрдого тела, твёрдых частиц с трещинами, заполненными газом, микроскопических газовых пузырьков, ионных образований, возникающих под действием космических лучей. В ряде работ обнаружено влияние электрического тока и магнитного поля на кавитацию, возникающую при обтекании цилиндра в гидродинамической трубе.