CC BY
115
ВЕСТНИК«!
ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ^^
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
DOI: 10.21821/2309-5180-2019-11-4-705-717
STUDYING THE CAVITATION PROCESS AND THE POSSIBILITY OF REDUCING EROSIVE WEAR
S. P. Zubrilov, N. V. Rastrygin
Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping,
St. Petersburg, Russian Federation
An approach to solve the problem of reducing the cavitation damage of internal combustion engines, ship propellers, and elements of hydraulic structures is presented by controlling the cavitation process for all possible spherical pulsations of cavitation bubbles and their non-spherical fragmentations based on four typical schemes of the cavitation bubble collapse near a solid surface. High-speed visualization (holography) of the cavitation area has proved the bubbles consolidation before their impact on a solid surface by jets blow. The research object is the cavitation area in the water and its impact on a hard surface, the research subject is the phenomenon of bubbles cooperation at the compression final stage and the possibility of its use to reduce the erosion effect of cavitation. At research, the following experimental methods are used: high-speed holographic visualization, interferography, acoustic cavitation. Combining the cavitation bubbles in the compression phase of the cavitation area is proved. With a single collapse of the cavitation area, two to five dynamic pressure impulses from the impact of hydrodynamic water jets arise, which are 250 times more powerful than the pressure pulses from the spherical cavitation bubble collapse. On the deep stages of compression of the cavitation region 500 bubbles have disappearedfrom the sight, the spherical pressure waves emanate from one or more points of a solid surface that confirms the fact of bubbles merging with their simultaneous movement to the solid surface. Their number is two orders of magnitude smaller than it was in the expansion phase.
The processes and phenomena that manifest themselves at deep stages of the cavitation area compression are theoretically and experimentally substantiated. Multiple cavities are easier to explore experimentally in order to control the cavitation process. The modern optical methods of digital tracer visualization, allowing to see the final stage of the cavitation cavity collapse have great prospects. New way to manage the cavitation process, based on four typical compression schemes of cavitation cavities to reduce the erosion intensity, is an alternative to the creation of costly cavitation-resistant materials.
Keywords: cavitation, hologram, bubble, cavitation area, erosion, pressure impulse, water, interferogram.
For citation:
Zubrilov, Sergey P., and Nikolay V. Rastrygin. "Studying the cavitation process and the possibility of
reducing erosive wear." Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala
S. O. Makarova 11.4 (2019): 10.21821/2309-5180-2019-11-4-705-717.
УДК 502.656.628
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КАВИТАЦИИ И ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ ЭРОЗИОННОГО ИЗНОСА
С. П. Зубрилов, Н. В. Растрыгин
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»,
Санкт-Петербург, Российская Федерация
Представлен подход к решению проблемы снижения кавитационного разрушения двигателей внутреннего сгорания, судовых винтов, элементов гидротехнических сооружений путем управления кавита-ционным процессом для всех возможных сферических пульсаций кавитационных пузырьков и их несферических фрагментаций на базе четырех типовых схем захлопывания кавитационных пузырьков у твердой поверхности. Высокоскоростной визуализацией (голография) кавитационной области доказано объединение пузырьков перед их воздействием на твердую поверхность ударом струй. Объектом исследований является кавитационная область в воде и ее воздействие на твердую поверхность, предметом исследований послужило явление кооперации пузырьков на заключительной стадии сжатия и возможность его использования для снижения эрозионного эффекта кавитации. При проведении исследований были использованы
■р
Г705
ЛВЕСТНИК
............ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Х^ОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
следующие экспериментальные методы: высокоскоростная голографическая визуализациия, интерферо-графия и акустическая кавитация. Приведено доказательство объединения кавитационных пузырьков в фазе сжатия кавитационной области. Отмечается, что при единичном замыкании кавитационной области возникают два-пять динамических импульсов от удара гидродинамических струй воды, мощность которых в 250раз превышает мощность импульсов от замыкания сферического кавитационного пузырька. Обращается внимание на то, что при проведении эксперимента на глубоких стадиях сжатия кавитационной области 500 пузырьков исчезли из поля зрения, а сферические волны давления исходят из одной или нескольких точек твердой поверхности, что подтверждает факт слияния пузырьков с их одновременным движением к твердой поверхности. Зафиксировано, что кавитационных пузырьков на два порядка меньше, чем было в фазе расширения. Теоретически и экспериментально обоснованы процессы и явления, проявляющиеся на глубоких стадиях сжатия кавитационной области. Выявлено, что несколько объединенных полостей легче исследовать экспериментально в целях управления процессом кавитации. Отмечается, что большие перспективы имеют современные оптические методы цифровой трассерной визуализации, которые позволяют увидеть заключительную стадию коллапса кавитационной полости. Новый способ управления кавитационным процессом на базе четырех типовых схем сжатия кавитационных полостей по снижению интенсивности эрозионного воздействия является альтернативой созданию дорогостоящих кавитационностойких материалов.
Ключевые слова: кавитация, голограмма, пузырек, кавитационная область, эрозия, импульс давления, вода, интерферограмма.
Для цитирования:
Зубрилов С. П. Исследование процесса кавитации и возможности снижения эрозионного износа / С. П. Зубрилов, Н. В. Растрыгин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2019. — Т. 11. — № 4. — С. 10.21821/2309-5180-2019-114-705-717.
г
аэ о
Введение (Introduction)
Резкое увеличение удельного веса переходных процессов, рост скоростей, форсированные режимы двигателей внутреннего сгорания привели к тому, что кавитация стала сдерживающим фактором развития техники. Только ежегодные убытки от ремонта дизелей оцениваются многими миллионами рублей. Кавитация в гидравлических системах приводит к ухудшению энергетических характеристик оборудования, кавитационной эрозии проточного тракта, шуму и вибрации. Однако до сих пор не создано ни общей теории возникновения, ни развития и динамического воздействия кавитации на твердую поверхность. Единый подход к изучению кавитационного процесса с неразрывной связью всех его стадий позволяет, в принципе, управлять кавитацией.
Первая работа по созданию единой типовой схемы воздействия кавитации была выполнена в Гидротехнической лаборатории им. В. Е. Тимонова в Ленинградском институте водного транспорта (ныне ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова) [1], [2]. Был создан экспериментально-измерительный комплекс для высокоскоростного фотографирования и голографирования по исследованию ядер кавитации, кавитационной области и динамического воздействия кавитации на твердую поверхность. Принципиальная схема приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки исследования для процесса замыкания кавитационной полости: 1 — УЗГ; 2 — коммутатор колебаний; 3 —вибратор; 4 — импульсная лампа; 5 — кювета; 6 — микроскоп; 7 — фоторегистратор; 8 — пульт управления; 9 — блок задержки; 10 — ТЭН; 11 — измеритель давления; 12 — ФЭУ
ВЕСТНИК«
ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА В
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА,
Съемка производилась с использование микроскопа при кратности увеличения от 12 до 32. Для обработки отснятых материалов применялся фотоувеличитель, при этом суммарное увеличение достигало кратности от 80 до 400. В результате проведенных экспериментов было впервые доказано существование четырех типовых схем воздействия кавитационного пузырька на твердую поверхность (рис. 2, интервал между кадрами 1,66 мкс, размер кадра 0,57 мм). На нижней кинограмме рис. 2 кумулятивная струя направлена вверх от стенки, давление на стенку минимально [1], [2].
Рис. 2. Кинограммы захлопывания кавитационной полости у твердой стенки в 60 %-м растворе глицерина в воде
Детально исследована заключительная стадия захлопывания одиночного кавитационного пузырька. Безразмерные характеристики вязкости жидкости и поверхностного натяжения обобщены для всех возможных сферических пульсаций кавитационных пузырьков и их несферических фрагментаций, а также установлено, что сохранение сферической симметрии или деление пузырьков при пульсациях зависят от начальных условий, задаваемых экспериментатором. При этом создав условия для четвертой схемы, можно существенно снизить кавитационную эрозию твердой поверхности. (Следует отметить, что полное исключение кавитации влечет за собой существенное ограничение режимов работы гидросистем и увеличение их стоимости, поэтому речь идет об обеспечении наименее эрозионно-опасной формы кавитации). Динамические воздействия на полость, согласно различным схемам захлопывания, приведены на рис. 3 и 4 [2]. На рис. 3 приняты следующие обозначения: верхняя кривая — одно деление 18,3 105 Па, напряжения на обмотке — МСВ; нижняя кривая — одно деление по вертикали 50 В, развертка — одно деление 5 мкс.
а)
Рис. 3. Динамическое воздействие полости при первом типе ее замыкания в воде: а — кинограмма последних стадий замыкания полости (размер кадра 0,57 мм); б — осциллограммы импульса давления
ЛВЕСТНИК
............ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Х^ОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
Рис. 4. Динамические воздействия полости при втором (слева) и четвертом (справа) типах ее замыкания в воде: а, б — кинограмма последних стадий (размер кадра 0,57 мм); в, г — осциллограммы импульса давления и напряжения на обмотке МСВ
г
аэ о
Дальнейшие исследования в этом направлении привели к практическим предложениям по снижению кавитационного воздействия [3]-[5].
Теоретические расчеты по взаимодействию пузырьков у твердой стенки, выполненные Ю. В. Гуриковым и приведенные в работе [6], дали основание для предположения об усилении механического воздействия каверны, образовавшейся в результате согласованного замыкания большого числа пузырьков. В соответствии с этой гипотезой схлопывание начинается одновременно на внешней границе скопления пузырьков и сопровождается образованием ударной волны, энергия которой частично аккумулируется кавернами в последующих слоях, находящихся в процессе схлопывания, в результате энергия замыкания интенсифицируется. Согласно численным расчетам, основанным на такой модели, взрывные волны, образующиеся при одновременном схлопывании слоя каверн, могут привести к увеличению давления на порядок по сравнению с давлением, возникающим при схлопывании одиночной каверны. Для проверки этой гипотезы были выполнены экспериментальные исследования кавитационной области с привлечением методов высокоскоростной визуализации.
Методы и материалы (Methods and Materials)
При проведении экспериментов были использованы следующие методы и материалы:
1. Метод высокоскоростной визуализации, схема которого представлена на рис. 5 и 6.
2. Голограммы записывались на пластинках с разрешающей способностью 3000 линий на миллиметр, чувствительностью 0,5 ед. стандарта, сенсибилизированных на длину волны 0,694 мкм.
3. Пьезокерамические датчики для фиксации импульсов давления при захлопывании кавита-ционной области.
4. Рубиновый лазер 0ГМ-20, гелий-неоновый лазер восстановления голограмм.
5. Кюветы из оптического стекла.
В ходе эксперимента использовались дистиллированная вода однократной и двукратной дистилляции, ионообменные фильтры и др.
Рис. 5. Схема голографирования кавитационной каверны: 1 — газовый лазер; 2 — зеркало; 3 — зеркало; 4 — расширитель; 5 — фотопластинка; 6 — кавитационная кювета; 7 — матовое стекло; 8 — расширитель; 9 — зеркало; 10 — зеркало; 11 — полупрозрачное зеркало; 12 — усилители; 13 — зеркало; 14 — точечное отверстие; 15 — диафрагма; 16 — модулятор добротности; 17 — квантовый генератор; 18 — сферическое зеркало; 19 — газовый лазер
Рис. 6. Схема воспроизведения голограммы: 1 — одномодовый гелий — неоновый лазер; 2 — микрообъектив; 3 — точечное отверстие; 4 — расширитель пучка; 5 — голограмма на перемещающемся столике; 6 — восстановление изображения; 7 — микроскоп
Результаты (Results)
Для ансамбля пузырьков возможно только голографическое исследование, обеспечивающее объемное изображение кавитационного поля, включая размеры и взаимное распределение дисперсий двух фаз. Снимались голограммы кавитационной области у поверхности колеблющегося маг-нитостриктора в разных фазах (расширение, сжатие) и в разных точках каждой фазы в режиме акустической кавитации.
Наиболее перспективной является однолучевая схема при использовании импульсного рубинового лазера с модулированной добротностью и длительностью импульсов излучения 210-8 с. Объектом голографирования служит кювета из оптического стекла размерами 2 х 3 х 4 см с исследуемой жидкостью, в которой с помощью магнитострикционного излучателя, работающего от генератора УЗДН-2Т, создается кавитационная область. Был изготовлен специальный блок синхронизации, импульс лазерного излучения привязан к определенной фазе УЗДН-2Т. В результате было четко определено, в какой фазе процесса развития кавитационной области производится съемка голограммы.
Голограммы снимались как в фазе отрицательного давления в жидкости (расширение области), так и в фазе положительного давления (сжатие области). На рис. 7 показаны период изменения давления в жидкости и точки (1-6), в которых проводилась съемка голограммы.
Рис. 7. Изменение давления в жидкости в течение периода колебания излучателя: 1- 6 — точки фазы колебаний давления, в которых сняты голограммы
На основе анализа голограмм, снятых в разных фазах периода колебаний кавитационной области на концентраторе большого диаметра (сС = 5мм), можно сделать вывод о том, что динамический импульс индуцирует несколько полостей, находящихся в разных точках поверхности (рис. 8).
а) б) в)
Рис. 8. Изображения, полученные с голограмм на концентраторе диаметром 5 мм: а — в точке 2; б — в точке 4; в — в точке 5 периода колебаний излучателя
Динамический импульс фиксируется на голограмме в виде волны давления — расходящихся темных полос. Эти импульсы при замыкании полостей возникают на последних стадиях действия положительного давления (~1/4 полупериода). Анализ голограмм кавитационной области, снятых на концентраторе малого диаметра (С = 2,36 мм), показывает, что динамический импульс индуцирует полости, находящиеся в центральной области концентратора (рис. 9). а) б)
¡¡¡У Рис. 9. Изображения, полученные с голограмм на концентраторе диаметром 2,36 мм:
5 а — в точке 2; б — в точке 5 периода колебаний излучателя
ЕВ
Измерения отдельных пузырьков в кавитационной области в стадии максимального роста показали, что средний диаметр отдельного пузырька составляет Сср = 79,85 ± 10,5 мкм (Стах = 121 мкм, Стт = 47 мкм). Средний объем кавитационной области в период ее максимального развития составляет Гах = 0,1153 мм3 (диаметр основания — 0,730-0,866 мм, высота — 0,436-0,860 мм), минимальный объем кавитационной области в стадии замыкания V = 0,00218,1 мм3 (диаметр осно-
ВЕСТНИК«!
ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ^^
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
вания — 0,244 мм, высота — 0,140 мм). Таким образом, объем кавитационной области уменьшается в стадии сжатия в 53 раза. Сопоставление объемов области и отдельной полости показывает, что область может содержать более 500 отдельных кавитационных пузырьков. В таблице представлены результаты обработки интерферограммы, зафиксированной при замыкании области.
Результаты обработки интерферограммы
Расстояние между волнами давления, мкм Время прохождения волны давления, 108 с
535 35,7
507 33,8 (наиболее интенсивные волны давления)
188 12,53
256 17,07
154 10,27
157 10,47
106 7,07
107 7,13
81 5,4
82 5,46
74 4,93
66 4,4
64 4,27
66 4,4
Временные интервалы Д* между отдельными полосами определяли по расстоянию между ними Д1 при допущении, что ударные волны распространяются со скоростью, близкой к скорости звука в жидкости ~1500 м/с. Следует отметить, что временной интервал между наиболее интенсивными волнами давления составляет ~ 0,7 мкс.
Рис. 10. Осциллограммы импульсов давления при замыкании кавитационной области (время разверстки 2,5 мкс/деление)
С помощью пьезокерамического датчика были проведены исследования замыкания кавитационной области, создаваемой на концентраторе с диаметром 2,33 мм. Анализ осциллограммы импульсов давления (рис. 10, на котором по горизонтали указано время в мкс, по вертикали — давление в Па), зафиксированных гидрофоном, установленным на расстоянии ~1 мм (вне кавитационной области) от торца концентратора, показывает, что при единичном замыкании кавитационной области возникают два-пять динамических импульсов во временном диапазоне ~5 мкс. Отдельные импульсы отстают друг от друга во времени на 0,5-1,5 мкс, время нарастания отдельного динамического давления составляет около 0,7-1,5 мкс.
г
На осциллограммах импульсов давления, записанных с гидрофона при замыкании кавитаци-онной области, видно, что полное замыкание области происходит не в каждом периоде изменения давления. Это явление теоретически описано в работах [7]-[9], где показано, что с ростом амплитуды акустического давления кавитационный пузырек не успевает захлопнуться в течение одного периода. Согласно данным, полученным на основе проведенных в исследовании опытов, амплитуда изменения давления составляет ~ 0,5 х 105 Па, захлопывание происходит в каждом периоде.
На основании полученных результатов сделаны некоторые расчетные оценки. Оценка времени замыкания кавитационной полости при данных условиях опыта (rmax = 4010-6 м, Рзам = 106 Па)
по формуле Рэлея t = 0,915, ä JP / P составляет ~ 0,5 мкс. Эта величина приблизительно на пот г j зам 5 max ^ зам 5 г
рядок больше интервала А/ между отдельными интерференционными полосами на голограмме.
Исходя из того, что отношение максимального и минимального объемов кавитационной области V / V . = 53, можно оценить степень уменьшения линейного размера r / r . = 3,8. Таким
max min ? j ff max min 5
образом, минимальный радиус пузырька соответствует ~ 10,7 мкм. Отсюда средняя скорость движения границы области за время, равное четверти периода: V = 4Аr / T = 10 м/с, на последних стадиях замыкания Vmax = 60 м/с. Сопоставление уровней давления, возникающих при замыкании кавитационной полости, дает следующую картину. В случае сферического замыкания
'V. Л
P = P0
max U
max
V
V mm J
Y
Здесь Р0 — начальное давление газа в полости (принято Р0 = 2 • 103 Па), показатель адиабаты принят равным 4/3, Pmax = 4 • 105 Па.
В случае удара струи:
P = pcV = 103 • 1,5 • 103 • 1 = 150 • 105 Па;
уд. ср r cp
P = pcV = 900 • 105 Па;
уд. max r max 5
Таким образом, наиболее вероятным механизмом динамического воздействия является удар струи, возникающей при потере устойчивости, замыкающейся полостью.
Сравним полученные результаты с расчетом. Как известно, для сил Бьеркнеса (FB) между двумя подобными пузырьками, имеющими колебательную скорость поверхностей сфер (V),
F^ = 4 npr03r02 = ^Vcos ф. 3 (2h)2 ^
Определим V0 при h = 103 • 10-6 и cos ф ~ 1 при условии равновесия пузырька FB = F = = (4/3Kpg.
Тогда V = 2hÜf = 2= 0,5 м/с.
Скорость движения пузырька в ряде положений (квазистационарное приближение):
п =п = 18, 17, 16 ... 2, 1; V -, имеет значения: V. = 0,0145, V. = 0,0745, V. = 0,12,
г г0 1 6Уп-2 9У 10 5 4
^ V = 0,5 м/с, т. е. имеет место ускорение движения пузырька к стенке и друг к другу.
£ Напрашивается вывод о том, что примерно 500 пузырьков, занимающих объем
Ш 0,00218 мм3 (в стадии сжатия), двигаясь друг к другу и одновременно к твердой поверхности, ^^^ на последней стадии объединяются в два-пять объединенных пузырьков и захлопываются на по-щ^2 верхности концентратора, видимо, по кумулятивному механизму (возможно, и по другим, еще не исследованным механизмам), что видно по двум-пяти волнам давления, фиксируемым на голограммах. Как видно из голограмм, на глубоких стадиях сжатия (точки 5, 6) кавитационной области (как отмечалось ранее, поиск самых глубоких стадий сжатия еще необходимо продолжить) исследуемые в работе 500 пузырьков исчезли из поля зрения, а сферические волны давления исходят из одной или нескольких точек поверхности концентратора, что подтверждает факт слияния
ВЕСТНИК«
ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ВПР
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА.
пузырьков с одновременным их движением к твердой поверхности. Их на два порядка меньше, чем было в фазе расширения. Факт взаимодействия и усиления коллапса микропузырьков подтвержден в работах [10]. На фотографиях (рис. 11) зарегистрирована вторичная волна сжатия и видны волны давления при захлопывании малого пузырька [10]. В жидкости с пузырьками разного диаметра происходит перераспределение энергии. Малые пузырьки схлопываются под воздействием волн давления от больших пузырьков.
3,9 4.1 4 3 4 5 **с
Рис. 11. Кадры высокоскоростной микроскопической киносъемки взаимодействия большого и малого кавитационных пузырьков
С помощью скоростной голографической киносъемки [11] получена серия последовательных по времени голограмм (рис. 12), причем фокус каждого кадра смещается на 0,4 мм [11]. В процессе анализа объемного изображения кавитационного поля В. Эбелинг [11] построил траектории кавитационных пузырьков в пространстве, длину пробега пары пузырьков друг к другу, их слияние и коллапс, что также подтверждают проведенные в данной работе голографические исследования.
Рис. 12. Кадры голографической киносъемки объема кавитационного поля
^ВЕСТНИК
ш-Г-............ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
VjWOPCKOrO И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
Обсуждение (Discussion)
Выполненное исследование подтвердило предположение, сделанное в работе [6] — доказан факт слияния пузырьков с одновременным их движением к твердой поверхности. Предпочтительной причиной кавитационного разрушения твердой поверхности является гидродинамический удар струи жидкости, который примерно в 250 раз сильнее удара в случае сферического замыкания кавитационной полости. Однако, на наш взгляд, заключительная стадия захлопывания полости фиксируется с недостаточной точностью и процессы, происходящие при коллапсе пузырька, пока неизвестны [12]—[14]. Во многих последних исследованиях утверждается, что при сжатии пузырька происходит формирование ударной волны в газе [15]—[17], которая фокусируется в малой области у центра пузырька, создавая при этом температуру в миллионы градусов [18]. Представляет интерес работа [19], в которой с помощью мощного компьютера моделируется движение каждой из 106 частиц газа в сжимающемся сферическом пузырьке. В этом случае число априорных допущений сводится к минимуму, что должно увеличить точность расчетов.
Результаты моделирования показали, что в газе действительно образуется ударная волна, а максимальные температуры достигают 50 000 К для аргона и 500 000 К для ксенона. Авторы указанных ранее работ отмечают, что для стандартного термодинамического анализа число частиц недостаточно, однако мощность современных компьютеров не позволяет увеличить их число хотя бы на порядок. С другой стороны, результаты многих работ не подтверждают образования ударной волны в пузырьке. Например, в статье [20] показано, что ударная волна формируется лишь в некоторых специально созданных условиях, обеспечивающих очень высокие ускорения стенки пузырька, для этой цели предлагается использовать дополнительный высокочастотный импульс давления, прикладываемый в момент, близкий к моменту максимального сжатия пузырька. Таким образом, вопрос об ударно-волновой природе эффектов кавитации в настоящее время продолжает оставаться открытым. Как видно из выполненного краткого анализа теоретических работ, только эксперимент может дать окончательный ответ. Большие возможности открывают последние достижения в области высокоскоростной визуализации, которые дают возможность увидеть заключительную стадию коллапса кавитационной полости, в частности, оптические методы цифровой трассерной визуализации (Particle Image Velocimetry — PIV), разрабатываемые в Институте теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН [21].
Заключение (Conclusion)
На основе проведенного исследования можно сделать вывод о том, что новый способ управления кавитационным процессом на базе открытых ранее четырех типовых схем сжатия кавита-ционных полостей по снижению интенсивности эрозионного воздействия является альтернативой созданию дорогостоящих кавитационностойких материалов. Достаточно привести некоторые примеры удачного осуществления этого принципа: аэрация кавитационной каверны, суперкавитация, воздействие на структуру кавитационной области с помощью электромагнитных и магнитных полей, охлаждение твердой поверхности, изменение ее шероховатости и смачиваемости, изменение
г физико-химических свойств рабочих жидкостей, конструктивные мероприятия и т. д. [22]-[24]. ® СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Ю
1. Гривнин Ю. А. Экспериментальное исследование динамики одиночной кавитационной полости / Ю. А. Гривнин, С.П. Зубрилов, В.А. Ларин // Труды ЛИВТ. — 1979. — № 166. — С. 25-34.
2. Grivnin U. A. The investigation of the collapse mechanism of the non-spheric cavitation recesses in liquids with different physical properties / U. A. Grivnin, S. P. Zubrilov, V. A. Larin // Proceedings of sixth conference on fluid machinery. — Budapest, 1979. — Vol. 1. — Pp. 457-466.
3. Зубрилов С. П. Физико-химические свойства воды и прикладные аспекты гидродинамической кавитации / С. П. Зубрилов. — СПб.: СПГУВК, 2010. — 120 с.
4. Зубрилов С. П. Микрозагрязнители в питьевой воде городов. Безреагентная очистка воды / С. П. Зубрилов. — СПб.: ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова, 2018. — 154 с.
ВЕСТНИК,
ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА^
5. Зубрилов С. П. Исследование структуры воды и ее стабилизация кислородом / С.П. Зубрилов / С. П. Зубрилов // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2018. — Т. 10. — № 6. — С. 1234-1243. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-6-1234-1243.
6. Зубрилов С.П. Гидромеханика быстропротекающих процессов / С. П. Зубрилов. — Л.: ЛИВТ, 1991. — 60 с.
7. Прис К. Эрозия / К. Прис. — М.: Мир, 1982. — 465 с.
8. Акуличев В. А. Кавитация в криогенных кипящих жидкостях / В. А. Акуличев. — М.: Наука, 1978. — 278 с.
9. Сиротюк М. Г. Акустическая кавитация / М. Г. Сиротюк. — Наука, 2008. — 271 с.
10. Воронин Д. В. Вторичные акустические волны в полидисперсной пузырьковой среде / Д. В. Воронин, Г.Н. Санкин, В.С. Тесленко, Р. Меттин, В. Лаутерборн // Прикладная механика и техническая физика. — 2003. — Т. 44. — № 1 (257). — С. 22-32.
11. Ebeling K. K. Holographic cavitation research / K. K. Ebeling // Proc. Soc. Photo-Optic. Instrum. Engin. — 1977. — Vol. 136. — Pp. 348.
12. Padilla-Martinez J. P. Optic cavitation with CW lasers: A review / J. P. Padilla-Martinez, C. Berrospe-Rodriguez, G. Aguilar, J. C. Ramirez-San-Juan, R. Ramos-Garcia // Physics of Fluids. — 2014. — Vol. 26. — Is. 12. — Pp. 122007. DOI: 10.1063/1.4904718.
13. Garen W. Experimental Investigation of Shock-Bubble Properties at the Liquid-Air Phase Boundary / W. Garen, B. Meyerer, Y. Kai, W. Neu, S. Koch, U. Teubner // 30th International Symposium on Shock Waves 2. — Springer, Cham, 2017. — Pp. 1153-1157. DOI: 10.1007/978-3-319-44866-4_63.
14. Wang Q. Multi-oscillations of a bubble in a compressible liquid near a rigid boundary / Q. Wang // Journal of Fluid Mechanics. — 2014. — Vol. 745. — Pp. 509-536. DOI: 10.1017/jfm.2014.105.
15. Потемкин Ф. В. Динамика распространения ударных волн и кавитационных пузырей в зависимости от энергии падающего остросфокусированного фемтосекундного лазерного излучения / Ф. В. Потемкин, Е. И. Мареев // Ученые записки физического факультета Московского университета. — 2013. — № 4. — С. 46-54.
16. Жаров А. Н. О влиянии движения газа внутри заряженного пузырька в жидкости на параметры его осцилляций / А.Н. Жаров, А.И. Григорьев // Журнал технической физики. — 2004. — Т. 74. — № 11. — С. 13-21.
17. Жаров А. Н. Нелинейные капиллярные колебания заряженного пузырька в идеальной диэлектрической жидкости / А. Н. Жаров, А. И. Григорьев, И. Г. Жарова // Журнал технической физики. — 2006. — Т. 76. — № 10. — С. 41-50.
18. Nigmatulin R. I. Theory of supercompression of vapor bubbles and nanoscale thermonuclear fusion / R. I. Nigmatulin, I. S. Akhatov, A. S. Topolnikov, R. K. Bolotnova, N. K. Vakhitova, R. T. Lahey Jr, R. P. Taleyarkhan // Physics of fluids. — 2005. — Vol. 17. — Is. 10. — Pp. 107106. DOI: 10.1063/1.2104556.
19. Ruuth S. J. Molecular dynamics simulation of the response of a gas to a spherical piston: Implications for sonoluminescence / S. J. Ruuth, S. Putterman, B. Merriman // Physical Review E. — 2002. — Vol. 66. — Is. 3. — Pp. 036310. DOI: 10.1103/PhysRevE.66.036310.
20. Thomas J. L. Inhomogeneous pressure field inside a collapsing bubble accelerated by an acoustic pulse / J. L. Thomas // Physical Review E. — 2004. — Vol. 70. — Is. 1. — Pp. 016305. DOI: 10.1103/PhysRevE.70.016305.
21. Кравцова А. Ю. Экспериментальное исследование кавитационного обтекания двумерных гидрокрыльев: автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.02.05 / А. Ю. Кравцова. — Новосибирск: ФГБОУН Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе (Сибирское отд. РАН), 2018. — 22 с. 0
22. Гривнин Ю. А. Кавитация на поверхности твердых тел / Ю.А. Гривнин, С.П. Зубрилов. — Л.: Су- 5 достроение, 1985. — 121 с. «=
23. Кравцова А. Ю. Кавитация на пластине с закругленной носовой частью и гидрокрыле NACA0015: о визуализация и измерение скорости / А.Ю. Кравцова, Д.М. Маркович, К.С. Первунин, М.В. Тимошевский, В К. Ханъялич // Известия Российской академии наук. Энергетика. — 2014. — № 4. — С. 96-106. у
24. Reuter F. Bubble size measurements in different acoustic cavitation structures: filaments, clusters, 4 and the acoustically cavitated jet / F. Reuter, S. Lesnik, K. Ayaz-Bustami, G. Brenner, R. Mettin // Ultrasonics ЛПЯ sonochemistry. — 2019. — Vol. 55. — Pp. 383-394. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2018.05.003.
REFERENCES
1. Grivnin, Yu. A., S. P. Zubrilov, and V. A. Larin. "Eksperimental'noe issledovanie dinamiki odinochnoi kavitatsionnoi polosti." Trudy LIVT 166 (1979): 25-34.
W7T)
2. Grivnin, U. A., S. P. Zubrilov, and V. A. Larin. "The investigation of the collapse mechanism of the non-spheric cavitation recesses in liquids with different physical properties." Proceedings of sixth conference on fluid machinery. Vol. 1. Budapest, 1979. 457-466.
3. Zubrilov, S. P. Fiziko-khimicheskie svoistva vody iprikladnye aspekty gidrodinamicheskoi kavitatsii. SPb.: SPGUVK, 2010.
4. Zubrilov, S. P. Mikrozagryazniteli vpit'evoi vode gorodov. Bezreagentnaya ochistka vody. SPb.: GUMRF imeni admirala S. O. Makarova, 2018.
5. Zubrilov, Sergey P. "Investigation of water structure and its oxygen stabilization." Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova 10.6 (2018): 1234-1243. DOI: 10.21821/23095180-2018-10-6-1234-1243.
6. Zubrilov, S. P. Gidromekhanika bystroprotekayushchikhprotsessov. L.: LIVT, 1991.
7. Pris, K. Eroziya. M.: Mir, 1982.
8. Akulichev, V. A. Kavitatsiya v kriogennykh kipyashchikh zhidkostyakh. M.: Nauka, 1978.
9. Sirotyuk, M. G. Akusticheskaya kavitatsiya. Nauka, 2008.
10. Voronin, D. V., G.N. Sankin, V. S. Teslenko, R. Mettin, and V. Lauterborn. "Vtorichnye akusticheskie volny v polidispersnoi puzyr'kovoi srede." Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskayafizika 44.1(257) (2003): 22-32.
11. Ebeling, K. K. "Holographic cavitation research." Proc. Soc. Photo-Optic. Instrum. Engin 136 (1977):
348.
12. Padilla-Martinez, J. P., C. Berrospe-Rodriguez, G. Aguilar, J.C. Ramirez-San-Juan, and R. Ramos-Garcia. "Optic cavitation with CW lasers: A review." Physics of Fluids 26.12 (2014): 122007. DOI: 10.1063/1.4904718.
13. Garen, W., B. Meyerer, Y. Kai, W. Neu, S. Koch, and U. Teubner. "Experimental Investigation of Shock-Bubble Properties at the Liquid-Air Phase Boundary." 30th International Symposium on Shock Waves 2. Springer, Cham, 2017. 1153-1157. DOI: 10.1007/978-3-319-44866-4_63.
14. Wang, Qianxi. "Multi-oscillations of a bubble in a compressible liquid near a rigid boundary." Journal of Fluid Mechanics 745 (2014): 509-536. DOI: 10.1017/jfm.2014.105.
15. Potemkin, F. V., and E. I. Mareev. "Shock waves and cavitation bubbles dynamics as a function of the tightly focused femtosecond laser energy in distilled water and acetone." Uchenye zapiski fizicheskogo fakul'teta Moskovskogo universiteta 4 (2013): 46-54.
16. Zharov, A. N., and A. I. Grigor'ev. "Influence of gas motion inside a charged bubble in a liquid on the parameters of bubble oscillations." Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics 49.11 (2004): 14041414. DOI: 10.1134/1.1826183.
17. Zharov, A. N., A. I. Grigor'ev, and I. G. Zharova. "Nonlinear capillary vibration of a charged bubble in an ideal dielectric liquid." Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics 51.10 (2006): 1293-1303.
18. Nigmatulin, Robert I., Iskander Sh. Akhatov, Andrey S. Topolnikov, Raisa Kh. Bolotnova, and Nailya K. Vakhitova. "Theory of supercompression of vapor bubbles and nanoscale thermonuclear fusion." Physics of fluids11.10 (2005): 107106. DOI: 10.1063/1.2104556.
19. Ruuth, Steven J., Seth Putterman, and Barry Merriman. "Molecular dynamics simulation of the response of a gas to a spherical piston: Implications for sonoluminescence." Physical Review E 66.3 (2002): 036310. DOI: 10.1103/PhysRevE.66.036310.
20. Thomas, Jean-Louis. "Inhomogeneous pressure field inside a collapsing bubble accelerated by an acoustic pulse." Physical Review E 70.1 (2004): 016305. DOI: 10.1103/PhysRevE.70.016305.
21. Kravtsova, A. Yu. Eksperimental'noe issledovanie kavitatsionnogo obtekaniya dvumernykh gidrokryl'ev. Abstract of PhD diss. Novosibirsk: FGBOUN Institut teplofiziki im. S.S. Kutateladze, Sibirskoe otdelenie RAN, 2018.
22. Grivnin, Yu. A., and S. P. Zubrilov. Kavitatsiya napoverkhnosti tverdykh tel. L.: Sudostroenie, 1985.
23. Kravtsova. A. Yu., D. M. Markovicli, K. S. Pervunin, M. V. Timoshevskiy, and K. Hanjalic. "Cavitation on a semi-circular leading-edge flat plate and NACA0015 hydrofoil: visualization and velocity measurements." 4 (2014): 96-106.
24. Reuter, Fabian, Sergey Lesnik, Khadija Ayaz-Bustami, Gunther Brenner, and Robert Mettin. "Bubble size measurements in different acoustic cavitation structures: filaments, clusters, and the acoustically cavitated jet." Ultrasonics sonochemistry 55 (2019): 383-394. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2018.05.003.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Зубрилов Сергей Павлович —
доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»
198035, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7 e-mail: [email protected], [email protected] Растрыгин Николай Васильевич — кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»
198035, Россия, г. Санкт-Петербург,
ул. Двинская, 5/7
e-mail: [email protected]
Zubrilov, Sergey P. —
Dr. of Technical Sciences, professor Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping
5/7 Dvinskaya Str., St. Petersburg 198035,
Russian Federation
e-mail: [email protected],
Rast^gin, Nikolay V. —
PhD, associate professor
Admiral Makarov State University of Maritime
and Inland Shipping
5/7 Dvinskaya Str., St. Petersburg 198035,
Russian Federation
e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 26 июня 2019 г.
Received: June 26, 2019.
