Моделювання кінетики кавітаційного скипання рідини

Анотація

В рамках дослідження кінетики кавітаційного скипання рідини проведено термодинамічний аналіз формування і зростання газових мікробульбашок у воді при ізотермічному зниженні тиску в рідині. Дослідження спрямовано на розуміння фізичних механізмів явищ, що відбуваються на початковій стадії кавітаційного скипання, де беруть початок ті важливі мікро- та наномасштабні процеси, які саме і визначають потім високу інтенсивність динамічних та термічного ефектів на завершальній стадії кавітації. Розглянуто принципову відмінність між тиском кавітаційного кипіння рідини, яке дорівнює тиску її насиченої пари  і тиском кавітаційного скипання , який визначає початок кавітації. За будь яких умов , і ця різниця тим більша, чим менший середній радіус  мікробульбашок, які завжди присутні в рідині, що пов’язано з дією капілярної сили на поверхню цих бульбашок. Ізобаричне кипіння при нагріванні рідини та ізотермічне кавітаційне кипіння слід розглядати як тотожні явища, які підкоряються одним термодинамічних і фізичним законам і описуються тими ж самими  рівняннями. Стабільні газові бульбашки, які є потенційними центрами кавітаційного і термічного скипання рідини, можуть бути активовані при достатньому ступені розтягування рідини або її перегріву. Доведено, що кавітаційні ефекти зумовлені спільним впливом усіх бульбашок полідисперсного ансамблю (кавітаційного кластера). За допомогою уніфікованої математичної моделі динаміки ансамблю бульбашок розглянуто специфіку розвитку кавітаційного кластера на стадії скипання рідини з урахуванням силової та термічної взаємодії бульбашок. В сучасних кавітаційних технологіях, пов'язаних з процесами кипіння, достовірна інформація про початкове значення газовмісту. концентрації і розмірах газових зародків, а також можливість контролю цих параметрів є необхідною умовою успішного і ефективного виконання роботи.

Ключові слова: кипіння, кавітаційне скипання, газові мікробульбашки, кавітаційний кластер, математичне моделювання, термодинамічний аналіз.