НИТЕВИДНЫЕ КАВИТАЦИОННЫЕ ПОЛОСТИ И ВОЗМОЖНОСТЬ СНИЖЕНИЯ КАВИТАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ

Рассмотрен подход к решению проблемы снижения кавитационного разрушения двигателей внутреннего сгорания, судовых винтов, элементов гидротехнических сооружений путем привлечения современных представлений (принципы Онсагера и Пригожина) и аппарата неравновесной термодинамикидля управления кавитационным процессом. Считается, что представления о кавитации Релея и современные модификации не учитывают интерактивный, бифуркационный характер изменений свойств веществ и явлений кавитационного процесса. Визуализацией (голографией с экспозицией в 20 нс) кавитационной области обнаружены нитевидные протяженные кавитационные каверны, которые можно использовать для лавинной нуклеации и управления кавитацией. Объектом исследований является кавитационная область в воде и ее воздействие на твердую поверхность. Предметом исследований послужило обнаружениепузырьков в виде нитей на стадии растяжения жидкости и возможность их использования для снижения эрозионного эффекта кавитации. При проведении исследований были использованы следующие экспериментальные методы: высокоскоростная голографическая визуализациия, интерферография и акустическая кавитация. Приведено доказательство существования кавитационных «пузырьков» в виде нитей различных направления, вида и протяженности в фазе расширения кавитационной области. Обращается внимание на то, что при проведении эксперимента на стадиях сжатия кавитационной области такие«пузырьки» исчезли из поля зрения, что подтверждает факт их существования только в фазе расширения кавитационной области. Зафиксировано, что поперечный размер таких кавитационных нитей одинаков во всей фазе расширения. Теоретически и экспериментально обоснованы процессы и явления, проявляющиеся на стадиях расширения кавитационной области. Выявлено, что протяженные каверны можно использовать для лавинного зародышеобразования сферических «пузырьков» в целях управления процессом кавитации. Отмечается, что большие перспективы имеют современные оптические методы цифровой трассерной визуализации, которые позволяют детально увидеть стадии кавитационного процесса. Новый способ управления кавитационным процессом на базе проведенного исследования является альтернативой созданию дорогостоящих кавитационностойких материалов.

кавитация, голограмма, пузырек, нитевидные каверны, кавитационная область, эрозия, неравновесная термодинамика

1. 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. 705-717. DOI: 10.21821/2309-5180-2019-11-4-705-717.

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, K. K. Shalnev // 6th Conference on Fluid Machinery. - Budapest: Akademiai Kiado, 1979. - Vol. 1. - Pp. 457-466.

3. Сиротюк М. Г. Акустическая кавитация / М. Г. Сиротюк. - Наука, 2008. - 271 с.

4. Акуличев В. А. Кавитация в криогенных кипящих жидкостях / В. А. Акуличев. - М.: Наука, 1978. - 278 с.

5. Зубрилов С. П. Физико-химические свойства воды и прикладные аспекты гидродинамической кавитации / С. П. Зубрилов. - СПб.: СПГУВК, 2010. - 120 с.

6. Ефремов И. Ф. Периодические коллоидные структуры / И.Ф.Ефремов. - Л.: Химия, 1971. - 190 с.

7. Безюков О. К. Влияние электрического, магнитного и тепловых полей на кавитацию и кавитационную эрозию / О. К. Безюков, Ю. А. Гривнин, С. П. Зубрилов, В. А. Лаврин // Охрана окружающей среды: сб. науч. тр. - СПб.: Изд-во СПбГУВК, 1993. - С. 15-46.

8. Reuter F. Bubble size measurements in different acoustic cavitation structures: filaments, clusters, and the acoustically cavitated jet / F. Reuter, S. Lesnik, K. Ayaz-Bustami, G. Brenner, R. Mettin // Ultrasonics sonochemistry. - 2019. - Vol. 55. - Pp. 383-394. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2018.05.003.

9. Mettin R. Acoustic cavitation structures and simulations by a particle model / R. Mettin, S. Luther, C.-D. Ohl, W. Lauterborn // Ultrasonics Sonochemistry. - 1999. - Vol. 6. - Is. 1. - Pp. 25-29. DOI: 10.1016/S1350-4177(98)00025-X.

10. Аганин А. А. Динамика расположенных в линию кавитационных пузырьков / А. А. Аганин, А. И. Давлетшин, Д. Ю. Топорков // Вычислительная техника. - 2014. - Т. 19. - № 1. - С. 3-19.

11. Каратанасис И. К. Высокоскоростная визуализация вихревой кавитации с использованием синхротронного излучения / И. К. Каратанасис [и др.] // Журнал механики жидкости. - 2018. - Т. 838. - С. 148-164.

12. Ohl S. W. Bubble Dynamics and High Intensity Focused Ultrasound: Experimental Observations and Numerical Simulations using Boundary Element Method / S. W. Ohl, E. Klaseboer, B. C. Khoo // Proceedings of the 10th International Symposium on Cavitation (CAV2018). - ASME Press, 2018. DOI: 10.1115/1.861851_ch29.

13. Beig S. A. Bubble-Bubble Interactions and Wall Pressures Produced by the Collapse of a Bubble Pair near a Rigid Surface / S. A. Beig, E. Johnsen // Proceedings of the 10th International Symposium on Cavitation (CAV2018). - ASME Press, 2018. DOI: 10.1115/1.861851_ch30.

14. Зубрилов С.П. Эффекты, сопровождающие сжатие кавитационных пузырьков / С. П. Зубрилов, А. С. Зубрилов // Журнал физической химии. - 1998. -Т. 72. - № 11. - С. 2066-2068.

15. Кравцова А. Ю. Экспериментальное исследование кавитационного обтекания двумерных гидрокрыльев: дис. … канд. физ.-мат. наук; спец.: 01.02.05 «Механика жидкости, газа и плазмы» / А. Ю. Кравцова. - Новосибирск: Ин-т теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 2018. - 139 с.

16. Зубрилов А. С. Кавитационные каверны в виде одномерных агрегатов-цепочек / А. С. Зубрилов, С. П. Зубрилов // Журнал физической химии. -1997. - Т. 71. - № 7. - С. 1336-1338.

17. Пригожин И. От существующего к возникающему: время и сложность в физических науках / И. Пригожин; пер. с англ. - 3-е изд.- М.: Комкнига, 2006. - 296 с.

18. Зубрилов С. П. Сопоставление различных механизмов кавитации / Краткие сообщения / С. П. Зубрилов // Журнал физической химии. - 2000. - T. 74. - № 9. - С. 1700-1701.

19. Vanovskiy V. The Numerical Scheme for the History Force Integrals in Hydrodynamics / V. Vanovskiy // Proceedings of the 10th International Symposium on Cavitation (CAV2018). - ASME Press, 2018. DOI: 10.1115/1.861851_ch196.

20. 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.

21. Lv L. Experimental investigations of the particle motions induced by a laser-generated cavitation bubble / L. Lv, Y. Zhang, Y. Zhang // Ultrasonics sonochemistry. - 2019. - Vol. 56. - Pp. 63-76. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2019.03.019.