FILAMENTOUS CAVITATION CAVERNS AND POSSIBILITY TO REDUCE THE CAVITATION EROSION

An approach to solving the problem of reducing cavitation destruction of internal combustion engines, ship propellers, elements of hydraulic structures by using modern (Onsager, Prigogine) concepts and apparatus of nonequilibrium thermodynamics to control the cavitation process is presented. It is believed that the ideas of Rayleigh cavitation and modern modifications do not take into account the interactive, bifurcation nature of changes in the properties of substances and phenomena of the cavitation process. Visualization (holography with an exposure of 20 NS) of the cavitation region revealed threadlike, extended cavitation caverns that can be used for avalanche nucleation and cavitation control. The object of research is the cavitation region in water and its effect on the solid surface. The subject of research is the detection of bubbles in the threads form at the stage of liquid stretching and the possibility of their use to reduce the erosive effect of cavitation. The following experimental methods are used in the research: high-speed holographic imaging, interferography and acoustic cavitation. The proof of existence of cavitation bubbles in the form of filaments of different direction, type and extent in the phase of expansion of the cavitation region is given. Attention is drawn to the fact that during the experiment at the stages of compression of the cavitation region, such «bubbles» disappeared from the field of view, which confirms the fact of their existence only in the phase of the cavitation region expansion. It is recorded that the transverse size of such cavitation filaments is the same throughout the expansion phase. The processes and phenomena manifested at the stages of the cavitation region expansion are theoretically and experimentally substantiated. It is revealed that extended cavities can be used for avalanche nucleation of spherical bubbles in order to control the cavitation process. It is noted that modern optical methods of digital tracer visualization, which allow you to see in detail the stages of the cavitation process, have the great prospects. A new way to control the cavitation process on the basis of the study is an alternative to the creation of expensive cavitation-resistant materials.

cavitation, hologram, bubble, threadlike cavities, the cavitation area, erosion, non-equilibrium thermodynamics

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.