Studiul Fenomenului de Cavitație

Considerații teoretice

Cavitația este un proces dinamic de formare, dezvoltare și implozie a unor bule sau cavități

umplute cu vapori și gaze, în masa unui lichid. Determinată de scăderea tranzitorie a presiunii locale

sub anumite valori critice, cavitația poate fi:

- vaporoasă dacă presiunea scade sub nivelul presiunii vaporilor saturați ai lichidului

corespunzătoare temperaturii acestuia;

- gazoasă, caracterizată prin difuzia gazului, din lichid în bula cavitationala și prin creșterea

lentă a acesteia. În acest caz nu este obligatoriu ca presiunea locală să scadă până la valoarea

presiunii de vaporizare a lichidului.

Apariția și dezvoltarea bulelor cavitationale necesită prezența unor factori favorizanți, numiți

germeni cavitationali. Impuritățile aflate în lichid precum și microfisurile, crestăturile, imperfecțiunile

de formă ale corpurilor solide care mărginesc sau vin în contact cu fluidul în mișcare, favorizează

reținerea unor volume microscopice de gaz nedizolvat în lichid care constituie nuclee sau germeni de

cavitație.

Atunci când presiunea scade local și tranzitoriu atingând valori critice (ex. presiunea de

vaporizare), nucleele sau germenii cavitationali, având o suprafață liberă vor amorsa fenomenul de

vaporizare. Datorită gazelor degajate din lichid și a evaporării lichidului înconjurător, nucleele

cavitationale se dezvoltă, devenind bule sau cavități umplute cu un amestec de gaze dizolvate și/sau

vapori de lichid. Aceste cavități pot ajunge să cuprindă în interiorul lor chiar particulele solide care au

adăpostit germenii cavitationali.

Bulele cavitationale, odată formate în zonele de presiune scăzute sunt preluate de către

curentul de fluid și transportate în regiuni cu presiuni mai ridicate unde are loc condensarea bruscă a

vaporilor din cavități sau lichefierea bulelor de gaz care determină implozia bulelor, adică surparea

bruscă a pereților cavităților către interiorul acestora. Această „prăbușire" are loc dinspre peretele

supus la o presiune mai mare spre peretele opus, prezența unui perete solid în vecinătatea bulei

conduce la surparea asimetrică a acesteia, cu apariția unui microjet care străbate cavitatea.

Impactul dintre peretele bulei cavitationale și jetul lichid, având diametrul de ordinul 10-100

μm și viteza de ordinul sutelor de metri pe secundă, dă naștere la unde acustice și la emisii de lumină

care se produc în mijlocul bulei. De asemenea, undele de presiune care se produc sunt de ordinul

1000 MPa.

Valorile extrem de mari ale presiunii și vitezelor generate în lichidul înconjurător bulei în

timpul imploziei, undele de soc emise în punctul final al colapsului precum și impactul microjeturilor

lichide, care străbat interiorul bulei, asupra suprafețelor adiacente, atunci când bula evoluează în

imediata vecinătate a acestora, constituie cauza principală a distrugerilor cavitationale.

Distrugerea materialelor supuse fenomenului cavitational poate avea loc fie într-o perioadă

scurtă de timp, în cazul în care acțiunea factorilor distructivi este foarte intensă (cazul în care

curgerea are caracter oscilant) sau pe o perioadă mai lungă de timp.

Fenomenul de cavitație poate apărea în aproape toate domeniile tehnicii în care intervine

mișcarea fluidelor. Turbinele hidraulice și pompele centrifuge sunt cele mai expuse condițiilor de

apariție a cavitației vaporoase ale cărei efecte de distrugere a paletelor turbinelor sau a rotoarelor

pompelor, de producere de zgomote și vibrații respectiv de modificare a câmpului hidrodinamic sunt

cele mai intense. De aceea la proiectarea sistemelor hidraulice se căuta soluții constructive pentru

evitarea, pe cât posibil, a creerii condițiilor favorabile scăderii presiunii statice până la valoarea

presiunii de vaporizare. Dacă acestea nu pot fi identificate atunci se recomandă utilizarea unor

materiale rezistente la eroziunea cavitaionala cum ar fi oțelurile inoxidabile pentru componentele

expuse riscului de apariție a cavitației.

Din cele arătate mai sus reiese că, în vederea estimării riscului de apariție a cavității este de

interes urmărirea evoluției presiunii statice în domeniul ocupat de fluidul în mișcare.

Pentru exemplificare se consideră curgerea unui fluid ideal, incompresibil printr-o ștrangulare

de tip Venturi, formată dintr-un tronson tronconic convergent continuată cu o porțiune cilindrică

scurtă numită gâtuire și, la ieșire, un tronson tronconic divergent (vezi Figura 5.1).

Considerând două puncte M1 și M2 pe linia de curent care coincide cu axa conductei astfel

încât M1 aparține secțiunii drepte de intrare în ștrangulare S1 iar M2 secțiunii minime din zona gâtuirii

S2, diferența dintre presiunile statice p1 și p2 dintre cele două puncte poate fi citită fie direct cu

ajutorul unor tuburi piezometrice deschise, fie poate fi determinată cu ajutorul unui manometru

diferențial.