КАВИТАЦИЯ
Кавитацией (от латинского cavitas пустота) называют процесс нарушения сплошности жидкости под действием изменяющегося давления, т.е. образование в воде полостей (пузырьков или каверн), заполненных паром. Она возникает при уменьшении давления в воде ниже критического значения, которое приблизительно равно давлению насыщенного пара при данной температуре воды. Кавитация одно из самых сложных природных явлений, оно изучается в различных отраслях науки и техники в целях защиты от нее или для полезного применения.
Изменение давления в воде происходит при обтекании потоком элементов водопропускных сооружений, неровностей на поверхности водосливов или напорных водоводов, гасителей энергии на водобое, пазов затворов, входных оголовков глубинных водосбросов и др. Обтекание таких элементов происходит как правило с отрывом потока от их поверхности и образованием вихревых зон зон отрыва (рис. 2.5).
Мельчайшие газовые пузырьки, которые всегда имеются в воде, попадая в зону пониженного давления, начинают резко увеличиваться. Это приводит к быстрому уменьшению давления внутри их, к испарению (вскипанию) воды и увеличению давления до давления насыщенных паров. Пузырьки переносятся потоком воды в зону более высокого давления, где происходит конденсация пара и захлопывание (разрушение) пузырьков. Захлопывание пузырьков сопровождается значительным ударным, а также химическим и электрическим, воздействием и слабым радиоактивным излучением. Весь процесс увеличения и захлопывания пузырьков происходит в течение нескольких миллисекунд, пузырьки в зоне отрыва появляются один за другим настолько быстро, что зрительно воспринимаются одной каверной. Давление внутри пузырьков и в воде достигает сотен МПа, а температура нескольких тысяч градусов, что вызывает распад молекул воды и образование радикалов с высокой химической активностью. Соприкосновение облака кавитационных пузырьков, заполняющих область зоны отрыва, с твердой поверхностью вызывает ее разрушение кавитационную эрозию. Основной причиной кавитационной эрозии бетона и металла являются ударные импульсы, хотя температурные и иные воздействия также могут играть существенную роль в механизме их разрушения.
Кавитация не возникает в некоторой точке поверхности водопропускного сооружения, если абсолютное давление больше критического давления, давления насыщенных водяных паров при данной температуре воды, или, если вакуум в данной точке меньше критического вакуума Aр. Представляя давление и вакуум в метрах водяного столба, получаем следующее условие отсутствия кавитации:
Как известно, критическое давление р зависит от температуры жидкости, например, для воды при t = 20°С оно равно 2,35 кПа или 0,24 м вод. ст.
Возможность появления кавитации за неровностями на поверхности водопропускных сооружений оценивается сравнением коэффициента кавитации К (числа кавитации, параметра кавитации), вычисленного по формуле: с его критическим значением определяемым экспериментально. Давление р и скорость набегания потока на неровность v определяют расчетом без учета влияния неровности на эти характеристики потока. При К<Ккр, что может быть при большой скорости и малом давлении в точке i, имеет место кавитация, при К>Ккр она отсутствует. В зависимости от формы и размеров неровностей Кц, может изменяться от 0 до 34.
При пропуске воды через водопропускные сооружения с достаточно большими скоростями (более 14—17 м/с) и при образовании зон отрыва в них может возникать кавитация, сопровождаемая кавитационной эрозией. Кавитационные повреждения наблюдались на водосбросах многих гидроузлов: Братском и Саяно-Шушенском (Россия), Дворжак и Либби (США), Тарбела (Пакистан), Фенг Мэн (КНР), Кебан (Турция) и др.
Методы защиты гидросооружений от воздействия кавитации можно подразделить на три группы: недопущения возникновения кавитации; воздействия на структуру потока; обеспечения кавитационной стойкости облицовки водосбросов.
Из первой группы широко используется метод, когда отсутствие кавитации достигается облагораживанием форм элементов водосброса, приданием их поверхности большей гладкости, стремлением сохранить в более широком диапазоне скоростей безотрывность их обтекания. Например, использование в глубинном водосбросе вместо прямоугольного оголовка плавно обтекаемого позволяет примерно в 1,5 раза увеличить допустимую скорость потока, при которой не возникает кавитация. Недопущение начала кавитации в напорном глубинном водосбросе иногда можно обеспечить путем сужения площади его выходного сечения, благодаря чему линия пьезометрических напоров по длине водовода поднимается выше, т.е. если происходит увеличение давления выше критического. Можно также подвести в область отрывного течения воду самотеком по специальным каналам из области повышенного давления, т.е. обеспечить в зоне отрыва потока повышение давления выше критического. Опасность кавитации существенно понижается, если обеспечить такое качество отделки поверхности водосбросов, при которой максимальные размеры неровностей на ней не превысят нескольких миллиметров.
Суть методов второй группы сводится к активному воздействию на структуру потока. На практике эта идея реализуется путем придания такой формы элементам водосброса источникам кавитации, при которой осуществляется сокращение длины зоны отрыва или дробление крупных вихреобразований на более мелкие. Например, выполнение низового ребра паза затвора со скосом или расчленение низового ребра прямоугольного паза мелкими зубцамивыступами существенно уменьшает возможность возникновения кавитации, а в случае ее возникновения снижает интенсивность эрозии в 1,52 раза.
Эффективным и широко используемым на практике методом управления структурой потока является его аэрация. В аэрированном потоке интенсивность кавитационного износа резко уменьшается. Так, при концентрации свободного воздуха в воде, равной 1; 2; 4; 8; и 16%, интенсивность кавитационной эрозии снижается соответственно в 2,5; 10; 50; 460 и 8000 раз.
Третья группа методов защиты от кавитации обеспечивает надежность работы водосбросных сооружений путем устройства защитных облицовок с повышенной кавитационной стойкостью. Повышение марки бетона, улучшение технологии его приготовления, укладки и ухода за ним в процессе набора прочности увеличивает его сопротивляемость кавитационной эрозии в десятки раз. Широко применят также новые типы строительных материалов, имеющих высокую кавитационную стойкость: цементные бетоны с добавками полимерных материалов (эпоксидная смола, латекс и др.); полимербетоны и полимер растворы, в которых в качестве вяжущего используется эпоксидная смола, тиокол и другие материалы; окрасочные и штукатурные полимерные покрытия(в том числе армированные стеклотканью). В наиболее ответственных сооружениях или в отдельных узлах, например в камерах высоконапорных затворов, для облицовки бетона применяется сталь [20].
