Кавитационные воздействия

Кавитация в водопропускных со­оружениях обусловлена местным падением давления в потоке до критической величины, при которой происходит холодное кипе­ние жидкости. Перемещение образующихся при кипении мельчайших пузырьков, наполненных паром, в область большего давления приводит к конденсации пара, захлопыванию пузырьков и ударам жидкости о твердые границы при захлопывании. В резуль­тате этого происходит разрушение материала, т. е. кавитационная эрозия.

При пропуске воды через водопропускные сооружения с доста­точно большими скоростями наблюдается кавитационная эрозия сливных граней водослива, гасителей энергии в нижнем бьефе и плит водобоя, граней быков водосливных плотин (рис. 2.4,а), оголовков входных и выходных отверстий и быков напорных водо­водов (рис. 2.4, б), участков водоводов за глубинными затворами  (рис. 2.4, в) и др.

При давлении на данном участке водовода, большем критиче­ского, местное понижение давления до критического происходит в результате действия центробежных сил при искривлении потока (рис. 2.4, в, г), срыва вихрей с элементов водовода, с неровностей негладко      выполненных     поверхностей     бетона,     незаделанных швов и др.

 
Рис. 2.4 Кавитационная эрозия в водопропускных сооружениях:
І - очаги кавитационной эрозии;   1 - сливная  грань;    2 - гаситель;    3  - плиты водобоя;   4 - бык; 5 - оголовок входного отверстия; 6 -  глубинный затвор в донном отверстии или туннеле

 Установление расчетом возможности возникновения кавитации заключается в сопоставлении величины абсолютного давления (рабс)i в некоторой точке i поверхности в данном сечении водопро­пускного сооружения с критическим давлением ркр (давление на­сыщенных водяных паров рнас  при данной температуре воды, при которой начинается «холодное» кипение) или сопоставлением ве­личины вакуума (hвак)і в данной точке іс критическим значением вакуума. Представляя давление или вакуум в единицах водяного столба, получаем следующее условие отсутствия кавитации:

;            (2.8)

 
Давление в точке iповерхности определяют с учетом влияния искривления потока. Критическое давление  зависит, как известно, от температуры жидкости и, например, для воды при t = 20° С равно 2,35 кПа, что соответствует 0,24 м вод. ст.

Оценка возможности появления кавитации производится также сравнением коэффициента кавитации (число кавитации, параметр кавитации):

 
              (2.9)

 
с его критическим значением , определяющимся по данным экспериментов. Абсолютное давление р_абс и скорость набегания Uпотока на неровность определяют расчетом.

При , что может быть при большой скорости и малом давлении в точке i, имеет место кавитация, при она отсутствует. В зависимости от формы и размеров неровностей  может изменяться от нуля до 3-4.

В числе мер борьбы   с последствиями кавитации    применяют: подвод воздуха к зонам образования кавитации, обеспечение гладкости обтекаемых водой поверхностей, повышение стойкости мате­риала против разрушения кавитацией, использование суперкавита­ции, при которой образуется кавитационный «факел», не касаю­щийся твердых границ и замыкающийся в жидкости в удалении от них.