кавитация на подводно криле

Терминъткавитацияидва от латинскотоcavitas- празнота.

Появата и развитието на кавитация върху структурните елементи на плавателния съд, движещи се под свободната повърхност на водата (лопатки на витлото, пластини на гребни колела, подводни крила) се обяснява по следния начин.

От курса на физиката е известно, че точката на кипене на водата зависи от налягането. Водата на нивото на океана, под атмосферно налягане, кипи при 100 ° C. Ако налягането в съд с вода се намали и се доведе до например 17mmHg. чл., тогава водата ще заври при температура 20 ° C (ще започне „студеното кипене“ на водата).

Подобно явление възниква от горната страна на подводното крило, когато при значителни скорости на потока от тази страна на крилото разреждането достига налягането на наситената водна пара, което води до нейното кипене и образуването на прекъсвания във флуида (силата на водата да поеме напреженията на опън е недостатъчна).

В хидродинамиката кавитацията, в зависимост от нейната интензивност, обикновено се разделя на няколко етапа:

мехурчестакавитация, когато в областта на най-голямото разреждане газовите мехурчета във водата започват да се пълнят с водна пара и се отнасят от потока извън крилото;

При по-високи скорости на крилата броят на мехурчетата и техните обеми се увеличават. Когато мехурчетата навлязат в зона с високо водно налягане, където няма условия за поддържане на пара, парата мигновено се превръща в капеща течност с образуване на дълбок вакуум в пространството, заето от мехурчето, което околната вода запълва с висока скорост. В този случай водният чук пада върху незначителна площ на крилото. Получените напрежения в повърхностните слоеве на крилото надвишават якостта на опън на материала на крилото, в резултат на което тое унищожена. Такъв процес на разрушаване на материала на конструктивните елементи обикновено се нарича кавитационна ерозия.

Ефект на кавитацията върху характеристиките на крилото

Нека си представим елемент на крилото, обтекаем със скорост

пред крилото в безкрайност при определен ъгъл на атака. Налягането в потока в безкрайност ще се приеме, че е.Когато този поток тече около крилото, наляганията върху горната му повърхност намаляват до отрицателни стойности (разреждане), а от долната страна на крилото наляганията се увеличават в сравнение с налягането. За ток, минаващ през точка на горната повърхност на крилото, уравнението на Бернули се записва в следната форма:

където

и, съответно, са налягане и скорост в разглежданата точка.

Полученото уравнение се преобразува във вида:

.

Лявата страна на уравнението се обозначава с

и се нарича коефициент на разреждане:.

Факторът на разреждане може да се запише като разликата между два термина:

; (1)

Съотношението на разликата между налягането във водния поток

и налягането на наситената водна паракъм напора на скоростта се нарича кавитационно число и се обозначава:

.

Използвайки тази нотация, уравнение (1) може да бъде представено като:

, (2)

където

; (3).

Първият от тези термини се нарича кавитационно число на потока, вторият се нарича локално кавитационно число.

Тъй като кавитацията на крилото се появи в момента, в който налягането в разглежданата точка

, появата на кавитация съответства на нулевата стойност на локалния номер на кавитация, т.е.,, тогава условието за появата на кавитация в този момент е равенството на номера на поточната кавитация към коефициента на разреждане в този момент (от уравнение (2)).

Стойности

изависят отдълбочината на потапяне на крилото, скоростта на движението му, относителната дебелина на профила и формата на крилото като цяло. Имайки стойността на дълбочината на потапяне на крилото и неговата скорост, числото на кавитацията може лесно да се определи по формула (3).

Дефинирането на

вече е по-трудна задача, тъй като тук формата на профила играе съществена роля. В литературата са дадени графики на Gutsche, според които в зависимост от относителната дебелина на профила на крилотоcи коефициента на повдиганеCyможе да се определи коефициентът на разреждане. За сегментни профили В. М. Лаврентиев въвежда формула за дълбоко потопени крила ():

,

които могат да се използват при предварителни изчисления. За леко потопени крила, поради влиянието на свободната повърхност, разреждането намалява, което може да се отчете от коефициента:

;

Тук

е коефициентът на разреждане (налягане) върху горната повърхност на крилото близо до свободната повърхност;коефициент на разреждане на повърхността на дълбоко потопено крило.

Коефициентът

може да се определи чрез добре познатия израз, получен чрез апроксимиране на експерименталната зависимостq=f(h)за сегментни профили с натоварване в рамките наСу= 0,1-0,3

Максималната скорост на некавитационния поток може да се определи от зависимостта:

, получена от израз (2)

За дистанциране на кавитацията на крилата е необходимо да се използват по-тънки профили с малки ъгли на атака, което осигурява равномерно разпределение на налягането (без пикове)и ниско натоварване на крилото, т.е. малки стойностиСу.Намаляването на дебелината на профила обаче е ограничено от условието за осигуряване на здравина на крилата. Следователно при високи скоростидвижението на плавно опростени крила, за да се избегне кавитация, е невъзможно. В реални условия максималната скорост на некавитационния поток за леко потопени крила е не повече от 65–70 възела, а за дълбоко потопени крила не повече от 54 възела. За постигане на високи скорости е необходимо да се използват суперкавитиращи крила, които са устойчиви на началните етапи на кавитация (поради острия тънък нос на профила) и с по-нататъшното си развитие осигуряват бързо образуване на стабилна паровъздушна кухина. По-нататъшното увеличаване на повдигането с нарастваща скорост се осигурява от едната долна страна на крилото, тъй като налягането от горната страна не намалява, а остава постоянно, равно на налягането на наситената водна пара.

Ориз. 2.12 Схема на обтичане на суперкавитиращ профил

По принцип използването на крила със суперкавитиращи профили ще позволи да се получат всякакви високи скорости на SPC, които една електроцентрала може да осигури. Въпреки това, практическото прилагане на суперкавитационни профили се дължи на редица трудности и в момента създаването на SPC със скорости

> 100 възела изглежда много трудна задача поради проблеми с осигуряването на здравина на крилата и привеждането на кораба в режим на движение на крилото.

---