*****
[quote]Что внутри кавитационных пузырьков?
Практически в любом учебнике можно прочитать, что пузырьки образуются за счёт растворённых в этой жидкости газов. Со всей уверенностью можно сказать, что это не так! Когда кавитационные пузырьки образуются за счёт скоростного разрыва потока, то в них — практически вакуум, пустота, давление, близкое к нулю (максимум — это равновесное давление паров жидкости, успевшей испариться со стенок пузырька при данной температуре, например, для воды при 17°С это всего лишь 15 мм.рт.ст., менее 0.02 атм)! Дело в том, что свободные пузырьки в потоке жидкости движутся быстро, а время жизни их очень мало, — поэтому прямые измерения никто не проводил. Прямые измерения проводились лишь для квазистационарных областей разрежения в зоне кавитации, и там действительно присутствуют пары жидкости и выделившиеся из неё растворённые газы — область-то квазистационарная, и она собирает растворённые газы со всего огромного объёма жидкости, прошедшего по её границам за всё время её существования. Поэтому давление выделившихся растворённых газов там может быть вполне заметным, но, кстати, оно же не даст этой области мгновенно «схлопнуться» в случае исчезновения условий кавитации, — эти газы образуют хотя и сжавшуюся в размерах, но достаточно долгоживущую группу пузырей.
У пузырька в потоке благодаря мизерному времени жизни с его стенок может даже не успеть испариться количество жидкости, достаточное для создания равновесной концентрации паров, хотя скорость такого процесса весьма велика. Про «растворённые газы» в этом случае говорить вообще не приходится — за исключением каких-то особых случаев (например, предварительного насыщения ими жидкости при повышенном давлении) их количество в ближайших окрестностях пузырька исчезающе мало и при всём желании они не могут создать ощутимого давления внутри него (скажем, растворимость большинства газов в воде при нормальных условиях не превышает доли процента — каков будет их вклад в давление внутри внезапно образовавшейся полости?). С расстояния же чуть подальше такие газы просто не успеют диффундировать внутрь пузырька за ничтожное время его жизни, длящейся миллисекунды или доли миллисекунд. Молекулы и микропузырьки растворённых газов могут лишь являться «точками разрыва» жидкости, центрами возникновения, провоцирующими образование кавитационных пузырьков именно в данном месте, но никак не могут создать внутри них сколь-нибудь существенное давление! Поэтому с механической точки зрения обычно можно считать, что кавитационные пузырьки внутри потока являются областями вакуума — такого же, как тот, что возникает в «зоне отрыва» достаточно сильного «обычного» гидроудара и однозначно фиксируется приборами именно как почти абсолютный ноль давления.
При тепловом механизме образования пузырьков они существуют не за счёт внешнего разрежения, а за счёт высокого внутреннего давления паров. Это давление очень далеко от вакуума, а если говорить точнее — оно равно давлению окружающей пузырёк жидкости. Поэтому и здесь обычно нельзя утверждать, что существенную часть содержимого пузырька составляют растворённые в жидкости газы — он заполнен парами жидкости.
Тепловая и механическая кавитации — разные явления
Анализируя всё вышесказанное, я считаю, что скоростная и тепловая кавитации — это два разных явления, хотя и близкородственных, многие черты которых весьма похожи друг на друга. Но есть и принципиальные различия — прежде всего это давление и температура внутри пузырьков. В первом случае это очень низкое давление, близкое к абсолютному нулю, и весьма низкая температура, далёкая от температуры кипения жидкости при статическом давлении окружающей среды. Во втором случае это высокое давление паров внутри пузырька, практически равное статическому давлению окружающей жидкости, и высокая температура, близкая к температуре кипения при этом давлении.
В результате при тепловой кавитации схлопывание пузырька никогда не будет слишком интенсивным — высокое давление и температура паров внутри него будут тормозить этот процесс и дополнительно подпитываться теплом, выделяющимся при конденсации.
В то же время крайне низкое давление в пузырьках, образующихся при скоростном разрыве, мало препятствует их схлопыванию. Поэтому такое схлопывание будет гораздо более быстрым, чем при тепловой кавитации, а возникающие при этом локальные гидроудары — гораздо более интенсивными. Более того, использование жидкостей с низким парообразованием, например, различных масел, может обеспечить внутри таких пузырьков весьма высокую степень разрежения. Поскольку для получения «свободной энергии» наиболее перспективными представляются самые экстремальные условия, то основное внимание следует уделить именно этой, «механической», разновидности кавитации.
В соответствии с вышесказанным, я склонен считать «истинной кавитацией» лишь пузырьки-пустоты при скоростном разрыве, а тепловую кавитацию рассматривать как разновидность термодинамических процессов. Неудивительно, что и время роста, и время исчезновения «тепловых» пузырьков как минимум на один-два порядка превышает аналогичные времена при «скоростной» кавитации. Это различие принципиально, так же как принципиальна и практическая безвредность тепловой кавитации. Ни один чайник и ни одна кастрюля ещё не пострадали от тепловой кавитации как таковой. Накипь для них гораздо опаснее. Более того, хотя при «скоростной» кавитации повышение общей температуры жидкости и приводит к более интенсивному образованию кавитационных пузырьков, в силу большего внутреннего давления эти пузырьки становятся менее «злыми» и менее опасными. Чуть подробнее это будет рассмотрено ниже.
Различие причин появления пузырьков при всей внешней схожести процессов приводит к существенно разным условиям и результатам. В дальнейшем на этой странице речь будет идти именно о «механической» низкотемпературной кавитации, и лишь иногда придётся упомянуть её тепловую «сестру».
Термодинамика пузырьков
Безусловно, при образовании и исчезновении кавитационных пузырьков, даже если они возникают «механическим путём» из-за скоростного разрыва потока, происходят термодинамические процессы. Во время роста пузырька жидкость со стенок полости интенсивно испаряется в образующуюся пустоту. В соответствии с классической термодинамикой, это должно сопровождаться существенным охлаждением образовавшегося пара и тончайшего слоя жидкости на границах полости. Однако каков реальный результат этого процесса? Вследствие охлаждения процесс испарения становится менее интенсивным, а равновесное давление паров жидкости снижается, обеспечивая более высокую степень разрежения внутри пузырька по сравнению с равновесной концентрацией паров для температуры основного объёма жидкости. При исчезновении пузырька происходит обратный процесс — повышение давления и конденсация этих холодных паров с выделением теплоты. В силу краткого времени жизни пузырька, обычно исчисляемого малыми долями секунды, эти процессы можно считать адиабатическими и потому не влияющими на тепловой баланс даже в ближайших окрестностях, за исключением тонкого слоя стенок пузырька. В связи с этим явления испарения и конденсации при кавитации в первом приближении можно исключить из рассмотрения как малозначащие, а связанные с ними термодинамические эффекты считать несущественными, по крайней мере, для одиночных пузырьков с малым временем жизни.
В результате наиболее значимыми остаются лишь механические аспекты кавитации, — а они оказываются теми же самыми, что характерны для обычного гидроудара. Это образование области пустоты из-за скорости и несжимаемости жидкости (а следовательно, и её нерастягиваемости без разрыва), и повышение давления при «схлопывании» пузырька из-за скоростного напора его сходящихся стенок. Если же время жизни пузырька достаточно велико (зона кавитации имеет большую протяжённость), его объём действительно может заполниться парами до состояния равновесия с жидкостью, но давление этих паров всё равно очень низко, и обычно, по сравнению с давлением на других участках русла потока, им вполне можно пренебречь, приравняв его к вакууму (конечно, это не глубокий «космический» вакуум, но с точки зрения механики разность между перепадами давления в 1.00 и 0.98 атм — 2% — в подавляющем большинстве случаев не имеет никакого значения; при большем давлении жидкости эта разница ещё меньше, например при характерных для водопровода избыточных давлениях от 2 до 6 атм она составит от 0.7% до 0.3% соответственно).
Рост и схлопывание пузырьков
Кавитационный пузырёк за время своей жизни проходит две важнейшие стадии — рост и схлопывание. В большинстве случаев эти процессы происходят с разной скоростью, причём эта разница принципиальна и обуславливает многие особенности кавитации.
Асимметрия роста и схлопывания
Рост кавитационного пузырька почти всегда происходит намного медленнее, чем его схлопывание — и чем выше напор жидкости, тем больше эта разница. Дело в том, разрыв потока определяется «отрицательным» давлением, то есть разрывающими усилиями, возникающими в толще жидкости. Для сверхчистых жидкостей в специальных условиях эти усилия могут достигать весьма существенных величин, однако в обычных условиях, да ещё в движущемся потоке, жидкость рвётся почти без усилий. С учётом того, что перед разрывом все части жидкости в ближайших окрестностях точки разрыва имели практически одинаковую скорость, их расхождение будет достаточно медленным, что ограничивает скорость роста каждого отдельного пузырька. Если условия требуют более интенсивного роста, то это будет компенсироваться увеличением количества точек разрыва, т.е. бóльшим дроблением жидкости — вплоть до превращения её в пену, — но сами образующиеся пузырьки будут иметь примерно один и тот же размер. По мере дальнейшего роста в зависимости от расположения исходных «точек разрыва», эти пузырьки могут разрастаться и объединяться. При стабилизации кавитационных условий возможна «перегруппировка» пузырьков, когда часть из них исчезнет, а оставшаяся часть увеличится в размерах, однако этот процесс потребует достаточно заметного времени, исчисляемого как минимум несколькими миллисекундами.
Когда условия для кавитации пропадают и внешнее давление начинает нарастать, стенки пузырька устремляются навстречу друг другу. Этот процесс прямо определяется внешним давлением, и чем оно выше, тем больше сила, действующая на стенки, тем больше их ускорение. Правда, поскольку максимальная скорость передачи механических воздействий в жидкости определяется скоростью распространения в ней звука, скорость схлопывания не должна превысить скорость звука (взаимная скорость в месте схлопывания и определяемая ею сила гидроудара, соответственно, — удвоенную скорость звука). Однако и этого более чем достаточно для достижения фантастических давлений. Скажем, оценка по формуле Жуковского для воды даёт давление в точке схлопывания порядка 4 ГПа (примерно 40000 атмосфер, что соответствует напору водяного столба высотой 400 км). Это на один-три порядка превышает пределы прочности почти всех известных материалов, включая сталь, — как на сжатие, так и на растяжение.
Таким образом, можно сказать, что во время роста пузырьков ничего особо экстремального и разрушительного не происходит. Всё самое необычное может происходить лишь в момент схлопывания пузырька. Это подтверждается экспериментальными фактами, например, однозначно установлено, что вспышки при сонолюминесценции происходят именно в момент схлопывания пузырька, а не в период его образования.
О разогреве при схлопывании
Тем не менее, обычно удар не бывает столь жёстким. Дело в том, что какая-то толика паров в объёме пузырька присутствует всегда. Количество их мало, и потому большую часть процесса схлопывания они не оказывают сколько-нибудь существенного сопротивления сближению стенок пузырька. И лишь в самом конце, когда оставшийся объём пузырька составляет проценты или доли процента от его максимального объёма, их давление становится сравнимо с внешним давлением на стенки пузырька.
Однако стенки уже набрали скорость и инерцию, поэтому остановить их не так просто. В результате скоростной напор стенок продолжает сжимать пузырёк, и давление в нём становится намного больше давления в основной толще жидкости. При этом в силу кратковременности процесса, длящегося на этой стадии не милли-, а микросекунды, даже при нормальной температуре все пары не успеют сконденсироваться. Но температура в центре схлопнувшегося пузырька не нормальная — в результате адиабатического сжатия она намного превышает температуру основной жидкости. В зависимости от условий схлопывания это превышение может достигать десятков и сотен градусов (иногда приводятся значения 8000°С, 11000°С и даже 20000°С — втрое выше, чем на поверхности Солнца — но это весьма сомнительно, т.к. сине-голубой свет сонолюминесценции примерно соответствует теоретическому излучению «абсолютно чёрного тела» при температуре 6000°С, хотя мы можем не видеть более «высокотемпературной» ультрафиолетовой составляющей, активно поглощаемой жидкостью).
Сонолюминесценция.
Сонолюминесценция.
Существуют теории, утверждающие, что при схлопывании пузырька основная жидкость принципиально конденсируется полностью, но вот ранее содержавшиеся в ней и оставшиеся в пузырьке газы раствориться обратно не успевают, и именно они испытывают адиабатическое сжатие. Подтверждением этого можно считать сильную зависимость сонолюминесценции от вида растворённых в воде газов (одно- или двухатомных), а также тот факт, что молекулярный вес одноатомных газов оказывает огромное влияние на яркость сонолюминесценции.
Таким образом, в конце схлопывания пузырька в его центре мы имеем «нано-облачко» газа с огромным давлением и температурой. Это облачко несколько «амортизирует» жёсткий удар в конце схлопывания. Но всё это длится слишком короткий период времени, исчисляемый микросекундами. Потом ударная волна расходится от центра бывшего пузырька, давление и температура там падают, несконденсированные пары, если они ещё остались, благополучно конденсируются, а газы вновь растворяются в жидкости. Затем теплообмен в течении считанных миллисекунд приводит все параметры жидкости в этом месте в состояние, практически не отличающееся от остального её объёма. При действительно сильном схлопывании этот процесс принимает характер повторных гидроударов и повторяется несколько раз с постепенным затуханием.
Особо следует подчеркнуть, что чисто адиабатический разогрев не даёт дополнительной энергии и в конечном счёте не способен изменить исходную температуру жидкости. Однако при этом возможен дополнительный разогрев жидкости за счёт энергии, освобождающейся при торможении струи во время кавитационных процессов, то есть за счёт гидравлического трения. Но это не внутренняя энергия жидкости, а внешняя энергия, затраченная непосредственно на разгон жидкости или на создание напора, обеспечивающего этот разгон. Среди прочего, об этом говорят и многие результаты тестирования известных «кавитационных генераторов» ЮСМАР, давая для них неплохой КПД (вплоть до 95% и выше), но не подтверждая их сверхъединичность относительно «взятого из розетки».[/quote]
********
[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] второе открытие кавитации
От меня пройдя процесс кавитации жидкость меняет структуру, вода меняет структуру на какой то момент выходя из равновесия, В таком состоянии у нее другие свойства вот что я собственно хотел сказать.
SAAD7 а если твой лизер использовать как нагреватель какой его КПД ?
Форум 
Портал 
Последние изображения 
Регистрация 
Вход 
Вс 12 Янв 2014 - 23:33
у тебя ни чего сверхестественого нет . обычный электролиз с щадящем режимом для электродов \ для нержавейки по другому ни как \ есть и другие материалы . вот только экономия получится только на конструкции электролизера а не по затраченной энергии . 
