Кавитация подводного крыла

Термин кавитация происходит от латынского cavitas — пустота.

Возникновение и развитие кавитации на движущихся под свободной поверхностью воды конструктивных элементах судна (лопасти гребных винтов, плицы гребных колес, подводные крылья) объясняется следующим.

Из курса физики известно, что температура кипения воды зависит от давления. Вода на уровне океана, находящаяся под атмосферным давлением, кипит при 100^оС. Если в сосуде с водой понизить давление и довести его, например, до 17 мм рт. ст., то вода вскипит при температуре 20° С (начнётся «холодное кипение» воды).

Аналогичное явление происходит на верхней стороне подводного крыла, когда при значительных скоростях обтекания на этой стороне крыла разряжение достигает давления насыщенных паров воды, приводящее к ее кипению и образованию разрывов сплошности жидкости (прочность воды для восприятия растягивающих напряжений оказывается недостаточной).

В гидродинамике кавитацию в зависимости от ее интенсивности принято подразделять на несколько стадий:

пузырчатая кавитация, когда в области наибольшего разряжения, имеющиеся в воде пузырьки газа начинают наполняться водяным паром и сносятся потоком за пределы крыла;

При более высоких скоростях крыла количество пузырьков и их объемы увеличиваются. При попадании пузырьков в зону с повышенным давлением воды, где нет условий для сохранения пара, пар мгновенно превращается в капельную жидкость с образованием в пространстве, занимаемом пузырьком глубокого вакуума, которое окружающая вода заполняет с большой скоростью. При этом гидроудар приходится на ничтожно малую площадь крыла. Возникающие напряжения в поверхностных слоях крыла превышают предел прочности материала крыла, вследствие этого он разрушается. Такой процесс разрушения материала конструктивных элементов принято называть кавитационной эрозией.

Влияние кавитации на работу крыла

Представим себе элемент крыла, обтекаемый со скоростью впереди крылана бесконечности под некоторым углом атаки. Давление в потоке на бесконечности будем полагать равным. При обтекании крыла этим потоком на его верхней поверхности давления понижаются до отрицательных значений (разряжение), а на нижней стороне крыла — давления повышенные по сравнению с давлением . Для линии тока, проходящей через точку на верхней поверхности крыла, уравнение Бернулли запишется в следующем виде:

где исоответственно, давление, и скорость в рассматриваемойточке.

Полученное уравнение преобразовывается к виду:

.

Левая часть уравнения обозначается через и называется коэффициентом разрежения: .

Коэффициент разрежения можно записать как разность двух членов:

; (1)

Отношение разности между давлением в потоке воды и давлением насыщенных паров воды к скоростному напору называют числом кавитации и обозначают:

.

Применяя такое обозначение, уравнение (1) можно представить в виде:

, (2)

где ; (3).

Первый из этих членов называют числом кавитации потока, второй – местным числом кавитации.

Поскольку кавитация на крыле наступает в момент, когда давление в рассматриваемой точке , возникновение кавитации соответствует нулевому значению местного числа кавитации, т.е., а, то условием возникновения кавитации в данной точке является равенство числа кавитации потока коэффициенту разряжения в этой точке (из равенства (2)).

Значения изависят от глубины погружения крыла,скорости его движения, относительной толщины профиля и формы крыла в целом. Располагая значением глубины погружения крыла и его скорости, число кавитации легко определить по формуле (3).

Определение является уже более сложной задачей, поскольку здесь существенное значение играет форма профиля. В литературе приводятся графики Гутше, по которым в зависимости от относительной толщины профиля крыла с и коэффициента подъемной силы С_у можно определить коэффициент разрежения . Для сегментных профилей В. М. Лаврентьев ввел формулу для глубоко погруженных крыльев ():

,

которой и можно воспользоваться в предварительных расчетах. Для малопогруженных крыльев, вследствие влияния свободной поверхности, разрежение уменьшается, что можно учесть коэффициентом:

;

Здесь — коэффициент разрежения (давления) на верхней поверхности крыла вблизи свободной поверхности; коэффициент разрежения на поверхности глубокопогруженного крыла.

Коэффициент может быть определен по известному выражению, полученному аппроксимацией экспериментальной зависимости q = f (h) для сегментных профилей с нагруженностью в пределах С_у = 0.1-0.3

Максимальная скорость бескавитационного обтекания может быть определена по зависимости: , полученной из выражения (2)

Для отдаления кавитации крыльев необходимо применять более тонкие профили с малыми углами атаки, что обеспечивает равномерность распределения давления (без пиков ) и невысокую нагруженность крыла, т. е. небольшие значения С_у. Однако уменьшение толщины профиля ограничивается условием обеспечения прочности крыльев. Поэтому, при высоких скоростях движения на плавно обтекаемых крыльях избежать кавитации невозможно. В реальных условиях максимальная скорость бескавитационного обтекания для малопогруженных крыльев составляет не более 65—-70 уз, а для глубокопогруженных — не более 54 уз. Для достижения больших скоростей необходимо применение суперкавитирующих крыльев, которые устойчивы против начальных стадий кавитации (благодаря острому тонкому носу профиля), а при дальнейшем ее развитии обеспечивают быстрое образование паровоздушной устойчивой каверны. Дальнейший рост подъемной силы с увеличением скорости движения обеспечивается одной нижней стороной крыла, поскольку давление на верхней стороне не понижается, а остается постоянным, равным давлению насыщенных паров воды.

Рис. 2.12 Схема обтекания суперкавитирующего профиля

Принципиально применение крыльев с суперкавитирующими профилями позволит получить любые большие значения скоростей СПК, какие только может обеспечить энергетическая установка. Однако практическое внедрение суперкавитирующих профилей обусловлено целым рядом трудностей, и в настоящее время создание СПК со скоростями > 100 узлов представляется весьма сложной задачей из-за проблем в обеспечении прочности крыльев и вывода судна на крыльевой режим движения.