キャビテーションについて詳しく解説

導入

キャビテーションを示す水圧と温度のグラフ。

キャビテーション(緯度Cavus、 「穴」を意味する) は、真空にさらされた液体中でのガスや蒸気の泡の発生と放射状の振動を表す現象です。この真空度が十分に高い場合、圧力は飽和蒸気圧よりも低くなり、蒸気泡が発生する可能性があります。

うつ病の原因には次の 2 つのタイプがあります。

流体の流れ
液体の密度変化を引き起こす音波

うつ病の起源

水トンネル内のプロペラによって実験的に発生するキャビテーション。

うつ病には 2 つの異なる原因が考えられます。

たとえばベンチュリ内、ポンプのブレード付近、ボートや潜水艦のプロペラなど、高速の液体の流れに接続することができます。実際、流体内の高速ゾーンは低圧力に対応します (ベルヌーイの定理を参照)。私たちは 1917 年にレイリー卿によって発見された流体力学キャビテーションについて話しています。これにより、たとえば、泡が跡をたどったり、ブレード (くぼみが最も大きい場所、つまり上面) に蒸気の層が張り付いたように見えたりすることがあります。注意してください。ただし、泡は頻繁に観察されます。一般に、表面から同伴されるのは空気だけであり、キャビテーションではありません。これは、プロペラが表面に近いときの換気現象です)。
それは、音波、一般的には超音波の影響を受けた液体の密度の変化に関係している可能性があります。次に音響キャビテーションについて話します。

圧力と気泡半径の関係

いずれの場合も、バブルを成長させるのは不況です。したがって、この現象を研究するには、流体 (気泡から遠いところ) の圧力と気泡 (球状とみなされる) の半径との関係を研究する必要があります。これを行うには、気体の性質、ラプラス圧力、および場合によっては流体の弾性率に依存します。

さまざまな種類のキャビテーション

高レイノルズ数でのキャビテーション : 液体の慣性(その動き) により、気体の膨張が遅くなります。
低レイノルズ数キャビテーション: 液体の粘度が膨張率を制限します。
弾性キャビテーション:媒体の弾性抵抗と表面張力がガスの膨張を制限します。

自然界におけるキャビテーションの利用

キャビテーションは、一方の爪が他方の爪に比べて過剰に発達した熱帯エビによって、自然界ではかなり独特な方法で利用されます。この巨大なクランプを閉じると、非常に激しい流れが流体力学的キャビテーション気泡を生成し、内部破裂によって周囲のプランクトンを驚かせたり、さらには殺すことのできる衝撃波を放出します。科学誌サイエンス・マガジンに掲載された記事によると、オランダのチームが高速カメラを使ってキャビテーション気泡の様子を実証するまでは、ノイズはクランプ自体から発生していると長い間信じられていたという。同じチームは、この泡が発光することも実証しました。

キャビテーションは維管束植物にも存在し、木部で発生します。気泡は水柱の連続性を破壊し、その結果、葉はもはや水分を失います。キャビテーションが繰り返されると、植物の生存が脅かされます。

高レイノルズ数キャビテーション

効果

起源が何であれ、キャビテーションには 2 つの異なる効果があります。

蒸気の泡は液体の挙動を完全に変えます。流体力学的キャビテーションはプロペラやポンプの効率を破壊します。エネルギーはもはや運動に変換されず（たとえば）、自動車内に残るか（このように通常の作業環境から離れることに耐えられない可能性があります）、あるいは制御されていない形で分散されるため、おそらく有害であるかのどちらかです。。
ほとんどの場合、蒸気泡は一時的なものです。その出現により、蒸気泡を発生させた条件が即座に解消されます。したがって、バブルの爆縮が発生します。後者は非常に激しいため、気泡内の圧力と温度が非常に高い値（数千バール、数千ケルビン）になる可能性があります。気泡は内破することによって液体中に衝撃波を発することができ、これにより液滴の破壊（乳化）、固体粒子の分散、解凝集、破壊、さらには固体表面の洗浄や浸食が可能になります。

これが、キャビテーション現象の制御が流体力学において不可欠である理由です。キャビテーション現象は、効率の損失、さらには（プロペラやポンプの）破壊さえも引き起こす可能性があるため、限界を示しています。これらへの影響は常に最高速度のポイント、つまり渦油圧装置の内側と単一およびマルチチャンネル油圧装置の外側で発生します (次の写真を参照)。

しかし逆に言えば、この現象をよく理解すれば、それを利用することが可能になる可能性があります。洗浄への応用も提案されている。医学では、超音波（体外結石破砕術）は膀胱結石や腎臓結石を破壊するために使用されます。さらに、特定の気泡内でこのように達成されたエネルギー密度は、ソノケミストリーと呼ばれる異常な化学反応を引き起こし、場合によっては、ソノルミネッセンスと呼ばれる現象である光の放出さえも引き起こします。研究者の中には、これらの現象を利用して核融合を達成することが可能であると信じている人もいます。

キャビテーションは主に高圧油圧ポンプに破壊的な影響を及ぼします。微小爆発により材料が引き裂かれ、ポンプが破壊されます。最も一般的な原因は、サクションフィルターの詰まりまたはサクションの空気取り入れ口です。

キャビテーションにより破壊された遠心ポンプ

インペラのキャビテーション摩耗の詳細

油圧ポンプのガラスがキャビテーションにより破壊された。

予報

この現象を予測するために、 σで示される無次元キャビテーションパラメーターを導入します。これは次のように定義されます。

$$ {\sigma = \frac{P_a-P_\text{sat}}{\Delta P}} $$

と：

Δ P はシステムの特性量、
P_は液体の飽和蒸気圧に達し、
P_は参照点での圧力を持ちます。

同じ σ を持つ類似した形状の 2 つの流れは、同じレイノルズ数を持っている場合、相同点でキャビテーションが発生します。

同様に、 NPSH (正味吸引ヘッド) は、ポンプ入口の飽和蒸気圧P _vに追加する必要がある最小追加圧力であり、その内部の圧力はP _{v を}下回ることはできません。。 NPSH は次の関係によって定義されます。

$$ {\frac{P_i}{\gamma}+\frac{V_i^2}{2g}-\frac{P_v}{\gamma}} $$

スーパーキャビテーション

スーパーキャビテーションは、キャビテーション効果を利用して液体内に大きな気泡を生成し、物体がその気泡に完全に包まれながら液体内を高速で移動することを可能にします。キャビティ (つまり気泡) は物体の摩擦を軽減し、スーパーキャビテーションを非常に魅力的な技術にしています。これには正当な理由があります。水中での摩擦は空気中の摩擦よりも約 1,000 倍大きいのです。スーパーキャビテーションは磁気流体力学(MHD) でよく研究されています。