캐비테이션

Cavitation
다른 용도는 캐비테이션(동음이의)을 참조하십시오.
수터널 실험에서의 캐비테이션 프로펠러 모델.
축방향 피스톤 유압 펌프용 밸브 플레이트의 캐비테이션 손상.
이 비디오에서는 기어 펌프의 캐비테이션이 보여집니다.
개인 수상 선박의 프로펠러에 캐비테이션 손상이 있습니다.
강 바지선에 달린 청동 프로펠러와 소품 위쪽에 진동 방지판이 있습니다.

캐비테이션은 액체의 정압이 액체의 증기압 이하로 감소하여 액체에 작은 증기로 채워진 공동이 형성되는 현상이다.높은 압력에 노출되면 "거품" 또는 "공극"이라고 불리는 이러한 공동이 붕괴되어 기계에 손상을 줄 수 있는 충격파가 발생할 수 있습니다.이러한 충격파는 폭발한 기포에 매우 가까울 때는 강하지만, 폭발로부터 멀리 전파되면서 급속히 약해집니다.

캐비테이션은 일부 엔지니어링 환경에서 마모의 중요한 원인입니다.금속 표면 근처에 붕괴하는 공극은 반복적인 붕괴를 통해 주기적인 응력을 일으킨다.이로 인해 금속의 표면 피로가 "카비테이션"이라고도 불리는 마모 유형을 야기합니다.이러한 종류의 마모의 가장 일반적인 예는 임펠러를 펌핑하는 것과 액체의 방향이 갑자기 바뀌는 곳에서 구부러지는 것입니다.캐비테이션은 보통 관성(또는 일시적인) 캐비테이션과 비관성 캐비테이션의 두 가지 행동 클래스로 나뉜다.

액체의 보이드나 기포가 급속히 붕괴되어 충격파를 생성하는 과정을 관성 캐비테이션이라고 합니다.관성 캐비테이션은 식물의 혈관 조직뿐만 아니라 사마귀 새우와 권총새우의 공격에서 자연에서 발생합니다.인공 물체에서는 제어 밸브, 펌프, 프로펠러 및 임펠러에서 발생할 수 있습니다.

비관성 캐비테이션은 음향장과 같은 에너지 입력에 의해 유체 내의 기포가 크기나 모양으로 진동하는 과정입니다.이러한 캐비테이션은 초음파 세척 욕조에 자주 사용되며 펌프, 프로펠러 등에서도 관찰될 수 있습니다.

공극의 붕괴에 의해 형성된 충격파가 부품에 심각한 손상을 일으킬 정도로 충분히 강하기 때문에 캐비테이션은 일반적으로 기계에서 바람직하지 않은 현상이다(예를 들어 오염된 수술 기구를 소독하고 정수 시스템의 오염 물질을 분해하고 조직을 유화시키는 데 의도적으로 사용되는 경우 바람직하지만).백내장 수술 또는 신장 결석 결석술, 균질화 유체).터빈이나 프로펠러와 같은 기계의 설계에서는 특히 회피되는 경우가 매우 많으며 캐비테이션 제거는 유체역학 연구의 주요 분야입니다.단, 슈퍼캐비테이션 등 기계에서 기포가 떨어져 나가도 때로는 유용하고 파손되지 않습니다.

물리

관성 캐비테이션

관성 캐비테이션은 액체 내의 구형 보이드의 붕괴를 고려하면서 19세기 후반에 처음 관측되었다.액체의 부피가 충분히 낮은 압력에 노출되면 파열되어 공동이 형성될 수 있다.이 현상은 캐비테이션 개시라고 하며, 빠르게 회전하는 프로펠러의 날개 뒤나 충분한 진폭과 가속도로 액체에서 진동하는 표면에서 발생할 수 있습니다.강물이 빠르게 흐르면 특히 폭포와 같은 낙하물이 있을 때 암반 표면에 공동 현상이 발생할 수 있습니다.

캐비테이션 보이드를 생성하는 다른 방법으로는 집중력이 강한 레이저 펄스(광학적 캐비테이션) 또는 스파크를 통한 방전과 같은 에너지의 국부적 침적이 포함됩니다.증기 가스는 주변 매체에서 캐비티로 증발합니다. 따라서 캐비티는 진공이 아니라 저압 증기(가스) 버블입니다.거품이 하류로 이동하는 등 거품을 형성한 조건이 사라지면 주변 액체가 더 높은 압력으로 인해 붕괴되기 시작하고 내부로 이동하면서 관성이 높아집니다.기포가 마침내 붕괴되면서 주변 액체의 내부 관성에 의해 내부의 증기의 압력과 온도가 급격히 상승합니다.버블은 결국 원래 크기의 미세한 부분까지 붕괴되고, 이 때 내부의 기체는 음향 충격파와 가시광선의 형태로 상당한 양의 에너지를 방출하는 다소 폭력적인 메커니즘을 통해 주변 액체로 소멸됩니다.전붕괴점에서 기포 내의 증기 온도는 수천 켈빈, 압력은 수백 [1]기압일 수 있습니다.

관성 캐비테이션은 음향장이 존재하는 경우에도 발생할 수 있다.일반적으로 액체에 존재하는 미세한 기체 기포는 적용된 음향장으로 인해 진동하게 됩니다.음향 강도가 충분히 높으면 먼저 거품의 크기가 커진 후 빠르게 붕괴됩니다.따라서 레일리 양 보이드가 발생하기에는 액체 중 희박성이 부족해도 관성 캐비테이션이 발생할 수 있다.고출력 초음파는 일반적으로 표면, 액체 및 슬러리를 처리하기 위해 미세한 진공 기포의 관성 캐비테이션을 사용합니다.

캐비테이션 시작의 물리적 과정은 끓는 것과 유사하다.두 가지 주요 차이점은 증기의 형성에 앞선 열역학 경로입니다.액체의 국부 온도가 포화 온도에 이르면 비등하고, 추가로 열을 공급하여 액체가 기체로 충분히 상변화할 수 있도록 한다.캐비테이션 시작은 국부 압력이 특정 [2]온도에서 액체의 인장 강도에 의해 주어진 값인 포화 증기 압력보다 충분히 떨어질 때 발생합니다.

캐비테이션이 시작되기 위해서는 캐비테이션 "거품"이 일반적으로 핵을 형성할 수 있는 표면이 필요하다.이 표면은 용기의 측면, 액체 내 불순물 또는 액체 내 용해되지 않은 작은 마이크로 기포에 의해 제공될 수 있습니다.일반적으로 소수성 표면은 작은 기포를 안정시킨다고 알려져 있다.블레이크 역치라고 불리는 역치 압력 이하의 압력에 노출되면 이러한 기존 기포가 무한히 커지기 시작합니다.

여기서의 증기 압력은 100% 포화 미만의 값으로 대기 중 물의 부분 압력을 설명하는 기상학적 정의와 다릅니다.캐비테이션과 관련된 증기 압력은 평형 조건에서의 증기 압력을 의미하므로 평형(또는 포화) 증기 압력으로 더 정확하게 정의할 수 있습니다.

비관성 캐비테이션은 음향장의 강도가 전체 기포 붕괴를 일으키기에 불충분할 때 액체의 작은 기포가 음향장의 존재 하에서 진동하도록 강제하는 과정이다.이러한 형태의 캐비테이션은 관성 캐비테이션보다 훨씬 적은 침식을 유발하며 실리콘 웨이퍼와 같은 민감한 물질의 청소에 자주 사용됩니다.

유체역학적 캐비테이션

유체역학적 캐비테이션은 국부 압력의 감소와 그에 따른 증가의 결과로 흐르는 액체에서 발생하는 기화, 기포 생성 및 기포 붕괴의 과정이다.캐비테이션은 국부 압력이 액체의 포화 증기 압력보다 낮아지고 이후 증기 압력보다 높은 수준으로 회복되는 경우에만 발생합니다.회수 압력이 증기압보다 높지 않으면 점멸이 발생한 것으로 알려져 있습니다.파이프 시스템에서 캐비테이션은 일반적으로 (면적 협착을 통해) 운동 에너지의 증가 또는 파이프 상승의 결과로 발생합니다.

유체역학적 캐비테이션은 액체를 특정 흐름 속도로 수축된 채널을 통과시키거나 액체를 통과하는 물체의 기계적 회전에 의해 생성될 수 있다.수축채널의 경우 시스템의 특정(또는 고유한) 형상에 기초하여 압력과 운동에너지의 조합으로 국부적 협착의 하류에 유체역학 캐비테이션 캐번(hydroadynamic cavitation cabber)을 생성하여 고에너지 캐비테이션 기포를 발생시킬 수 있다.

열역학적 상변화도에 따르면, 온도 상승은 비등이라고 알려진 상변화 메커니즘을 시작할 수 있습니다.그러나 정압의 감소는 다상도를 통과하고 캐비테이션으로 알려진 또 다른 위상 변화 메커니즘을 시작하는 데에도 도움이 될 수 있습니다.한편, 유속이 국소적으로 증가하면 캐비테이션이 개시될 수 있는 임계점까지 정압 강하를 초래할 수 있다(베르누이의 원리에 근거한다).임계 압력점은 증기 포화 압력입니다.유량누설이 검출되지 않는 폐쇄형 유체시스템에서는 단면적의 감소가 속도증가로 이어져 정압강하로 이어진다.이는 수처리, 에너지 수확, 열전달 증강, 식품 가공 [3]등과 같은 다양한 응용 분야를 위한 많은 유체역학 캐비테이션 기반 원자로의 작동 원리이다.

캐비테이션 흐름의 진행에 따라 검출되는 흐름 패턴은 개시, 전개 흐름, 슈퍼 캐비테이션 및 초크 흐름 등 다양합니다.Inception은 두 번째 단계(가스 단계)가 시스템에 나타나는 첫 번째 순간입니다.이는 가장 큰 캐비테이션 수에 대응하는 시스템에서 포착된 가장 약한 캐비테이션 흐름입니다.오리피스 또는 벤추리 구조에서 캐비티가 커지고 크기가 커지면 발전된 흐름이 기록됩니다.가장 강한 캐비테이션 흐름은 이론적으로 오리피스의 모든 노즐 영역이 기포로 채워지는 슈퍼캐비테이션으로 알려져 있습니다.이 흐름도는 시스템에서 가장 낮은 캐비테이션 수에 해당합니다.슈퍼캐비테이션 후 시스템은 더 이상의 흐름을 전달할 수 없습니다.따라서 상류압력이 증가하는 동안 속도는 변하지 않는다.이로 인해 캐비테이션 수가 증가하여 흐름의 질식 현상이 [4]발생했음을 나타냅니다.

기포의 생성 과정과 그에 따른 캐비테이션 기포의 성장과 붕괴는 매우 높은 에너지 밀도와 매우 높은 국소 온도와 매우 짧은 시간 동안 기포 표면에서의 국소 압력을 초래합니다.따라서 전체적인 액체 배지 환경은 주변 조건을 유지합니다.제어되지 않으면 캐비테이션이 손상되지만 캐비테이션의 흐름을 제어함으로써 전력을 사용할 수 있으며 비파괴적입니다.제어된 캐비테이션은 캐비테이션 [5]기포에 갇힌 증기의 결합 해제에 의해 프로세스에서 유리기가 생성되기 때문에 화학 반응을 강화하거나 예기치 않은 반응을 전파하기 위해 사용될 수 있다.

오리피스와 벤추리는 캐비테이션 발생에 널리 사용되는 것으로 보고되었다.벤추리는 매끄러운 수렴 및 분기부 때문에 오리피스보다 본질적으로 유리하며, 따라서 벤추리를 통과하는 특정 압력 강하에 대해 목구멍에서 더 높은 유속을 발생시킬 수 있습니다.한편 오리피스는 파이프의 [6]특정 단면적에 더 많은 수의 구멍(구멍 둘레)을 수용할 수 있다는 장점이 있습니다.

캐비테이션 현상을 제어하여 고속 해상 선박 및 발사체의 성능을 향상시킬 수 있으며, 재료 가공 기술, 의약품 등에서도 성능을 향상시킬 수 있습니다.액체의 캐비테이션 흐름을 제어하는 것은 캐비테이션 과정의 수학적 기초를 발전시키는 것만으로 달성될 수 있다.이러한 과정은 다양한 방식으로 나타나며, 가장 일반적인 과정이며 제어에 유망한 것은 거품 캐비테이션과 슈퍼 캐비테이션입니다.최초의 정확한 고전적 해법은 [7]1868년 헤르만 폰 헬름홀츠에 의해 잘 알려진 해법으로 인정될 것이다.자유로운 경계와 초동진동을 가진 캐비테이션 흐름의 이론에 대한 학문적 유형의 가장 초기의 저명한 연구는 제트와 깨 그리고[8] 공동에 이어 이상적인 [9]유체의 제트 이론으로 출판되었습니다.이 책들에서 널리 사용된 것은 복잡한 변수의 함수의 등각 매핑 이론으로, 평면 문제에 대한 많은 정확한 해결책을 도출할 수 있게 해주었다.또 다른 장소와 경험적 대략적인 모델로 기존의 정확한 솔루션을 결합하는 유동의 자유 Boundaries[10]로 적용된 계산 기술 공동 확장 독립의 원칙, 도구의 이론과 길다란 선대칭의 충치, etc.[11]의 안정성을 바탕으로 정제된 그 일 Hydrodynamics에서 논의되었다.에서선박의 [12]유체역학 문제에서의 치수성 및 유사성 방법.

이러한 연구의 자연스러운 연속은 최근 The Hydroadynamics of Cavating[13] Flows에서 제시되었습니다.이것은 지난 30년간 이 분야의 모든 최고의 진보를 망라한 백과사전 작업이며, 수학 연구의 고전적인 방법과 컴퓨터 기술의 현대적 능력을 혼합한 것입니다.여기에는 3D 캐비테이션 문제를 해결하기 위한 비선형 수치 방법의 정교화, 알려진 평면 선형 이론의 정교화, 축대칭 및 근축대칭 흐름의 점근 이론의 개발 등이 포함된다.기존의 접근법과 달리 새로운 경향은 이론이 3D 흐름으로 확장되는 것이 특징이다.그것은 또한 슈퍼캐비테이션 물체의 유체역학에 적용된 성격의 현재 작품들과 특정한 상관관계를 반영한다.

유체역학적 캐비테이션은 또한 일부 산업 공정을 개선할 수 있습니다.예를 들어, 캐비테이션 옥수수 슬러리는 건식 제분 [14]시설에서 캐비테이션되지 않은 옥수수 슬러리에 비해 에탄올 생산량이 더 높습니다.

이것은 또한 화학반응의 강화를 초래하거나 심지어 다시 분해될 수 있는 캐비테이션 기포에 갇힌 증기의 해리로 인해 프로세스에서 활성산기가 생성되기 때문에 매우 높은 온도와 압력 조건을 필요로 하는 생물 추출 화합물의 광화에 사용된다.t 다른 주변 [15]조건에서는 가능하지 않은 특정 반응의 전파에서.

적용들

화학 공학

산업에서는 캐비테이션이 페인트 혼합물이나 우유와 같은 콜로이드 액체 화합물의 부유 입자를 균질화하거나 혼합 및 분해하는 데 자주 사용됩니다.많은 산업용 믹싱 머신은 이 설계 원리에 기초하고 있습니다.일반적으로 임펠러 설계를 통해 또는 훨씬 큰 출구 오리피스가 있는 좁은 입구 오리피스를 가진 고리형 개구부를 통해 혼합물을 강제로 통과시킴으로써 실현됩니다.후자의 경우 액체가 더 큰 부피로 가속함에 따라 압력이 급격히 감소하면 캐비테이션이 유발된다.이 방법은 흡입구 오리피스 크기를 제어하는 유압 장치를 사용하여 제어할 수 있으며, 프로세스 중에 동적으로 조정하거나 다른 물질을 수정할 수 있습니다.캐비테이션 기포가 내파를 일으키는 이러한 유형의 혼합 밸브의 표면은 엄청난 기계적 및 열적 국부적 응력을 받습니다. 따라서 스테인리스강, 스텔라이트 또는 심지어 다결정 다이아몬드(PCD)와 같은 매우 강하고 단단한 재료로 구성되어 있습니다.

캐비테이션의 극한 조건이 오염물질과 유기분자를 분해할 수 있는 캐비테이션 정수장치도 설계됐다.음향 화학 반응에서 방출되는 빛의 스펙트럼 분석은 에너지 전달의 화학적 및 플라즈마 기반 메커니즘을 밝혀낸다.캐비테이션 기포에서 방출되는 빛을 소놀루미네센스라고 한다.

이 기술은 [16]식물성 기름의 알칼리 정제에서 성공적으로 사용되었습니다.

소수성 화학물질은 기포와 액체 상태의 물의 압력 차이로 인해 결합하게 되어 캐비테이션에 의해 물속에서 끌어당긴다.이 효과는 단백질 [17]접힘에 도움이 될 수 있습니다.

바이오메디컬

캐비테이션은 충격파 [18]결석증에서 신장결석의 파괴에 중요한 역할을 한다.현재 캐비테이션(cavitation)을 사용하여 생체 세포에 큰 분자를 전달할 수 있는지(sonopation)에 대한 테스트가 진행 중입니다.질소 캐비테이션은 세포막을 용해시키고 세포소립은 그대로 두는 연구법이다.

캐비테이션은 다양한 질병의[19] 치료를 위한 조직의 비열적, 비침습적 분화에 중요한 역할을 하며 [20]뇌에서 신경학적 약물의 흡수를 증가시키기 위해 혈액-뇌 장벽을 여는 데 사용될 수 있다.

캐비테이션은 또한 [21]암을 위한 열적 비침습적 치료 방법인 HIFU에서도 역할을 한다.

고속 충격으로 인한 상처(예: 총상)에는 캐비테이션으로 인한 영향도 있다.찌그러짐, 찢어짐, 신축과 함께 일시적인 캐비테이션과 영구적인 캐비테이션이 있기 때문에 정확한 부상 메커니즘은 아직 완전히 파악되지 않았다.또한 체내 밀도의 편차가 크기 때문에 [22]그 효과를 판단하기가 어렵습니다.

초음파는 예를 들어 수술 후 [23]응용 분야에서 뼈 형성을 증가시키기 위해 가끔 사용됩니다.

관절의 "균열" 소리는 [24]관절 내부의 활액에 캐비테이션이 붕괴되면서 발생한다는 주장이 있다.

청소

산업용 세척 애플리케이션에서 캐비테이션은 입자 대 기질 접착력을 극복하기에 충분한 힘을 가지고 있어 오염 물질을 느슨하게 합니다.캐비테이션을 시작하는 데 필요한 임계값 압력은 펄스 폭과 전력 입력의 강력한 기능입니다.이 방법은 세척액에 음향 캐비테이션을 발생시켜 오염물질 입자가 세척 대상 물질에 다시 부착되지 않도록 주워 운반하는 방식으로 작동합니다(예를 들어 초음파 세척조에 물체를 담글 때 발생할 수 있음).오염물을 제거하는 물리적인 힘도 청소 대상물에 손상을 줄 수 있습니다.

식음료

계란

캐비테이션은 계란 저온 살균에 적용되었다.구멍으로 채워진 로터는 캐비테이션 기포를 만들어 내부에서 액체를 가열합니다.기기 표면은 흐르는 액체보다 차갑게 유지되기 때문에 오래된 기기의 뜨거운 표면에서처럼 계란이 굳지 않습니다.캐비테이션의 강도를 조절할 수 있으므로 단백질 손상을 [25]최소화하기 위해 프로세스를 조정할 수 있습니다.

식물성 기름 생산

캐비테이션은 2011년부터 식물성 기름의 탈착 및 정제에 적용되어 왔으며, 이 적용에서 검증된 표준 기술로 평가받고 있습니다.탈색 및 정제 공정에서 유체역학적 캐비테이션(hydroadynamic cavation)을 구현하면 화학 물질, 물 및 표백 점토와 같은 공정 보조 장치의 [26][27][28][29][30]사용을 크게 줄일 수 있습니다.

바이오 연료

바이오디젤

캐비테이션은 2011년부터 바이오디젤 생산에 적용돼 검증된 표준 기술로 평가받고 있다.에스테르 교환 프로세스에서 유체역학적 캐비테이션의 구현으로 촉매 사용, 품질 개선 및 생산 능력 [31][32][33]증가를 크게 줄일 수 있습니다.

캐비테이션 손상

프란시스 터빈에 캐비테이션이 손상되었습니다.

캐비테이션은 많은 경우에 바람직하지 않은 발생이다.프로펠러나 펌프와 같은 장치에서는 캐비테이션이 큰 노이즈, 컴포넌트 손상, 진동 및 효율 손실을 일으킵니다.캐비테이션으로 인한 소음은 특히 수동형 음파탐지기로 탐지하기 쉬운 해군 함정에서 바람직하지 않을 수 있다.캐비테이션은 또한 조수류 [34]터빈의 날개 표면에서 발생할 수 있기 때문에 재생 에너지 분야의 우려가 되었다.

캐비테이션 버블이 붕괴되면 에너지 넘치는 액체를 극소량으로 밀어내 고온의 반점이 생기고 충격파가 발생하는데, 이 반점은 소음의 원천이다.캐비테이션에 의해 발생하는 소음은 수동 음파탐지기에 의해 탐지될 가능성을 증가시키기 때문에 군 잠수함의 특별한 문제이다.

작은 공동의 붕괴는 비교적 낮은 에너지 이벤트이지만, 고도로 국지적인 붕괴는 시간이 [35]지남에 따라 강철과 같은 금속을 잠식할 수 있다.공동 붕괴로 인한 구멍은 구성 요소의 마모를 크게 유발하고 프로펠러 또는 펌프의 수명을 크게 단축할 수 있습니다.

표면은 처음에는 캐비테이션의 영향을 받은 후 빠른 속도로 침식되는 경향이 있다.캐비테이션 피트(cavation pit)는 유체 흐름의 난류를 증가시키고 추가적인 캐비테이션 버블의 핵 형성 장소로 작용하는 틈을 만듭니다.또한 피트는 구성요소의 표면적을 증가시키고 잔류 응력을 남깁니다.이로 인해 표면이 응력 [36]부식되기 쉬워집니다.

펌프 및 프로펠러

캐비테이션이 발생하는 주요 장소는 펌프, 프로펠러 또는 흐르는 액체의 제한입니다.

임펠러(펌프 내) 또는 프로펠러(선박 또는 잠수함의 경우) 블레이드가 유체를 통과하면 유체가 가속하여 블레이드를 통과하면서 저압 영역이 형성됩니다.블레이드가 빠르게 움직일수록 주변의 압력이 낮아질 수 있습니다.수증기 압력에 도달하면 유체가 증발하여 작은 기포를 형성합니다.이건 캐비테이션이에요.나중에 거품이 붕괴되면 일반적으로 유체에 매우 강한 국소적인 충격파를 발생시켜 소리가 들리고 블레이드가 손상될 수 있습니다.

펌프의 캐비테이션은 두 가지 다른 형태로 발생할 수 있습니다.

흡입 캐비테이션

흡입 캐비테이션은 펌프 흡입이 펌프 임펠러 눈에서 액체가 증기로 변하는 저압/고진공 상태일 때 발생합니다.이 증기는 펌프의 토출 쪽으로 이동하며, 펌프는 더 이상 진공 상태를 보지 못하고 토출 압력에 의해 다시 액체로 압축됩니다.이 붕괴 작용은 격렬하게 일어나 임펠러 표면을 공격합니다.흡입 캐비테이션 상태에서 작동하던 임펠러는 표면에서 큰 재료 덩어리가 제거되거나 아주 작은 재료 조각이 제거되어 임펠러가 스폰지처럼 보일 수 있습니다.두 경우 모두 종종 베어링 고장으로 인해 펌프의 조기 고장을 일으킵니다.흡입 캐비테이션은 종종 펌프 케이스의 자갈이나 구슬 같은 소리로 식별됩니다.

흡입 캐비테이션의 일반적인 원인으로는 필터 막힘, 흡입 측 파이프 막힘, 배관 설계 불량, 펌프 곡선에서 너무 멀리 작동 또는 NPSH([37]net positive sumpation head) 요구 사항을 충족하지 못하는 조건이 있습니다.

자동차 애플리케이션의 경우 유압 시스템(파워 스티어링, 파워 브레이크)의 필터가 막히면 흡입 캐비테이션이 발생하여 엔진 RPM과 동기화하여 상승 및 하강 소음이 발생할 수 있습니다.나일론 기어가 제대로 맞물리지 않는 것처럼 높은 음조의 윙윙거리는 소리가 나는 경우가 꽤 많습니다.

방전 캐비테이션

토출 캐비테이션은 펌프 토출 압력이 매우 높을 때 발생하며, 일반적으로 최적의 효율 포인트의 10% 미만으로 작동하는 펌프에서 발생합니다.높은 토출 압력으로 인해 대부분의 오일이 펌프 내부에서 순환하게 되어 토출물이 흐르지 않게 됩니다.액체는 임펠러 주위를 흐를 때 임펠러와 펌프 하우징 사이의 작은 틈새를 매우 빠른 유속으로 통과해야 합니다.이 유속은 하우징 벽(분추리에서 발생하는 것과 유사)에 진공이 발생하게 하여 액체를 증기로 변화시킵니다.이러한 조건에서 작동 중인 펌프는 임펠러 베인 팁과 펌프 하우징의 조기 마모를 나타냅니다.또한 고압 상태로 인해 펌프의 기계적 씰과 베어링의 조기 고장을 예상할 수 있습니다.극한 조건에서는 임펠러 샤프트가 파손될 수 있습니다.

관절액 내 토출 캐비테이션은 예를 들어 고의로 손가락 마디를 꺾는 등 뼈관절 균열로 인해 터지는 소리를 발생시키는 것으로 생각된다.

캐비테이션 솔루션

모든 펌프는 전위를 충족시키기 위해 잘 발달된 입구 흐름이 필요하기 때문에 입구 플랜지의 폐쇄 결합 엘보 등의 흡입 배관 배치 결함으로 인해 펌프가 예상만큼 작동하지 않거나 신뢰성이 떨어질 수 있습니다.잘 발달하지 않은 흐름이 펌프 임펠러로 유입되면 베인에 부딪혀 임펠러 통로를 따라갈 수 없게 됩니다.그런 다음 액체가 베인에서 분리되어 난류 및 임펠러의 충전 불량으로 인한 캐비테이션, 진동 및 성능 문제로 인해 기계적 문제를 일으킵니다.이로 인해 씰링, 베어링 및 임펠러 고장, 높은 유지 보수 비용, 높은 전력 소비, 헤드 및/또는 흐름의 지정 미만이 초래됩니다.

잘 발달된 흐름 패턴을 가지기 위해 펌프 제조업체의 설명서에 따르면 펌프 입구 플랜지의 업스트림에 직경(10직경?)이 설치되어 있는 것이 좋습니다.유감스럽게도 배관 설계자와 발전소 직원은 공간 및 장비 배치 제약조건과 씨름해야 하며 일반적으로 이 권고사항을 준수할 수 없습니다.대신 펌프 흡입에 가까운 엘보를 사용하는 것이 일반적이며, 이로 인해 펌프 흡입 [38]시 제대로 발달되지 않은 흐름 패턴이 발생합니다.

이중 흡착 펌프가 닫힌 엘보에 연결되어 있으면 임펠러로의 흐름 분배가 원활하지 않고 신뢰성과 성능 저하가 발생합니다.팔꿈치는 팔꿈치 바깥쪽으로 더 많은 채널을 통해 흐름을 불균등하게 나눈다.따라서 이중흡입 임펠러의 한쪽이 높은 유속 및 압력으로 더 많은 유량을 받는 반면 굶주린 쪽은 매우 난류성 및 잠재적인 손상 유량을 받는다.이로 인해 전체적인 펌프 성능(공급 헤드, 유량 및 전력 소비)이 저하되고 축방향 불균형이 발생하여 씰, 베어링 및 임펠러 수명이 [39]단축됩니다.캐비테이션을 극복하려면:가능하면 흡입 압력을 높입니다.가능하면 액체 온도를 낮추십시오.배출 밸브를 다시 스로틀하여 유량을 줄입니다.펌프 케이스에서 가스를 배출하십시오.

제어 밸브

제어 [40]밸브에 캐비테이션이 발생할 수 있습니다.시스템의 업스트림 및 다운스트림 압력에 의해 정의된 밸브 전체의 실제 압력 강하가 크기 계산에서 허용하는 것보다 클 경우 압력 강하 점멸 또는 캐비테이션이 발생할 수 있습니다.액체 상태에서 증기 상태로의 변화는 일반적으로 밸브 포트인 가장 큰 흐름 제한의 하류에서 또는 바로 하류에서 흐름 속도가 증가하기 때문에 발생합니다.밸브를 통해 액체의 흐름을 일정하게 유지하려면 유속이 정맥 수축부 또는 단면적이 가장 작은 지점에서 가장 커야 합니다.이러한 유속 증가는 유체 압력이 상당히 감소하는 것을 동반하며, 유체 압력은 면적이 증가하고 유속이 감소함에 따라 부분적으로 다운스트림으로 회수됩니다.이 압력 회복은 결코 완전히 업스트림 압력 수준에 이르지 않습니다.정맥 수축 압력이 유체 기포의 증기 압력 아래로 떨어지면 흐름에서 증기 압력이 형성됩니다.밸브 후에 압력이 다시 증기압보다 높은 압력으로 회복되면 증기 기포가 붕괴되어 캐비테이션이 발생합니다.

스필웨이

댐 여수로 위로 물이 흐를 때, 여수로 표면의 요철로 인해 고속 흐름의 흐름 분리 영역이 좁아지고, 이러한 지역에서는 압력이 낮아집니다.유속이 충분히 높으면 압력이 물의 국부 증기 압력 아래로 떨어질 수 있으며 증기 기포가 형성됩니다.이러한 기포가 고압 영역으로 하류로 운반되면 거품이 붕괴되어 고압과 캐비테이션 손상이 발생할 수 있습니다.

실험 조사에 따르면 콘크리트 슛과 터널 유출로의 손상은 12~15m/s(27~34mph)의 맑은 물 흐름 속도에서 시작될 수 있으며, 최대 20m/s(45mph)의 흐름 속도에서는 경계를 합리화하고 표면 마감을 개선하거나 내구성 있는 재료를 사용하여 표면을 보호할 수 있습니다.를 [41]참조해 주세요.

물 속에 공기가 있으면 혼합물을 압축할 수 있으며, [42]이는 기포로 인한 고압을 감소시킵니다.유출로 반전 부근의 유속이 충분히 높을 경우 캐비테이션 방지를 위해 에어레이터(또는 에어레이션 장치)를 도입해야 합니다.이러한 장치가 설치된 지 몇 년이 되었지만, 에어레이터의 공기 교란 메커니즘과 유출로 표면에서 공기의 느린 이동은 여전히 [43][44][45][46]어려운 과제입니다.

여수로 통기 장치 설계는 높은 유속 흐름을 여수로 표면에서 벗어나게 하기 위한 램프 및 오프셋과 같은 여수로 바닥(또는 측벽)의 작은 편향에 기초한다.내피 하부에 형성된 캐비티에서 내피 하부의 국소 서브압력이 생성되어 공기가 흐름으로 흡입된다.완전한 설계에는 편향 장치(램프, 오프셋)와 급기 시스템이 포함됩니다.

엔진

일부 대형 디젤 엔진은 압축이 높고 실린더 벽의 크기가 작기 때문에 캐비테이션이 발생합니다.실린더 벽의 진동으로 인해 실린더 벽에 맞닿은 냉각수에서 저압과 고압이 번갈아 발생합니다.그 결과 실린더 벽면에 구멍이 뚫려 냉각액이 실린더로 누출되고 연소 가스가 냉각수로 누출됩니다.

실린더 벽에 보호층을 형성하는 냉각액에 화학 첨가물을 사용하면 이러한 현상을 방지할 수 있습니다.이 레이어는 같은 캐비테이션에 노출되지만 스스로 재구축됩니다.또한 냉각 시스템에서 조절된 과압(냉각수 주입구 캡 스프링 압력에 의해 조절되고 유지됨)이 캐비테이션의 형성을 방지합니다.

1980년대 무렵부터 소형 가솔린 엔진의 새로운 디자인에서도 캐비테이션 현상이 나타났다.더 작고 가벼운 엔진의 필요성에 대한 한 가지 해답은 더 적은 냉각수 부피와 그에 상응하는 더 높은 냉각수 유속이었습니다.이로 인해 유속이 빠르게 변화하여 열전달이 높은 지역에서 정압의 급격한 변화가 발생하였습니다.그 결과 발생한 증기 기포가 표면에 부딪혀 붕괴될 경우, 먼저 (주조 알루미늄 재료의) 보호 산화층을 파괴한 다음 새로 형성된 표면을 반복적으로 손상시켜 일부 유형의 부식 억제제(예: 규산염 기반 억제제)의 작용을 방지하는 효과가 있었습니다.마지막 문제는 재료 온도 상승이 모재와 합금 성분의 상대 전기화학적 반응성에 미치는 영향이었다.그 결과 엔진이 높은 부하와 고속으로 작동 중일 때 몇 시간 안에 엔진 헤드를 형성하고 관통할 수 있는 깊은 구멍이 생겼습니다.이러한 영향은 유기 부식 억제제를 사용하거나 특정 캐비테이션 유도 조건을 회피하는 방식으로 엔진 헤드를 설계함으로써 대부분 피할 수 있다.

자연에서

지질학

다이아몬드 형성과 관련된 일부 가설은[by whom?][example needed] 캐비테이션(kavigation)의 가능한 역할을 합니다. 즉 킴벌라이트 파이프에 캐비테이션은 순수한 탄소를 다이아몬드인 희귀한 동소체로 바꾸는 데 필요한 극단적인 압력을 제공합니다.1883년 크라카토아 화산 폭발 당시 녹음된 소리 중 가장 큰 세 소리는 이제 화산의 목구멍에서 형성되었던 세 개의 거대한 캐비테이션 거품 폭발로 이해된다[when?].용해된 가스로 가득 차 있고 엄청난 압력에 의해 상승하는 마그마는 쉽게 압축되는 다른 마그마를 만나 거품이 자라고 [47][48]결합할 수 있게 되었다.

관상식물

캐비테이션은 혈관식물의 [49][50]목질부에서 발생할 수 있다.수액은 국지적으로 증발하여 혈관 요소나 기관 중 하나가 수증기로 채워집니다.식물들은 여러 가지 방법으로 캐비넷된 목질을 고칠 수 있다.키가 50cm 미만인 식물의 경우 뿌리 압력이 증기를 재분해하기에 충분할 수 있습니다.더 큰 식물들은 용질을 광선 세포를 통해 목질이나 기관 내 경계 구덩이를 통해 삼투압을 통해 목질부로 유도합니다.용질은 물을 끌어당기고, 압력은 상승하며, 증기는 다시 분해될 수 있다.일부 나무에서는 캐비테이션 소리가 들립니다. 특히 증발 속도가 가장 높은 여름에는 더욱 그렇습니다.일부 낙엽수들은 부분적으로 [50]온도가 내려가면 캐비테이션이 증가하기 때문에 가을에 잎을 떨어뜨려야 한다.

식물에 포자가 분산

캐비테이션은 특정 식물의 포자 분산 메커니즘에 영향을 미친다.예를 들어, 양치식물에서, 양치 포자낭은 포자를 공중으로 발사하는 투석기 역할을 한다.캐터펄트의 충전 단계는 고리형 셀의 수분 증발로 구동되며, 이는 압력 감소를 유발합니다.부압이 약 9MPa에 이르면 캐비테이션이 발생합니다.이 급격한 현상은 고리 구조에 의해 방출되는 탄성 에너지로 인해 포자 분산을 유발합니다.초기 포자가속도는 중력가속도의 [51]최대 10배인5 매우 크다.

해양생물

빠르게 회전하는 보트 프로펠러에서 캐비테이션 기포가 형성되는 것처럼, 그것들은 수중 동물의 꼬리와 지느러미에도 형성될 수 있다.이것은 주로 주변 수압이 낮은 바다 표면 근처에서 발생한다.

캐비테이션은 돌고래와 [52]참치 같은 힘센 수영 동물의 최대 수영 속도를 제한할 수 있다.돌고래는 꼬리에 있는 캐비테이션 기포가 무너지는 것이 고통스럽기 때문에 속도를 제한해야 할지도 모릅니다.참치는 신경 말단이 없는 뼈 지느러미를 가지고 있고 캐비테이션으로 인한 고통을 느끼지 않는다.캐비테이션 기포가 지느러미 주위에 증기막을 형성하면 속도가 느려집니다.참치에서는 캐비테이션 [53]손상과 일치하는 병변이 발견되었습니다.

몇몇 바다 동물들은 먹이를 사냥할 때 캐비테이션을 유리하게 사용하는 방법을 찾아냈다.권총새우는 작은 물고기를 죽일 수 있는 캐비테이션(cavation)을 만들기 위해 특별한 발톱을 부러뜨립니다.갯가슴새우는 먹이를 먹는 [54]조개류를 기절시키고, 부수고, 죽이기 위해 캐비테이션도 사용합니다.

탈곡 상어는 작은 물고기 먹이를 약화시키기 위해 꼬리 슬랩을 사용하고 꼬리 [55][56]호 꼭대기에서 캐비테이션 거품이 솟아오르는 것이 목격되었습니다.

해안 침식

지난 [when?]50년간 관성 캐비테이션 형태의 해안 침식은 일반적으로 [57]받아들여졌다.밀려오는 파도의 거품은 침식되는 절벽의 틈으로 밀려난다.압력의 변화에 따라 일부 증기 포켓이 압축 해제되고 그 후에 폭발합니다.그 결과 발생하는 압력 정점은 바위의 일부를 산산조각 낼 수 있다.

역사

1754년에 스위스의 수학자 레온하르트 오일러 (1707–1783)는 [58]캐비테이션의 가능성에 대해 추측했다.1859년에 이 영어 수학자 윌리엄 헨리:영국의 소설가.(1828–1917)구면 공동의 액에 조지 스토크스 1년 1847년의 캠브리지[대학]Senate-house 문제와 기수들의(1819–1903)은 잉글랜드와 아일랜드의 수학자에 의해 발표됐다 붕괴의 원동력의 문제에 대한 해결책을 발표했다.[59][60][61]1894년, 아일랜드의 유체 역학자인 오스본 레이놀즈(1842–1912)는 끓는 액체와 수축된 [62]튜브에서 증기 기포가 형성되고 붕괴되는 것을 연구했습니다.

캐비테이션이라는 용어는 1895년 영국의 엔지니어 로버트 에드먼드 프라우드 프라우드 프라우드(1846년)가 제안한 영국 해군 최고 건설자 나다니엘 바너비 경(1829년-1915년)의 아들인 존 아이작 손니크로프트(1843년-1928년)와 시드니 워커 바너비(1855년-1925년)의 논문에서 처음 등장했다.ICist William Froude (1810–1879).[63][64]캐비테이션에 대한 초기 실험 연구는 1894-5년 손니크로프트와 바르나비에 의해 그리고 현상을 [65][66][67]연구하기 위해 스트로보 장치를 만든 영국계 아일랜드인 엔지니어 찰스 알제논 파슨스(1854-1931)에 의해 수행되었다.Thornycroft와 Barnaby는 프로펠러 [68]날개의 뒷면에서 캐비테이션을 관찰한 최초의 연구자들이다.

1917년, 영국의 물리학자 레일리 경(1842–1919)은 비압축성 유체(표면 장력과 점도를 무시한)에서의 캐비테이션의 수학적 모델을 발표하면서 베산트의 연구를 확장했고,[69] 그는 또한 유체 내의 압력을 측정했습니다.영국의 기술자 스탠리 스미스 쿡과 레일리 경에 의해 개발된 캐비테이션의 수학적 모형은 증기 기포가 붕괴되면 선박의 [70][71]프로펠러에서 관찰된 손상을 일으킬 수 있는 매우 높은 압력을 발생시킬 수 있다는 것을 밝혀냈다.그러한 고압을 유발하는 캐비테이션의 실험 증거는 음향 방법을 사용한 마크 해리슨(미국 메릴랜드주 카데록에 있는 미 해군의 데이비드 테일러 모델 분지의 유체 역학자이자 음향학자)과 1956년 독일 괴티겐 대학의 물리학자이자 음향학자였던 베르프리드 거스(Wernfried Güth, Gottigen University의 물리학자)에 의해 처음 수집되었다.광학 슐리렌 [72][73][74]사진

고정 표면에 유체 충격이 가해지는 고속 분사.

1944년, 소련의 과학자 마크 이오시포비치 콘펠트와 L.레닌그라드 물리 기술 연구소(현재의 러시아 상트페테르부르크 러시아 과학 아카데미의 이오페 물리 기술 연구소)의 수보로프는 캐비테이션 동안 고체 표면 근처의 기포가 대칭적으로 무너지지 않고 대신 고체 표면과 반대되는 지점에서 기포 위에 보조개가 형성된다고 제안했다.보조개는 액체 분출로 진화한다.이 액체 분출은 단단한 [75]표면을 손상시킨다.이 가설은 1951년 캘리포니아 [76]공과대학 박사과정 학생인 모리스 래트레이 주니어의 이론 연구에 의해 뒷받침되었다.Kornfeld와 Suvorov의 가설은 1961년 Charles F.에 의해 실험적으로 확인되었다.Naude와 Albert T.엘리스, 캘리포니아 [77]공과대학 유체역학 교수입니다

기포가 있는 액체에서 강한 충격파(SW)의 전파에 대한 일련의 실험 연구로 프로세스, SW의 에너지 변환 메커니즘, SW의 감쇠 및 구조 형성에 관한 기초 법칙을 확립할 수 있었다.음향 특성이 다른 버블 스크린에서의 파동의 감쇠는 소련 과학자 교수 V.F.의 선구적인 연구들에 의해 시작되었다. 1957-1960년 유체역학 연구소(러시아 노보시비르스크)의 Minin은 평면적인 1차원 액체와 기체 [78]층을 번갈아 배열하는 스크린의 첫 번째 편리한 모델을 조사했습니다.1957-1960 V.F.의 맥동 가스 공동 형태와 SW와 버블 구름의 상호작용에 대한 실험적 조사. Minin은 SW의 작용에 의해 거품이 붕괴하는 과정에서 형성되어 [78]버블의 파편을 일으키는 누적 제트의 형성과 비대칭적으로 붕괴한다는 것을 발견했다.

「 」를 참조해 주세요.

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  70. ^ 예를 들어 (Rayleigh, 1917), 페이지 98을 참조하십시오. 여기서 P가 무한대의 정수압일 경우 붕괴하는 증기 기포는 1260×P의 압력을 발생시킬 수 있습니다.
  71. ^ 스탠리 스미스 쿡(1875-1952)은 증기 터빈의 설계자였다.제1차 세계 대전 동안 쿡은 영국 해군이 선박 프로펠러의 열화(붕괴)를 조사하기 위해 조직한 6인 위원회의 일원이었다.그 침식은 주로 캐비테이션에 기인했다.참조:
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추가 정보

  • 식물의 캐비테이션에 대해서는 Taiz와 Zeiger의 식물 생리를 참조하십시오.
  • 엔지니어링 분야의 캐비테이션에 대해서는 [1]을 참조하십시오.
  • Kornfelt, M. (1944). "On the destructive action of cavitation". Journal of Applied Physics. 15 (6): 495–506. Bibcode:1944JAP....15..495K. doi:10.1063/1.1707461.
  • 에탄올 분야의 유체역학적 캐비테이션은 [2] 및 에탄올 생산자 매거진: "행복하게 만드는 작은 거품"[3]을 참조하십시오.
  • Barnett, S. (1998). "Nonthermal issues: Cavitation—Its nature, detection and measurement;". Ultrasound in Medicine & Biology. 24: S11–S21. doi:10.1016/s0301-5629(98)00074-x.
  • 캐비 테이션 조류 터빈에 들어, 버클랜드, 한나 C;매스터스, 이안, Orme, 제임스 AC, 베이커, 팀(2013년)를 참조하십시오."날개 깃 요소 운동량 이론에서 조류 터빈을 모델링 하기에 캐비 테이션 태동 및 시뮬레이션".그 기관 기계 공학자, PartA:필기장 전력 및 에너지 회보.227(4):479.doi:10.1177/0957650913477093.S2CID 110248049.

외부 링크

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