Образование пузырьков в области пониженного давления

Образование пузырьков в области пониженного давления

Предположение о том, что артериальная система может быть источником газовых пузырьков в крови, вначале могло показаться сомнительным, потому при декомпрессии животного проходящая через левую часть сердца артериальная кровь находится в равновесии с альвеолярными газами, за исключением шунтов. Следовательно, в такой крови перенасыщение или отсутствует, или оно настолько мало, что не может способствовать образованию пузырьков.

Это предположение, как показано раньше, представляет собой основу для всех современных методов расчета декомпрессии. Однако следует помнить, что некоторое количество артериальной крови при движении к снабжаемым тканям может проходить через ткань (или рядом с ней) с высокой концентрацией растворенного нейтрального газа. Этот газ будет диффундировать в кровеносный сосуд, и артериальная кровь в этом конкретном сосуде может достичь довольно значительного уровня перенасыщения. Следовательно, можно считать, что артериальная кровь в этом случае была источником газовых пузырьков в соответствии с предположением Newton-Harvey.

Если газовые пузырьки образуются в воде, перенасыщенной растворенным в ней газом, то существует вполне убедительное доказательство того, что когда под действием повторного приложения давления или в результате превращения воды в недонасыщенный раствор газовый пузырек вновь растворяется, то небольшое количество имеющихся в воде примесей остается свободным. Должен ли будет при дальнейшей декомпрессии новый пузырек формироваться, используя этот небольшой запас примесей в качестве своего зародыша? В результате исследований, проведенных Lieberman в 1957 г. с помощью маломощного микроскопа, установлено, что объем избытка примеси составлял 10-4—10-5 мм3 и, когда газовый пузырек имел очень небольшие размеры, создавал вокруг него оболочку. Эта оболочка снижала скорость диффузии из небольших (менее чем 0,1 мм в диаметре) пузырьков, что можно было легко продемонстрировать.

За время, прошедшее после этих исследований и теоретического анализа роста и разрушения пузырька, проведенного в 1950 г. Epstein, Plesset, сделано множество экспериментальных уточнений, но существенных изменений в общих выводах не было. Современные эксперименты, проведенные Yount (1978), на специально приготовленных срезах желатина подтвердили концепцию «органической оболочки».

Возможно, что наиболее значительными были исследования, проведенные Evans, Walder в 1969 г., которые подвергли креветок Crangon crangon, находящихся под атмосферным давлением, декомпрессии приблизительно до 0,1 кгс/см2. При этом давлении у всех креветок через их прозрачную оболочку можно было видеть газовые пузырьки. Затем креветки были помещены в полиэтиленовый пакет, заполненный морской водой, загерметизированы и подвергнуты гидростатической компрессии приблизительно до 100 кгс/см2. При декомпрессии с этого уровня давления до атмосферного, а затем до давления 60 мм рт. ст. газовые пузырьки наблюдали только у очень небольшого числа креветок.

Исследователи сделали заключение, что в течение нескольких минут под высоким давлением происходит разрушение большинства газовых зародышей, а следовательно, предотвращается образование пузырьков. Кроме того, еще очень интересное сообщение было сделано, когда обнаружили, что, если креветок подвергать компрессии, а потом гидростатической декомпрессии, но при этом оставляя под действием нового давления на 4 ч, то дальнейшая декомпрессия до субатмосферного давления (60 мм рт. ст.) вызывает профузное образование газовых пузырьков. Это показывает, что газовые зародыши могут полностью разрушаться, но затем они либо восстанавливаются, либо вместо них образуются новые.

Это означает, что в целом процесс является (или может стать) динамическим и в организме всегда имеется некоторое число газовых зародышей, которое может обновляться или восстанавливаться каждые несколько часов. Если эти наблюдения подтвердятся, то появятся довольно интересные возможности, объясняющие этиологию болезни декомпрессии.

Указанные выше исследователи рассмотрели также возможность образования небольшого газового пузырька за счет энергии радиоактивного материала (урана), содержащегося в пище. Это предположение, безусловно, интересно. Несомненно, некоторые газовые пузырьки могли быть образованы таким путем, но считать это основным механизмом в этиологии болезни декомпрессии неправомерно.

Источник

Кавитация.

Кавитация – это явление образования и последующего схлопывания кавитационных пузырьков в гидравлическом потоке во время работы механических устройств (насосов, винтов, турбин), ультразвуковых устройств (аккустических излучателей), и световых устройств (лазеров). Этот процесс сопровождается шумом, движением ударных волн в локальном участке, и свечением (сонолюминесценция). О механизме кавитации написано много статей, однако учёные до сих пор не пришли к единому мнению о принципах действия этого уникального явления. Рассматриваются самые разнообразные версии, вплоть до «экзотических», согласно которым внутри кавитационных пузырьков проходят ядерные реакции «холодного синтеза». Такая «экзотика» выдвигается учёными из-за особенностей спектра кавитационного излучения. Спектр его сплошной и соответствует высокой температуре (порядка сотен тысяч Кельвин).

Процесс нарастания и последующего схлопывания кавитационных пузырьков проходит обратно-зеркально процессу образования парогазовых пузырьков при кипении жидкости. Если при кипении пузырёк «взрывается» вовне, то при кавитации – вовнутрь. Такой «взрыв» вовнутрь (учёные называют его имплозией) протекает при уменьшении давления в пузырьке. Такое понижение давления в пузырьке соответствует и тому факту, что кавитационный «фронт» образуется в основном во всасывающей области механических устройств. Кавитационные пузырьки буквально «вырывают» металл конструкции устройства с образованием характерных каверн. При этом конструкция быстро изнашивается и выходит из строя. Я не буду в короткой публикации описывать полный спектр кавитационных особенностей. Это всё можно найти в той же Википедии. Я лишь хочу показать смысл образования кавитации, тем более что такой смысл заложен и во многих других физических явлениях.

В своих публикациях я показываю, что любое наше физическое тело содержится (образуется) двумя пространствами – действительным, которое мы видим, и мнимым, видеть которое мы не можем. Геометрии у этих пространств тоже разные. Действительное пространство подчиняется сферической геометрии Римана, а мнимое – гиперболической геометрии Лобачевского. Причём, первое (Риманово) пространство отвечает за гравитационное притяжение, второе же (Лобачевского) – за гравитационное отталкивание. Обоюдное равновесие этих двух пространств мы воспринимаем как геометрию Евклида. Любые динамические, или термодинамические трансформации тела становятся возможными лишь благодаря тому, что эти два пространства (внешнее и внутреннее) совершают взаимопереходы друг в друга. Их относительная подвижность делает то, что тело при этом начинает либо двигаться (тормозиться), либо нагреваться (охлаждаться). Даже самое мельчайшее наше движение (сердечный ритм, например) вызывается именно такими взаимопереходами пространств. Причём, в фазе «вдоха» пространство с мнимой геометрией Лобачевского выходит немного вовне (от «нулевой» евклидовой метрики), а в фазе «выдоха», зеркально наоборот, вовне выходит Риманово пространство, и система возвращается в исходную точку. На таких взаимопереходах пространств основаны все волновые явления в нашем мире. Ибо, повторюсь ещё раз, любое вещественное тело имеет в себе оба этих пространства. И вода, как объект – не исключение. У воды в большей мере, чем в твёрдых телах мнимое пространство Лобачевского проявлено наружу (а у газов ещё выше). Именно эта мнимость делает воду жидкостью, а гравитационное отталкивание пространства Лобачевского даёт воде эффект «выталкивания» предметов (в том числе и пузырьков). Поверхностное же натяжение обеспечивает геометрия Римана, «стягивая» жидкость в капли, струи, и т.д. Кстати, синий цвет неба и водных бассейнов обеспечивает именно мнимая геометрия Лобачевского, а красный цвет заката – действительная геометрия Римана. Вернее сказать, степень меры их выхода вовне. Чем больше будет эта мера, например в глубинах океана, тем синее (вплоть до тёмно синего) будет цвет водной толщи.

Эти два процесса взаимопереходов двух пространств заложены и в механизме образования паровых и кавитационных пузырьков. В первом процессе в начальной фазе вовне выходит «красное» действительное пространство геометрии Римана, образуя паро-газовые пузырьки. Во втором процессе вовне в большей мере проявляется уже мнимое «фиолетовое» пространство Лобачевского, образуя кавитационные пузырьки. Во второй, завершающей фазе процесса развития пузырьков эти две геометрии зеркально меняются местами. Паро-газовый пузырёк на этой второй стадии своей «жизни» посредством уже мнимой геометрии Лобачевского расширяет себя (ибо эта геометрия отвечает за гравитационное отталкивание) с выходом (выталкиванием) себя на поверхность. А кавитационный пузырёк, наоборот, вторую фазу своей «жизни» проходит под действием геометрии Римана. А так как эта геометрия отвечает за гравитационное притяжение, то кавитационный пузырёк будет сжиматься, схлопываясь в итоге. Такое гравитационное притяжение на конечной стадии развития кавитационных пузырьков делает то, что в эти гравитационные кавитационные «ямы» затягивается и металл на поверхности винта или насоса. Гравитация внутри кавитационных пузырьков очень сильная, она, можно сказать, «выгрызает» (притягивает) отдельные зёрна металла, образуя каверны в теле детали. А у паровых пузырьков мнимая геометрия Лобачевского, отвечающая за гравитационное отталкивание, будет срывать крышку с кастрюли при закипании бульона. Эта мнимая геометрия будет переводить жидкость в газообразный пар с большей мерой проявленности этой мнимой геометрии. Так возникают фазовые переходы первого рода. Этим самым вещество делится на три свои агрегатных состояния. Кстати сказать, плазма не является в этом смысле агрегатным состоянием вещества. Об этом я писал здесь .

PS. Явление кавитации применяется в принципе движения наших передовых торпедных комплексов «Шквал». Начальная кавитационная фаза геометрии Лобачевского с гравитационным отталкиванием, выталкивает воду от торпедного аппарата, «обволакивая» его. Торпеда тем самым плывёт как бы в мнимом пространстве, не испытывая действительное сопротивление среды. Этим достигается огромная скорость торпеды – свыше 300 км/час. Я, кстати рассказывал об аналогичном эффекте у дельфинов здесь .

PS2. Аккустические и световые эффекты кавитации основаны на аналогичном принципе взаимопереходов двух пространств. Это говорит о том, что любые движения, будь то механическое, или аккустическое, или световое имеют одну природу в своей основе.

Источник

Кавитация простыми словами

В предыдущем обсуждении мы выяснили, зачем нужен такой показатель, как NPSH (Net Positive Suction Head) — конечный положительный напор на входе в насос, при котором он может работать согласно своей заводской характеристике. Другими словами, параметр NPSH является сравнительной характеристикой насоса, необходимой для оценки возможности его работы в конкретной гидравлической системе в конкретных эксплуатационных условиях без риска кавитации.

Отступая от узкоспециализированных технических терминов, таких как число Рейнольдса, закон Бернули, сплошность потока и прочих, попробуем описать явление кавитации для понимания ее природы.

Сформулирую определение следующим образом: кавитация (от английского cavity – полость, впадина) – образование множества пузырьков пара в областях локального пониженного давления при неравномерном течении потока жидкости.

Это явление возникает только тогда, когда величины скоростей потока жидкости кратковременно, но существенно начинают различаются в разных точках сечения этого потока. Это происходит в основном при условии наличия:

— высоких скоростей потока жидкости (более 2-3 м/с для воды);

— резкого изменения направления потока жидкости;

— резкого изменения площади сечения потока;

— локального препятствия в потоке жидкости.

В этом случае за точкой внезапно возникшего препятствия (или за препятствием) возникает своего рода карман (на рисунках выделен красным цветом), в котором происходит резкий отрыв потока жидкости от ограничивающей его стенки. Это происходит из-за невозможности быстро изменить направление течения потока вследствие наличия у него массы и скорости, а значит инерции. Из-за расслоения потока и невозможности быстро заполнить образовавшиеся пустоты в этих карманах резко падает давление жидкости, а значит, создаются условия для образования пузырьков пара, то есть локального вскипания жидкости. Для примера: при нормальном атмосферном давлении (1 бар) вода кипит при 100 °С, но если давление упадет до 10% от него(0,1 бар), то вода будет кипеть уже при 46 °С, если до 5% (0,05 бар) то вода закипит при 33 °С. Величина падения давления зависит от скорости потока.

Далее образовавшиеся пузырьки пара за счет неравномерного течения жидкости в кармане частично увлекаются основным потоком, а также частично продолжают циркулировать в кармане. Попадая в область большего давления пузырьки пара оказываются переохлажденными, поэтому при наличии внешнего возмущения они практически мгновенно коллапсируют, т.е. схлопываются. Схлопываются они особым образом (рисунок) внутрь себя, но в направлении к точке приложения возмущения. При этом порождается микро ударная волна со скоростью, превышающей скорость звука. Если этим внешним возмущением является препятствие, например, стенка трубы или рабочее колесо, то каждый коллапсирующий пузырек выбивает микроскопическую частичку металла с поверхности. Если этот пузырек один, то ничего страшного не произойдет, но если их садится на поверхность рабочего колеса насоса миллиарды в минуту, то очевидно, скоро от колеса ничего не останется:

Стоит также отметить, что любое местное сопротивление может привести к кавитации, например, частично закрытая задвижка или клапан, засоренный фильтр, некачественно сваренный сварной шов и прочее.

Следует обратить внимание, что чем выше температура и чем ниже давление потока, тем вероятнее возникновение кавитации. Поэтому наиболее подвержены данному явлению системы теплоснабжения, горячего водоснабжения и канализации, соответственно при их эксплуатации необходим тщательный контроль за параметрами их работы для своевременного выявления и устранения отклонений.

Таким образом, кавитация является весьма вредным явлением, ведущим к тяжелым последствиям. Поэтому очень важно контролировать температуру, давление и расход жидкости (а значит скорость потока) в системе, особенно в местах, где есть риск возникновения кавитации: за и перед фильтрами, на теплообменниках, перед насосами, по системе трубопроводов в целом в «узких местах». Также необходимо строго соблюдать все требования завода-изготовителя оборудования, включая такое понятие, как NPSH , о котором мы говорили ранее.

Иллюстрации, использованные в данной статье взяты из открытого доступа с использованием поисковой системы «Яндекс картинки»

Источник