Prilagođeno pretraživanje

četvrtak, 24. srpnja 2008.

Superkavitacija




Superkavitacija je slučaj kavitacije kod kojeg se iza tijela (kavitatora) oko kojeg veoma velikom brzinom struji tekućina, zbog impulsa koji je uzrokovan potiskivanjem tekućine, tlak toliko snizi da tekućina prema vlastitom faznom dijagramu prijeđe u plinovito stanje. U navedenom prostoru oblika elipsoida (taj prostor se naziva kavitat ili kaverna) kroz tekući medija može se u usporedbi s kavitatorom „transportirati“ veoma velik objekt, sa izrazito malim otporom koji nastaje zbog strujanja tekućine oko navedenog objekta. Prema procjenama sovjetskih tehničara, predmet pokretan pod vodom u superkavitaciji na brzini većoj od 300 m/s izložen je manjem otporu strujanja, nego da se isti predmet kreće kroz zrak, pod pretpostavkom da tijelo koje se kreće kroz zrak ima isti presjek kao i kavitat.

Brzina potrebna za stvaranje superkavitacije je područje oko 180 km/h, ovisno o pritisku i temperaturi vode, kao i obliku kavitatora. Prvi sistem koji koristi superkavitaciju počela je koristiti ruska mornarica 1977. Glavni predstavnik bio je škval torpedo, na čiji razvoj je potrošeno 10 godina. Postiže brzinu od 350 do 500 km/h. Kao pogonsko sredstvo koristi se raketni motor.

Glavni problem kod kretanja u superkavitaciji je upravljanje, iz navedenog razloga prvi modeli škval torpedoa nisu imali mogućnost korekcije kursa nakon ispaljivanja. Nakon toga razvijeni su različiti koncepti upravljanja. Momentalne verzije škvala rotiraju najvjerojatnije oko dužinske ( x ) osi. Na taj način omogućeno im je upravljanje pomoću kavitatora pričvršćenog na x os.

Njemačka mornarica je zajedno sa tvrtkom „Diehl BGT Defence“ razvila novi tip visokobrzinskog torpeda (superkavitacijski torpedo). Navedeni torpedo je pod vodom brži od 400 km/h (ca. 216 kn), te je njime moguće upravljati.

Podvodni projektili koriste također superkvaitaciju. Oni mogu bez tehničkih sredstava stvoriti kompletni kavitacijski mjehur oko sebe.



Černobil – 21 godina poslije
Energija vjetra – snaga zraka u pokretu
Vodik – energija budućnosti
Gorivo budućnosti – može li vodik spriječiti energetsku krizu?
Crni pijesak – zbog čega Kanada raspolaže ogromnim zalihama nafte
Vjetrenjače pod vodom – kako plima i oseka stvaraju električnu energiju
Energija iz vulkana – kako se koristi toplina iz unutrašnjosti Zemlje
Kako vodene mase na pritisak tipke stvaraju električnu energiju
Nafta – crno zlato iz dubine

Metal Storm – najbrže vatreno oružje svijeta
Tenk – odlike dobrog oklopnog vozila
Philadelphia Eksperiment – Teleportiranje je moguće?!
Tajno oružje rusa – jesu li rusi po naređenju Kremlja razvili super-torpedo?
Čelični divovi – tajni razvoj nuklearnih podmornica
Nevidljivi špijuni – kako nas policija i tajne službe nadziru

Pregovarati kao u filmu – Pravi li kino uspješne ljude?

srijeda, 23. srpnja 2008.

Kavitacija



Kavitacija (lat. cavitare „isprazniti, stvoriti šupljinu“) je stvaranje i ponovno nestajanje šupljina unutar tekućina. Navedena pojava uzrokovana je oscilacijom tlaka. Razlikujemo dva granična slučaja između kojih postoje različiti prijelazni oblici. Kod parne ili tzv. tvrde kavitacije, šupljine sadrže paru nastalu od okolne tekućine. Takve šupljine pod utjecajem vanjskog pritiska često implodiraju (tzv. mikroskopski parni udar). Kod meke, tj. plinske kavitacije u kavitaciju ulaze otopljeni plinovi, te isparuju ili sprečavaju kolaps kavitacije.


Uzroci kavitacije


Najčešći uzrok kavitacije su objekti koji se brzo kreću u vodi, kao što su dijelovi različitih crpki, turbina ili propeleri. Prema Bernullijevom zakonu statički tlak u tekućini toliko je niži, koliko je brzina veća. U slučaju da statički tlak padne ispod tlaka isparivanja određene tekućine nastaju mjehurići pare ili plina. Porastom statičkog tlaka, para u šupljinama kondenzira munjevitom brzinom. Tokom tog procesa pojavljuju se ekstremno visoke temperature, kao i oscilacije tlaka.

Uzroci kavitacije su pogotovo kod crpki mjestimični padovi tlaka unutar prostora u kojem su smješteni pomični dijelovi crpke, koji dolaze u kontakt sa vodom. Tokom navedenog procesa dolazi do prijenosa energije sa lopatica crpke na tekućinu koja se crpi. Kavitacija se može pojaviti i na drugim dijelovima crpke, kao što su rubovi lopatica ili propelera, suženja kućišta, itd..

Daljnji uzroci su porast temperature tekućine koja se crpi, smanjenje tlaka na ulazu crpke, povećanje geodetske visine crpljenja ili smanjenje visine dotoka.

Jake oscilacije pritiska, koje uzrokuju kavitaciju mogu se stvoriti i pomoću ultrazvuka. Tada kod minimuma tlaka dolazi do poajve kavitacije.

Kavitacija nastaje i kod brzog zaranjanja tijela u vodu.

Fenomen parnih mjehurića, koji nastaju kod vrenja tekućina, te ponovno djelomično implodiraju nije kavitacija, jer nije uzrokovan oscilacijama pritiska, već temperaturnim oscilacijama.


Djelovanje kavitacije

 a) Mehanička oštećenja uzrokovana kavitacijom:


Ako kavitacija nstupi na površini čvrstih tijela ( kao što su npr. brodski vijci), pod određenim okolnostima može doći do tzv. kavitacijske korozije. Površinski materijal se zbog mehaničkih opterećenja deformira na mikroskopskoj razini. Nakon određenog vremena iz površine se često odlome veći dijelovi. Proces nastajanja navedenih oštećenja još nije detaljno razjašnjen.

Kavitacija je u hidraulici najčešće nepoželjna. Uz to najčešće reducira stupanj djelovanja hidraulike, te može uzrokovati oštećenja - tokom implozije šupljina, kratkotrajno dolazi do ekstremnog ubrzanja, temperature i tlaka, koji mogu oštetiti materijal. Kako bi se spriječila kavitacija unutar crpke, potrebno je obratiti pozornost na to da temperatura tekućine nije previsoka, odnosno tlak kojim crpka uvlači tekućinu pre nizak. Visoke temperature nastaju kada crpka radi, bez toga da transportira tekućinu. To se može spriječiti na taj način da se tekućina „crpi u krug“, ili da se crpka isključi. Kavitacijska oštećenja često nastaju unutar vatrogasnih crpki, pogotovo u slučajima kad crpka radi samo kako bi održala pritisak u cijevima, a nema pristup vodi za gašenje. Kod prstenastih crpki za tekućinu odnos pritiska i temperature u prostoru crpke ne smije se prekoračiti određen odnos tlaka i temperature, kako bi se spriječila oštećenja.


U raketnoj tehnici kavitacija uzrokuje neravnomjerno sagorijevanje i oštećenja na turbo crpkama. Turbo crpke moraju u raketama veoma veliku količinu goriva transportirati pod visokim pritiskom, stoga su podložne kavitaciji. Kavitacija se smanjuje na taj način da se cjelokupni spremnik za gorivo stavi pod nad pritisak. n

Nad pritisak se održava naknadnim puštanjem plina u spremnik, za vrijeme kad se spremnik prazni, tj za vrijeme kad iz njega izlazi gorivo.

b) Nastanak zvuka tokom kavitacije

Zvuk koji nastaje prilikom implozije ( udar, pucketanje) prije je često otkrio poziciju podmornica – podmornice su se u tom slučaju mogle locirati pasivnim sonarom. Otkad su razvijeni brodski vijci sa smanjenom kavitacijom, kavitacija igra za podmornice samo sporednu ulogu do određene brzine u ovisnosti sa dubinom ronjenja. Brodski vijci sa smanjenom kavitacijom mogu se prepoznati po izrazito savinutim krajevima, pomoću kojih mnogo „nježnije“ i tiše prolaze kroz vodu. Kod visokih brzina u malim dubinama i brodski vijci sa smanjenom kavitacijom gube sposobnost sprečavanja, tj. smanjivnja kavitacije. Podmornica tada mora dublje zaroniti, kako bi se povisio pritisak vode ili smanjiti brzinu.

Zvukovi u crpkama ili cijevima, npr. sustavu za centralno grijanje često se smatraju ometajućom bukom. Uzrok za to je najčešće loše ozračivanje i strujanje mjehurića, a ne kavitacija.

c) Hladna fuzija kod kavitacije

Kontroverzno se diskutira o tome, seže li energija oslobođena procesom kavitacije u nuklearno područje, tj. može li ona uzrokovati nukleranu fuziju, u navedenom slučaju tzv. „fuziju mjehurića“. Kod navedene pojave nastaje svjetlost, pojava je prvi put promatrana 1934. pod nazivom sonolumiscencija, svjetlost dokazuje da se kod te pojave pobuđuju elektroni. Na površini mjehurića koji kolabiraju izmjerene su temperature veće od 10.000 °C.

U godinama 2002. , 2004. i 2005. navodno je fuzija mjehurića eksperimentalno dokazana. Drugi znanstvenici su i dalje skeptični, uglavnom na temelju tehničkih pitanja kod mjerenja. Navedeni eksperimenti se za sada ne mogu ponoviti s istim rezultatima.


Nastanak implozije i kavitacijskih mjehurića


Voda isparuje kod tlaka od 1013,25 hPa, koji odgovara normalnom tlaku zraka kod 100 °C. Kod većeg tlaka je i temperatura isparivanja veća. Tako da voda na tlaku od samo 23,37 hPa isparuje već pri temperaturi od 20 °C.

Kod isparavanja u vodi nastaju mjehurići, budući da vodena para kod 20 °C zauzima mnogo veći prostor od tekuće vode. Do kada pritisak vode raste, stupanj isparivanja prestaje i vodena para nastala u kavitacijskom mjehuriću kondenzira na vanjskoj stijenci vodenog mjehurića i već stvoreni mjehurići pare odjednom implodiraju. Već prije nastali prostor se odjednom smanjuje, voda mora prostor ponovno ispuniti i implozijski struji natrag u novo nastali prostor. Prilikom toga u vodi nastaju najjači, iako kratkotrajni udari veličine 100 Mpa (više 1.000 bar). Tokom navedenog procesa nastaju valovi s visokim amplitudama. Ako se mjehurići pare nalaze u blizini ili direktno na čvrstom zidu, npr. lopaticama brodskog vijka, kod implozije nastaje „zraka tekućine“ („mikro jet“) koji sa veoma visokom brzinom pogađa zid, odnosno lopaticu brodskog vijka i na taj način uzrokuje ekstremna kratkotrajna opterećenja. To objašnjava materijalna opterećenja u obliku kratera kod potpuno izgrađene kavitacije.


Primjene kavitacije u tehnici i medicini


Navedeni razaralački fenomen – kavitacija, može biti i veoma koristan, npr. kod čišćenja predmeta pomoću ultrazvuka – pomoću kavitacije se odvaja površinska prljavština. Kavitacija se stvara pomoću ultrazvuka. Kod frekvencija između 2 i 20 MHz u čistoj vodi bez plina do zvučnog pritiska od 15 Mpa ne nastupa nikakva kavitacija. Korištenjem specijalno izrađenih tekućina za čišćenje i odgovarajuće visoke temperature sredstva, mehanički efekt čiščnja se još može pojačati.

Kod sonografija u medicinskoj dijagnostici postoji opasnost da se jakim energijama (posebno negativnim amplitudama ultrazvuka) unutar tijela stvori kavitacija. To bi moglo imati štetne termičke i mehaničke efekte. Na primjer bi se pomoću stvaranja slobodnih radikala ili udarnih valova mogli uništiti dijelovi tkiva. Pojedini, mogući efekti su promatrani i životinjskim pokusima in vivo. I dalje se smatra da kontrastno sredstvo povećava vjerojatnost za kavitaciju.

U vojnom području se koriste topedoi, koji se visokom brzinom kreću pod vodom u umjetno stvorenom kavitacijskom mjehuru. Navedena tehnologija je razvijena od strane ruske mornarice i poznata je pod nazivom „superkavitacija“.




Černobil – 21 godina poslije
Energija vjetra – snaga zraka u pokretu
Vodik – energija budućnosti
Gorivo budućnosti – može li vodik spriječiti energetsku krizu?
Crni pijesak – zbog čega Kanada raspolaže ogromnim zalihama nafte
Vjetrenjače pod vodom – kako plima i oseka stvaraju električnu energiju
Energija iz vulkana – kako se koristi toplina iz unutrašnjosti Zemlje
Kako vodene mase na pritisak tipke stvaraju električnu energiju
Nafta – crno zlato iz dubine

Metal Storm – najbrže vatreno oružje svijeta
Tenk – odlike dobrog oklopnog vozila
Philadelphia Eksperiment – Teleportiranje je moguće?!
Tajno oružje rusa – jesu li rusi po naređenju Kremlja razvili super-torpedo?
Čelični divovi – tajni razvoj nuklearnih podmornica
Nevidljivi špijuni – kako nas policija i tajne službe nadziru

Pregovarati kao u filmu – Pravi li kino uspješne ljude?