Kavitační tunel

Kavitační tunel je základní testovací zařízení pro výzkum různých vývojových forem kavitace (vznikající, vyvinutá, …) pro různé provozní podmínky a geometrie hydraulického profilu.

Příkladem může být kavitační tunel společnosti Sigma Group a.s. v Lutíně, jehož testovací sekce, ve které je mrak kavitačních bublin generován a studován, je na obrázku 1.4. Další části tunelu nejsou na obrázku ukázány, ale většinou je kavitační tunel dále tvořen čerpadlem, zásobníkem kapaliny, uklidňovacím zásobníkem kapaliny, uzavíracími ventily, prvky pro řízení turbulence a měřidly (průtokoměry, termočlánky, senzory tlaku). Tunel může být připojen k vývěvě či kompresoru. Ve spolupráci s naší katedrou byl v uvedeném kavitačním tunelu studován vliv různého úhlu natočení lopatky hydraulického profilu NACA 2412 vůči proudu tekutiny na vznik a účinek kolabující kavitační struktury. Na lopatce bylo umístěno několik piezoelektrických senzorů tlaku a za lopatkou byl umístěn hydrofon (měřidlo akustického tlaku v kapalině, na obrázku hnědočervený). Prvním možným přístupem ke studiu kolapsů kavitačních bublin a jejich struktur v blízkosti povrchů je tedy měření jejich účinků senzoricky (dále např. Reisman et al.

1998, Okada et al. 1995, Momma a Lichtarowitz, 1995 a další). Do oblasti, kde dochází ke kolapsům, je umístěn senzor vhodných vlastností a měří se jím účinek od kavitace.

Rijsbergen et al. (2012) studovali kavitaci na hydraulickém profilu NACA 0015 v kavitačním tunelu. Cílem experimentu bylo vyšetřit mechanismus kolapsu vznikajících kavitačních struktur včetně potenciální eroze a jí odpovídající akustické emisi. Při experimentu byly použity dvě vysokorychlostní kamery. První kamera sloužila pro sledování kavitačního mraku z boční strany, druhá kamera pak pro sledování kavitačního mraku shora a zároveň pro sledování poškození tenké vrstvy nátěru, kterou byl hydraulický profil opatřen. Testovací sekce a profil byly osazeny akustickými senzory pro měření akustické emise od kolapsu kavitačního mraku. Autoři získali

28

záznam kolapsu pro určité podmínky proudění, akustický signál a snímky poškození a na jejich základě popsali studovaný děj.

Reisman et al. (1998) vyšetřovali experimentálně tlakové vlny generované mrakem kavitačních bublin v blízkosti hydraulického profilu NACA 0021 s drobnými úpravami geometrie. Schéma měřicí sestavy je na obrázku 2.1. Popisky jsou v anglickém jazyce a nebudou pro svou jednoduchost překládány. Hydraulický profil byl umístěn v hydraulickém tunelu (water tunel, LTWT, Caltech) a osazen piezoelektrickými tlakovými snímači PCB 105B02 (#1 - #4). Za hydraulickým profilem byl umístěn piezoelektrický tlakový snímač PCB HS113A21 (#F) a v téže vzdálenosti byl ve stropu kavitačního tunelu byl umístěn další tlakový snímač PCB HS113A21 (#C, na obrázku nevyznačen). Okolí hydraulického profilu bylo snímkováno vysokorychlostní kamerou s frekvencí 500 Hz. Autoři v práci popisují kavitační struktury a jejich aktivitu v blízkosti hydraulického profilu pro různá kavitační čísla.

Obrázek 2.1: Hydraulický profil a pozice snímačů tlaku (Reisman et al., 1998, s povolením autora) Autoři dále vyhodnotili tlaková měření a synchronizované záznamy z vysokorychlostní kamery pro různé kavitační struktury. Na následujícím obrázku 2.2, na levé části, jsou snímky a záznam ze snímačů tlaku pro rychlost proudění v = 8,5 m.s^-1, kavitační číslo σ = 0,95, úhel náběhu αf = 7º a redukovanou úhlovou frekvenci ωr = 0,71. Voda proudí zprava doleva a náběžná hrana začíná na svislé hraně obrázku. Mezi snímky je časový interval 2 ms. Na pravém obrázku je signál ze snímačů tlaku udávající závislost tlaku v čase. Vertikální osa tlaku je bez počátku s dělením 1 MPa na dílek stupnice. Kolaps kavitační struktury nastal mezi okamžiky (b) a (c), v záznamu signálů v oblasti vyznačenými svislými čarami. Kolaps vygeneroval silný tlakový pulz, zaznamenaný všemi snímači. Zpoždění pulzu v případě snímače #1 a #2 může být vysvětleno přítomností bublin, vyskytujících se na náběžné hraně, které způsobují pokles lokální rychlosti zvuku. Nejsilnější účinek zaznamenal senzor #F. Jedná se o kolektivní kolaps kavitačního mraku. Autoři dále obdobně popisují další režimy, které zahrnují řadu specifických mechanismů kolapsu. Autoři rovněž vyhodnocují akustické impulzy v závislosti na změně parametrů režimů.

29

Obrázek 2.2: Kavitující struktura a odpovídající záznam signálů (Reisman et al., 1998, s povolením autora)

Druhý možný přístup ke studiu kolapsů kavitačních bublin a jejich struktur v blízkosti povrchů plyne ze skutečnosti, že tato problematika je svou podstatou i výzkumem kavitační eroze, úzce spojené s materiálovými vědami. Samotný průběh kavitační eroze určuje metody výzkumu kavitační eroze, a to na základě významných fází kavitační eroze. Začněme fází s konstantním úbytkem materiálu. V tomto případě se jedná o tzv. test kavitační odolnosti materiálu, kdy je testovaný vzorek vystaven účinkům kavitace po delší dobu (i vícekrát), je silně erodován, dochází k odebírání materiálu a zjišťuje se např. úbytek materiálu v čase (např. Osterman et al., 2009;

Soyama, 2013 a celá řada dalších autorů, neboť se jedná o jeden ze základních kavitačních testů materiálu), nebo profil erodované oblasti (Franc, 2009). Testy kavitační odolnosti materiálu se v kavitačních tunelech většinou z důvodu nízké agresivity kavitačního proudění neprovádějí.

Existují pro ně vhodnější testovací zařízení, jejichž popis bude následovat v dalších oddílech.

Druhou významnou fází kavitační eroze je fáze inkubace, při níž se provádějí pitting testy. Vzorek je v tomto případě vystaven účinkům kavitace po velmi krátkou dobu, během níž vznikají jednotlivé pity (důlky), které se následně analyzují. Materiál přitom není odebírán a tak jednotlivé pity představují pouze jeho plastickou deformaci. Carnelli et al. (2012) z pohledu na individuální geometrii pitu zjistili tlak, který daný pit vytvořil. Reverzně tedy přešli od materiálové deformace k účinku kolapsu. Franc et al. (2012) analýzou spektra pitů na určité zájmové oblasti stanovili vliv materiálu a rychlosti proudění na vznik pitů. Dular a Petkovšek (2015) se věnovali výzkumu kavitačního mraku a vzniku pitu na Venturiho trysce v kavitačním tunelu při různých provozních režimech. Geometrie trysky, kterou Dular a Petkovšek (2015) ve své práci použili, je na levé části obrázku 2.3. Směr proudění je vyznačen šipkou s popiskem „Flow“. Na Venturiho trysce byla oboustrannou páskou přilepena 10 µm tenká hliníková folie pro provedení pitting testu. Pomocí záznamu z vysokorychlostních kamer autoři určili tři vzory kolapsu a k nim přiřadili kavitační erozi ve smyslu určení velikosti plochy pitu a odhadu odpovídajícího tlaku pro jeho vytvoření.

Jedním ze vzorů je tzv. „twister“ kolaps, jehož mechanismus je ukázán na pravé části obrázku 2.4. Pro tento kolaps je typické oddělení dvou osově rotujících struktur, které kolabují v zadní části Venturiho trysky (nejdále ze všech vzorů) na místech označených „PITS“. Střední hodnota plochy pitu je 0,081 mm², který je vytvořen odhadnutým tlakem 142 MPa.

30

Obrázek 2.3: Testovací část kavitačního tunelu a ukázka vzoru „twister“ a místa vzniku pitů pro tento vzor (upraveno, Dular a Petkovšek, 2015, s povolením autora)