La cavitazione spiegata e illustrata

Il fenomeno della cavitazione consiste nella rottura di continuità nel liquido in cui si verifica una considerevole riduzione locale di pressione. La formazione di bolle all'interno dei liquidi (cavitazione) inizia anche in presenza di pressioni positive uguali o prossime alla pressione di vapore saturo del fluido alla data temperatura.

Vari liquidi presentano diversi gradi di resistenza alla cavitazione poiché dipendono, in considerevole misura, dalla concentrazione di gas e particelle estranee nel liquido.

Meccanismo di usura

Il meccanismo della cavitazione può essere descritto come segue: Qualsiasi liquido conterrà bolle gassose o di vapore, che fungeranno da nuclei di cavitazione. Quando la pressione viene ridotta a un certo livello, le bolle diventano il deposito di vapore o di gas disciolti.

Il risultato immediato di questa condizione è che le bolle aumentano rapidamente di dimensioni. Successivamente, quando le bolle entrano in una zona di pressione ridotta, si riducono di dimensioni a causa della condensazione dei vapori che contengono.

Questo processo di cavitazione avviene abbastanza rapidamente, accompagnato da urti idraulici locali, emissione di suono, distruzione dei legami materiali e altri fenomeni indesiderabili. Si ritiene che la riduzione della stabilità volumetrica nella maggior parte dei liquidi sia associata al contenuto di varie impurità, come particelle solide non bagnate e bolle di gas-vapore, in particolare quelle a livello submicroscopico, che fungono da nuclei di cavitazione.

Un aspetto critico del processo di usura da cavitazione è la distruzione della superficie e lo spostamento del materiale causati da elevate velocità relative tra una superficie e il fluido esposto. Come risultato di tali moti, la pressione locale del fluido viene ridotta, il che consente alla temperatura del fluido di raggiungere il punto di ebollizione e di formarsi piccole cavità di vapore.

Quando la pressione ritorna alla normalità (che è superiore alla pressione di vapore del fluido), si verificano implosioni che causano il collasso della cavità o delle bolle di vapore. Questo collasso delle bolle genera onde d'urto che producono elevate forze d'impatto sulle superfici metalliche adiacenti e causano incrudimento, fatica e vaiolature da cavitazione.

Pertanto, la cavitazione è il nome dato a un meccanismo in cui le bolle di vapore (o cavità) in un fluido crescono e collassano a causa di fluttuazioni locali di pressione. Queste fluttuazioni possono produrre una bassa pressione, sotto forma di tensione di vapore del fluido. Questo processo di cavitazione vaporosa avviene in condizioni di temperatura approssimativamente costante.

Tipi di cavitazione

Esistono due tipi principali di cavitazione: vaporosa e gassosa.

1. Cavitazione vaporosa: un processo di ebollizione che si verifica se la bolla cresce in modo esplosivo e illimitato, con il liquido che si trasforma rapidamente in vapore. Questa situazione si verifica quando il livello di pressione scende al di sotto della pressione di vapore del liquido.

2. Cavitazione gassosa: Un processo di diffusione che si verifica ogni volta che la pressione scende al di sotto della pressione di saturazione del gas non condensabile disciolto nel liquido. Mentre la cavitazione vaporosa è estremamente rapida e avviene in microsecondi, la cavitazione gassosa è molto più lenta; il tempo impiegato dipende dal grado di convezione (circolazione del fluido) presente.

L'usura da cavitazione si verifica solo in condizioni di cavitazione vaporosa, dove le onde d'urto e i microgetti possono erodere le superfici. La cavitazione gassosa non causa erosione del materiale superficiale.

Crea solo rumore, genera alte temperature (anche di cricolatura a livello molecolare) e degrada la composizione chimica del fluido attraverso l'ossidazione. L'usura da cavitazione è anche nota come erosione da cavitazione, cavitazione vaporosa, vaiolatura da cavitazione, fatica da cavitazione, erosione da impatto liquido e "wire-drawing".

L'usura per cavitazione è un tipo di usura fluido-superficie che si verifica quando una porzione del fluido è inizialmente esposta a stress di trazione che causano l'ebollizione del fluido, quindi esposta a stress di compressione che causano il collasso (implosione) delle bolle di vapore.

Questo collasso produce uno shock meccanico e fa sì che microgetti colpiscano le superfici, unificando il fluido. Qualsiasi sistema in grado di ripetere questo schema di stress di trazione e compressione è soggetto a usura per cavitazione e a tutti gli orrori che accompagnano tale attività distruttiva.

L'usura per cavitazione è simile all'usura per fatica superficiale; i materiali che resistono alla fatica superficiale (sostanze dure ma non fragili) resistono anche al danno da cavitazione.