Badania kawitacyjne w kontekście techniki okrętowej

Kawitacja to gwałtowna przemiana cieczy w parę, powodowana zmniejszeniem się ciśnienia ośrodka na skutek przepływu. Najbardziej znanym przejawem takiej metamorfozy jest hałasowanie kranów podczas zamykania przepływu wody. Kawitacja dotyczy cieczy i w technice jest najczęściej wysoce niepożądanym zjawiskiem. Kawitacja uszkadza bowiem armaturę wodno-ciepłowniczą oraz urządzenia napędowe i sterowe jednostek pływających.

Problemy wywoływane przez kawitację

Z gwałtownym zmniejszaniem się ciśnienia wywołującym kawitację mamy do czynienia w niektórych przepływach np. zaworach wodnych albo w pobliżu powierzchni obracającej się śruby napędowej statku. Nie jest naszym zadaniem naukowe opisanie owego zjawiska. Wystarczy czytelnikowi wiedzieć, iż gwałtowne zmiany ciśnienia wywołane przepływem prowadzą do powstawania w wodzie pęcherzyków pary nawet w temperaturze pokojowej. Żywot pęcherzyków jest zazwyczaj krótki zakończony implozją, czyli bardzo gwałtownym zapadnięciem się. Implozji towarzyszy fala uderzeniowa, która może nieść z sobą na tyle skoncentrowaną energię, by zniszczyć niemal każdy materiał. Jednym z najbardziej spektakularnych przykładów zniszczeń konstrukcji na skutek kawitacji było zawalenie się na odcinku 60 metrów żelbetowego, kilkunastometrowej średnicy kolektora hydroelektrowni Tarbela Dam w Pakistanie w 1974 roku. Kawitacja powoduje często uszkodzenia śrub okrętowych oraz sterów strumieniowych, co znacznie skraca okres ich eksploatacji. Kawitacja redukuje także sprawność napędu jednostki pływającej. Innym niechcianym efektem tego zjawiska jest dokuczliwy hałas, szczególnie kłopotliwy dla morskiej fauny, a także ludzi na statkach. Hałas ten dyskredytuje pływające w ukryciu okręty wojenne.

Badania kawitacyjne

O badaniach kawitacyjnych opowiadali nam pracownicy z Centrum Techniki Okrętowej CTO S. A. z Gdańska. Specjaliści od techniki okrętowej starają się w możliwie największym stopniu zapobiegać niepożądanym skutkom kawitacji. Celowi temu służą badania przeprowadzane w specjalnych tunelach kawitacyjnych, których projektantem, wykonawcą i użytkownikiem jest zespół inżynierów z CTO S.A. Jak skomplikowane to badania świadczy fakt, że omawiane tu zjawisko manifestuje się pod wieloma różnymi postaciami. Inne formy kawitacji towarzyszą nieprawidłowo zaprojektowanej lub eksploatowanej turbinie wodnej inne przepływom w kanałach jeszcze inne będą charakterystyczne dla opływu płetwy sterowej na statku. Przed specjalistami badającymi kawitację stoją trudne wyzwania, gdyż zjawisko to nie jest jeszcze w pełni opisane. Oprócz tunelu kawitacyjnego wytwarzającego środowisko, w którym można wywoływać kawitację na pomniejszonych modelach badawczych śrub okrętowych potrzebna jest skomplikowana aparatura pomiarowa. Pomocne w tych badaniach są także analizy numeryczne dotyczące przepływów.

Ciekawostką jest to, że niektóre gatunki skorupiaków wykorzystują kawitację do ogłuszania swych ofiar. Niezwykle szybki ruch ich szczypiec, przyspiesza wodę na tyle, by zamieniła się ona w parę, która następnie gwałtownie implodując, generuje wspomniane wyżej fale uderzeniowe.