Cavitação
Cavitação é um fenômeno no qual a pressão estática de um líquido se reduz abaixo da pressão de vapor do líquido, levando à formação de pequenas cavidades cheias de vapor no líquido. Quando submetidas a uma pressão maior, essas cavidades, chamadas de "bolhas" ou "vazios", colapsam e podem gerar ondas de choque que podem danificar máquinas. Essas ondas de choque são fortes quando estão muito próximas da bolha implodida, mas enfraquecem rapidamente à medida que se afastam da implosão. A cavitação é uma causa significativa de desgaste em alguns contextos de engenharia. Vazios em colapso que implodem perto de uma superfície de metal causam tensão cíclica por implosão repetida. Isso resulta em fadiga superficial do metal, causando um tipo de desgaste também chamado de "cavitação". Os exemplos mais comuns desse tipo de desgaste são os impulsores da bomba e as dobras onde ocorre uma mudança brusca na direção do líquido. A cavitação é geralmente dividida em duas classes de comportamento: cavitação inercial (ou transitória) e cavitação não inercial.
O processo no qual um vazio ou bolha em um líquido colapsa rapidamente, produzindo uma onda de choque, é chamado de cavitação inercial. A cavitação inercial ocorre na natureza nos golpes do camarão mantis e do camarão pistola, bem como nos tecidos vasculares das plantas. Em objetos manufaturados, pode ocorrer em válvulas de controle, bombas, hélices e impulsores.
A cavitação não inercial é o processo no qual uma bolha em um fluido é forçada a oscilar em tamanho ou forma devido a alguma forma de entrada de energia, como um campo acústico. Tal cavitação é frequentemente empregada em banhos de limpeza ultrassônicos e também pode ser observada em bombas, hélices, etc.
Uma vez que as ondas de choque formadas pelo colapso dos vazios são fortes o suficiente para causar danos significativos às peças, a cavitação é normalmente um fenômeno indesejável em máquinas (embora desejável se usado intencionalmente, por exemplo, para esterilizar instrumentos cirúrgicos contaminados, quebrar poluentes em sistemas de purificação de água, emulsionar tecidos para cirurgia de catarata ou litotripsia de cálculos renais ou homogeneizar fluidos). Muitas vezes, é especificamente impedido no projeto de máquinas como turbinas ou hélices, e a eliminação da cavitação é um campo importante no estudo da dinâmica dos fluidos. No entanto, às vezes é útil e não causa danos quando as bolhas colapsam para fora do maquinário, como na supercavitação.
Física
Cavitação inercial
A cavitação inercial foi observada pela primeira vez no final do século 19, considerando o colapso de um vazio esférico dentro de um líquido. Quando um volume de líquido é submetido a uma pressão suficientemente baixa, ele pode se romper e formar uma cavidade. Este fenômeno é chamado de início da cavitação e pode ocorrer atrás da pá de uma hélice girando rapidamente ou em qualquer superfície que vibre no líquido com amplitude e aceleração suficientes. Um rio de fluxo rápido pode causar cavitação em superfícies rochosas, principalmente quando há uma queda, como em uma cachoeira.
Outras formas de gerar vazios de cavitação envolvem a deposição local de energia, como um intenso pulso de laser focado (cavitação óptica) ou com uma descarga elétrica através de uma faísca. Os gases de vapor evaporam na cavidade do meio circundante; assim, a cavidade não é um vácuo, mas sim uma bolha de vapor (gás) de baixa pressão. Uma vez que as condições que causaram a formação da bolha não estão mais presentes, como quando a bolha se move a jusante, o líquido circundante começa a implodir devido à sua pressão mais alta, acumulando inércia à medida que se move para dentro. Quando a bolha finalmente colapsa, a inércia interna do líquido circundante causa um aumento acentuado da pressão e da temperatura do vapor interno. A bolha finalmente colapsa para uma fração mínima de seu tamanho original, ponto em que o gás se dissipa no líquido circundante por meio de um mecanismo bastante violento que libera uma quantidade significativa de energia na forma de uma onda de choque acústica e como luz visível. No ponto de colapso total, a temperatura do vapor dentro da bolha pode ser de vários milhares de kelvin e a pressão de várias centenas de atmosferas.
A cavitação inercial também pode ocorrer na presença de um campo acústico. Bolhas de gás microscópicas que geralmente estão presentes em um líquido serão forçadas a oscilar devido a um campo acústico aplicado. Se a intensidade acústica for suficientemente alta, as bolhas primeiro crescerão em tamanho e depois colapsarão rapidamente. Assim, a cavitação inercial pode ocorrer mesmo que a rarefação no líquido seja insuficiente para que ocorra um vazio do tipo Rayleigh. Os ultrassônicos de alta potência geralmente utilizam a cavitação inercial de bolhas de vácuo microscópicas para o tratamento de superfícies, líquidos e pastas.
O processo físico de início da cavitação é semelhante à ebulição. A principal diferença entre os dois são os caminhos termodinâmicos que precedem a formação do vapor. A ebulição ocorre quando a temperatura local do líquido atinge a temperatura de saturação, e mais calor é fornecido para permitir que o líquido mude de fase suficientemente para um gás. O início da cavitação ocorre quando a pressão local cai suficientemente abaixo da pressão de vapor saturado, um valor dado pela resistência à tração do líquido a uma certa temperatura.
Para que ocorra o início da cavitação, as "bolhas" geralmente precisam de uma superfície na qual possam nuclear. Essa superfície pode ser fornecida pelas laterais de um recipiente, por impurezas no líquido ou por pequenas microbolhas não dissolvidas no líquido. É geralmente aceito que as superfícies hidrofóbicas estabilizam pequenas bolhas. Essas bolhas pré-existentes começam a crescer ilimitadamente quando são expostas a uma pressão abaixo do limite de pressão, denominado limite de Blake. A presença de um núcleo incompressível dentro de um núcleo de cavitação reduz substancialmente o limiar de cavitação abaixo do limiar de Blake.
A pressão de vapor aqui difere da definição meteorológica de pressão de vapor, que descreve a pressão parcial da água na atmosfera em algum valor inferior a 100% de saturação. A pressão de vapor em relação à cavitação refere-se à pressão de vapor em condições de equilíbrio e pode, portanto, ser definida com mais precisão como a pressão de vapor de equilíbrio (ou saturada).
A cavitação não inercial é o processo no qual pequenas bolhas em um líquido são forçadas a oscilar na presença de um campo acústico, quando a intensidade do campo acústico é insuficiente para causar o colapso total da bolha. Essa forma de cavitação causa significativamente menos erosão do que a cavitação inercial e é frequentemente usada para a limpeza de materiais delicados, como pastilhas de silício.
Cavitação hidrodinâmica
A cavitação hidrodinâmica é o processo de vaporização, geração de bolhas e implosão de bolhas que ocorre em um líquido fluindo como resultado de uma diminuição e subseqüente aumento da pressão local. A cavitação só ocorrerá se a pressão local cair para algum ponto abaixo da pressão de vapor saturado do líquido e a subsequente recuperação acima da pressão de vapor. Se a pressão de recuperação não estiver acima da pressão de vapor, diz-se que ocorreu o flashing. Em sistemas de tubulação, a cavitação normalmente ocorre como resultado de um aumento na energia cinética (através de uma constrição de área) ou um aumento na elevação do tubo.
A cavitação hidrodinâmica pode ser produzida pela passagem de um líquido através de um canal restrito a uma velocidade de fluxo específica ou pela rotação mecânica de um objeto através de um líquido. No caso do canal constrito e com base na geometria específica (ou única) do sistema, a combinação de pressão e energia cinética pode criar a caverna de cavitação hidrodinâmica a jusante da constrição local gerando bolhas de cavitação de alta energia.
Com base no diagrama de mudança de fase termodinâmica, um aumento na temperatura pode iniciar um mecanismo de mudança de fase conhecido como ebulição. No entanto, uma diminuição na pressão estática também pode ajudar a passar pelo diagrama multifásico e iniciar outro mecanismo de mudança de fase conhecido como cavitação. Por outro lado, um aumento local na velocidade do fluxo pode levar a uma queda de pressão estática até o ponto crítico no qual a cavitação pode ser iniciada (com base no princípio de Bernoulli). O ponto crítico de pressão é a pressão saturada de vapor. Em um sistema fluídico fechado onde nenhum vazamento de fluxo é detectado, uma diminuição na área da seção transversal levaria ao aumento da velocidade e, portanto, à queda da pressão estática. Este é o princípio de funcionamento de muitos reatores hidrodinâmicos baseados em cavitação para diferentes aplicações, como tratamento de água, captação de energia, melhoria da transferência de calor, processamento de alimentos, etc.
Existem diferentes padrões de fluxo detectados à medida que um fluxo de cavitação progride: início, fluxo desenvolvido, supercavitação e fluxo sufocado. A iniciação é o primeiro momento em que a segunda fase (fase gasosa) aparece no sistema. Este é o fluxo de cavitação mais fraco capturado em um sistema correspondente ao maior número de cavitação. Quando as cavidades crescem e se tornam maiores em tamanho no orifício ou nas estruturas venturi, o fluxo desenvolvido é registrado. O fluxo de cavitação mais intenso é conhecido como supercavitação onde teoricamente toda a área do bocal de um orifício é preenchida com bolhas de gás. Este regime de fluxo corresponde ao menor número de cavitação em um sistema. Após a supercavitação, o sistema não é capaz de passar mais fluxo. Portanto, a velocidade não muda enquanto a pressão a montante aumenta. Isso levaria a um aumento no número de cavitação, o que mostra que ocorreu um fluxo sufocado.
O processo de geração de bolhas e o subseqüente crescimento e colapso das bolhas de cavitação resulta em densidades de energia muito altas e em temperaturas e pressões locais muito altas na superfície das bolhas por um tempo muito curto. O meio ambiente líquido geral, portanto, permanece em condições ambientais. Quando não controlada, a cavitação é prejudicial; ao controlar o fluxo da cavitação, no entanto, a energia pode ser aproveitada e não destrutiva. A cavitação controlada pode ser usada para aumentar as reações químicas ou propagar certas reações inesperadas porque os radicais livres são gerados no processo devido à dissociação dos vapores presos nas bolhas cavitantes.
Orifícios e venturi são amplamente usados para gerar cavitação. Um venturi tem uma vantagem inerente sobre um orifício por causa de suas seções convergentes e divergentes suaves, de modo que pode gerar uma velocidade de fluxo mais alta na garganta para uma determinada queda de pressão através dele. Por outro lado, um orifício tem a vantagem de poder acomodar um maior número de orifícios (maior perímetro de orifícios) em uma determinada área da seção transversal do tubo.
O fenômeno da cavitação pode ser controlado para melhorar o desempenho de embarcações e projéteis marítimos de alta velocidade, bem como em tecnologias de processamento de materiais, na medicina, etc. dos processos de cavitação. Esses processos se manifestam de diversas formas, sendo as mais comuns e promissoras para controle a cavitação de bolhas e a supercavitação. A primeira solução clássica exata talvez deva ser creditada à conhecida solução de Hermann von Helmholtz em 1868. Os primeiros estudos ilustres de tipo acadêmico sobre a teoria de um fluxo cavitante com limites livres e supercavitação foram publicados no livro Jets, esteiras e cavidades seguido de Teoria dos jatos de fluido ideal. Amplamente utilizada nesses livros foi a teoria bem desenvolvida de mapeamentos conformes de funções de uma variável complexa, permitindo derivar um grande número de soluções exatas de problemas planos. Outra via combinando as soluções exatas existentes com modelos aproximados e heurísticos foi explorada no trabalho Hydrodynamics of Flows with Free Boundaries que refinou as técnicas de cálculo aplicadas com base no princípio da independência da expansão da cavidade, teoria das pulsações e estabilidade de cavidades axissimétricas alongadas, etc. e em Métodos de dimensionalidade e similaridade nos problemas da hidromecânica de embarcações.
Uma continuação natural desses estudos foi recentemente apresentada em The Hydrodynamics of Cavitating Flows – um trabalho enciclopédico que engloba todos os melhores avanços neste domínio nas últimas três décadas e combina os métodos clássicos de matemática pesquisa com os recursos modernos de tecnologias de computador. Estes incluem a elaboração de métodos numéricos não lineares de resolução de problemas de cavitação 3D, refinamento das conhecidas teorias lineares planas, desenvolvimento de teorias assintóticas de fluxos axissimétricos e quase axissimétricos, etc. Em comparação com as abordagens clássicas, a nova tendência é caracterizada pela expansão do teoria nos fluxos 3D. Reflete também certa correlação com os trabalhos atuais de caráter aplicado sobre a hidrodinâmica dos corpos supercavitantes.
A cavitação hidrodinâmica também pode melhorar alguns processos industriais. Por exemplo, a pasta de milho cavitada mostra rendimentos mais altos na produção de etanol em comparação com a pasta de milho não cavitada em instalações de moagem a seco.
Isso também é usado na mineralização de compostos biorrefratários que, de outra forma, precisariam de condições de temperatura e pressão extremamente altas, uma vez que os radicais livres são gerados no processo devido à dissociação de vapores presos nas bolhas cavitantes, o que resulta na intensificação da reação química ou pode até resultar na propagação de certas reações que não seriam possíveis em outras condições ambientais.
Aplicativos
Engenharia química
Na indústria, a cavitação é frequentemente usada para homogeneizar ou misturar e quebrar partículas suspensas em um composto líquido coloidal, como misturas de tinta ou leite. Muitas máquinas de mistura industrial são baseadas neste princípio de design. Geralmente é obtido por meio do projeto do impulsor ou forçando a mistura através de uma abertura anular que possui um orifício de entrada estreito com um orifício de saída muito maior. No último caso, a diminuição drástica da pressão à medida que o líquido acelera para um volume maior induz a cavitação. Este método pode ser controlado com dispositivos hidráulicos que controlam o tamanho do orifício de entrada, permitindo um ajuste dinâmico durante o processo ou modificação para diferentes substâncias. A superfície deste tipo de válvula misturadora, contra a qual as bolhas de cavitação são lançadas causando sua implosão, sofre um tremendo estresse mecânico e térmico localizado; eles são, portanto, frequentemente construídos com materiais extremamente fortes e duros, como aço inoxidável, Stellite ou mesmo diamante policristalino (PCD).
Também foram projetados dispositivos de purificação de água por cavitação, nos quais as condições extremas de cavitação podem quebrar poluentes e moléculas orgânicas. A análise espectral da luz emitida em reações sonoquímicas revela mecanismos químicos e baseados em plasma de transferência de energia. A luz emitida pelas bolhas de cavitação é denominada sonoluminescência.
O uso desta tecnologia foi testado com sucesso no refino alcalino de óleos vegetais.
Os produtos químicos hidrofóbicos são atraídos para debaixo d'água por cavitação, pois a diferença de pressão entre as bolhas e a água líquida as força a se unirem. Este efeito pode auxiliar no dobramento de proteínas.
Biomédica
A cavitação desempenha um papel importante na destruição de cálculos renais na litotripsia por ondas de choque. Atualmente, estão sendo realizados testes para saber se a cavitação pode ser usada para transferir moléculas grandes para células biológicas (sonoporação). A cavitação de nitrogênio é um método usado em pesquisas para lisar as membranas celulares, deixando as organelas intactas.
A cavitação desempenha um papel fundamental no fracionamento não térmico e não invasivo do tecido para o tratamento de uma variedade de doenças e pode ser usada para abrir a barreira hematoencefálica para aumentar a absorção de drogas neurológicas no cérebro.
A cavitação também desempenha um papel no HIFU, uma metodologia de tratamento térmico não invasivo para o câncer.
Em feridas causadas por impactos de alta velocidade (como por exemplo feridas de bala) também existem efeitos devido à cavitação. Os mecanismos exatos de ferimento ainda não são completamente compreendidos, pois há cavitação temporária e cavitação permanente junto com esmagamento, rasgamento e alongamento. Além disso, a alta variação na densidade dentro do corpo torna difícil determinar seus efeitos.
O ultrassom às vezes é usado para aumentar a formação óssea, por exemplo, em aplicações pós-cirúrgicas.
Foi sugerido que o som de "cracking" juntas deriva do colapso da cavitação no líquido sinovial dentro da articulação.
A cavitação também pode formar micro-nanobolhas de ozônio, o que é promissor em aplicações odontológicas.
Limpeza
Em aplicações de limpeza industrial, a cavitação tem poder suficiente para superar as forças de adesão da partícula ao substrato, soltando os contaminantes. A pressão limite necessária para iniciar a cavitação é uma forte função da largura do pulso e da entrada de energia. Este método funciona gerando cavitação acústica no fluido de limpeza, captando e transportando as partículas contaminantes na esperança de que não se prendam novamente ao material que está sendo limpo (o que é possível quando o objeto é imerso, por exemplo, em um banho de limpeza ultrassônico). As mesmas forças físicas que removem os contaminantes também têm o potencial de danificar o alvo que está sendo limpo.
Alimentos e bebidas
Ovos
A cavitação foi aplicada à pasteurização de ovos. Um rotor cheio de furos produz bolhas de cavitação, aquecendo o líquido por dentro. As superfícies dos equipamentos permanecem mais frias do que o líquido que passa, de modo que os ovos não endurecem como nas superfícies quentes dos equipamentos mais antigos. A intensidade da cavitação pode ser ajustada, tornando possível ajustar o processo para danos mínimos às proteínas.
Produção de óleo vegetal
A cavitação tem sido aplicada à degomagem e refino de óleo vegetal desde 2011 e é considerada uma tecnologia comprovada e padrão nesta aplicação. A implementação da cavitação hidrodinâmica no processo de degomagem e refino permite uma redução significativa no uso de auxiliares de processo, como produtos químicos, água e argila descolorante.
Biocombustíveis
Biodiesel
A cavitação é aplicada à produção de biodiesel desde 2011 e é considerada uma tecnologia comprovada e padrão nesta aplicação. A implementação da cavitação hidrodinâmica no processo de transesterificação permite uma redução significativa no uso de catalisadores, melhoria da qualidade e aumento da capacidade de produção.
Danos por cavitação
A cavitação geralmente é uma ocorrência indesejável. Em dispositivos como hélices e bombas, a cavitação causa muito ruído, danos aos componentes, vibrações e perda de eficiência. O ruído causado pela cavitação pode ser particularmente indesejável em embarcações navais, onde tal ruído pode torná-los mais facilmente detectáveis por sonar passivo. A cavitação também se tornou uma preocupação no setor de energia renovável, pois pode ocorrer na superfície das pás das turbinas de corrente de maré.
Quando as bolhas de cavitação colapsam, elas forçam o líquido energético a volumes muito pequenos, criando pontos de alta temperatura e emitindo ondas de choque, sendo estas últimas uma fonte de ruído. O ruído criado pela cavitação é um problema particular para submarinos militares, pois aumenta as chances de ser detectado por sonar passivo.
Embora o colapso de uma pequena cavidade seja um evento de energia relativamente baixa, colapsos altamente localizados podem corroer metais, como o aço, ao longo do tempo. A corrosão causada pelo colapso das cavidades produz grande desgaste nos componentes e pode reduzir drasticamente a vida útil de uma hélice ou bomba.
Depois que uma superfície é inicialmente afetada pela cavitação, ela tende a erodir em um ritmo acelerado. Os poços de cavitação aumentam a turbulência do fluxo de fluido e criam fendas que atuam como locais de nucleação para bolhas de cavitação adicionais. Os poços também aumentam os componentes' área de superfície e deixar para trás as tensões residuais. Isso torna a superfície mais propensa à corrosão sob tensão.
Bombas e hélices
Os principais locais onde ocorre a cavitação são em bombas, hélices ou em restrições em um fluxo de líquido.
À medida que as pás de um impulsor (em uma bomba) ou hélice (como no caso de um navio ou submarino) se movem através de um fluido, áreas de baixa pressão são formadas à medida que o fluido acelera ao redor e passa pelas lâminas. Quanto mais rápido a lâmina se mover, menor será a pressão ao seu redor. Ao atingir a pressão de vapor, o fluido vaporiza e forma pequenas bolhas de gás. Isso é cavitação. Quando as bolhas colapsam mais tarde, elas normalmente causam ondas de choque locais muito fortes no fluido, que podem ser audíveis e até mesmo danificar as pás.
A cavitação em bombas pode ocorrer de duas formas diferentes:
Cavitação de sucção
A cavitação de sucção ocorre quando a sucção da bomba está sob uma condição de baixa pressão/alto vácuo, onde o líquido se transforma em vapor no olho do impulsor da bomba. Esse vapor é transportado para o lado de descarga da bomba, onde não vê mais o vácuo e é comprimido de volta a um líquido pela pressão de descarga. Essa ação de implosão ocorre violentamente e ataca a face do impulsor. Um impulsor que está operando sob uma condição de cavitação por sucção pode ter grandes pedaços de material removidos de sua face ou pedaços muito pequenos de material removidos, fazendo com que o impulsor pareça esponjoso. Ambos os casos causarão falha prematura da bomba, muitas vezes devido à falha do rolamento. A cavitação de sucção é frequentemente identificada por um som como cascalho ou mármores na carcaça da bomba.
Causas comuns de cavitação de sucção podem incluir filtros entupidos, bloqueio de tubulação no lado de sucção, projeto de tubulação ruim, bomba funcionando muito à direita na curva da bomba ou condições que não atendem aos requisitos de NPSH (altura líquida de sucção positiva).
Em aplicações automotivas, um filtro entupido em um sistema hidráulico (direção hidráulica, freios hidráulicos) pode causar cavitação de sucção fazendo um ruído que aumenta e diminui em sincronia com a rotação do motor. Muitas vezes, é um gemido agudo, como um conjunto de engrenagens de náilon que não se encaixam corretamente.
Cavitação de descarga
A cavitação de descarga ocorre quando a pressão de descarga da bomba é extremamente alta, normalmente ocorrendo em uma bomba que está funcionando a menos de 10% de seu ponto de melhor eficiência. A alta pressão de descarga faz com que a maior parte do fluido circule dentro da bomba, em vez de fluir para fora da descarga. À medida que o líquido flui ao redor do impulsor, ele deve passar pela pequena folga entre o impulsor e a carcaça da bomba em uma velocidade de fluxo extremamente alta. Essa velocidade de fluxo faz com que um vácuo se desenvolva na parede do invólucro (semelhante ao que ocorre em um venturi), que transforma o líquido em vapor. Uma bomba que opera nessas condições apresenta desgaste prematuro das pontas das palhetas do impulsor e da carcaça da bomba. Além disso, devido às condições de alta pressão, pode ocorrer falha prematura do selo mecânico e dos rolamentos da bomba. Sob condições extremas, isso pode quebrar o eixo do impulsor.
Acredita-se que a cavitação de descarga no fluido articular cause o som de estalo produzido pelo estalo da articulação óssea, por exemplo, estalando deliberadamente os nós dos dedos.
Soluções de cavitação
Como todas as bombas exigem um fluxo de entrada bem desenvolvido para atingir seu potencial, uma bomba pode não funcionar ou ser tão confiável quanto o esperado devido a um layout de tubulação de sucção defeituoso, como um cotovelo acoplado no flange de entrada. Quando o fluxo mal desenvolvido entra no impulsor da bomba, ele atinge as palhetas e não consegue seguir a passagem do impulsor. O líquido então se separa das palhetas causando problemas mecânicos devido à cavitação, vibração e problemas de desempenho devido à turbulência e ao mau enchimento do impulsor. Isso resulta em vedação prematura, falha de rolamento e impulsor, altos custos de manutenção, alto consumo de energia e altura manométrica e/ou fluxo abaixo do especificado.
Para ter um padrão de fluxo bem desenvolvido, os manuais do fabricante da bomba recomendam cerca de (10 diâmetros?) de tubo reto a montante do flange de entrada da bomba. Infelizmente, os projetistas de tubulações e o pessoal da planta devem lidar com restrições de layout de espaço e equipamento e geralmente não podem cumprir esta recomendação. Em vez disso, é comum usar um cotovelo acoplado à sucção da bomba, o que cria um padrão de fluxo mal desenvolvido na sucção da bomba.
Com uma bomba de sucção dupla amarrada a um cotovelo acoplado, a distribuição de fluxo para o impulsor é ruim e causa falhas de confiabilidade e desempenho. O cotovelo divide o fluxo de forma desigual com mais canalização para fora do cotovelo. Conseqüentemente, um lado do impulsor de dupla sucção recebe mais fluxo a uma velocidade e pressão de fluxo mais altas, enquanto o lado carente recebe um fluxo altamente turbulento e potencialmente prejudicial. Isso degrada o desempenho geral da bomba (altura manométrica, fluxo e consumo de energia) e causa desequilíbrio axial que reduz a vida útil do selo, do rolamento e do impulsor. Para superar a cavitação: Aumente a pressão de sucção, se possível. Diminua a temperatura do líquido, se possível. Acelere a válvula de descarga para diminuir a vazão. Libere os gases da carcaça da bomba.
Válvulas de controle
A cavitação pode ocorrer nas válvulas de controle. Se a queda de pressão real na válvula, conforme definido pelas pressões a montante e a jusante no sistema, for maior do que os cálculos de dimensionamento permitem, pode ocorrer queda de pressão intermitente ou cavitação. A mudança de um estado líquido para um estado de vapor resulta do aumento na velocidade do fluxo ou imediatamente a jusante da maior restrição de fluxo que normalmente é a porta da válvula. Para manter um fluxo constante de líquido através de uma válvula, a velocidade do fluxo deve ser maior na vena contracta ou no ponto onde a área da seção transversal é menor. Este aumento na velocidade do fluxo é acompanhado por uma diminuição substancial na pressão do fluido que é parcialmente recuperada a jusante à medida que a área aumenta e a velocidade do fluxo diminui. Esta recuperação de pressão nunca é completamente ao nível da pressão a montante. Se a pressão na vena contracta cair abaixo da pressão de vapor do fluido, bolhas se formarão na corrente de fluxo. Se a pressão se recuperar após a válvula para uma pressão novamente acima da pressão de vapor, as bolhas de vapor entrarão em colapso e ocorrerá cavitação.
Vertedouros
Quando a água flui sobre o vertedouro de uma barragem, as irregularidades na superfície do vertedouro vão causar pequenas áreas de separação de fluxo em um fluxo de alta velocidade e, nessas regiões, a pressão será reduzida. Se as velocidades de fluxo forem altas o suficiente, a pressão pode cair abaixo da pressão de vapor local da água e bolhas de vapor se formarão. Quando estas são transportadas a jusante para uma região de alta pressão, as bolhas colapsam dando origem a altas pressões e possíveis danos por cavitação.
Investigações experimentais mostram que os danos em rampas de concreto e vertedouros de túneis podem começar em velocidades de fluxo de água limpa entre 12 e 15 m/s (27 e 34 mph) e, até velocidades de fluxo de 20 m/s (45 mph), pode ser possível proteger a superfície simplificando os limites, melhorando os acabamentos da superfície ou usando materiais resistentes.
Quando algum ar está presente na água, a mistura resultante é compressível e isso amortece a alta pressão causada pelo colapso das bolhas. Se as velocidades de fluxo próximo ao invertido do vertedouro forem suficientemente altas, aeradores (ou dispositivos de aeração) devem ser introduzidos para evitar a cavitação. Embora estes já estejam instalados há alguns anos, os mecanismos de incorporação de ar nos aeradores e o movimento lento do ar para longe da superfície do vertedouro ainda são desafiadores.
O projeto do dispositivo de aeração do vertedouro é baseado em uma pequena deflexão do leito do vertedouro (ou parede lateral), como uma rampa e deslocamento para desviar o fluxo de alta velocidade para longe da superfície do vertedouro. Na cavidade formada abaixo da nappe, uma subpressão local abaixo da nappe é produzida pela qual o ar é sugado para o fluxo. O projeto completo inclui o dispositivo de deflexão (rampa, deslocamento) e o sistema de suprimento de ar.
Motores
Alguns motores a diesel maiores sofrem de cavitação devido à alta compressão e às paredes dos cilindros subdimensionadas. As vibrações da parede do cilindro induzem pressão baixa e alta alternada no refrigerante contra a parede do cilindro. O resultado é a corrosão da parede do cilindro, o que acabará por permitir que o fluido refrigerante vaze para dentro do cilindro e os gases de combustão vazem para o líquido refrigerante.
É possível evitar que isso aconteça com o uso de aditivos químicos no fluido de arrefecimento que formam uma camada protetora na parede do cilindro. Essa camada será exposta à mesma cavitação, mas se reconstrói. Além disso, uma sobrepressão regulada no sistema de arrefecimento (regulada e mantida pela pressão da mola da tampa de enchimento do refrigerante) evita a formação de cavitação.
Por volta da década de 1980, novos projetos de motores a gasolina menores também apresentavam fenômenos de cavitação. Uma resposta para a necessidade de motores menores e mais leves foi um menor volume de refrigerante e uma velocidade de fluxo de refrigerante correspondentemente maior. Isso deu origem a mudanças rápidas na velocidade do fluxo e, portanto, mudanças rápidas de pressão estática em áreas de alta transferência de calor. Onde as bolhas de vapor resultantes colapsaram contra uma superfície, elas tiveram o efeito de primeiro romper as camadas protetoras de óxido (de materiais de alumínio fundido) e, em seguida, danificar repetidamente a superfície recém-formada, impedindo a ação de alguns tipos de inibidores de corrosão (como inibidores à base de silicato).. Um problema final foi o efeito que o aumento da temperatura do material teve na reatividade eletroquímica relativa do metal base e seus constituintes de liga. O resultado eram poços profundos que podiam se formar e penetrar no cabeçote do motor em questão de horas, quando o motor funcionava em alta carga e alta velocidade. Esses efeitos podem ser amplamente evitados pelo uso de inibidores de corrosão orgânicos ou (de preferência) projetando o cabeçote do motor de forma a evitar certas condições indutoras de cavitação.
Na natureza
Geologia
Algumas hipóteses relacionadas à formação de diamantes postulam um possível papel para a cavitação - ou seja, a cavitação nos tubos de kimberlito, fornecendo a pressão extrema necessária para transformar o carbono puro no alótropo raro que é o diamante. Os três sons mais altos já registrados, durante a erupção de Krakatoa em 1883, agora são entendidos como as explosões de três enormes bolhas de cavitação, cada uma maior que a anterior, formadas na garganta do vulcão. O magma ascendente, cheio de gases dissolvidos e sob imensa pressão, encontrou um magma diferente que se comprimiu facilmente, permitindo que as bolhas crescessem e se combinassem.
Plantas vasculares
A cavitação pode ocorrer no xilema das plantas vasculares. A seiva vaporiza localmente, de modo que os elementos de vaso ou os traqueídeos sejam preenchidos com vapor d'água. As plantas são capazes de reparar o xilema cavitado de várias maneiras. Para plantas com menos de 50 cm de altura, a pressão da raiz pode ser suficiente para redissolver o vapor. Plantas maiores direcionam solutos para o xilema via células de raios, ou em traqueídeos, via osmose através de pontuações bordadas. Os solutos atraem a água, a pressão aumenta e o vapor pode se dissolver novamente. Em algumas árvores, o som da cavitação é audível, principalmente no verão, quando a taxa de evapotranspiração é maior. Algumas árvores de folha caduca precisam perder as folhas no outono, em parte porque a cavitação aumenta à medida que as temperaturas diminuem.
Dispersão de esporos em plantas
A cavitação desempenha um papel nos mecanismos de dispersão de esporos de certas plantas. Nas samambaias, por exemplo, o esporângio da samambaia atua como uma catapulta que lança esporos no ar. A fase de carregamento da catapulta é impulsionada pela evaporação da água das células anulares, o que desencadeia uma diminuição da pressão. Quando a pressão compressiva atinge aproximadamente 9 MPa, ocorre a cavitação. Este evento rápido desencadeia a dispersão de esporos devido à energia elástica liberada pela estrutura anular. A aceleração inicial do esporo é extremamente grande – até 105 vezes a aceleração gravitacional.
Vida marinha
Assim como as bolhas de cavitação se formam em uma hélice de barco que gira rapidamente, elas também podem se formar nas caudas e barbatanas de animais aquáticos. Isso ocorre principalmente perto da superfície do oceano, onde a pressão da água ambiente é baixa.
A cavitação pode limitar a velocidade máxima de natação de animais poderosos como golfinhos e atum. Os golfinhos podem ter que restringir sua velocidade porque as bolhas de cavitação em colapso em sua cauda são dolorosas. O atum tem barbatanas ósseas sem terminações nervosas e não sente dor devido à cavitação. Eles são desacelerados quando as bolhas de cavitação criam um filme de vapor em torno de suas aletas. Lesões foram encontradas em atum que são consistentes com danos de cavitação.
Alguns animais marinhos encontraram maneiras de usar a cavitação a seu favor ao caçar presas. O camarão-pistola quebra uma garra especializada para criar cavitação, que pode matar peixes pequenos. O camarão louva-a-deus (da variedade esmagador) também usa a cavitação para atordoar, abrir ou matar o marisco com o qual se alimenta.
Os tubarões Thresher usam 'tapas de cauda' para debilitar suas pequenas presas de peixes e bolhas de cavitação foram vistas subindo do ápice do arco da cauda.
Erosão costeira
Na última meia década, a erosão costeira na forma de cavitação inercial foi geralmente aceita. Bolhas em uma onda de entrada são forçadas em rachaduras no penhasco que está sendo erodido. A variação da pressão descomprime alguns bolsões de vapor que subsequentemente implodem. Os picos de pressão resultantes podem explodir frações da rocha.
História
Já em 1754, o matemático suíço Leonhard Euler (1707–1783) especulou sobre a possibilidade de cavitação. Em 1859, o matemático inglês William Henry Besant (1828–1917) publicou uma solução para o problema da dinâmica do colapso de uma cavidade esférica em um fluido, apresentada pelo matemático anglo-irlandês George Stokes (1819–1903).) como um dos problemas e questões do Senado da Universidade de Cambridge para o ano de 1847. Em 1894, o dinâmico de fluidos irlandês Osborne Reynolds (1842–1912) estudou a formação e o colapso de bolhas de vapor em líquidos em ebulição e em tubos constritos.
O termo cavitação apareceu pela primeira vez em 1895 em um artigo de John Isaac Thornycroft (1843–1928) e Sydney Walker Barnaby (1855–1925) — filho de Sir Nathaniel Barnaby (1829–1915), que havia sido Construtor Chefe da Marinha Real — a quem havia sido sugerido pelo engenheiro britânico Robert Edmund Froude (1846–1924), terceiro filho do hidrodinamicista inglês William Froude (1810–1879). Os primeiros estudos experimentais de cavitação foram conduzidos em 1894-5 por Thornycroft e Barnaby e pelo engenheiro anglo-irlandês Charles Algernon Parsons (1854-1931), que construiu um aparelho estroboscópico para estudar o fenômeno. Thornycroft e Barnaby foram os primeiros pesquisadores a observar a cavitação na parte de trás das pás da hélice.
Em 1917, o físico britânico Lord Rayleigh (1842-1919) estendeu o trabalho de Besant, publicando um modelo matemático de cavitação em um fluido incompressível (ignorando a tensão superficial e a viscosidade), no qual também determinou a pressão em o fluido. Os modelos matemáticos de cavitação desenvolvidos pelo engenheiro britânico Stanley Smith Cook (1875-1952) e por Lord Rayleigh revelaram que bolhas de vapor em colapso poderiam gerar pressões muito altas, capazes de causar os danos observados em navios.; hélices. Evidências experimentais de cavitação causando tais altas pressões foram inicialmente coletadas em 1952 por Mark Harrison (um dinâmico de fluidos e acústico da Marinha dos EUA David Taylor Model Basin em Carderock, Maryland, EUA) que usou métodos acústicos e em 1956 por Wernfried Güth (físico e acústico da Universidade de Göttigen, Alemanha) que utilizou a fotografia ótica de Schlieren.
Em 1944, os cientistas soviéticos Mark Iosifovich Kornfeld (1908–1993) e L. Suvorov do Instituto Físico-Técnico de Leningrado (agora: Instituto Ioffe Físico-Técnico da Academia Russa de Ciências, São Petersburgo, Rússia) propuseram que durante a cavitação, as bolhas nas proximidades de uma superfície sólida não colapsam simetricamente; em vez disso, uma covinha se forma na bolha em um ponto oposto à superfície sólida e essa covinha evolui para um jato de líquido. Este jato de líquido danifica a superfície sólida. Essa hipótese foi apoiada em 1951 por estudos teóricos de Maurice Rattray, Jr., aluno de doutorado do Instituto de Tecnologia da Califórnia. A hipótese de Kornfeld e Suvorov foi confirmada experimentalmente em 1961 por Charles F. Naudé e Albert T. Ellis, dinâmicos de fluidos do California Institute of Technology.
Uma série de investigações experimentais da propagação de fortes ondas de choque (SW) em um líquido com bolhas de gás, que permitiu estabelecer as leis básicas que regem o processo, o mecanismo de transformação da energia do SW, atenuação do SW, e a formação da estrutura, e experimentos na análise da atenuação de ondas em telas de bolhas com diferentes propriedades acústicas foram iniciados por trabalhos pioneiros do cientista soviético prof.V.F. Minin no Instituto de Hidrodinâmica (Novosibirsk, Rússia) em 1957-1960, que examinou também o primeiro modelo conveniente de uma tela - uma sequência de camadas alternadas planas unidimensionais de líquido e gás. Em uma investigação experimental da dinâmica da forma de cavidades gasosas pulsantes e interação de SW com nuvens de bolhas em 1957-1960 V.F. Minin descobriu que sob a ação do SW uma bolha colapsa assimetricamente com a formação de um jato cumulativo, que se forma no processo de colapso e causa a fragmentação da bolha.
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