Forskere vil hjælpe rørledningsindustrien med at begrænse boblernes ødelæggende kraft

Forskere har besvaret nøglespørgsmål for at hjælpe med at forhindre skader og forbedre sikkerheden ved hydrauliske systemer, der bruges til rørledninger, vandturbiner og andre applikationer.

Arbejdet, ledet af ingeniører ved University of Waterloo, undersøger et fænomen kendt som kavitation, eller dannelse og sammenbrud af destruktive gasfyldte bobler som følge af hurtige trykændringer i væsker.

Kavitation står bag et velkendt festtrick, der involverer at knuse bunden af ​​en væskefyldt flaske ved at slå den åbne top med håndfladen.

"Væksten og kollapsen af ​​kavitationsbobler er fascinerende, " sagde Zhao Pan, en professor i mekanik og mekatronik, der ledede forskningen. "De er normalt små og hurtige, men de kan forårsage alvorlig skade selv på overflader som hårde legeringer og glas."

Forskerne udviklede en teoretisk model til at forudsige dannelsen og størrelsen af ​​store, særligt skadelige bobler baseret på accelerationen og hastigheden af ​​væskestrømmen. Eksperimenter med højhastighedsfotografering validerede teorien.

Oplysninger fra modellen vil hjælpe ingeniører med at designe hydrauliske systemer og udvikle retningslinjer for drift for at minimere slitage, undgå større fejl, og forbedre teknologiens pålidelighed.

I festtricket, at ramme flasken forårsager høj acceleration af væsken i forhold til flaskens vægge. Det reducerer trykket af væsken i bunden, udløser hurtig dannelse af gasbobler.

Når disse bobler kollapser, eller implodere, de skaber midlertidigt høje temperaturer, højhastigheds mikrojetfly og chokbølger. Disse effekter er kraftige nok til at knuse glasset.

Fænomenet er en almindelig synder i beskadigede vandrør og skibspropeller, for eksempel. I ekstreme tilfælde, det har ført til katastrofale rørfejl i vandkraftværker.

"På den anden side, styrken af ​​disse bobler kan også udnyttes til gode, " sagde Pan. "Kavitation kan bruges til at bryde nyresten op, dræbe bakterier uden at bruge kemikalier, og endda i produktionen af ​​øl og chokolade."

Pan arbejdede tidligere sammen med forskere i Japan og USA om en ny teori om små kavitationsbobler forårsaget af acceleration af væsker, der forklarede hvordan tricket fungerer. Nyligt arbejde udvider disse resultater til forudsigelsen af ​​store bobler. Et papir om forskningen, På kriterierne for store kavitationsbobler i et rør under en forbigående proces, vises i Journal of Fluid Mechanics . Pan samarbejdede om det nye studie med forskere fra Tsinghua University i Kina.