Силы поверхностного натяжения. Кавитация in vivo
Обновлено: 28.04.2024
КАВИТАЦИЯ, образование газовых пузырьков в жидкости. Термин был введен ок. 1894 британским инженером Р.Фрудом. Если давление в какой-либо точке жидкости становится равным давлению насыщенного пара этой жидкости, то жидкость в этом месте испаряется и образуется паровой пузырек. Примером может служить кипение воды. При нагревании воды давление ее насыщенного пара повышается. Когда достигается температура кипения, давление пара становится равным давлению окружающей среды, и в воде появляются паровые пузырьки.
Паровые пузырьки в жидкости легче образуются при пониженном давлении. Когда же давление окружающей среды становится больше давления насыщенного пара жидкости, кавитационный пузырек с силой схлопывается. Такое схлопывание пузырьков создает шум, вызывает вибрацию и повреждения конструкций, неблагоприятно отражается на работе соответствующих машин и механизмов. Местное понижение давления в жидкости происходит при быстром относительном движении тела и жидкости.
Закон Бернулли.
Согласно закону Бернулли, в жидкости без трения энергия постоянна вдоль линии тока. Это можно выразить равенством
где p – давление, r – плотность, а v – скорость. Индексы 0, 1 и 2 относятся к любым трем точкам на данной линии тока.
Из указанного равенства следует, что при увеличении скорости понижается местное давление (пропорционально квадрату скорости). Всякая частица жидкости, движущаяся по искривленной линии тока, например, огибающей профиль (рис. 1), ускоряется и претерпевает понижение местного давления. Если давление снижается до давления насыщенного пара, то возникает кавитация. Таков механизм явления кавитации на подводных крыльях, гребных винтах, лопатках турбин и лопастях насосов.
В случае жидкости, текущей по трубе, согласно закону сохранения массы (уравнению неразрывности), скорость жидкости увеличивается в местах сужения трубы, где также возможна кавитация.
Кавитационный коэффициент.
Явление кавитации совершенно одинаково и для потока, обтекающего неподвижное тело, и для среды, в которой движется тело. В обоих случаях важны лишь относительная скорость и абсолютное давление. Соотношение между давлением и скоростью, при которых происходит кавитация, дается безразмерным критерием s, который называется кавитационным коэффициентом (числом кавитации) и определяется выражением
где pv – давление насыщенного пара жидкости при данной температуре.
Типы кавитации.
На рис. 2 представлена кавитация на неподвижном подводном крыле, снятая в высокоскоростной гидродинамической трубе. При определенной скорости течения воды местное давление у поверхности крыла понижается до давления водяного пара. На поверхности крыла появляются кавитационные каверны. Пузыри растут, смещаясь в направлении течения. (Поскольку пузыри образуются возле поверхности крыла, они имеют полусферическую форму.) Такой тип кавитации называется нестационарной (сбегающей) пузырьковой кавитацией. Если на поверхности имеется какой-нибудь выступ, то пузыри концентрируются на нем. Такая стационарная кавитация тоже показана на рис. 2.
Кавитация может происходить в зоне вихрей, образующихся в местах повышенного сдвига и пониженного давления. Вихревая кавитация часто наблюдается на передней кромке подводных крыльев, на передних кромках лопастей и позади ступицы гребного винта. Возможно одновременное возникновение разных типов кавитации. На рис. 3 представлен морской гребной винт с вихревой кавитацией на передних кромках лопастей, стационарными кавитационными кавернами на поверхности лопастей и присоединенной вихревой кавитацией позади ступицы. Кавитация в жидкости, вызываемая звуковой волной, называется акустической.
Кавитация и техника.
Скорость течения обычно сильно снижается у задней кромки профиля. Здесь давление становится выше давления пара. Как только условия, благоприятные для кавитации, исчезают, пузырьки тут же схлопываются. Энергия, высвобождающаяся при схлопывании пузырей, весьма значительна.
Эрозия.
Большая энергия, рассеиваемая при схлопывании кавитационных пузырей, может приводить к повреждению поверхностей подводных конструкций, гребных винтов, турбин, насосов и даже узлов ядерных реакторов. Масштабы такого явления, называемого гидравлической эрозией, могут быть разными – от точечной поверхностной эрозии после многих лет эксплуатации до катастрофического выхода из строя больших конструкций.
Вибрация.
Кавитация на гребных винтах может вызывать периодические колебания давления, действующего на корпус судна и силовые установки. Кавитационная вибрация судна создает дискомфортные условия для пассажиров и команды.
КПД и скорость.
Кавитация может существенно увеличивать гидродинамическое сопротивление, в результате чего снижается коэффициент полезного действия гидравлического оборудования. Чрезмерная кавитация на гребном винте может уменьшить его тягу и ограничить максимальную скорость судна; кавитация может также быть причиной снижения производительности турбины или насоса и даже срыва его работы.
Некоторая часть энергии, высвобождающейся при схлопывании кавитационных пузырей, преобразуется в звуковые волны. Такой шум особенно нежелателен на военно-морских судах, поскольку повышает вероятность их обнаружения.
Как правило, кавитация нежелательна (в морской и турбонасосной технике). Но в некоторых случаях ее вызывают намеренно. Примером может служить кавитационный гидромонитор. Большая энергия, высвобождающаяся при схлопывании кавитационных пузырей в водяной струе, используется для бурения (за счет эрозии) горных пород и для обработки поверхностей.
Биологическое действие.
При ультразвуковом медицинском обследовании в биологических тканях могут возникать и расти кавитационные пузырьки. При наличии кавитации ультразвук большой интенсивности может вызвать повреждение тканей. См. также ГИДРОЛОКАТОР; УЛЬТРАЗВУК.
Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. М., 1974
Акуличев В.А. Кавитация в криогенных и кипящих жидкостях. М., 1978
Левковский Ю.Л. Структура кавитационных течений. Л., 1978
Иванов А.Н. Гиродинамика развитых кавитационных течений. Л., 1980
Силы поверхностного натяжения. Кавитация in vivo
Минимальное давление перенасыщения. Кавитация in vitro
Почти 100 лет проводятся погружения водолазов и исследования в этой области, а механизмы декомпрессии еще полностью не поняты и разработка декомпрессионных методов еще идёт по пути проб и ошибок. Тем не менее накопленный опыт сделал профессию водолаза реальной и достаточно безопасной. В данной главе рассмотрены физические и биологические принципы, которые, как считают, важны для понимания процесса декомпрессии; дан обзор современной практики проведения декомпрессии, как она осуществляется согласно ряду водолазных справочников; обсуждены проблемы разработки режимов декомпрессии. Представлен метод расчета режимов и описаны серии экспериментов по проведению декомпрессии.
С самых первых дней проведения исследований по декомпрессии предполагали, что нерастворенный газ служит причиной болезни декомпрессии, хотя были предложены также и другие механизмы ее развития. До сих пор газовые пузырьки считают наиболее вероятной причиной болезни декомпрессии, но в настоящее время известно, что они наряду с механическим оказывают и физиологический эффект, который может быть равным или даже более опасным и сохраняться в течение длительного времени.
Тенденция к образованию в жидкости газовых пузырьков или микрополостей, обусловлена величиной давления перенасыщения (АР), которую определяют как разность между совокупностью напряжений компонентов растворенного газа (EPi) и барометрическим давлением (Рв).
Минимальная величина давления перенасыщения, необходимая для образования по крайней мере хотя бы одного газового пузырька, известна как порог перенасыщения.
Считают, что существует два основных механизма возникновения кавитации. Schoenbein в 1837 г. предположил, что пузырьки образуются из ранее существовавших в жидкости газовых мельчайших полостей, известных в настоящее время как газовые зародыши. Doring высказал в 1937 г. мнение о первоначальном образовании газовых пузырьков из микроскопических пустот, образованных круговым движением молекул. По-видимому, оба этих механизма обоснованы, но для первоначального образования газовых зародышей необходима более высокая степень перенасыщения, чем имеющая место при проведении подводных погружений. С другой стороны, газовые зародыши превращаются в пузырьки при перенасыщении, составляющем всего 0,21 кгс/см2. Ниже будут рассмотрены результаты исследований, подтверждающих существование газовых зародышей.
Кавитация in vitro
Приложение гидростатического давления к воде или желатину, особенно с высокой скоростью компрессии, уменьшает число газовых пузырьков, формирующихся при последующей декомпрессии. Считают, что это происходит из-за частичного растворения газовых зародышей во время компрессии. Применение гидростатического давления используют в настоящее время как специфическую пробу на газовые зародыши.
Фильтрация желатина до компрессии также снижает последующее развитие в нем кавитации. Фильтр с радиусом пор 0,45 мкм наполовину уменьшает уровень образования газовых пузырьков и увеличивает порог давления перенасыщения с 1,5 до 2,5 кгс/см2. Фильтр с радиусом пор 0,18 мкм уменьшает уровень образования газовых пузырьков почти в 10 раз и повышает порог давления перенасыщения до 6 кгс/см2.
Для объяснения наблюдаемых явлений Jount и соавт. (1979) предположили, что газовые зародыши соединяются с частицами, имеющими размеры такого же порядка. Размер каждого отдельного зародыша определяет критический уровень перенасыщения жидкости, при котором этот зародыш превращается в газовый пузырек. По мере увеличения перенасыщенности жидкости газом в процесс вовлекаются более мелкие газовые зародыши, что ведет к образованию большого числа пузырьков.
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.
Возникновение газовых пузырьков под действием механических факторов. Диаметры газовых пузырьков
Наконец, есть специалисты, которые считают, что газовые пузырьки в перенасыщенных тканях образуются под действием механических факторов. В настоящее время по этому вопросу имеются две главные концепции. Во-первых, возможно, что движение сустава, при котором могут возникать очень большие силы, или трибонуклеация (tribonucleation), т. е. движение одной поверхности по другой, может повлечь за собой выделение газа из раствора. Во-вторых, возможно, что вихревое движение крови в сердце или в местах бифуркации артерий может вызвать кавитацию и постоянную инжекцию газовых пузырьков в ткани с током крови. Оба этих предположения кажутся вполне справедливыми.
Необходимо поставить специальные утонченные эксперименты, чтобы определить, какое из этих предположений действительно соответствует истине.
С образованием газового пузырька связан дополнительный трудноразрешимый вопрос, требующий знаний процесса роста или уменьшения его объема. При конкретном градиенте давлений гелиевый пузырек в водянистой ткани, по-видимому, будет расти быстрее, чем азотный. В жировой ткани ситуация может быть противоположной.
Трудность даже при попытке дать полуколичественные объяснения состоит в том, что коэффициенты диффузии и растворимость нейтральных газов в различных тканях организма достаточно точно неизвестны. Следовательно, можно согласиться с несколькими мнениями о процессе роста пузырьков без какой-либо возможности узнать, которое из них является верным. Одна из главных трудностей заключается в том, что локализацию пузырька-«нару-шителя» установить пока невозможно.
Указав на такие крупные неопределенности, вероятно, нет смысла вдаваться в детальный анализ процесса. Можно рассмотреть лишь несколько несложных физических моментов. Если удвоить действующее на газовый пузырек с диаметром более 10 мкм давление, то в соответствии с законом Бойля объем газового пузырька уменьшится наполовину. Но если газовый пузырек имеет сферическую форму, то его диаметр уменьшится только на 1/5. Если газовый пузырек в кровеносном сосуде имеет цилиндрическую форму, то длина его уменьшится почти вдвое.
Однако если форма газового пузырька представляет комбинацию первых двух форм, то внутри ткани она может претерпевать значительные изменения.
Следует упомянуть о еще одном интересном моменте. Если диаметр газовых пузырьков становится меньше диаметра просвета капилляра (т. е. приблизительно 10 мкм), то, пока отсутствуют субстанции сурфактанта, поверхностное натяжение таких небольших пузырьков начинает существенно увеличиваться, что приводит к быстрому растворению пузырька. Затем если газовый пузырек попал в кровеносный сосуд, то уменьшение его диаметра до величины менее 10 мкм станет причиной передвижения этого пузырька по капиллярному руслу.
Кроме биофизических факторов, которые подробно обсуждались, имеются и другие подходы к изучению процесса декомпрессии, а следовательно, и управления им. Заслуживает наибольшего внимания работа Chryssanthou (1973), в которой показано, что факторы, стимулирующие гладкие мышцы, вовлечены в патогенез болезни декомпрессии. В настоящее время такие исследования ограничены экспериментами с более тяжелыми формами болезни декомпрессии па мелких животных. Вместе с тем представляет интерес окончательная проверка этих концепций на человеке или крупных животных путем создания легкой степени болезни декомпрессии.
Центральный вопрос теории появления и существования газовых зародышей заключается в том, каким образом они преодолевают силы поверхностного натяжения. Если газовый зародыш является сферическим микропузырьком, то в соответствии с законом Лапласа он должен раствориться, потому что поверхностное натяжение ведет к превышению давления внутри его по отношению к барометрическому.
Jount (1979) предположил, что газовые зародыши являются сферическими микропузырьками, стабилизированными к действию поверхностного натяжения путем образования наружного слоя из поверхностно-активных молекул. По мере того как зародыш начинает растворяться или сжиматься, молекулы наружного слоя более тесно соприкасаются друг с другом, образуя газонепроницаемый барьер. Если чрезмерной компрессией преодолеть механическую прочность наружного слоя, то газовый зародыш спадется, т. е. растворится. Во время декомпрессии, когда внутреннее давление зародыша превысит давление, создаваемое поверхностным натяжением, происходит образование устойчивого газового пузырька.
Ранее было предложено несколько иное объяснение данных явлений, суть которого состоит в том, что газовый зародыш представляет собой наполненную газом мелкую трещину на твердой поверхности. Трещины гидрофобны, т. е. они трудно смачиваются водой. Под влиянием компрессии поверхность соприкосновения газа с жидкостью становится вогнутой, а давление в трещине, согласно закону Лапласа, меньше барометрического. Следовательно, поверхностное натяжение направлено скорее на стабилизацию, чем растворение газового зародыша. Газовый зародыш растворяется, когда чрезмерная компрессия принудит жидкость проникнуть в трещину. Во время декомпрессии» газовый зародыш превращается в пузырек в тот момент, когда поверхность соприкосновения газа с жидкостью превысит по площади полусферу. Расширение этой поверхности за рамки полусферы становится неустойчивым вследствие того, что давление, обусловленное поверхностным натяжением, по мере увеличения радиуса газового зародыша падает.
Описанные модели газовых зародышей пригодны для объяснения экспериментальных данных. Однако самих данных еще недостаточно, чтобы определить, какая из моделей наиболее действенна.
Кавитация in vivo
Проба на гидростатическое давление была использована для поиска доказательств наличия газовых зародышей у животных. В 1969 г. Evans, Walder изучали процесс организования газовых пузырьков у прозрачных креветок. Они подвергали 3 группы, по 50 креветок в каждой, декомпрессии от нормального атмосферного давления до абсолютного давления 0,079 кгс/см2. Одна из групп животных перед декомпрессией была подвергнута действию абсолютного давления 389 кгс/см2. Другую группу действию давления не подвергали. Пузырьки наблюдали у 4 креветок из группы, подвергнутой пробе на гидростатическое давление, и у 48 креветок из группы, которую действию давления не подвергали. Третью группу креветок вначале подвергли действию гипербарии, а затем электрической стимуляции для вызова двигательной активности. У 14 креветок из этой группы после декомпрессии имелись газовые пузырьки.
По данным пробы на гидростатическое давление пузырьки, наблюдаемые у креветок, возникли из газовых зародышей. Сходные эксперименты были проведены с целью определения причастности газовых зародышей к развитию болезни декомпрессии. Три группы крыс подвергали пробному погружению на 2 ч на глубину 73 м. В первой группе, которая в начале погружения имела экскурсию на «глубину» 303 м, наблюдали 64% случаев болезни декомпрессии, возникшей после погружения. Во второй группе, которая совершила в начале опыта экскурсию на «глубину» 183 м, имелось 74% случаев заболевания. В третьей группе, которая не подвергалась экскурсии, зарегистрировали 83% случаев болезни декомпрессии.
И в этом случае проба на гидростатическое давление указывает на присутствие в организме газовых зародышей. Результаты наблюдений о том, что предварительное помещение организма под высокое давление повышает защищенность его от развития болезни декомпрессии, наводят на мысль, что, как и в желатине, газовые зародыши не одинаковы по своим реакциям на изменение давления.
Beyer в 1976 г. провел на рыбах эксперименты, в которых определял роль газовых зародышей в развитии болезни декомпрессии. Рыб приводили в состояние перенасыщения газом «изнутри» путем компрессии с последующей декомпрессией или «снаружи», помещая их в перенасыщенную газом воду при нормальном атмосферном давлении. Перенасыщение «изнутри» включает действие повышенного давления, что не имеет места при перенасыщении «снаружи». У рыб, перенасыщенных «изнутри», при последующей экспозиции под давлением в воздушной среде, эквивалентном глубине 41 м, частота возникновения болезни декомпрессии была такой же, как и у рыб, перенасыщенных «снаружи», но погруженных затем на «глубину» 15 м. Переносимость рыбами, перенасыщенными «изнутри», большей «глубины» явилась следствием разрушения газовых зародышей в период компрессии.
В большинстве статей о химических и биологических эффектах ультразвука отсутствуют убедительные данные, дающие возможность выявить механизм его действия в каждом конкретном случае. Большая часть экспериментов (особенно при воздействии на жидкие среды) проводилась при условиях, когда возникновение кавитации как основного механизма было весьма вероятным. В то же время возможность экстраполяции этих результатов на условия, характерные для тканей млекопитающих, остается неясной. В этой ситуации очевидно, что хорошее объяснение явления кавитации, а также определяющих ее факторов и ограничений важно для достаточно ясного представления о предмете биофизики ультразвукового воздействия. Настоящий раздел как раз и посвящен изучению некоторых аспектов кавитации.
12.2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В литературе существует много определений кавитации. Неппирас [100] определяет кавитацию как явление, при котором в объеме жидкости образуется новая поверхность. Это широкое определение включает в себя кипение и бурную дегазацию. Апфель [2] определил кавитацию как образование одного или нескольких включений газа или полостей в жидкости. Коукли и Найборг [15] используют термин «кавитация» при описании активности — простой или сложной — пузырьков или полостей, содержащих газ или пар, в жидкости или других средах, включающих в себя жидкость.
В этом разделе под акустической кавитацией понимается образование и активизация газовых или паровых полостей (пузырьков) в среде, подвергаемой ультразвуковому воздействию.
По общепринятой терминологии существуют два типа активности пузырьков: стабильная кавитация и коллапсирующая, или нестационарная, кавитация, хотя граница между ними не всегда четко очерчена.
Стабильные полости пульсируют под воздействием давления ультразвукового поля (см. рис. 12.6). Радиус пузырька колеблется
Рис. 12.6. Зависимость радиуса кавитационных пузырьков от времени в ультразвуковом поле: а — стабильная кавитация: полости существуют в течение значительного количества периодов звукового поля, осцилляции происходят вокруг равновесного радиуса; б - коллапсирующая (нестационарная) кавитация: полости осциллируют неустойчиво, растут быстро, схлопываются энергично. Р—действующее звуковое давление, радиус пузырька, время.
около равновесного значения, полость существует в течение значительного числа периодов звукового поля. С активностью такой стабильной кавитации может быть связано возникновение акустических микропотоков и высоких сдвиговых напряжений.
Коллапсирующие или нестационарные полости осциллируют неустойчиво около своих равновесных размеров, вырастают в несколько раз и энергично схлопываются. Их активность проявляется в течение нескольких периодов звукового поля. Схлопыванием таких пузырьков могут быть обусловлены высокие температуры и давления, а также преобразование энергии ультразвука в излучение света или химические реакции.
12.2.2. ОБРАЗОВАНИЕ ПОЛОСТЕЙ
Происхождение пузырьков, растущих и проявляющих активность под действием приложенного акустического поля, всегда было предметом дискуссии.
Большие пузырьки радиусом будут всплывать в жидкости со скоростью, определяемой стоксовой силой вязкого сопротивления и выталкивающей силой:
где плотность жидкости, ту — вязкость жидкости. Пузырек радиусом 10 мкм, например, всплывает со скоростью Более мелкие пузырьки могут растворяться. Рассмотрим пузырек радиусом давление внутри которого обозначим через Если гидростатическое давление в жидкости, то разность давлений на границе пузырька равна
где а — коэффициент поверхностного натяжения. Как следует из приведенного выражения, с уменьшением радиуса пузырька избыточное давление внутри него увеличивается. Для пузырьков радиусом в жидкости, для которой избыточное давление достигает 1,5 атм.
Для ненасыщенной жидкости давление растворенного газа меньше гидростатического давления Из этого следует, что давление внутри пузырька больше давления газа в жидкости и газ будет диффундировать из полости. Следовательно, малые пузырьки в жидкости будут растворяться. Можно рассчитать [33], что в воде, насыщенной газом пузырек радиусом растворится за 7 с.
Поскольку большие пузырьки всплывают под действием выталкивающей силы, а маленькие растворяются, необходимо как-то объяснить существование зародышей, из которых образуются полости. Было предложено несколько гипотез стабилизации газовых или паровых зародышей.
Сетте и Вандерлинг [125] сообщали, что космические лучи, нейтроны и тяжелые ионы могут создавать зародыши кавитации в такой жидкости как вода. В работе [50] описывается образование зародышей кавитации нейтронами и альфа-частицами.
Фокс и Герцфельд [39] выдвинули предположение, что органические молекулы могут формировать оболочку пузырька, которая будет препятствовать диффузии газа из него. Другая теория, выдвинутая Флинном [38] для объяснения стабилизации микропузырьков,
предполагает, что на поверхности пузырька накапливается электрический заряд.
На пылинках и примесных частицах, содержащихся в жидкостях, а также на поверхности сосуда могут существовать микротрещины. Эти микротрещины, также как и твердые частицы, могут служить ловушками для газа. Апфель [1] обсуждал роль частичек примесей в возникновении кавитации. Избыточное давление внутри частичек, задаваемое где радиус частичек, мало, но под действием звука достаточно высокой интенсивности газ может накачиваться в них и полости могут расти. Было показано, что интенсивность звука, необходимая для получения кавитации, заметно повышается при увеличении чистоты жидкости.
Малые пузырьки могут расти вследствие процесса, называемого выпрямленной, или направленной диффузией. Простое объяснение этого явления состоит в том, что за период акустического поля газ поочередно диффундирует в пузырек во время фазы разрежения и из пузырька во время фазы сжатия. Так как поверхность пузырька в фазе разрежения максимальна, суммарный поток газа направлен внутрь пузырька, поэтому пузырек растет. Более детальное объяснение дано Ши и Плессетом в работе [67]. Чтобы пузырек рос за счет выпрямленной диффузии, амплитуда акустического давления должна превысить пороговое значение. Порог выпрямленной диффузии, как полагают, и определяет порог кавитации.
Читайте также: