Kavitaatioilmiön

Kavitaatioilmiö tarkoittaa nesteen tilanmuutosta, jossa paikallinen paine laskee alle nesteen höyrynpaineen. Tämän seurauksena nesteeseen muodostuu höyry- tai kaasukuplia (nucleaatio). Kuplat kasvavat ja lopulta romahtavat nopeasti, jolloin syntyy voimakkaita shock-aaltoja ja mikrovirtauksia. Romahduksen aiheuttamat paikalliset äärilliset paine- ja lämpötilakohdat voivat vaurioittaa pintoja sekä lisätä melua ja tärinää.

Kavitaatio syntyy yleisimmin hydrauliikassa ja akvaarioissa virtaavissa nesteissä, joissa paine- ja nopeusvaihtelut ovat suuria. Tavallisimpia painevaikutuksia aiheuttavia lähteitä ovat potkurit, pumput, turbiinit, venttiilit sekä äärimmäiset virtausolosuhteet. Nesteisiin sekoittuneet kaasukuplat sekä pintajännitys vaikuttavat myös kuplien muodostumiseen ja kasvuun. Ilmiö voi esiintyä sekä nesteissä, joissa höyrynpaine on alhainen, että nesteissä, joissa lämpötila ja painevaihtelut ovat suuria.

Tyypillisiä ilmiön vaihtoehtoja ovat hydrodynaaminen kavitaatio, joka syntyy paineen matalaksi heittäessä virtauksessa, sekä höyrykavitaatio, jossa muodostuu höyrynkuplia kuumuudesta johtuen. Kavitaatiota voidaan mitata ja mallintaa käyttämällä Rayleigh–Plesset -yhtälöä, cavitation-numberia sekä hydrofoneja ja korkealuokkaisia videomittauksia sekä PIV-tekniikoita.

Käyttö ja vaikutus: kavitaatiota hyödynnetään joissakin sovelluksissa kuten ultraäänipuhdistuksessa, nesteiden emulsifioinnissa ja mikrorakenteiden syntetisoimisessa. Toisaalta se aiheuttaa materiaalivaurioita, kuten kulumaa potkureiden ja turbiinien lapoihin sekä melua ja tehosäästöjä, mikä tekee kavitaation hallinnasta ja ehkäisystä tärkeää suunnittelussa ja toiminnassa.