キャビテーション

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キャビテーションにより壊食した水車

キャビテーション: cavitation)は、液体流れの中で圧力差により短時間にの発生と消滅が起きる物理現象である。空洞現象とも言われる。

この現象は19世紀末に、高速の舶用プロペラが、予想された性能を発揮しなかったことから発見された[1]

現象[編集]

液体の流れの中で圧力がごく短時間だけ(では大気圧の1/50程度の)飽和蒸気圧より低くなったとき、液体中に存在する100ミクロン以下のごく微小な「気泡核」を核として液体が沸騰したり溶存気体の遊離によって小さな気泡が多数生じる。気泡核がなければ気泡も簡単には発生しない。

Cavitation bubble implosion.png

圧力が変化すると沸騰していた気体の体積も変化し泡の大きさが変る。膨張と収縮を繰り返しながら圧力に応じてしだいに小さくなってゆく。小さくなる過程で、プロペラのような硬い表面近くの泡は粘性表面張力も作用して、その表面に張り付きながら泡の遠い側がくぼみ、ジェットの勢いで表面に激突して泡は分裂する。このジェット流で硬い表面にエロージョン(壊食)が発生する。この過程は次の気泡運動力学のレイリー(Rayleigh)の運動方程式で記述される。

R\ddot{R} + \frac{3}{2}\dot{R}^2 = \frac{p-p_\infty}{\rho}
  • R :気泡の半径
  • p , p :気泡表面および外部無限遠の圧力
  • ρ :液体の密度

最終的には周囲の圧力が飽和蒸気圧より高くなり、周囲の液体は泡の中心に向かって殺到して、気泡が消滅する瞬間に中心で衝突するため微小ながら強い圧力波が発生し、騒音振動を発生させる。あまりに圧力が高い場合には金属が破損する場合もある。爆薬の水中爆発によって大量の高圧気泡が発生することによって起きる破壊力を持ったキャビテーションの波をバブルパルスと呼ぶ。

水中でのキャビテーションの作る30ミクロン前後の微小な泡は、50キロヘルツ以上の高周波水中振動波(水中音波)を高い効率で減衰する[2]

支配要因[編集]

キャビテーションを支配する要因として以下が考えられている[1]

これらのうち、流れの状態を表す基本的な無次元数として、キャビテーション数σが定義されている:

\sigma = \frac{p_\infty-p_v}{\frac{1}{2}\rho U_\infty^2}
  • p , U :無限遠の流体の静圧、流速
  • pv , ρ :流体の蒸気圧、密度

また、トーマのキャビテーション数(Thoma's sigma)σT も用いられる。

\sigma_T = \frac{NPSH}{H}

分類[編集]

様子と発生原因による分類[編集]

キャビテーションはその様子と発生原因で以下のように分類できる[1]

トラベリング・キャビテーション
数が少なくて大きい気泡が、物体表面近くを主流に乗って流れていくもの
フィックスド・キャビテーション
1つの大きなキャビティが物体表面についていて、見かけ上動かないもの
ボルテックス・キャビテーション
渦の中心部に発生するもの。他のキャビテーションに比べ、安定で崩壊しにくい特徴がある。
バイブトラリー・キャビテーション
超音波振動子の表面にでき、巨視的な流れがなく、振動子の動きに従って気泡の発生、崩壊を繰り返すもの。

舶用プロペラ[編集]

また、舶用プロペラの場合には以下のような分類がされる:

チップ・ボルテックス・キャビテーション
プロペラ翼端から放出される自由渦の中心が低圧のため、ひも状に発生するもの。
シート・キャビテーション
フィックスド・キャビテーションと同様のもので、翼の前縁付近から発生する膜状のもの。
バブル・キャビテーション
トラベリング・キャビテーションと同様のもので、気泡状のキャビティが翼面上で成長し崩壊するもの。
クラウド・キャビテーション、フォーミング・キャビテーション
シート・キャビテーションが急激に崩壊して、無数の小さなキャビティ群になり雲状になったもの。
ルート・キャビテーション
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実例[編集]

庭の水撒き
勢いよく庭の水撒きをしている時に水道ホースが曲がって狭くなった所が「シャーッ」と音をたてるのは、キャビテーションが発生しているためである。透明なホースでは曲がった直後の数センチだけ、内部の水が白濁しているのが見える[3]
超音波洗浄機
超音波でキャビテーションを発生させ、物体の表面から汚れを落とす。
スクリュープロペラ
キャビテーションの発生は、発生する気泡により、ポンプスクリューなどが十分な水を押し出せない、いわば空回りに近い状態を生み出すため、無駄なエネルギーが消費されて機器の効率を低下させる。また同時に発生する圧力波がこれらの機器の動翼表面のエロージョン(壊食)を起こして、効率を下げたり壊したりすることがある。21世紀潜水艦のスクリューは、水中圧力の低下を出来るだけ抑えたスキュード・プロペラを備えている。東芝機械ココム違反事件で話題になったが、潜水艦がキャビテーションを発生させるのはほぼ海面付近に限られており、数10mも潜航すればキャビテーションは水圧の影響で発生しなくなる。
内燃機関
水冷エンジンのウォーターポンプのインペラが損耗する原因でもある。
ロケットエンジン
日本の宇宙開発が一時期低迷する要因の一つとなったH-IIロケット8号機の打ち上げ失敗(1999年)では、同ロケットLE-7エンジンにおいて燃料となる液体水素を燃焼室に高圧で送り込むためのターボポンプ内において、インデューサと呼ばれるプロペラ後方でキャビテーションが起こり、そのためにプロペラが疲労破損したとことが直接の原因とされた。
クラッキング (関節)
 関節を急激に曲げたときに「ポキッ」と鳴る音。

機器への影響と防止法[編集]

流体機械にとってキャビテーションは一般に害になり、以下のような影響がある。

キャビテーションのを起こさないようにするには、形状と面積の2つの方法がある。

  • 流体の圧力を飽和蒸気圧以下とならないように流体接触面の形状を最適化する。
  • 流体との接触面積を広くすることで飽和蒸気圧以下にならずに必要な力の伝達が行なえるように、プロペラなどを大きくする。

スーパーキャビテーション[編集]

水中で移動する物体の速度を増加させていくと、それにつれてキャビテーションによる気泡の発生する量が増加していき、ついには物体をほぼ完全に覆ってしまう。この現象をスーパーキャビテーションと呼ぶ。この原理を速度向上のために利用した船のプロペラをスーパーキャビテーション・プロペラ(SCP)といい、現在実用化されている。

移動方向の一部を除き水に接触しないことから、水による抗力をほとんど受けず、水中としては常識外れの速度を出すことが可能になる。参考までにロシアのスーパーキャビテーション魚雷シクヴァル」は、この現象を応用したもので、人為的に大量の気泡を先端部から発生させ、そこにできた空洞を弾道とすることで、水中でありながら 200 kt ( 約370km/h ) 以上の速度を実現しているといわれている。

出典[編集]

  1. ^ a b c 加藤洋治 『キャビテーション』 槇書店、1990年ISBN 4-8375-0590-2
  2. ^ 防衛技術協会編 「未来兵器の科学」 日刊工業新聞 ISBN 978-4-526-05883-7
  3. ^ 石綿良三・根本光正著 日本機械学会編 「流れのふしぎ 遊んでわかる流体力学のABC」 2004年08月20日発行 ISBN 978-4-06-257452-5

関連項目[編集]