キャビテーション

キャビテーションとは

キャビテーション（cavitation）とは、液体の流れの中で、圧力の変動によって短時間に気泡が発生し、その後消滅する物理現象です。日本語では空洞現象とも呼ばれます。この現象は、19世紀末に高速船のプロペラが期待された性能を発揮できなかったことから発見されました。

現象のメカニズム

液体の流れの中で、圧力が一時的に液体の飽和蒸気圧を下回ると、液体中に存在する微小な気泡核が成長し、多数の気泡が発生します。この時、液体は沸騰したり、溶存していた気体が遊離したりします。発生した気泡は、圧力の変化に応じて膨張と収縮を繰り返しますが、最終的には周囲の圧力によって潰れ、消滅します。気泡が崩壊する際、その中心部では非常に高い圧力が発生し、衝撃波が生じます。この衝撃波が、プロペラなどの固体表面に衝突すると、浸食（エロージョン）を引き起こします。この現象は、レイリーの運動方程式によって記述されます。


math
R\frac{d^{2}R}{dt^{2}}+\frac{3}{2}\left(\frac{dR}{dt}\right)^{2}={\frac{p-p_{\infty }}{\rho }}


ここで、

`R`: 気泡の半径
`p`、`p_∞`: 気泡表面と無限遠の圧力
`ρ`: 液体の密度


気泡が消滅する際には、周囲の液体が中心に殺到し、その衝突により微小ながら強い圧力波が発生します。この圧力波が騒音や振動の原因となり、時には金属を破損させることもあります。特に、水中爆発などで発生する高圧気泡による破壊的な波は「バブルパルス」と呼ばれます。



また、水中でのキャビテーションによって生じる微小な泡は、高周波の水中音波を減衰させる性質があります。

キャビテーションを支配する要因

キャビテーションの発生には、以下の要因が関与しています。

物体の形状や表面粗さ
流れの圧力、速度、乱流
液体の物性（蒸気圧、表面張力、粘性、圧縮性など）
液体中の不純物（固体、気体）
物体表面の状態、濡れ性

これらの要因を総合的に評価するために、キャビテーション数 σ が用いられます。

math
\sigma ={\frac{p_{\infty }-p_{v}}{{\frac{1}{2}}\rho U_{\infty }^{2}}}


ここで、

`p_∞`, `U_∞`: 無限遠の流体の静圧、流速
`p_v`: 流体の蒸気圧
`ρ`: 流体の密度


また、トーマのキャビテーション数 `σ_T` も用いられることがあります。

math
\sigma _{\rm {T}}={\frac{NPSH}{H}}


ここで、

`NPSH`: 有効吸込みヘッド
`H`: 全揚程

キャビテーションの分類

キャビテーションは、その発生状況や原因によって、以下のように分類されます。

トラベリング・キャビテーション: 少ない数の大きな気泡が、物体表面近くを流れに乗って移動するもの。
フィックスド・キャビテーション: 大きな気泡が物体表面に固定されて見えるもの。
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。安定で崩壊しにくい。
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発生し、振動子の動きに合わせて気泡が生成・消滅を繰り返すもの。


船舶用プロペラにおいては、さらに詳細な分類がなされます。

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渦の中心に発生するひも状の気泡。
シート・キャビテーション: 翼の前縁付近から発生する膜状の気泡。
バブル・キャビテーション: 翼面上で気泡が成長・崩壊するもの。
クラウド・キャビテーション: シート・キャビテーションが崩壊して無数の小さな気泡群になるもの。
ルート・キャビテーション: 翼の表面に付着して見えるシート状の気泡。単一の場合と複数の場合がある。

キャビテーションの実例

キャビテーションは、私たちの身近な場所でも見られます。

庭の水撒き: ホースが曲がった場所で水が白濁して見えるのは、キャビテーションが発生しているためです。
超音波洗浄機: 超音波によってキャビテーションを発生させ、汚れを落とします。
スクリュー[[プロペラ]]: キャビテーションは、プロペラの効率を低下させ、損傷の原因となります。潜水艦のプロペラでは、キャビテーションを抑制する工夫がされています。しかし、水深が深くなれば水圧によってキャビテーションの発生は抑制されます。
ポンプ: 多くのポンプでは、キャビテーションが発生しやすく、性能低下や損傷の原因となります。
液圧システム: 配管やバルブ内の流れの不均一な箇所でキャビテーションが発生しやすい。
内燃機関: エンジンのウォーターポンプ内部でもキャビテーションが発生し、部品の損耗の原因となります。
ロケットエンジン: ターボポンプでは、キャビテーションがトラブルの原因となることがあります。
関節: 関節を急激に動かしたときに鳴る音は、キャビテーションが原因であるという説もあります。
テッポウエビ: 鋏を閉じることでキャビテーションを発生させ、獲物を捕獲します。
モンハナシャコ: パンチの際に腕の周りにキャビテーションが発生します。

機器への影響と防止法

キャビテーションは、流体機械にとって有害な現象です。具体的には、

性能劣化、部品破損
機器表面の壊食
振動や騒音の発生

などの影響があります。

キャビテーションを抑制するためには、以下の対策が考えられます。

流体接触面の形状を最適化し、圧力が飽和蒸気圧以下にならないようにする。
流体との接触面積を広げ、圧力を上げずに必要な力を伝達できるようにする。

スーパーキャビテーション

物体が水中で高速で移動すると、キャビテーションによって物体全体が気泡で覆われる現象が起こります。これをスーパーキャビテーションと呼びます。スーパーキャビテーションを利用することで、水との抵抗を大幅に減らし、高速での水中移動が可能になります。旧ソ連の魚雷「シクヴァル」は、この原理を利用して高速化を実現しています。

関連用語

混相流
スーパーキャビテーション
バブルパルス
水撃作用
モンハナシャコ
* テッポウエビ

この情報が、キャビテーションへの理解を深める一助となれば幸いです。

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