Condividi questa pagina
Invia ad un amico

In primo piano

GAGLIOTTA
Gagliotta on line, Classic Italian Powerboat

AUTONAUTICA DIGLIO
Vendita barche nuove e usate, motori, assistenza

MINICAT
Catamarani a vela, piccoli, leggeri e divertenti


CORSONI YACHT BROKER
Barche usate, finanziamenti e charter

Altri inserzionisti...


SUPERYACHT #521
Settembre 2005

Articolo estratto dalla nostra omonima rivista trimestrale dedicata alle imbarcazioni più grandi e lussuose con fotografie, schede tecniche, articoli didattici, ultime notizie e novità dal mercato


Sommario

Annuario
della nautica

Impressioni
di navigazione

Barche usate

Boatshow

Video Nautica

Articolo di
Angelo Sinisi

IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE

Il fenomeno della cavitazione fu previsto da Eulero nel 1750, cioè un secolo prima che fosse rilevato sperimentalmente. Fin da allora questo grande scienziato aveva chiaramente descritto le condizioni per le quali lo stesso si sarebbe potuto realizzare. Il fenomeno della cavitazione nelle eliche navali è di estrema importanza. Le tendenze di tutti i tempi sono state quelle di ottenere velocità sempre più elevate. La spinta specifica per cm2 di pala, con l'aumento delle potenze per asse, si è indirizzata a superare la pressione statica totale (atmosfera + battente) che si sviluppa sulle pale dell'elica. In tali condizioni estreme di carico si verificano delle anomalie nel funzionamento dell'elica, con degradazioni delle prestazioni e del rendimento, anomalie che vanno appunto sotto il nome di cavitazione.

Il fenomeno della cavitazione si manifestò per la prima volta su eliche navali nel 1856 durante alcuni esperimenti eseguiti dal francese Sig. George Rennie. Si constatò che aumentando l'immersione dell'elica la spinta cresceva. La vera natura del fenomeno non fu allora individuata e l'autore della ricerca si limitò a concludere che il rendimento dell'elica aumenta con l'aumentare dell'immersione.

Nel 1892 il costruttore francese A. Normand fece esperimenti simili a quelli di Rennie, ma in più mise in evidenza che la spinta non aumenta con l'aumentare dei giri perché esiste un numero di giri critico, che aumenta con l'aumentare dell'immersione, oltre il quale la spinta crolla. Dopo pochi anni il fenomeno della cavitazione, nome proposto da R. E. Froude, fu studiato nel primo tunnel a circolazione d'acqua realizzato dal costruttore Parsons. Negli anni successivi fu costruito un tunnel di cavitazione più grande con, per la prima volta, il sistema stroboscopico di osservazione con cui si poté fotografare il fenomeno.

Il sistema stroboscopico, per mezzo di una luce intermittente regolabile, realizza un apparente rallentamento, fino alla quiete e al cambiamento di verso.


Figura 1 - Curva delle pressioni in un corpo immerso

Quando un corpo, immerso in acqua, è investito da una corrente, si ha che i filetti fluidi modificano il loro percorso, per cui la velocità e conseguentemente la pressione, assumono valori diversi da punto a punto. Nella Figura 1 il corpo immerso alla profondità h è investito da un flusso che ha una velocità V0. Ph e Pa sono rispettivamente la pressione corrispondente all'immersione h e la pressione atmosferica. Quindi la pressione statica totale è P0 = Ph + Pa.

I filetti fluidi giunti al punto I si aprono e si addensano nel punto II , che si trova nella parte più larga del corpo, per poi divergere e riprendere l'andamento iniziale dopo aver superato il corpo. Nel punto I la velocità è nulla e la pressione PI per il teorema di Bernoulli è PI = P0 + ½ρV0².

Nel punto II la velocità del fluido è VII e si ha PII = P0 + ½ρV0² - ½ρVII². Se VII è superiore a V0, PII è più piccolo di P0 e quindi inversamente proporzionale a VII.

Al limite potrebbe essere PII = 0, per cui i filetti fluidi si staccano dalla parete del corpo formando una cavità. Con il diminuire della pressione si raggiunge la tensione "e" del vapore d'acqua saturo alla temperatura ambiente e l'acqua evapora, cioè si ha l'evaporazione a freddo. Le bolle di vapore, così formate, sono trascinate dalla corrente verso zone dove la pressione aumenta e si condensano di nuovo. Quindi il fenomeno della cavitazione, come sopra descritto, modifica il campo fluidodinamico intorno al corpo immerso.

 



Figura 2 - Cavità causata da un filetto fluido che si stacca dalla parete del corpo



Figura 3 - Cavitazione a valle di strozzatura in una tubazione



Figura 4 - Schema di una struttura molecolare dell'acqua



Figura 5 - Cavitazione a bolle



Figura 6 - Cavitazione a lamina



Figura 7 - Sezione di una pala di elica supercavitante

 
Il filetto fluido (Figura 2), invece di seguire il percorso OABEDFG, lascia la superficie nel punto B passando per C e toccando violentemente con un urto il corpo nel punto D , dove per aumentata pressione la cavità si dissolve, proseguendo per i punti F e G . Nella zona intorno al punto D si ha una rapida condensazione delle bolle di vapore in piccolissime goccioline che colpiscono violentemente la superficie del corpo immerso. Il materiale del corpo difficilmente resiste a questo bombardamento. Le prime erosioni aumentano il fenomeno, il quale si estende provocando fessure ed anche rotture. Ovviamente questo fenomeno provoca onde sonore ed ultrasonore e possibili vibrazioni.

Un percorso così tormentato agisce in modo negativo sul coefficiente di portanza e di resistenza di un'ala portante o di una pala di elica, e quindi sul rendimento.

La soglia di cavitazione cresce all'aumentare della pressione e all'accrescimento della purezza dell'acqua, inoltre sale al diminuire della temperatura dell'acqua. Infatti, con il diminuire della temperatura la solubilità dei gas in acqua aumenta, mentre il numero e le dimensioni delle bolle di gas libero diminuicono.

La struttura molecolare dell'acqua non è uniforme. Infatti, come è schematizzato nella Figura 4 , la distanza tra le molecole non è uguale e quindi anche la reciproca forza di attrazione. Inoltre vi sono zone o punti di vuoto, sacche di gas e corpi estranei, a volte, non totalmente bagnati. Come la pressione diminuisce le sacche di aria si dilatano, il liquido evapora ed il vapore le riempie. La presenza di impurità è di maggior peso all'inizio della cavitazione.

La cavitazione può essere a bolle o a lamina. Nella cavitazione a bolle (Figura 5) si formano e si dissolvono, in modo pulsante, grosse bolle di vapore, visibili ad occhio nudo. Una bolla di cavitazione nel punto A , dove la pressione è uguale a quella del vapore d'acqua saturo "e" , si dilata e va gradatamente aumentando la sua dimensione, poiché la pressione esterna diventa inferiore ad "e" . Tale aumento prosegue fino al punto B , dove la pressione esterna è risalita al valore "e" . La bolla rapidamente si riduce fino a condensarsi completamente nel punto C .

Dopo l'implosione della bolla si riforma una seconda bolla che si condensa in D , ecc.. Nei punti d'implosione si hanno pressioni dinamiche elevatissime e quindi corrosioni nel materiale. La cavitazione a bolle è agevolata dalla presenza nel fluido di grandi nuclei di cavitazione ed il fenomeno ha una certa durata, cioè un relativo lento movimento.

Invece se il movimento aumenta, cioè si ha una velocità elevata, il liquido non riesce ad evaporare, i filetti fluidi si staccano dal corpo e creano una cavità piena di vapore. Questo tipo di cavitazione è denominato "cavitazione a lamina" ( Figura 6 ). La cavitazione a lamina è meno pericolosa per la corrosione perché ha una minore quantità di liquido evaporato e condensato. Anzi, se la cavità ricopre completamente il corpo e si chiude lontano dal bordo di uscita, la condensazione avviene lontano da esso ed ogni pericolo di danneggiamento del materiale scompare. Una cavitazione di tal genere si chiama supercavitazione.

Le eliche denominate supercavitanti sfruttano la supercavitazione ed hanno sezioni (Figura 7) disegnate in modo da poter sfruttare bene il fenomeno. Quindi sono eliche adatte ad una elevata velocità di avanzamento.

Non sempre la cavitazione è negativa. Infatti, per realizzare sotto carena la fuoriuscita del gas di scarico dei motori propulsivi, si utilizza, come aspirazione, la depressione di una cavitazione come quella del tubo Venturi ( Figura 3 ) .

Va inoltre osservato che l'effetto negativo della cavitazione non dipende tanto dalla maggiore estensione di cavitazione quanto dal suo carattere di intermittenza, che è causa di vibrazioni, originato dalla disuniformità della scia, causata dalle appendici e dalle forme di poppa. Quindi il problema della previsione di questo fenomeno può diventare d'importanza anche superiore rispetto all'obiettivo primario della massima efficienza dell'elica.