Forskare har besvarat viktiga frågor för att förhindra skador och förbättra säkerheten för hydraulsystem som används för rörledningar, vattenturbiner och andra applikationer.

Arbetet, ledd av ingenjörer vid University of Waterloo, undersöker ett fenomen som kallas kavitation, eller bildandet och kollapsen av destruktiva gasfyllda bubblor till följd av snabba tryckförändringar i vätskor.

Kavitation ligger bakom ett välkänt festtrick som innebär att krossa botten på en vätskefylld flaska genom att slå den öppna toppen med handflatan.

"Tillväxten och kollapsen av kavitationsbubblor är fascinerande, "sa Zhao Pan, en professor i mekanisk och mekatronik som ledde forskningen. "De är vanligtvis små och snabba, men de kan orsaka allvarliga skador även på ytor som hårda legeringar och glas. "

Forskarna utvecklade en teoretisk modell för att förutsäga bildandet och storleken på stora, särskilt skadliga bubblor baserade på acceleration och hastighet av vätskeflöde. Experiment med höghastighetsfotografering validerade teorin.

Information från modellen hjälper ingenjörer att utforma hydraulsystem och utveckla riktlinjer för att minimera slitage, undvika stora misslyckanden, och förbättra teknikens tillförlitlighet.

I festtricket, träffar flaskan orsakar hög acceleration av vätskan i förhållande till flaskans väggar. Det minskar vätskans tryck i botten, utlöser den snabba bildningen av gasbubblor.

När dessa bubblor kollapsar, eller implodera, de skapar tillfälligt höga temperaturer, höghastighetsmikrostrålar och chockvågor. Dessa effekter är tillräckligt kraftfulla för att bryta glaset.

Fenomenet är en vanlig synder i skadade vattenrör och skeppspropeller, till exempel. I extrema fall, det har lett till katastrofala rörfel i vattenkraftverk.

"Å andra sidan, kraften i dessa bubblor kan också utnyttjas för gott, "Pan sa." Kavitation kan användas för att bryta ner njursten, döda bakterier utan att använda kemikalier, och även i produktionen av öl och choklad. "

Pan arbetade tidigare med forskare i Japan och USA om en ny teori om små kavitationsbubblor orsakade av vätskans acceleration som förklarade hur tricket fungerar. Det senaste arbetet utvidgar dessa resultat till att förutsäga stora bubblor. Ett papper om forskningen, På kriterierna för stora kavitationsbubblor i ett rör under en övergående process, visas i Journal of Fluid Mechanics . Pan samarbetade i den nya studien med forskare från Tsinghua University i Kina.