キャビテーション

流体力学および流体工学におけるキャビテーションとは、通常、液体の静圧が液体の蒸気圧以下に低下し、液体内に小さな蒸気で満たされた空洞が形成される現象を指します。 ^[1]これらの空洞は「気泡」または「空隙」と呼ばれ、高圧にさらされると崩壊し、機械を損傷する可能性のある衝撃波を発生させます。これらの衝撃波は、破裂した気泡に非常に近いときは強力ですが、破裂から遠ざかるにつれて急速に弱まります。キャビテーションは、一部の工学分野では摩耗の大きな原因です。金属表面近くで破裂する崩壊した空隙は、繰り返される破裂によって周期的な応力を引き起こします。その結果、金属の表面疲労が発生し、「キャビテーション」とも呼ばれるタイプの摩耗が発生します。この種の摩耗の最も一般的な例は、ポンプのインペラと、液体の方向が突然変わる曲がり角です。キャビテーションは通常、慣性（または過渡的）キャビテーションと非慣性キャビテーションの 2 つの動作クラスに分類されます。

液体中の気泡や空隙が急速に崩壊して衝撃波を発生させる現象を慣性キャビテーションという。慣性キャビテーションは自然界ではシャコやテッポウエビの打撃部や植物の維管束組織で発生する。工業製品では、制御弁、ポンプ、プロペラ、インペラなどで発生することがある。^{[2] [3]}

非慣性キャビテーションは、音響場などの何らかのエネルギー入力により、流体内の気泡の大きさや形状が強制的に振動するプロセスです。気泡内のガスには、液体の蒸気相とは異なるガスの一部が含まれている場合があります。このようなキャビテーションは、超音波洗浄槽でよく使用され、ポンプ、プロペラなどでも観察されます。

空隙の崩壊によって形成される衝撃波は部品に重大な損傷を与えるほど強力であるため、キャビテーションは機械において通常望ましくない現象である（ただし、汚染された手術器具の殺菌、浄水システムにおける汚染物質の分解、白内障手術や腎臓結石の砕石術のための組織の乳化、流体の均質化など、意図的に使用される場合は望ましい）。タービンやプロペラなどの機械の設計では特に防止されることが非常に多く、キャビテーションの排除は流体力学の研究における主要分野である。ただし、スーパーキャビテーションなど、気泡が機械から離れて崩壊する場合は有用であり、損傷を引き起こさないこともある。

慣性キャビテーションは、19 世紀後半に初めて観察され、液体内の球状の空洞の崩壊が考えられました。液体の体積が十分に低い圧力にさらされると、破裂して空洞が形成されることがあります。この現象はキャビテーション発生と呼ばれ、高速回転するプロペラのブレードの後ろや、十分な振幅と加速度で液体内で振動する表面で発生する可能性があります。流れの速い川は、特に滝などの落差がある場合に、岩の表面にキャビテーションを引き起こす可能性があります。^{[引用が必要]}

蒸気ガスは周囲の媒体からキャビティ内に蒸発するため、キャビティは真空ではなく、むしろ低圧の蒸気（ガス）泡である。泡が下流に移動するなど、泡の形成を引き起こした条件がなくなると、周囲の液体は高圧のために内破し始め、内側に移動するにつれて勢いを増す。泡が最終的に崩壊すると、周囲の液体の内向きの運動量により、内部の蒸気の圧力と温度が急激に上昇する。泡は最終的に元の大きさのごく一部にまで崩壊し、その時点で内部のガスはかなり激しいメカニズムによって周囲の液体に消散し、音響衝撃波と可視光の形でかなりの量のエネルギーが放出される。完全に崩壊した時点で、泡内の蒸気の温度は数千ケルビン、圧力は数百気圧になることがある。^[4]

キャビテーション発生の物理的プロセスは沸騰に似ています。両者の主な違いは、蒸気の形成に先立つ熱力学的経路です。沸騰は、液体の局所温度が飽和温度に達したときに発生し、さらに熱が供給されて液体が十分にガスに相変化します。キャビテーション発生は、局所圧力が飽和蒸気圧（特定の温度での液体の引張強度によって決まる値）より十分に低くなったときに発生します。^[5]

キャビテーションの発生には、キャビテーション「泡」が核形成できる表面が一般的に必要です。この表面は、容器の側面、液体内の不純物、または液体内の小さな未溶解のマイクロバブルによって提供されます。疎水性表面が小さな泡を安定化することは一般的に認められています。これらの既存の泡は、ブレイクの閾値と呼ばれる閾値圧力未満の圧力にさらされると、無制限に成長し始めます。^[6]キャビテーション核内の非圧縮性コアの存在により、キャビテーション閾値はブレイクの閾値未満に大幅に低下します。^[7]

ここでの蒸気圧は、大気中の水分の分圧が 100% 飽和度未満の値にあることを表す気象学上の蒸気圧の定義とは異なります。キャビテーションに関連する蒸気圧は、平衡状態における蒸気圧を指すため、より正確には平衡 (または飽和)蒸気圧として定義できます。

非慣性キャビテーションは、音響場の強度が泡の完全崩壊を引き起こすには不十分な場合に、液体内の小さな泡が音響場の存在下で振動を強いられるプロセスです。この形式のキャビテーションは、慣性キャビテーションよりも侵食が大幅に少なく、シリコン ウェーハなどの繊細な材料の洗浄によく使用されます。

キャビテーション ボイドを生成する他の方法としては、強力なレーザー パルス (光学キャビテーション) や火花による放電など、局所的なエネルギーの蓄積があります。これらの技術は、局所的な温度上昇で液体を局所的に沸騰させることによって実際に生成される泡の進化を研究するために使用されています。

流体力学的キャビテーションは、局所的な圧力の低下とその後の上昇の結果として流動液体内で発生する蒸発、気泡生成、および気泡内破裂のプロセスです。キャビテーションは、局所的な圧力が液体の飽和蒸気圧を下回る点まで低下し、その後蒸気圧を超えて回復した場合にのみ発生します。回復圧力が蒸気圧を超えていない場合は、フラッシュが発生したとみなされます。パイプ システムでは、キャビテーションは通常、運動エネルギーの増加 (面積の狭窄による) またはパイプの高さの増加の結果として発生します。

流体キャビテーションは、特定の流速で狭いチャネルに液体を通過させるか、または液体内で物体を機械的に回転させることによって生成されます。狭いチャネルの場合、システムの特定の (または独自の) 形状に基づいて、圧力と運動エネルギーの組み合わせによって、局所的な狭窄部の下流に流体キャビテーション空洞が形成され、高エネルギーのキャビテーション気泡が生成されます。

熱力学的相変化図に基づくと、温度の上昇は沸騰として知られる既知の相変化メカニズムを開始する可能性がある。しかし、静圧の低下は多相図を通過し、キャビテーションとして知られる別の相変化メカニズムを開始するのにも役立つ可能性がある。一方、流速の局所的な増加は、キャビテーションが開始される臨界点まで静圧の低下につながる可能性がある（ベルヌーイの定理に基づく）。臨界圧力点は蒸気飽和圧力である。流れの漏れが検出されない閉鎖流体システムでは、断面積の減少は速度の増加、したがって静圧の低下につながる。これは、水処理、エネルギーハーベスティング、熱伝達強化、食品加工などのさまざまな用途向けの多くの流体力学的キャビテーションベースのリアクターの動作原理である。^[8]

キャビテーション流が進行するにつれて、開始、発達流、スーパーキャビテーション、チョーク流など、さまざまな流れのパターンが検出されます。開始は、第 2 相 (ガス相) がシステム内に現れる最初の瞬間です。これは、システム内で捕捉される最も弱いキャビテーション流であり、最高のキャビテーション数に対応します。キャビティが成長してオリフィスまたはベンチュリ構造のサイズが大きくなると、発達流が記録されます。最も強いキャビテーション流はスーパーキャビテーションと呼ばれ、理論的にはオリフィスのノズル領域全体がガス泡で満たされます。この流れの状態は、システム内の最低のキャビテーション数に対応します。スーパーキャビテーションの後、システムはそれ以上の流れを通過できなくなります。したがって、上流圧力が上昇しても速度は変化しません。これによりキャビテーション数が増加し、チョーク流が発生したことが示されます。^[9]

気泡生成のプロセスと、それに続くキャビテーション気泡の成長と崩壊により、非常に短時間、気泡の表面で非常に高いエネルギー密度と非常に高い局所温度および局所圧力が発生します。したがって、液体媒体の全体的な環境は周囲条件のままです。制御されていないキャビテーションは損傷を引き起こします。ただし、キャビテーションの流れを制御することで、その力を非破壊的に利用することができます。制御されたキャビテーションは、キャビテーション気泡に閉じ込められた蒸気の解離によりプロセス中にフリーラジカルが生成されるため、化学反応を強化したり、予期しない特定の反応を伝播したりするために使用できます。^[10]

オリフィスとベンチュリはキャビテーションの発生に広く使用されていると報告されている。ベンチュリは滑らかな収束部と発散部を備えているため、一定の圧力降下に対してスロートでより高い流速を生成できるという点でオリフィスよりも本質的に優れている。一方、オリフィスには、パイプの一定の断面積内により多くの穴（穴の周囲長が大きい）を収容できるという利点がある。^[11]

キャビテーション現象は、高速船舶や発射体の性能を向上させるため、また材料処理技術や医療などにおいて制御することができます。液体中のキャビテーション流を制御するには、キャビテーション過程の数学的基礎を進歩させるしかありません。これらの過程はさまざまな形で現れますが、最も一般的で制御が有望なのは気泡キャビテーションとスーパーキャビテーションです。最初の正確な古典的解決法は、おそらく1868年のヘルマン・フォン・ヘルムホルツによるよく知られた解決法であると言えるでしょう。 ^[12]自由境界を持つキャビテーション流とスーパーキャビテーションの理論に関する学術的タイプの最も初期の著名な研究は、Jets, wakes and cavities ^[13]という本で出版され 、その後にTheory of jets of ideal fluidが出版されました。^[14]これらの本では、複素変数の関数の等角写像というよく発達した理論が広く使用されており、平面問題に対する多数の正確な解を導き出すことができました。既存の厳密解と近似モデルやヒューリスティックモデルを組み合わせた別の研究としては、自由境界を持つ流れの流体力学^[15]の研究が挙げられ 、この研究では空洞膨張の独立性の原理、脈動の理論、細長い軸対称空洞の安定性などに基づいて適用計算技術を改良した。^{[16]また、}容器の流体力学の問題における次元と相似法^[17]の研究でも検討されている。

これらの研究の自然な継続は、最近発表された「キャビテーション流の流体力学」^[18]で 発表されました。これは、この分野における過去30年間の最高の進歩をすべて網羅し、数学研究の古典的な方法とコンピュータ技術の最新の機能を融合した百科事典的な作品です。これらには、3Dキャビテーション問題を解く非線形数値法の詳細化、既知の平面線形理論の改良、軸対称およびほぼ軸対称の流れの漸近理論の開発などが含まれます。古典的なアプローチと比較すると、新しい傾向は理論を3Dの流れに拡張することを特徴としています。また、これは、スーパーキャビテーション体の流体力学に関する応用的な性格の現在の研究と一定の相関関係を反映しています。

流体力学的キャビテーションは、いくつかの工業プロセスを改善することもできる。例えば、乾式製粉施設では、キャビテーションを起こしたトウモロコシスラリーは、キャビテーションを起こしていないトウモロコシスラリーと比較して、エタノール生産においてより高い収率を示す。^[19]

これは生体難治性化合物の鉱化にも利用されていますが、このプロセスではキャビテーション気泡内に閉じ込められた蒸気の解離によりフリーラジカルが生成されるため、通常は極めて高い温度と圧力の条件が必要になります。その結果、化学反応が激化したり、通常の条件下では不可能な特定の反応が進行したりする可能性があります。^[20]

慣性キャビテーションは、音響場がある場合にも発生することがあります。液体中に通常存在する微細な気泡は、音響場の印加により振動を強いられます。音響強度が十分に高い場合、気泡はまず大きくなり、その後急速に崩壊します。したがって、液体の希薄化がレイリーのような空隙を発生させるのに不十分な場合でも、慣性キャビテーションが発生する可能性があります。

超音波キャビテーションは、超音波源の加速度が必要な圧力降下を生じるのに十分であるときに始まります。この圧力降下は、加速度の値と圧力波の影響を受ける体積の大きさによって決まります。超音波キャビテーションを予測する無次元数はガルシア・アタンス数です。高出力超音波ホーンは、均質化、分散、脱凝集、浸食、洗浄、粉砕、乳化、抽出、崩壊、および超音波化学に使用できるキャビテーション領域を作成するのに十分な加速度を生成します。

液体では主にキャビテーションが発生しますが、気体でも高速で流体力学を持つため、ある程度は存在します。^{[21] [22]}たとえば、先端が平らな弾丸は、先端が鋭い弾丸に比べてキャビテーションを発生させるため、水中でより速く移動します。空力キャビテーションに最適な形状は砂丘です。これは、風に対する抵抗が最小限になるような形状です。航空機やさまざまな高速車両に取り付けられた小さな砂丘のある表面では、空気に対する総摩擦が数倍減少します。砂丘の表面は空気を上向きに押し上げ、空気圧の低下により摩擦が減少します。砂丘は正面抵抗を増加させる可能性がありますが、水中の弾丸で起こるように、総摩擦面積の減少によって補われます。その結果、航空機または車両の速度が大幅に増加します。^[23]

産業界では、塗料混合物や牛乳などのコロイド液体化合物内の浮遊粒子を均質化する、つまり混合して分解するために、キャビテーションがよく使用されます。多くの工業用混合機は、この設計原理に基づいています。これは通常、インペラの設計によって、または狭い入口オリフィスと非常に大きな出口オリフィスを備えた環状の開口部に混合物を強制的に通すことによって実現されます。後者の場合、液体がより大きな容積に加速されるときの圧力の急激な低下によってキャビテーションが誘発されます。この方法は、入口オリフィスのサイズを制御する油圧装置を使用して制御できるため、プロセス中に動的調整を行ったり、さまざまな物質に合わせて変更したりできます。キャビテーション気泡が押し付けられて内破するこのタイプの混合バルブの表面は、非常に大きな機械的および熱的な局所的ストレスを受けます。そのため、多くの場合、ステンレス鋼、ステライト、または多結晶ダイヤモンド(PCD) などの非常に強くて硬い材料で作られています。

キャビテーション浄水装置も設計されており、キャビテーションの極限状態によって汚染物質や有機分子を分解することができます。超音波化学反応で放出される光のスペクトル分析により、化学的およびプラズマベースのエネルギー伝達メカニズムが明らかになります。キャビテーション気泡から放出される光は、ソノルミネセンスと呼ばれます。

この技術は植物油のアルカリ精製に利用され、成功を収めている。^[24]

疎水性化学物質は、気泡と液体の水との間の圧力差によって結合するため、キャビテーションによって水中に引き寄せられます。この効果はタンパク質の折り畳みを助ける可能性があります。^[25]

キャビテーションは衝撃波結石破砕術において腎臓結石の破壊に重要な役割を果たしている。^{[26]現在、キャビテーションを利用して大きな分子を生物}細胞内に導入できるかどうかの試験（ソノポレーション）が行われている。窒素キャビテーションは細胞膜を溶解しながら細胞小器官を無傷のままにするための研究に用いられる方法である。

キャビテーションは、様々な疾患の治療における非熱的、非侵襲的な組織の分割において重要な役割を果たしており^{[27] 、}血液脳関門を開いて脳内の神経薬の吸収を高めるためにも使用できる^{[28] 。}

キャビテーションは、癌に対する非侵襲的な熱治療方法であるHIFUでも重要な役割を果たしている。^[29]

高速衝撃による傷（例えば銃創）にも、キャビテーションによる影響があります。一時的なキャビテーション、永久的なキャビテーション、そして圧迫、引き裂き、伸張を伴うものなど、正確な創傷メカニズムはまだ完全には解明されていません。また、体内の密度のばらつきが大きいため、その影響を判断するのは困難です。^[30]

超音波は、手術後の骨形成を促進するために使用されることもあります。^[31]

指の関節を「ポキポキ鳴らす」音は、関節内の滑液の空洞化が崩壊することによって生じると考えられています。 ^[32]

キャビテーションはオゾンマイクロナノバブルを形成することもあり、歯科用途に有望である。^[33]

工業用洗浄アプリケーションでは、キャビテーションは粒子と基板の接着力を克服して汚染物質を緩めるのに十分な力を持っています。キャビテーションを開始するために必要な閾値圧力は、パルス幅と電力入力に大きく依存します。この方法は、洗浄液に音響キャビテーションを発生させ、汚染物質粒子を拾い上げて運び去り、洗浄対象物に再付着しないようにします (対象物が超音波洗浄槽などに浸漬されている場合、再付着する可能性があります)。汚染物質を除去する同じ物理的力は、洗浄対象物を損傷する可能性もあります。

キャビテーションは卵の低温殺菌に応用されている。穴の開いたローターがキャビテーションの泡を発生させ、液体を内側から加熱する。装置の表面は通過する液体よりも冷たいままなので、古い装置の熱い表面のように卵が固くなることはない。キャビテーションの強さは調整可能で、タンパク質の損傷を最小限に抑えるプロセスを調整することができる。^[34]

キャビテーションは2011年から植物油の脱ガムと精製に適用されており、この用途では実証済みの標準技術と考えられています。脱ガムと精製プロセスに流体力学的キャビテーションを導入することで、化学薬品、水、漂白粘土などのプロセス補助剤の使用を大幅に削減できます。^{[35] [36] [37] [38] [39]}

キャビテーションは2011年からバイオディーゼル生産に適用されており、この用途では実証済みの標準技術と考えられています。エステル交換プロセスに流体力学的キャビテーションを導入することで、触媒使用量の大幅な削減、品質の向上、生産能力の向上が可能になります。^{[40] [41] [42]}

キャビテーションは通常、望ましくない現象です。プロペラやポンプなどの装置では、キャビテーションは大きな騒音、部品の損傷、振動、効率の低下を引き起こします。キャビテーションによる騒音は、パッシブソナーによって検出されやすくなる可能性があるため、特に海軍艦艇では望ましくありません。キャビテーションは、潮流タービンのブレード表面で発生する可能性があるため、再生可能エネルギー分野でも懸念されています。^[43]

キャビテーションの泡が崩壊すると、高エネルギーの液体が極めて小さな体積に押し込まれ、高温のスポットが作られ、衝撃波が放出されます。この衝撃波が騒音源となります。キャビテーションによって発生する騒音は軍用潜水艦にとって特に問題で、パッシブソナーに探知される可能性が高くなります。

小さな空洞の崩壊は比較的エネルギーの低い出来事ですが、非常に局所的な崩壊は時間の経過とともに鋼鉄などの金属を侵食する可能性があります。^[44]空洞の崩壊によって引き起こされるピットは部品に大きな摩耗を引き起こし、プロペラやポンプの寿命を劇的に短くする可能性があります。

表面が最初にキャビテーションの影響を受けると、その表面は加速度的に侵食される傾向があります。キャビテーションピットは流体の流れの乱流を増加させ、追加のキャビテーション気泡の核形成部位として機能する隙間を作り出します。また、ピットは部品の表面積を増加させ、残留応力を残します。これにより、表面は応力腐食を起こしやすくなります。^[45]

キャビテーションが発生する主な場所は、ポンプ内、プロペラ上、または流れる液体の制限部分です。

インペラ（ポンプの場合）またはプロペラ（船や潜水艦の場合）のブレードが流体中を移動すると、流体がブレードの周りで加速して通過するため、低圧領域が形成されます。ブレードの動きが速いほど、その周囲の圧力が低くなります。蒸気圧に達すると、流体は蒸発して小さなガスの泡を形成します。これがキャビテーションです。後で泡が崩壊すると、通常、流体に非常に強い局所的な衝撃波が発生し、それが聞こえる場合があり、ブレードを損傷することもあります。

ポンプのキャビテーションは、次の 2 つの異なる形で発生する可能性があります。

吸入キャビテーションは、ポンプの吸入が低圧/高真空状態にあり、ポンプのインペラの眼で液体が蒸気に変わるときに発生します。この蒸気はポンプの吐出側に運ばれ、そこでは真空状態がなくなり、吐出圧力によって圧縮されて液体に戻ります。この内破作用は激しく発生し、インペラの表面を攻撃します。吸入キャビテーション状態で動作していたインペラは、その表面から大きな塊の材料が除去されたり、非常に小さな材料の破片が除去されたりして、インペラがスポンジのように見えることがあります。どちらの場合も、ベアリングの故障が原因でポンプが早期に故障する原因になります。吸入キャビテーションは、ポンプのケーシング内で砂利やビー玉のような音がすることで特定されることがよくあります。

吸入キャビテーションの一般的な原因としては、フィルターの詰まり、吸入側のパイプの詰まり、配管設計の不備、ポンプがポンプ曲線上で右に行き過ぎていること、NPSH（正味吸入ヘッド）要件を満たしていないことなどが挙げられます。^[46]

自動車用途では、油圧システム (パワーステアリング、パワーブレーキ) のフィルターが詰まると、エンジンの回転数に合わせてノイズが増減する吸引キャビテーションが発生することがあります。これは、ナイロン製ギアが正しく噛み合っていないような、高音のうなり音であることが多いです。

吐出キャビテーションは、ポンプの吐出圧力が極めて高い場合に発生し、通常は最高効率点の 10% 未満で稼働しているポンプで発生します。吐出圧力が高いため、流体の大部分はポンプ内部を循環し、吐出口から流出しません。液体がインペラの周囲を流れる際、インペラとポンプ ハウジングの間の小さな隙間を極めて高速で通過する必要があります。この流速により、ハウジング壁に真空が発生し (ベンチュリで発生するのと同様)、液体が蒸気に変わります。このような条件下で稼働しているポンプでは、インペラの羽根の先端とポンプ ハウジングが早期に摩耗します。さらに、高圧条件のため、ポンプのメカニカル シールとベアリングが早期に故障することが予想されます。極端な条件下では、インペラ シャフトが破損することもあります。^[要出典]

関節液中の排出キャビテーションが、例えば意図的に指の関節を鳴らすなどして 骨の関節がポキポキ鳴らされるときに生じるポップ音の原因であると考えられています。

すべてのポンプは、その潜在能力を発揮するために十分に発達した入口流を必要とするため、入口フランジの密接エルボなどの不適切な吸引配管レイアウトにより、ポンプが期待どおりに機能しなかったり、期待どおりに信頼性がなくなったりする場合があります。十分に発達していない流れがポンプのインペラに入ると、羽根に衝突し、インペラの通路をたどることができません。すると、液体が羽根から分離し、キャビテーションによる機械的な問題、振動、乱流やインペラの充填不良による性能上の問題を引き起こします。その結果、シール、ベアリング、インペラの早期故障、高いメンテナンス費用、高い電力消費、および指定以下のヘッドや流量が発生します。

ポンプメーカーのマニュアルでは、流れパターンを良くするために、ポンプ入口フランジの上流に約（直径の10倍？）の直管を敷設することを推奨しています。残念ながら、配管設計者やプラント担当者は、スペースや機器のレイアウトの制約に対処しなければならないため、通常この推奨事項に従うことができません。代わりに、ポンプの吸入口に近接したエルボを使用するのが一般的ですが、これによりポンプの吸入口で流れパターンがあまり良くありません。^[47]

両吸込ポンプを密結合エルボに接続すると、インペラへの流量配分が悪く、信頼性と性能の低下を招きます。エルボは流れを不均等に分割し、より多くの流れがエルボの外側に流れます。その結果、両吸込インペラの片側はより高い流速と圧力でより多くの流れを受け取り、一方、不足している側は乱流が多く、損傷の可能性がある流れを受け取ります。これにより、ポンプの全体的な性能（吐出ヘッド、流量、消費電力）が低下し、軸方向の不均衡が生じて、シール、ベアリング、インペラの寿命が短くなります。^[48] キャビテーションを克服するには：可能であれば吸入圧力を上げます。可能であれば液体の温度を下げます。流量を減らすために吐出バルブのスロットルを戻します。ポンプケーシングからガスを排出します。

キャビテーションは、コントロールバルブで発生することがあります。^[49] システム内の上流および下流の圧力によって定義されるバルブ全体の実際の圧力降下が、サイズ計算で許容される値よりも大きい場合、圧力降下フラッシングまたはキャビテーションが発生する可能性があります。液体状態から蒸気状態への変化は、通常バルブポートである最大の流量制限部またはそのすぐ下流での流速の増加によって生じます。バルブを通る液体の安定した流れを維持するには、流速は縮流部または断面積が最小の点で最大でなければなりません。この流速の増加は、流体圧力の大幅な低下を伴いますが、断面積が増加し流速が低下すると、下流で部分的に回復します。この圧力回復は、上流圧力のレベルまで完全に回復することはありません。縮流部の圧力が流体の蒸気圧を下回ると、流れの中に泡が発生します。バルブの後で圧力が回復し、再び蒸気圧を超える圧力になると、蒸気泡が崩壊し、キャビテーションが発生します。

水がダムの放水路を流れると、放水路表面の凹凸により高速流で小さな流れの分離領域が発生し、これらの領域で圧力が低下します。流速が十分に速い場合、圧力が水の局所的な蒸気圧以下に低下し、蒸気泡が発生します。これが下流の高圧領域に運ばれると、泡が崩壊して高圧が発生し、キャビテーションによる損傷が発生する可能性があります。

実験調査によると、コンクリートシュートとトンネルの放水路の損傷は、清水流速が12～15m/s（27～34mph）で始まる可能性があり、流速が20m/s（45mph）までであれば、境界を流線型にしたり、表面仕上げを改善したり、耐性材料を使用したりすることで表面を保護できる可能性がある。^[50]

水中に空気が含まれていると、その混合物は圧縮性となり、気泡の崩壊によって生じる高圧を緩和します。^[51]放水路底部の流速が十分に高い場合は、キャビテーションを防ぐためにエアレーター（または曝気装置）を導入する必要があります。これらは数年前から設置されていますが、エアレーターでの空気の巻き込みのメカニズムと放水路表面からの空気のゆっくりとした移動は、依然として課題となっています。^{[52] [53] [54] [55]}

放水路曝気装置の設計は、放水路床 (または側壁) の小さな偏向、たとえばランプやオフセットに基づいており、高流速の流れを放水路表面から逸らします。ナップの下に形成された空洞では、ナップの下に局所的なサブ圧力が生成され、空気が流れに吸い込まれます。完全な設計には、偏向装置 (ランプ、オフセット) と空気供給システムが含まれます。

一部の大型ディーゼル エンジンでは、高圧縮とシリンダー壁の小ささが原因でキャビテーションが発生します。シリンダー壁の振動により、冷却剤がシリンダー壁に対して低圧と高圧を交互に受けます。その結果、シリンダー壁に穴が開き、最終的には冷却液がシリンダー内に漏れ、燃焼ガスが冷却剤内に漏れることになります。

シリンダー壁に保護層を形成する冷却液に化学添加剤を使用することで、これを防ぐことができます。この層は同じキャビテーションにさらされますが、再生します。さらに、冷却システム内の調整された過剰圧力 (冷却液フィラー キャップのスプリング圧力によって調整および維持) により、キャビテーションの形成が防止されます。

1980 年代頃から、小型ガソリンエンジンの新設計にもキャビテーション現象が見られるようになりました。エンジンの小型化と軽量化のニーズに対する 1 つの答えは、冷却剤の容量を小さくし、それに応じて冷却剤の流速を上げることでした。これにより、流速が急激に変化し、熱伝達率の高い領域で静圧が急激に変化しました。その結果生じた蒸気泡が表面にぶつかって崩壊すると、最初に保護酸化層 (鋳造アルミニウム材料) が破壊され、次に新しく形成された表面が繰り返し損傷され、一部のタイプの腐食防止剤 (ケイ酸塩ベースの防止剤など) の作用が妨げられました。最後の問題は、材料温度の上昇がベース メタルとその合金成分の相対的な電気化学的反応性に及ぼす影響でした。その結果、エンジンが高負荷で高速で稼働しているときに、数時間で深い穴が形成され、エンジン ヘッドを貫通する可能性があります。これらの影響は、有機腐食防止剤を使用するか、(できれば) キャビテーションを誘発する特定の条件を回避するようにエンジン ヘッドを設計することで、ほぼ回避できます。

ダイヤモンドの形成に関するいくつかの仮説^{[誰が？ ] [例が必要]}では、キャビテーションが役割を果たしている可能性があるとしています。つまり、純粋な炭素を希少な同素体であるダイヤモンドに変えるために必要な極度の圧力を提供するキンバーライトパイプ内のキャビテーションです。1883年のクラカタウ火山の噴火中に記録された最も大きな 3 つの音は、現在^{[いつ？ ]}火山の喉元で形成された、それぞれが前のものよりも大きい 3 つの巨大なキャビテーション バブルの破裂であると理解されています。溶解したガスで満たされ、非常に高い圧力を受けている上昇するマグマは、簡単に圧縮される別のマグマに遭遇し、バブルが成長して結合することができました。^{[56] [57]}

キャビテーションは維管束植物の木部で発生することがある。^{[58] [59]}樹液は局所的に蒸発し、導管要素または仮導管のいずれかが水蒸気で満たされる。植物はいくつかの方法でキャビテーションが発生した木部を修復することができる。高さ50cm未満の植物の場合、根圧で蒸気を再溶解できる。より大きな植物は放射細胞を介して、または仮導管内の境界ピットを介した浸透によって、溶質を木部に導く。溶質が水を引き寄せ、圧力が上昇し、蒸気が再溶解する。一部の樹木では、特に蒸発散率が最も高い夏に、キャビテーションの音が聞こえる。落葉樹の中には、気温の低下とともにキャビテーションが増加するため、秋に葉を落とさなければならないものもある。^[59]

キャビテーションは、特定の植物の胞子散布機構において役割を果たしている。例えばシダ植物では、胞子嚢がカタパルトとして機能し、胞子を空中に発射する。カタパルトの充電段階は、環状細胞からの水分蒸発によって駆動され、圧力低下を引き起こす。圧縮圧力が約9 MPaに達すると、キャビテーションが発生する。この急速な現象は、環状構造によって解放される弾性エネルギーにより、胞子の散布を引き起こす。初期の胞子の加速度は非常に大きく、重力加速度の最大10 ⁵倍に達する。^[60] 

高速回転するボートのプロペラにキャビテーション気泡が形成されるのと同様に、水生動物の尾やひれにもキャビテーション気泡が形成されることがあります。これは主に、周囲の水圧が低い海面近くで発生します。

キャビテーションは、イルカやマグロのような力強い遊泳動物の最大遊泳速度を制限する可能性がある。^[61]イルカは尾の上でキャビテーションの泡が潰れると痛みを感じるため、速度を制限しなければならない可能性がある。マグロは神経終末のない骨質のひれを持っており、キャビテーションによる痛みを感じない。キャビテーションの泡がひれの周りに蒸気膜を作ると、マグロは減速する。マグロにはキャビテーションによる損傷と一致する病変が見つかっている。^[62]

海の動物の中には、獲物を狩る際にキャビテーションを利用する方法を発見した者もいる。テッポウエビは特殊な爪をパチンと鳴らしてキャビテーションを発生させ、小魚を殺すことができる。シャコ（スマッシャー種）もキャビテーションを利用して、捕食する貝類を気絶させたり、叩き割ったり、殺したりする。^[63]

オナガザメは「尾の叩きつけ」を使って小魚の獲物を弱らせ、尾の先端からキャビテーションの泡が立ち上がるのが観察されている。^{[64] [65]}

過去 5 年間で、^{[いつ? ]} 慣性キャビテーションの形での海岸侵食が一般的に認められるようになりました。 ^[66]入ってくる波の中の泡は、侵食されている崖の亀裂に押し込まれます。変化する圧力によっていくつかの蒸気ポケットが減圧され、その後、内破します。その結果生じる圧力のピークは、岩の一部を吹き飛ばす可能性があります。

1754年には早くもスイスの数学者レオンハルト・オイラー（1707–1783）がキャビテーションの可能性について推測していた。^[67] 1859年、イギリスの数学者ウィリアム・ヘンリー・ベザント（1828–1917）は、流体内の球状空洞の崩壊の動力学の問題に対する解を発表した。この問題は、1847年のケンブリッジ（大学）上院議事堂の問題および付帯課題の一つとして、アングロ・アイルランドの数学者ジョージ・ストークス（1819–1903）によって提示されていた。 ^{[68] [69] [70]} 1894年、アイルランドの流体力学者オズボーン・レイノルズ（1842–1912）は、沸騰する液体および狭窄管内の蒸気泡の形成と崩壊を研究した。^[71]

キャビテーションという用語は、1895年にジョン・アイザック・ソーニクロフト（1843–1928）とシドニー・ウォーカー・バーナビー（1855–1925 ）の論文の中で初めて登場した。バーナビーは、イギリス海軍の主任建造者であったサー・ナサニエル・バーナビー（1829–1915）の息子であり、この用語をバーナビーに提案したのは、イギリスの流体力学者ウィリアム・フルード（1810–1879）の三男であるイギリス人技術者ロバート・エドマンド・フルード（1846–1924）であった。^{[72] [73]} キャビテーションの初期の実験的研究は、1894–95年にソーニクロフトとバーナビー、および現象を研究するためにストロボ装置を製作したアイルランド系イギリス人技術者チャールズ・アルジャーノン・パーソンズ（1854–1931）によって行われた。^{[74] [75] [76]} ソーニクロフトとバーナビーはプロペラブレードの裏側でキャビテーションを観察した最初の研究者であった。^[77]

1917年、イギリスの物理学者レイリー卿（1842-1919）はベサントの研究を拡張し、非圧縮性流体（表面張力と粘性を無視）のキャビテーションの数学的モデルを発表し、その中で流体の圧力も決定した。^[78] イギリスの技術者スタンレー・スミス・クック（1875-1952）とレイリー卿によって開発されたキャビテーションの数学的モデルは、蒸気の泡が崩壊すると非常に高い圧力が発生し、船のプロペラに観察された損傷を引き起こす可能性があることを明らかにした。^{[79] [80]} このような高圧を引き起こすキャビテーションの実験的証拠は、1952年にマーク・ハリソン（米国メリーランド州カーデロックにある米国海軍のデイビッド・テイラー模型基地の流体力学者および音響学者）が音響的方法を用いて最初に収集し、1956年にはヴェルンフリート・グース（ドイツ、ゲッティゲン大学の物理学者および音響学者）が光学シュリーレン写真法を用いて収集した。^{[81] [82] [83]}

1944年、レニングラード物理技術研究所（現ロシア科学アカデミーのイオッフェ物理技術研究所、ロシア、サンクトペテルブルク）のソ連の科学者マーク・イオシフォビッチ・コーンフェルド（1908年 - 1993年）とL・スヴォーロフは、キャビテーションの際、固体表面付近の気泡は対称的に崩壊せず、代わりに固体表面の反対側の点にある気泡に窪みが形成され、この窪みが液体の噴流に発展する、と提唱した。この液体の噴流が固体表面を損傷する。^{[84]この仮説は、1951年に}カリフォルニア工科大学 の博士課程の学生であったモーリス・ラットレー・ジュニアによる理論的研究によって裏付けられた。^[85] コーンフェルドとスヴォーロフの仮説は、1961年にカリフォルニア工科大学の流体力学者チャールズ・F・ノーデとアルバート・T・エリスによって実験的に確認された。^[86]

ガス泡を含む液体中の強い衝撃波（SW）の伝播に関する一連の実験的研究（この研究により、プロセスを支配する基本法則、SWのエネルギー変換メカニズム、SWの減衰、構造形成、および異なる音響特性を持つバブルスクリーンにおける波の減衰の分析に関する実験を確立することが可能になった）は、1957年から1960年にかけてソ連の科学者VFミニン教授による先駆的な研究によって開始された。ミニン教授はまた、交互に並んだ平坦な1次元の液体層とガス層のシーケンスであるスクリーンの最初の便利なモデルも研究した。^[87] 1957年から1960年にかけての脈動するガス空洞の形状のダイナミクスとSWとバブルクラウドの相互作用に関する実験的研究で、VFミニンは、SWの作用により、バブルが非対称に崩壊して累積ジェットが形成され、それが崩壊の過程で形成されてバブルの断片化を引き起こすことを発見した。^[87]

• キャビテーション数
• キャビテーションモデリング – 計算流体力学の一種
• 銅水管の浸食腐食 - 水による腐食と浸食の影響
• レイリー・プレセ方程式 – 常微分方程式リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• ソノルミネセンス – 音によって崩壊する泡からの光放出
• スーパーキャビテーション – キャビテーションバブルを利用して水中の物体の表面摩擦抵抗を減らす
• スーパーキャビテーションプロペラ – 完全なキャビテーションバブルで動作するように設計された船舶用プロペラ
• ウォーターハンマー – 流体が突然停止したり方向を変えたりするときに発生する圧力の急上昇
• 水トンネル（流体力学）  – 水の動きを調べるために使用するツール
• 超音波キャビテーション装置 – 超音波を使用して組織を破壊する外科用装置

• 植物の空洞化については、Taiz と Zeiger の著書『Plant Physiology』を参照してください。
• 工学分野におけるキャビテーションについては、キャビテーション腐食をご覧ください。
• Kornfelt, M. (1944). 「キャビテーションの破壊作用について」.応用物理学ジャーナル. 15 (6): 495–506. Bibcode :1944JAP....15..495K. doi :10.1063/1.1707461.
• エタノール分野における流体力学的キャビテーションについては、アリスダインとエタノール生産者誌「あなたを幸せにする小さな泡」をご覧ください。[1] ^{[永久リンク切れ]}
• Barnett, S. (1998). 「非熱的問題: キャビテーション - その性質、検出および測定」.医学と生物学における超音波. 24 : S11–S21. doi :10.1016/s0301-5629(98)00074-x.
• 潮流タービンのキャビテーションについては、Buckland, Hannah C、Masters, Ian、Orme, James AC、Baker, Tim (2013) を参照してください。「キャビテーションの発生と、潮流タービンのモデリングのためのブレード要素運動量理論によるシミュレーション」。Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers、Part A: Journal of Power and Energy 。227 (4): 479。Bibcode :2013PIMEA.227..479B。doi : 10.1177/0957650913477093。S2CID 110248049  。

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ウィキメディア・コモンズには、キャビテーションに関連するメディアがあります。

• キャビテーションと気泡流、ミネソタ大学セントアンソニーフォールズ研究所
• キャビテーションと気泡の力学 (Christopher E. Brennen 著)
• クリストファー・E・ブレネン著『多相流の基礎』
• ファンデルワールス型CFDによるキャビテーションのモデリング
• 変化する重力場におけるキャビテーション気泡、ジェット形成
• キャビテーションはイルカの速度を制限する
• あなたを幸せにする小さな泡^{[永久リンク切れ]}
• ポンプキャビテーション アーカイブ 2017-06-10 at the Wayback Machine