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キャビテーション (Cavitation) は、液体の流れの中で圧力差により短時間に泡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。

◆ 現象

液体の流れの中で圧力がごく短時間だけ(水では大気圧の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。気泡核が無ければ気泡も簡単には発生しない。

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と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。この過程は気泡運動力学のレイリー(Rayleigh)の運動方程式で記述される。

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 。

◆ 実例

; 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

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; 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、ポンプや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世紀の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、同ロケットの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。

◆ 防止法

キャビテーション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

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事から、水による抗力を殆ど受けず、水中としては常識外れの速度を出す事が可能になる。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

◆ 関連項目

・流体力学

・クラッキング (関節)

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・キャビテーション page1