キャビテーションはの発生は水深も関係するのですか

質問

キャビテーションについていろいろ調べた結果、圧力が飽和蒸気圧より低くなったときに、液体が蒸発したり溶存気体の遊離で気体が生じたりし、気泡が生じる現象だということが分かりました。
結構理解したつもりだったのですが、ある人に「キャビテーションは水深に関係するから、水深が深いところでは発生しない」といっていました。ここで教えて欲しいことがあります。
キャビテーションの発生は水深も関係するのでしょうか？
その人いわく深海では発生しないといっています。
ここで下記仮定としたときキャビテーションが発生するのか教えてください。
地下水層の水深約10ｍのところに冷却水ポンプがあると仮定します。インペラが早く回転し、圧が下がればキャビテーションが発生すると思うのですが、もしもっと深いところ例えば水深１００ｍとか深海に
ポンプがあった場合、キャビテーションは発生するのでしょうか。

ご教授の程よろしくお願い致します。

回答No.4

soramist · ベストアンサー

>水中ポンプの配管とはどの部位のことですか？

ポンプの吸引側に配管がつながっている状態を想定したものです。
水中横置き配管（例えば１０インチくらいの）の中にポンプが入っている状態を想定されても結構です。
（ただし、ポンプの吸引側と吐出側は完全に仕切られている）

この場合、吸引速度が大きければ配管内圧損によって、吸引側が飽和蒸気圧以下になることが容易に推測されるのではないかと思い、例示しました。

>>話を分かりやすくするために”真空”とする。
>とは、液体が蒸発する状態になることを真空とおきかえてると思っていますが間違っていないでしょうか？

その通りです。
25℃における水の飽和蒸気圧は24mmHgです。
大気圧に比してほとんど真空、とみなしてよいのではないでしょうか？

余談ですが、このことから類推して、水温が高くなればキャビテーションを起こしやすくなることも、おわかりかと思います。

お礼

ほんとに分かりやすく教えていただきありがとうございました。
すごく助かりました。
どうもありがとうございました。

回答No.3

soramist

>キャビテーションは水深に関係するから、水深が深いところでは発生しない

前半、正しいです。
後半、「発生しない」ではなく、「発生しにくい」とすべきでしょう。

文章での説明が難しいので、回答を躊躇っておりましたが、困り度が赤マークになっていることと、こまめに補足を入れておられるのに感じて、回答を書き込むことにしました。

キャビテーションが発生する条件については、よく理解されていると思います。
もうちょっとのところです。

例えば、水深1mのところでスクリューが回っているとします。
このスクリューの背面（吸引側）が真空になる条件を考えて見ましょう。
（キャビテーションを起こす条件はいうまでもなく飽和蒸気圧であるが、話を分かりやすくするために”真空”とする。・・・また、常温であれば真空も飽和蒸気圧も大差ない）

スクリューの背面には、
　　水圧＋大気圧≒1.13kgf/cm^2
の力が、かかっています。
スクリューの回転速度が大きく、この力を振り切るくらいに速ければ、背面は真空になるでしょう。
実際にはスクリュー面のＸ軸方向への移動速度と、この間にできた空間を埋めようとする水の移動速度のバランスです。
このときのキャビテーションを起こす臨界速度をv1(m/s)としましょう。

次に水深10mのところでスクリューを回したとします。
スクリューの背面にかかる圧力は、
　水圧＋大気圧≒2.03kgf/cm^2
となり、水深1mのときよりも大きい力(driving Force)がかかっていることがわかります。
このときの、臨界速度をv2(m/s)とすると、
　v1<v2
になるという感じがしませんか？
つまり、「キャビテーションが起こりにくい」わけです。

水の移動速度が定量的に計算できないので、”感じ”でしか言えないことが大変申し訳ないのですが、これが水中ポンプの吸引側に配管がつながっていると考えると、計算ができます。
「水圧＋大気圧-配管の圧損<飽和蒸気圧」がキャビテーションを起こす条件です。
水深が深いほど、配管の圧損が小さいほど、即ち「インペラの背圧が高いほどキャビテーションは起こりにくい」と算定されます。

お礼

回答ありがとうございます。
すごく良くわかりました。
ありがとうございます。

最後に２つ教えてください。
＞水中ポンプの吸引側に配管がつながっていると
水中ポンプの配管とはどの部位のことですか？
＞話を分かりやすくするために”真空”とする。
とは、液体が蒸発する状態になることを真空とおきかえてると思っていますが間違っていないでしょうか？くだらない質問で本当に申し訳ありませんがもし間違っていたらご教授していただけると幸いです。
宜しくお願い致します。

回答No.2

tadys

No.1さんの答えがそのままです。

＞インペラが早く回転し、圧が下がれば
圧力が下がる以上に水圧が高ければ発生しないでしょう。

お礼

回答ありがとうございます。
＞圧力が下がる以上に水圧が高ければ発生しないでしょう。
そうなんですけど・・・。

潜水艦のスクリューはどうなんでしょう？
キャビテーションを起こしています。だからどんなに深くてもキャビテーションは発生するように思えるのですが・・・。
これは普通のスクリューとは仕様が違うから別物扱いと考え、回転数は尋常じゃないということでしょうか？

回答No.1

NAZ0001

>圧力が飽和蒸気圧より低くなったときに
これがそのまんま答えです。水圧が高くなれば、飽和水上気圧より低くなりにくくなります。
発生しないではなく、発生しにくいが正解。

理論的には、超臨界状態になるあたりで限界がありますが。そこまでの水圧はあり得ないかと。

お礼

早速のご回答ありがとうございます。
＞水圧が高くなれば、飽和水上気圧より低くなりにくくなります。
との事ですが、なりにくくなるイメージがわきません。
水圧が高くなろうがインペラがまわればその周りは圧が下がるので泡が発生すると思うのですが・・・
勉強不足で申し訳ありません。
教えてください。