Onderzoekers hebben belangrijke vragen beantwoord om schade te helpen voorkomen en de veiligheid te verbeteren van hydraulische systemen die worden gebruikt voor pijpleidingen, waterturbines en andere toepassingen.

Het werk, geleid door ingenieurs aan de Universiteit van Waterloo, onderzoekt een fenomeen dat bekend staat als cavitatie, of de vorming en ineenstorting van destructieve met gas gevulde bellen als gevolg van snelle drukveranderingen in vloeistoffen.

Cavitatie zit achter een bekende feesttruc waarbij de bodem van een met vloeistof gevulde fles wordt verbrijzeld door met de palm van je hand op de open bovenkant te slaan.

"De groei en ineenstorting van cavitatiebellen zijn fascinerend, " zei Zhao Pan, een professor in mechanische en mechatronica-engineering die het onderzoek leidde. "Ze zijn meestal klein en snel, maar ze kunnen zelfs op oppervlakken zoals harde legeringen en glas ernstige schade aanrichten."

De onderzoekers ontwikkelden een theoretisch model om de vorming en grootte van grote, bijzonder schadelijke bellen op basis van de versnelling en snelheid van de vloeistofstroom. Experimenten met high-speed fotografie bevestigden de theorie.

De informatie die door het model wordt verstrekt, zal ingenieurs helpen bij het ontwerpen van hydraulische systemen en het ontwikkelen van bedieningsrichtlijnen om slijtage te minimaliseren, grote mislukkingen te voorkomen, en de betrouwbaarheid van de technologie te verbeteren.

In de feesttruc, het raken van de fles veroorzaakt een hoge versnelling van de vloeistof ten opzichte van de wanden van de fles. Dat vermindert de druk van de vloeistof op de bodem, veroorzaakt de snelle vorming van gasbellen.

Wanneer die bubbels instorten, of imploderen, ze creëren tijdelijk hoge temperaturen, high-speed micro-jets en schokgolven. Die effecten zijn krachtig genoeg om het glas te breken.

Het fenomeen is een veelvoorkomende boosdoener bij beschadigde waterleidingen en scheepsschroeven, bijvoorbeeld. In extreme gevallen, het heeft geleid tot rampzalige leidingbreuken in waterkrachtcentrales.

"Anderzijds, de kracht van deze bubbels kan ook ten goede worden benut, " zei Pan. "Cavitatie kan worden gebruikt om nierstenen te breken, bacteriën doden zonder chemicaliën te gebruiken, en zelfs bij de productie van bier en chocolade."

Pan werkte eerder samen met onderzoekers in Japan en de Verenigde Staten aan een nieuwe theorie van kleine cavitatiebelletjes veroorzaakt door de versnelling van vloeistoffen die uitlegde hoe de truc werkt. Recent werk breidt die resultaten uit tot de voorspelling van grote bellen. Een paper over het onderzoek, Op de criteria van grote cavitatiebellen in een buis tijdens een voorbijgaand proces, verschijnt in de Journal of Fluid Mechanics . Pan werkte aan de nieuwe studie samen met onderzoekers van de Tsinghua University in China.