بخشی از مقاله
معرفي پديده كاويتاسيون
تاريخچه
نيوتن اولين فردي بود كه بطور تصادفي در سال 1754 در حين آزمايش عدسيهاي محدب به پديده كاويتاسيون و تشكيل حباب در مايعات برخورد كرد ولي نتوانست علت آن را شناسايي كند. او مشاهدات خود را چنين بيان كرده است:
«در مايع بين عدسيها، حبابهايي به شكل هوا بوجود آمده و رنگهايي شبيه به هم توليد كرده كه اين حبابها نميتواند از جنس هوا باشد زيرا مايع قبلاً هوا زدايي شده است.»
نيوتن تشخيص داد كه اين عمل نتيجه بيرون آمدن هوا در اثر كاهش فشار است و حبابها دوباره نميتواننددر مايع حل شوند و در نتيجه پديده كاويتاسيون را باعث خواهند شد.
مهندسان كشتيسازي در قرن نوزدهم به شكل عجيبي برخورد كردند. آن اين بود كه پيچهاي توربينها كه به آب دريا در تماس بودند بعد از مدتي باز ميشدند، آنها نتوانستند هيچ دليل قانع كنندهاي براي اين عمل پيدا كنند.
رينولدز در سال 1875 اين مشكل را حل كرد، او يكسري آزمايشات كلاسيك روي يك مدل به طول 30 اينچ انجام داد كه داراي پيچهايي به طول 2 اينچ با فنر قابل تنظيم بودند. او دريافت كه وقتي طول پيچها زياد شود عمل باز شدن رخ نميدهد. او اظهار داشت كه هواي ورويد پشت تيغه پره باعث كاهش قرت پروانه ميشود. خودش يك مورد معروف را كه شاهكاري در صنعت كشتيسازي است، طراحي كرد كه سرعت آن برابر 27 كره بود.
اولين مشاهدات مكتوبي كه در توربينهاي بخار ثبت شده توسط Parson است و در گزارشاتش چنين آورده است:
«لرزش پروانه بيشتر و راندمان آن كمتر از حدي است كه محاسبات نشان ميدهد، از بررسي روي سطوح تيغهها معلوم شد كه حبابهايي در پشت تيغه توربين آب را پاره ميكند، جنس حبابها از هوا و بخار آب نيست و قسمت اعظم قدرت موتور صرف تشكيل و نگهداشتن آنها به جاي راندن كشتي ميشود.»
Parson Barnaby و Thornycroft Barnaby مقالههايي در اين زمينه نوشتهاند و پديده مذكور را شرح دادهاند و نتيجهگيري كردهاند كه وقتي فشار اطراف تيغهها از يك حد ويژهاي پايينتر رود حفرهها و ابرهاي حبابي در پروانهها بوجود ميآيد. Thronycroft Barnaby اولين كساني بودند كه مقالات خود از لغت كاويتاسيون (cavitation) استفاده كردند. آنها اظهار داشتهاند كه وقتي فشار منفي كمتر از psi75/6 شود اين اتفاق رخ ميدهد.
براي آزمايش و مشاهده كاويتاسيون، تجربيات Parson و تلاشهاي Turbinia آنها را به ساخت و طراحي يك ماهي تابه سربسته محتوي آب كه يك گوشه آن باز بود رهنمون كرد. اين آزمايش مقدمهايي براي طراحي و ساخت اولين تونل كاويتاسيون در سال 1895 شد. اين وسيله هنوز در دپارتمان آرشيتك دريايي و كشتيسازي دانشگاه Newcastle upon Tyne وجود دارد. اين وسيله شامل مدار بسته بيضي شكلي از يك لوله مسي عمود بر سطح مقطع پروانه بود كه بطور افقي به بالاي عضو چرخاننده يك ماشين بخاركوچك متصل بود و سپس به يك موتور الكتريكي منتهي ميشد. عكسبرداري بر روي پنجرهاي كه در بالاي آن يك لامپ كماني شكل قرار گرفته بود صورت ميگرفت و بدين طريق مشاهده كاويتاسيون امكانپذير بود.
Parson در سال 1910 يك تونل كاويتاسيون بزرگ در Newcastle upon Tyne ساخت كه براي تست پروانههايي به قطر 12 اينچ در يك مدار بسته با طول مسير جريان 66 فوت، قطر لوله اصلي 36 اينچ و سطح مقطعي به عرص 25/2 فوت و عمق 5/2 فوت بكار ميرفت كه داراي پنجره شيشهاي قابل نمايش از يك نورافكن بزرگ و سرعت عكسبرداري 30000/1 ثانيه بود.
Hutton تنها فردي است كه تاريخچه دقيق و شاخههاي كاويتاسيون را با چندين مرجع كمياب از محققان مربوطه تهيه كرده است.
تعريف و اساس فرآيند كاويتاسيون
به تشكيل و فعاليت حباب در مايع كاويتاسيون گويند. وقتي مايع در فشار ثابت، به اندازه كافي گرم شود يا هنگامي كه در دماي ثابت، متوسط فشار استاتيكي يا ديناميكياش به اندازه كافي كاهش يابد، حبابهايي از بخار و يا گاز بخار تشكيل ميشود بطوري كه حتي با چشم هم گاهي اوقات قابل مشاهده است. با كاهش فشار يا افزايش دما، اگر حباب تنها شامل گاز باشد ممكن است با نفوذ گازهاي غيرمحلول ازمايع به حباب، منبسط شود. ولي اگر حباب بيشتر از بخ ار پر شده باشد، اگر به اندازه كافي كاهش فشار محيط دردماي ثابت صورت بگيرد، يك انفجار تبخيري از سمت داخل
حباب اتفاق ميافتد كه به اين پديده كاويتاسيون ميگويند. در حالي كه براي حباب پر شده از بخار، بالا رفتن دما باعث رشد پيوسته آن خواهد شد كه آن را جوشش مينامند.
رشد حبابها در اثر نفوذ گاز به نام Degassing معروف است. در صورتي كه اين رشد اگر به علت كاهش فشار ديناميكي باشد آن را كاويتاسيون گازي مينامند. ميتوان كاويتاسيون را بر حسب رشد حباب به چهار دسته كلي زير تقسيم كرد:
1- كاويتاسيون گازي (gaseous cavitation): حباب محتوي گاز كه به دليل افزايش دما يا كاهش فشار رشد يافته است.
2- كاويتاسيون تبخيري (vaporous cavitation): حباب پر شده از بخار كه سبب رشد آن كاهش فشار است.
3- گاز زدايي (Degassing): حباب محتوي گاز كه سبب رشد آن نفوذ گازهاي غيرمحلول در مايع است.
4- جوشش (boiling): حباب محتوي بخار كه علت رشد آن بالا رفتن دما به قدري كافي است.
اگر از ديدگاه تغيير فشار ديناميكي موضوع را بررسي كنيم آنچه كه داراي اهميت است ارتباط بالا رفتن يا پايين آمدن فشار براي رشد حباب است. زيرا اگر رشد حباب بدليل افزايش فشار داخل آن باشد ميتوان از رشد آن جلوگيري كرده و گاز درون آن را در مايع حل و يا بخار داخل آن را كندانس كرد. در هم شكستن (collapse)براي حباب محتوي بخار و كمي گاز بيشتر اتفاق ميافتد و كمتر در حالتي كه حجم گاز نسبت به بخار زيادتر باشد روي ميدهد. بطور كلي كاويتاسيون شامل تمام اتفاقاتي است ه در مسير تشكيل حباب و انبساط آن تا در هم شكستن (collapse) حبابها روي ميدهد. در حالتي كه در فرايند جوشش معمولي حبابها بطور پيوسته رشد ميكنند. شدت در هم شكستن (collapse) با رشد و بهم پيوستگي مهم است و در بالا به آن اشاره شد ميتوان به صورت زير خلاصه شود:
1- كاويتاسيون پديدهاي است مخصوص مايعات و در جامدات و گازها بوجود نميآيد.
2- كاويتاسيون نتيجه كاهش فشار در مايع است. بنابراين به جرأت ميتوان گفت كه اگر قدر مطلق مينيمم فشار كنترل شود، اين پديده كنترل خواهد شد. بدين معني كه از خواص فيزيكي و شرايط مايع ميتوان يك فشار بحراني را محاسبه كرد كه اگر فشار مايع مدت زمان كافي زير آن فشار بحراني قرار بگيرد كاويتاسيون توليد خواهد شد در غير اين صورت هيچگاه كاويتاسيون رخ نخواهد داد.
3- كاويتاسيون با ظاهر شدن و يا ن اپديد شدن حفرهها (حبابها) در مايع مرتبط است. اگر لغت
Cavity به معناي حفره يا حباب و لغت Hole به معني سوراخ را در ديكشنري وبستر (Webster) مقايسه كنيم به اين نتيجه ميرسيم كه Cavity يك لغت معنيدار نسبت به Hole است و آن دلالت به يك فضاي خالي فعال دارد. در بسياري از موارد لغت كاويتاسيون مناسب است، زيرا آن به مفهوم فعال بودن اهميت ميدهد. به آساني ميتوان دريافت كه اگر حفرهها واقعاً خالي باشند، حجم نميتواند به عنوان يك قسمت فعال در اين پيده فيزيكي نقش بازي كند. بنابراين همه آثار قابل مشاهده كاويتاسيون بايد براي رفتار مايع قابل تعقيب و جستجو باشد. به هر حال اندازه و حجم حفره در مدت عمر آن نقش كمي را ايفا ميكند مگر در زمان نزديك به شروع و پايان سيكل حباب كه پارامترهاي مورد نظر نقش بسزايي را بعهده دارند، زيرا ابعاد حباب ميكروسكپي و يا حتي زير – ميكروسكپي (Sub-Microscopic) است.
4- كاويتاسيون يك پيده ديناميكي است. بنابراين به رشد و در هم شكستن (collapse) حبابها كاملاً ارتباط دارد.
برخي از موارد مهم ديگري را در ذيل يادآوري ميكنيم.
الف- هيچ اشارهاي به حركت يا ساكن بودن مايع نشده است، بنابراين ممكن است اين مفهوم را برساند كه كاويتاسيون در هر حالتي امكان وقوع دارد.
ب- اشارهاي مبني بر محل روي دادن كاويتاسيون، مثلاً در محدوده مرزهاي جامه يا خارج آن نشده است. بنابراين به نظر ميرسد كه كاويتاسيون هم در داخل مايع و هم روي مرزهاي جامد اتفاق بيفتد.
ج- بحث بالا مربوط به ديناميك رفتار حباب است. بطور ضمني بين هيدروديناميك رفتار حباب و آثار آن مانند خوردگي كاويتاسيون تفاوت قائل شده است .
توضيحات فوق كه در مورد سيكل تبخير - در هم شكستن (collapse) است، بر مبناي تشخيص كاويتاسيون ميباشد. در بسياري از موارد اين پديده به طور كامل با سيكل ساده ديناميك حبابهاي كوچك مشخص شده است. در مراحل پيشرفته بعد از شروع، توليد هيدروديناميكي كاويتاسيون ممكن است خيلي پيچيدهتر از بحث بالا باشد.
تقسيمبندي كاويتاسيون
كاويتاسيون بطور كلي براساس چگونگي توليد آن به چهار دسته اصلي زير تقسيم ميشود:
1- كاويتاسيون هيدروديناميكي (HYDRODYNAMIC CAVITATION)
تغييرات فشار در جريان مايع به خاطر هندسه سيستم سبب بوجود آمدن اين پديده ميشود. سيال در حال حركت، در مسير حركتش بطور موضعي داراي سرعتهاي متفاوت است، اين تغيير سرعت عامل اصلي تغيير فشار موضعي سيال ميشود. با افزايش بيش از حد سرعت موضعي مايع، فشاار موضعي آن كمتر از مقدار بحراني (وابسته به خواص فيزيكي سيال) ميگردد. كه خود سبب بوجود آمدن حباب در مايع ميشود. اين حباب به دليلي حتي با افزايش فشار، بيشتر از مقدار فش
ار بحراني از بين نميرود. اين سير موجب بوجود آمدن كاويتاسيون هيدروديناميكي ميشود. مراحل اين نوع كاويتاسيون به شرح زير است:
الف- مرحله نخستين (Incipient Stage): در اين مرحله حبابهاي قابل رويت كوچك و منطقه كاويتاسيون محداود است.
ب- مرحله توسعه يافته (Developed Stage): در اثر تغيير دادن شرايط فشار، سرعت و دما در جهت افزايش نرخ تبخير، كاويتاسيون رشد ميكند و مرحله توسعه يافته قابل تشخيص ميشود.
ج- مرحله پاياني (Desinent Stage): اين مرحله قبل از ناپديد شدن كاويتاسيون است. در مرحله نهايي و مرحلهاولي كاويتاسيون نزديك به شرايط آستانه ميباشد. شرايطي كه مرز با آستانه بين نبودن و ظاهرشدن كاويتاسيون را نشان دهد هميشه قابل تشخيص نيست تا هنگام ظهور و ناپديد شدن مشاهده گردد.
a- تقسيمبندي كاويتاسيون هيدروديناميكي
كاويتاسيون هيدروديناميكي را از نظر وضعيت قرار گرفتن حباب ميتوان به دستههاي زير تقسيم كرد:
b- آثار كاويتاسيون هيدروديناميكي
معمولاً اثر كاويتاسيون هيدروديناميكي در پمپها اين است كه نيروي اعمالي به سيال را كه توسط سطح مرزي براي هدايت آن انجام ميگيرد، كاهش ميدهد. انحناي زاويهاي (angular deflection) جريان توليد شده توسط پره در حال چرخش در زمان گسترش كاويتاسيون كمتر از زماني است كه آن گسترش پيدا نكرده است.
در توربينهاي هيدروليك وقتي كاويتاسيون رشد مييابد، قدرت خروجي و بازده هر دو كاهش مييابد. در صورتي كه در پمپ سانتريفيوژ افت هد و كاهش بازده بوجود ميآيد.
كاهش توان خروجي و هد توسط كاويتاسيون، ممنتم انتقالي بين سيال و روتور را كاهش ميدهد و كاهش بازده موجب افزايش اتلاف انرژي و در نتيجه افزايش دما ميشود.
2- كاويتاسيون صوتي (ACOUSTIC CAVITATION)
در اين حالت پديده كاويتاسيون به سبب امواج صوتي حاصل از تغييرات فشار توليد ميشود. در بعضي از محيطهاي مايع تغييرات فشار حائز اهميت نميباشد ليكن يكسري امواج صوتي در مايع كه به طرق مختلف بوجود آمده است امكان ايجاد كاويتاسيون صوتي را بوجود ميآورد. اين امواج صوتي سبب افزايش و كاهش فشار ميشود. اگر دامنه تغييرات فشار در قسمت منفي سيكل فشار حاصل از امواج صوتي كمتر از فشار بحراني سيال شود، حبابهاي ريز بوجود ميآيند. اگر دامنه امواج صوتي باز هم بيشتر شود امكان دارد فشار منفي به صفر برسد و سبب رشد غيرقابل كنترل حبابها شود. به اين صورت كه حبابها دائماً در مايع منبسط و منقبض ميشوند و باعث افزايش بيشتر دامنه ميدان صوتي ميگردند. در هر صورت در كاويتاسيون صوتي دو حالت گذرا و پايدار ممكن است رخ دهد. حبابهاي پايدار بطور منظم ارتعاش ميكنند در حالي كه حبابهاي گذرا طول عمرشان كمتر از يك سيكل ميباشد.
دو مشخصه اساسي در كاويتاسيون صوتي وجود دارد، اول اينكه بطور كلي فرآيند تغييرات شعاع حباب با فشار منبع صوت كاملاً غيرخطي است. دوم اينكه چون حباب داراي تراكمپذيري بالايي است در هنگام انبساط، انرژي پتانسيل زيادي را ميتواند در خود ذخيره و در هنگام انقباض، آن را به انرژي جنبشي تبديل كند. در اين حالت كاويتاسيون گذرا بسيار مسئلهساز است. زيرا زماني كه حباب انبساط پيدا كند و سپس منفجر شود به حبابهاي ريزي تبديل ميگردد كه هر كدام از آنها جوانهاي براي حباب بعدي است. اگر اين رويه ادامه يابد، سبب ميشود انرژي در حجم كمي متمركز شود و موجب بوجود آمدن واكنش شيميايي همراه با توليد نور گردد.
3- كاويتاسيون نوري (OPTIC CAVITATION)
اين نوع كاويتاسيون بوسيله گسيل نور با شدت بالا و همسو (ليزر) در مايع توليد ميشود. كاويتاسيون نوري هنگامي رخ ميدهد كه يك شعاع ليزري موجب متراكم شدن انرژي در مايع شود. در اين موقع در مايع شكست (Breakdown of Liquid) رخ ميدهد و سبب تشكيل حباب ميگردد. كه اين حبابها براحتي قابل رويت هستند.
4- كاويتاسيون ذرهاي (PARTICLE CAVITATION)
اين نوع كاويتاسيون به علت ذرات عناصر يا فوتونهاي گسيل شده در مايع بوجود ميآيد. اگر ذرهاي با انرژي و سرعت بالا به مايع وارد شود سبب يونيزه شدن مايع ميگردد. قسمتي از انرژي يونها كه تا حدود 1000 الكترون - ولت هم ميرسد در حجم بسيار كوچك توليد حرارت ميكند. اين حرارت سبب فوق گرم (Super Heat) شدن مايع ميگردد، در نتيجه جوشش موضعي در مايع بوجود ميآيد كه بصورت حبابهايي ريز در طول مسير ذرهها قابل رويت است.
مرجع ]2[ عنوان كرده است كه كاويتاسيون هيدروديناميكي و صوتي از تنش مايع بوجود ميآيند، در صورتي كه كاويتاسيون ذرهاي و نوري بوسيله ذخيره كردن موضعي انرژي، حاصل ميگردد.
اثرها و اهميت كاويتاسيون
كاويتاسيون به دليل آثاري كه ميتواند داشته باشد توجه بسيار زيادي را در صنعت امروز به خ
ود اختصاص داده است. آثاري را كه كاويتاسيون ميتواند به وجود بياورد عبارتند از:
1- اثرهايي كه هيدروديناميك سيال را تغيير دهد.
2- اثرهايي كه بر روي سطح مرزي سيال با ديواره جامد به وقوع ميپيوندد و ميتواند توليد خطر كند.
3- آثار خارجي كه ممكن است به تغييرات مهم و جدي هيدروديناميكي جريان اضافه شود و
به مرزهاي جامد ضرر رساند. متأسفانه در ميدان هيدروديناميكي، تأثيرات كاويتاسيون به جز چند مورد استثنا، همگي مضر هستند. كنترل نكردن آن ميتواند خطرهاي جدي و حتي نتايج جبرانناپذيري را به همراه داشته باشد. از طرف ديگر لزوم اجتناب از كاويتاسيون و يا كنترل آن محدوديتهاي
جدي را براي طراحي بسياري از انواع وسايل هيدروديناميكي تحميل ميكند. در ماشينهاي هيدروديناميكي مانند همه توربينها از سرعت مخصوص پايين فرانسيس تا سرعت مخصوص بالايكاپلان، زمينه براي ايجاد كاويتاسيون آماده است. پمپهاي محوري (Axial) و سانتريفيوژ (Centrifugal) و حتي پمپهاي رفت و برگشتي قديمي نيز درگير اثرهاي كاويتاسيون هستند. اگرچه كاويتاسيون ممكن است با طراحي اشتباه تشديد يابد، اما حتي در وسايلي كه از بهترين طراحي نيز برخوردار هستند هنگامي كه در عمل شرايط نامطلوب اعمال گردد ممكن است اتفاق بيفتد. كاويتاسيون همچنين امكان دارد در وسايلي كه انرژي مكانيكي به آنها وارد يا از آنها خارج ميشود هم اتفاق بيفتد. ولوها (Valves) و همه وسايلي كه سرعت سيال عبوري در آنها تغيير ميك
ند،م مكن است تحت تأثير آثار كاويتاسيون قرار گيرند.
انديكس كاويتاسيون
كاويتاسيون معمولاً در يك تركيب بحراني از سرعت، فشار و فشار بخار جريان اتفاق ميافتد. معمولاً براي بررسي موارد فوق از پارامترهايي به نام انديكس كاويتاسيون استفاده ميشود. از نظر ت ئوري اين انديكس با نوشتن رابطة برنولي بين يك نقطة‌آزاد و نقطهاي كه در آن ممكن است كاويتاسيون رخ دهد و جايگزين كردن فشار نقطة دوم با فشار سيار و استخراج رابطهاي بدون بعد از روابط ذيل بدست ميآيد.
كه در آن:
P : فشار در نقطه مورد نظر
P0 : فشار در نقطه مبنا
V : سرعت جريان در نقطه مورد نظر
V0 : سرعت جريان در نقطه مبنا
Z : رقوم در نقطة مورد نظر
Z¬0 : رقوم در نقطه مبنا
g : شتاب جاذبه زمين
: جرم مخصوص آب
حال ميتوان Cp را به عنوان يك پارامتر بدون بعد به نام فاكتور فشار از رابطه زير بد
ست آورد.
به طوريكه:
Ef : انرژي پتانسيل جريان
E0 : انرژي پتانسيل درنقطه مبناء
با صرفنظر كردن از شرايط ثقلي (كه معمولاً يا اندك است يا براي تمامي حالات برابر) خواهيم داشت:
كه در آن Cpmin كمترين مقدار Cp در جريان، در نقطهاي است كه كاويتاسيون مورد بررسي قرار ميگيرد. با همان فرض ناچيز بودن شرايط خواهيم داشت:
كه در آن:
PV : فشار بخار آب
P0 : Pa + pg
Pa : فشار اتمسفر
Pg : فشار گيج
شكلگيري كاويتاسيون
آب به خودي خود با افزايش دما و كاهش فشار به بخار تبديل نميشود. آبيكه به طور كامل تصفيه و فيلتر شده باشد ميتواند بارها فشارهاي منفي بسيار بزرگ را تحمل كند، بدون آنكه به بخار تبديل شود. كاويتاسيون و جوشيدن هر دو در نقاطي كه داراي ناخالصي است و يا در كنار يك شكاف زير در ديوارة جريان، اتفاق ميافتد.
