بخشی از مقاله
چکیده:
کاویتاسیون ازجمله پدیده های مخرب در تجهیزات سیالاتی شناخته شده است. در این پدیده میکروحبابهای هوا که در سیال حضور دارند با گذر از نواحی کم فشار جریان رشد کرده و در اثر تبخیر مایع، به حبابهای بزرگتر با فشر داخلی کم تبدیل می شوند. در اثر دینامیک جریان این حبابها به نواحی پرفشار انتقال داده شده و در اثر اختلاف فشار محتویات حباب و مایع اطراف آن، فرو ریزش می کنند که به دلیل سرعت زیاد سیال در این لحظه، یک موج فشاری قوی ایجاد می شود و در اثر برخورد این موج با دیواره، خوردگی ایجاد می شود. لذا در این راستا هدف ما از پژوهش حاضر شبیه سازی پدیده کاویتاسیون اطراف پروانه در یک تونل آبی است.
در این پژوهش جهت بررسی پدیده کاویتاسیون، پره های یک کمپرسور در نرم افزار فلوئنت مورد شبیه سازی قرار گرفته است. همچنین پره مورد نظر از نوع s می باشد. براین اساس نتایج بدست آمده حاکی از آن است که دستاورد این مدل سازی همراه با بکار گیری هم زمان مدل کاویتاسیون، بخوبی قابلیت پیش بینی نقطه شروع کاویتاسیون، منطقه کاویتاسیون و همچنین ناپایداری وابسته به فرازو نشیب های منحنی تبخیر را ثابت کرد. همچنین در زاویه برخورد 4 درجه، منطقه ی جریان جدا شده نزدیک لبه بیشتر با بخار پر شده، به همین صورت حباب ها زمان بیشتری جهت رشد کسب می کنند و این منجر به گرد شدن لبه ی پره می شود و آن هم به نوبه ی خود به صورت قابل توجهی منجر به کاهش نیروی دراگ می شود.
مقدمه:
درعصرحاضر یکی از مسایلی مهندسین را با مشکل روبرو ساخته، پدیده کاویتاسیون می باشد. کاویتاسیون به معنای تشکیل حباب های بخار در مناطق کم فشار میدان جریان مایع و ترکیدن این حبابها در مناطق پر فشار است. کاویتاسیون مشابه جوشیدن مایع است، با این تفاوت که جوشیدن در اثر دمای بالا روی می دهد و کاویتاسیون در اثر کاهش فشار. در طراحی دستگاههای هیدرولیکی باید به این نکته توجه شود که از وقوع کاویتاسیون جلوگیری به عمل آید یا حداقل وقوع کاویتاسیون در شرایط کنترل شده ای رخ دهد که برای بازده هیدرودینامیکی مضر نباشد. درحقیقت وقوع کاویتاسیون شدید نه تنها باعث ایجاد صدا و آسیبهای جدی به تجهیزات مکانیکی می شود، بلکه باعث کاهش شدید بازده کاری و عملکرد نیز می شود
اولین شخصی که به صورت آزمایشی وقوع پدیده کاویتاسیون را مشاهده نمود نیوتن، دانشمند انگلیسی بود. او ابتدا جریان درون لوله را از درون یک مجرای همگرای شیشه ای عبور داد و ملاحظه کرد که حین عبور آب از این مجرا، نقاط سفید رنگ کوچکی تشکیل شده و با جریان آب حرکت کرده و پس از واگرا شدن مجرا ناپدید می شوند. نیوتن نتوانست تشخیص دهد که این پدیده مربوط به کاهش فشار در آن نقطه خاص و به جوش آمده آن می باشد.
اسکینر کشف کرد که این رویداد درون سیالات با ویسکوزیته بیشتر مثل گلیسیرین و روغن با شدت بیشتری اتفاق می افتد. پس از آن بارنی، پارسونز و تورنی کرافت مقاله هایی برای تشریح بیشتر ایم پدیده ارائه دادند که موضوع اصلی آنها بررسی حبابهای اطراف پروانه کشتی بود. آنها دریافتند که این حبابها در ناحیه با فشار حداقل پره ایجاد می شوند. بارنبی و تورنی کرافت در مقاله هایشان برای اولین بار از لغت کاویتاسیون برای این پدیده استفاده کردند
پدیده کاویتاسیون را می توان در جریان آب اطراف پره های چرخان، باله ها و گلوگاه یک نازل همگرا مشاهده نمود. کاویتاسیون همچنین در جریان های ساکن یا شبه ساکن نیز اتفاق می افتد - عشقی، . - 1392 در زمینه پدیده کاویتاسیون باید به چند نکته توجه شود، اول اینکه کاویتاسیون تنها در مایعات رخ می دهد و در محیط های جامد و گاز اتفاق نمی افتد.
نکته دوم اینکه کاویتاسیون نتیجه کاهش فشار در مایع است و چنانچه سطح فشار در مایع کاهش یابد و مدت زمانی پایین تر از یک فشار بحرانی باقی بماند، کاویتاسیون آغاز می شود و در غیر اینصورت این پدیده اتفاق نخواهد افتاد. علاوه براین درون حباب ها خالی نبوده و نحوه کاویتاسیون به محتوای درون حباب بستگی دارد و چهارم اینکه کاویتاسیون چون مربوط به رشد و انهدام حباب ها می باشد یک پدیده دینامیکی به حساب می آید لذا در این راستا هدف ما از پژوهش حاضر بررسی پدیده کاویتاسیون اطراف پروانه در یک تونل آبی و شبیه سازی این پدیده برای درک بهتر اثرات آن می باشد.
پدیده کاویتاسیون:
درمتون فنی کلمه کاویتاسیون دارای چندین معنی است بعنوان مثال دارای معنی تشکیل فضای خالی در جامد بخاطر تنش می باشد. همچنین از این کلمه در اطلاق انبساط ماوراءصوت یک گاز در خلاء نیز استفاده می شود. در مهندسی که مربوط به علم هیدرودینامیک دریائی و ماشین های هیدرولیکی است کلمه کاویتاسیون به تشکیل فضای خالی در یک ماده سیال اطلاق می شود
کاویتاسیون تبخیر سیال در اثر پایین بودن فشار آن است. تبخیر یک مایع، تغییر فازی است که آن را به حالت بخار تبدیل می کند. به بیانی دیگر کاویتاسیون یک پدیده ترمودینامیکی بوده که فرآیند گذر از حالت مایع به حالت گازی بدون منبع خارجی را توصیف می نماید. از سوی دیگر کاویتاسیون را اصطلاحا ناپیوستگی در پیوستگی سیال نیز می نامند که شکل حبابهای بخاری را بخود گرفته اند. چنانچه هسته های اولیه در سیال وجود داشته باشد، وقوع کاویتاسیون امری طبیعی خواهد بود
به گفته برخی محققین، کاویتاسیون به فرآیند دینامیکی رشد حبابهای گاز و ترکیدن آنها در مایع اطلاق می شود. این حبابها بواسطه وجود گازهای نامحلول و یا مایعات بسیار فرار تشکیل شده و هنگامی ظاهر می شوند که فشار موضعی کمتر از فشار اشباع گاز و یا کمتر از فشار بخار شود - پنگ و همکاران، . - 2013 درحقیقت می توان گفت پدیده کاویتاسیون هنگامی اتفاق می افتد که کشش اعمال شده به سیال از یک مقدار بحرانی تجاوز کند. این مقدار به عنوان کشش شکست یا آستانه کاویتاسیون نامیده می شود.
باتوجه به قانون هنری، میزان حلالیت گاز نامحلول، مانند هوای نامحلول در آب، نسبت مستقیم با فشار درون سیال دارد. کاهش فشار سیال می تواند منجر به کاهش حلالیت گاز و در نتیجه آزاد شدن بخشی از گازهای محلول در آب بصورت نامحلول و تشکیل حباب گازی شود. وقتی سیستم مجددا تحت فشار قرار می گیرد، گاز به شکل محلول درمی آید.
به این فرایند اصطلاحا کاویتاسیون گازی گفته می شود. چنانچه فشار جریان یک سیستم، به زیر فشار بحرانی سیال برسد، حبابهای بخار شکل خواهند گرفت که به این حالت اصطلاحا کاویتاسیون بخاری گفته می شود. این حبابهای بخاری چنانچه در معرض تراکم مجدد قرار بگیرند، نابود خواهند شد که می تواند باعث بوجودآمدن ضربات فشاری سهمگینی شوند
بدین سبب کاویتاسیون بخاری می تواند باعث بوجودآمدن فرسایش کاویتاسیونی در سیستمهای هیدرولیکی گردد. عموما، کاویتاسیون گازی باعث ایجاد فرسایش نمی شود ولیکن می تواند سروصدای زیادی ایجاد نماید. هردو نوع کاویتاسیون، در ایجاد سروصدای هیدرولیکی سیستم نقش داشته و می توان نوع کاویتاسیون ایجاد شده را از روی فرم سروصدای ایجاد شده و یا اندازه گیریهای ارتعاشی تعیین نمود. تاوقتیکه شرایط کاویتاسیون مهیاست.
کاویتاسیون را می توان در آب و سایر سیالات هیدرولیکی مشاهده نمود. این پدیده را همچنین می توان در نواحی ای از جریان که فشار بسبب سرعتهای بالای موضعی افت نموده است و یا ورتیسیته های محلی و با نوسانات فشاری داریم، و یا درنواحی ای از جریان که شتاب بالای جریان قابل توجه است مشاهده نمود.
باتوجه به مطالب گفته شده، واضح است که فرآیندهای کاویتاسیونی که در داخل سیستمهای هیدرولیکی رخ می دهد، یک مساله مهم در ماشینهای هیدرولیکی محسوب شوند و بایستی از وقوع آنها جلوگیری نمود - محمدی، . - 1382 بطور کلی می توان پذیرفت وقتی کاویتاسیون رخ می دهد که با تغییر فشار محیط، رشد سریع حباب های کوچک یا هسته های حساس به فشار، اتفاق افتد. کششی که مایع قبل از شروع کاویتاسیون تحمل می کند، مهم است. یعنی جریان به طور موضعی در کشش است
