مقاله طراحی و ساخت دستگاهی برای بررسی پدیده کاویتاسیون در لوله اوریفیس

بخشی از مقاله

چکیده

به دلیل ایجاد افت فشار در جریان عبوری از صفحه اوریفیس، این صفحات در صنعت کاربردهای فراوانی دارند. یکی از کاربردهای این صفحات استفاده در دبیسنجها میباشد. همچنین این صفحه میتواند انرژی و هد جریان گذرنده از سدهای نیروگاههای برقآبی را کاهش داده و از این طریق کنترل بر روی دبی و سرعت جریان خروجی داشته باشد. در این حالت از یک طرف هدف کاهش انرژی است و از طرف دیگر با کاهش افت فشار احتمال تشکیل پدیده کاویتاسیون بالا میرود.

کاویتاسیون یکی از پدیدههای مخرب هیدرودینامیکی در جریانهای تحتفشار ناپایدار است که میتواند موجب خسارتها و صدمههای گوناگون در بعضی دستگاههای هیدرولیکی نظیر خطوط انتقال آب، نفت، شبکههای توزیع و دستگاههای پمپاژ شود. باتوجه به پیچیدگی این پدیده، بررسی آزمایشگاهی میتواند خیلی از پارامترهای مؤثر در تشکیل و اندازه حفره کاویتاسیون را بیان نماید.

مقاله حاضر به نحوه طراحی و ساخت دستگاهی برای بررسی آزمایشگاهی پدیده کاویتاسیون در اثر عبور جریان آب در اورفیس نازک پرداخته است. به ازای دو نسبت قطر و فشارهای ورودی مختلف، تشکیل حفرهی کاویتاسیون و طول آن بررسی شده است. نمودار فشار بالادست اوریفیس برحسب فشار پایین دست ترسیم شده که برای هر دو قطر به صورت خطی بدست آمده و شیب نمودار مربوط به اوریفیس بزرگتر، کمتر است که با نتایج آزمایشگاهی مراجع مطابقت دارد.

-1 مقدمه

ازجمله اجزا اولیه ایجاد اختلاف فشار و کاهش انرژی، صفحات اوریفیس است. بهطور خلاصه اوریفیس صفحه فلزی مدوری است که در آن حفرهای تعبیهشده که محل حفره و شکل و اندازه آن بستگی به کاربرد اوریفیس داشته و ازنظر ضخامت بهطورکلی به دودسته نازک و ضخیم تقسیم میشوند. اگر ضخامت بیبعد اوریفیس به عبارتی نسبت ضخامت به قطر اوریفیس کمتر از 0/5 باشد -  ⁄   ≤ 0.5 - اوریفیس نازک تلقی میشود، در غیر این صورت ضخیم است.

اگر اوریفیس لبه تیز نازک باشد، جریان عبوری از آن منقبضشده و این انقباض تا سطحی موسوم به گلوگاه که خارج از اوریفیس تشکیل میگردد، ادامه مییابد. اگر اوریفیس ضخیم باشد، در پاییندست گلوگاه جریان در فاصلهای در حدود اندازه انقباض هندسی مجدداً به دیواره اوریفیس چسبیده میشود و حتی میتواند یک جریان لایهمرزی را گسترش دهد تا اینکه نهایتاً دیواره لوله بازگردد و توسعه یابد.

اوریفیسها ابزاری برای ایجاد افت فشار بوده و در سیستمهایی که این وسیله استفاده میشود افت فشار دائمی به وجود میآید . اگر این افت فشار زیاد شود منجر به وقوع کاویتاسیون میگردد. با تشکیل کاویتاسیون در صفحه اوریفیس ممکن است اثراتی همانند: سروصدا، ارتعاشات، نوسانات فشار، آسیب ناشی از سایش، خوردگی سریع و افت راندمان یا ظرفیت جریان در سیستم بوجود آید. صفحه اوریفیس نازک ازجمله یکی از عوامل هندسی بهحساب میآید که بهطور گسترده برای اندازهگیری جریانهای تک فاز و دو فاز استفاده میشود.

این صفحه میتواند انرژی و هد جریان گذرنده از سدهای نیروگاههای برقآبی را کاهش داده و از این طریق کنترل بر روی دبی و سرعت جریان خروجی داشته باشد. برای مثال در نیروگاه برقآبی ژیالانگدی در چین در اثر استفاده از سه صفحه اوریفیس در جریان خروجی از تونل، نسبت اتلاف انرژی 44 درصد است و بهطور مؤثری سرعت جریان عبوری را تحت شرایط هد 145 متر، به کمتر از 35 متر بر ثانیه کنترل مینماید. [1 ]

صفحه اوریفیس نازک بهطور گستردهای بهعنوان شیر اختناق در دستگاههای برودتی و پمپهای حرارتی استفاده میشود. همچنین از آن در راکتور کاویتاسیون هیدرودینامیک که منجر به ایجاد پدیده سوپر کاویتاسیون درافت فشار بالا میشود استفاده میگردد و اینفنّاوری میتواند برای گندزدایی آب آشامیدنی و فاضلاب استفاده شود.

وجود گازهای نامحلول و ذرات جامد معلق در آب موجب تشکیل هستههای کاویتاسیون میشود. آزمایشها نشان میدهد که همواره هستههای اولیهای با اندازه میکرون در آب وجود دارد و بهدلیل کشش سطحی معمولاً به شکل کروی هستند. در جریان کاویتاسیون این هستهها به منطقه کم فشار - فشار کمتر از فشار بخار اشباع - هدایت شده و اندازه آنها به طور قابل ملاحظهای رشد کرده بهطوریکه با چشم غیرمسلح نیز قابل رؤیت هستند. با وارد شدن دوباره حبابها به منطقه پرفشار، آنها با شدت فروریزش کرده و موجب انتشار موج فشاری در مایع میشود.

در جریان کاویتاسیون، برهم کنش حباب با حباب و حباب با مایع، پدیدههای فیزیکی خیلی مهمی هستند که رفتار جریان سیال را تحت تأثیر قرار میدهند. با فروریزش یک حباب، برهم کنش حباب با حباب موجب میشود که حبابهای مجاور با شدت بیشتری فروریزش کرده و موج فشاری شکل میگیرد. قدرت موج فشاری به حدی میرسد که باعث فرسایش و ایجاد صدا میشود. فرسایش ناشی از کاویتاسیون همیشه مضر است. چراکه باعث آلودگی سیال، نشتی، مسدود شدن سیستم میگردد.

آزمایشها انجامشده در قرن نوزدهم بر روی پدیده کاویتاسیون نشان دادند کهعموماً کاویتاسیون موقعی رخ میدهد که فشار مطلق استاتیکی مایع از فشار بخار مایع در دمای محیط کمتر شود. در جریانهای تحتفشار این پدیده میتواند موجب خسارتها و صدمههای گوناگون در بعضی دستگاههای هیدرولیکی نظیر خطوط انتقال آب، نفت، شبکههای توزیع و دستگاههای پمپاژ شود. کاویتاسیون در اثر عملکرد مجموعهای از عوامل و شرایط که ترکیبی از پارامترهای هندسی و هیدرودینامیکی است ایجاد میشود.

فسا - - Fossa و گاگلیلمینی [2] - Guglielmini - بصورت آزمایشگاهی افت فشار در لولههای افقی برای جریانهای عبوری از اوریفیسهای نازک و ضخیم برای جریانهای تکفاز و دوفاز شامل آب و هوا را مورد مطالعه قرار دادهاند. طبق نتایج بدستآمده از تحقیقات آنها در جریانهای تکفاز در اوریفیسهای نازک، افزایش ضخامت، کاهش نسبی ضریب افت فشار را بههمراه دارد. همچنین وابستگی افت فشار به ضخامت در جریانهای دوفاز نسبت به جریانهای تکفاز کمتر بوده و عمدتاً در نسبت قطر سوراخ به قطر لوله بزرگ - در حدود - 0/73 اهمیت مییابد.

رامامورتی - - Ramamurthi و نانداکومار - [3] - Nandakumar به آزمایشهایی بر روی اوریفیسهای ضخیم استوانهای لبهتیز با قطرهای کوچک اورفیس 0/3 تا 2 میلیمتر و نسبت طول به قطر اورفیس 1 تا 50، در رژیمهای مختلف غیر کاویتاسیونی و کاویتاسیون و اندازهگیری ضریب تخلیه پرداختهاند. نکته قابلتأمل حاصل از نتایج آزمایشات، تأثیر نسبت طول به قطر در شروع کاویتاسیون میباشد. یان - - Yan و تروپ - [4] - Thorpe با طراحی آزمایشی رژیمهای مختلف جریان در اثر کاویتاسیون و نیز در اثر تزریق هوا در اورفیسهای نازک بررسی نمودند.

طبق تحقیقاتی که به عملآورند در اثر کاویتاسیون جریان از حالت تک فاز به حالت دو فاز رفته و حبابی تشکیل میشود که این گذار را آغاز کاویتاسیون نامیدند. در این مقاله نشان دادند که کاویتاسیون آغازین خیلی بستگی به نسبت قطر اوریفیس به قطر لوله - β - و نیز اندازه لوله - D - دارد. همچنین عدم وابستگی عدد کاویتاسیون آغازین - برای اوریفیس با قطر مشخص - با سرعت جریان آب را نشان دادند. با شدیدتر شدن پدیده کاویتاسیون که در اثر کاهش فشار پاییندست هست هم تعداد وهم اندازه حبابها بزرگتر خواهد شد.

پس از جریان حبابی گذار به جریان جت حلقوی و سوپر کاویتاسیون رخ میدهد که این گذار جریان با کاهش فشار پاییندست رخداده و آن را کاویتاسیون خفگی خواندند. ژانگ - - Zhang و کای - [5] - Cai مقالهای منتشر کردند که در طی آن آزمایشی طراحی کرده که در آن انواع مختلف لبه اوریفیس را موردبررسی قراردادند تا کمترین افت فشار را به دست آوردند درنتیجه صفحه اوریفیسی که کمترین افت فشار را ایجاد کند، کمترین ریسک به جهت وقوع کاویتاسیون را دارد.

نتایج تأثیر بسیار زیاد هندسه اورفیس بر روی افت فشار را حاصل نمود که در آن اوریفیسهای شیبدار بهعنوان طرح مطلوب انتخاب شد. چراکه کمترین افت فشار را دارا است. آی - - Ai و دینگ - [6] - Ding با طراحی آزمایشی در آزمایشگاه دانشگاه هُو آیی چین به بررسی پارامترهای مؤثر بر جریان کاویتاسیون در اوریفیس لوله پرداختند. طبق تحقیقات آنها توزیع هستههای گاز، نوسانات فشار و هندسه صفحه اورفیس اثر به سزایی بر روی کاویتاسیون در اوریفیس دارد، بهطوریکه هرچه کوچکتر باشد ضریب افت بیشتر خواهد بود.

وو - - Wu و وانژنگ - [ 7] - Wanzheng به بررسی آزمایشگاهی و عددی جریان برای صفحات اوریفیس در نسبت قطر سوراخ به قطر لوله مختلف و ضخامتهای متفاوت صفحه اورفیس پرداختند و به این نتیجه دست یافتند که ضریب افت فشار تنها تابعی از پارامترهای هندسی صفحه اورفیس و قطر لوله میباشند و از عدد رینولدز مستقل است. این نتیجه مطابقت درستی با نتایج یان و تروپ دارد.

ژائو - - Zhao و ژانگ [8] - Zhang - چهار پارامتر هندسی شامل قطر معادل اوریفیس، تعداد اوریفیسها، فاصله اوریفیسها در اوریفیسهای چندروزنهای و ضخامت صفحه را در جریانهای تکفاز بر روی افت فشار بطور تجربی تحقیق نمودهاند. هیون کی سوه - - Hyun Kyu Suh و چانگ سیک لی - [9] - Chang Sik Lee به بررسی آزمایشگاهی اوریفیسهای تزریق کننده موتور احتراق داخلی و اثر تلاطم و کاویتاسیون بر پارامترها و مشخصههای ریز سازی سوخت پرداختهاند؛ که بهنوعی در رده اوریفیس های ضخیم قرارمی گیردند.

الیمونی - Alimonti - و فالکنی - [10] - Falcone نیز بر روی شیرهای با دیسک چندروزنهای با سیال دو فازی آب و هوا آزمایشهایی انجام داده و براساس دادههای بدستآمده، همبستگی برای اندازهگیری افت فشار و اندازهگیری جریان مربوط به سیالات دوفازی وتصحیحی برای ثوابت ضریب افت فشار رایجی که در محاسبات جریان داخل لوله بکار می رود، ارائه دادهاند.

تاکاهاشی - - Takahashi و ماتسودا - [11] - Matsua فشار شوک ناشی از فروریزش حبابهای کاویتاسیون برای سه صفحه اورفیس تکروزنهای، چندروزنهای و مخروطی را تحقیق نمودهاند. اوریفیسهای مدنظر دارای قطر معادل یکسان - نسبت قطر معادل به قطر لوله - 0/37 میباشند. سوگیموتو - - Sugimoto، ساتو - - Sato و سایتو - [12] - Saito رفتار ناپایدار کاویتاسیون را در داخل اوریفیس ضخیم عکسبرداری نمودهاند، اثر طول اوریفیس و نیز عملکرد متناوب پوسته پوسته شدن حبابگردابهها و ادغام حبابگردابههای ریز را بطور مفصل با آزمایشات و پردازش تصویر مطالعه نمودهاند.

هالت - Holt - و بلاتر - [13] - Blotter ارتباط مینیمم ضریب فشار دیوار با نسبت تراکم ، ضخامت نسبی و عدد رینولدز جریان را بررسی کردند و نتیجه گرفتند با افزایش نسبت تراکم و ضخامت نسبی - نسبت ضخامت به قطر لوله - ، مینیمم ضریب فشار دیوار کاهش پیدا میکند. ژنگ - Zheng - و کی [14] - Qi - به بررسی ارتباط نسبت تراکم مراحل متوالی اورفیس ها و فاصله مناسب بین مراحل به روش تجربی و عددی پرداختند و بیان کردند حداقل فاصله مناسب بین دو صفحه متوالی به منظور تاثیرگذاری کامل هر مرحله باید حداقل 5,5 برابر قط لوله باشد.

آی - [15 ] - Ai با مدلسازی عددی به بررسی مشخصات اتلاف انرژی داخل اورفیس نازک پرداخت و نتیجه گرفت ضریب اتلاف انرژی و طول جریان برگشتی هر دو تابعی از نسبت تراکم هستند. در این مقاله با طراحی یک دستگاه آزمایشگاهی، تشکیل پدیده کاویتاسیون در جریان عبوری از اوریفیس مشاهده شده است. برای دو قطر مختلف از اوریفیس به ازای فشارهای بالادست متفاوت مقدار فشار پایین دست اندازهگیری شده که برای هر اوریفیس یک رابطه خطی با مقدار فشار بالا دست دارد.

-2 طراحی و ساخت دستگاه آزمایش

هدف از ساخت دستگاه بررسی پارامترهای جریان همانند افت فشار، دبی جریان و تشکیل پدیده کاویتاسیون در جریان عبوری از صفحه اوریفیس است. برای این منظور لازم است سیستمی طراحی شود که در آن جریانی با فشار بالا وارد سیستم شده تا افت فشار ایجاد شده توسط اوریفیس منجر به تشکیل پدیده کاویتاسیون شود.

با بررسی چندین طرح مفهومی اولیه برای ساخت دستگاه و با بهرهگیری از تجربیات پیشین در طراحی دستگاه آزمایشی و امکانات در دسترس میتوان به ارائه طرح و ساخت دستگاه رسید. شکل1 به معرفی طرح مفهومی دستگاه در این پژوهش اشاره میکند. مطابق شکل جریان سیال از خط فشار بالا به پشت شیر کنترلی1 دستگاه میرسد. با این شیر کنترلی می توان دبی جریان را کنترل کرد.