کاویتاسیون فرآیندی است که طی آن، در ناحیه‌ای از مایع با فشار پایین، حباب بخار شکل می‌گیرد. این فرایند ممکن است در هر نوع توربوماشین هیدرولیکی مانند انواع پمپها و توربین‌ها به وقوع بپیوندد و علاوه بر کاهش بازده سیستم، عمر دستگاه را نیز کاهش بدهد. امروزه با پیشرفت تکنولوژی، توجه به مسائلی مانند کاویتاسیون و ضربه قوچ که باعث کاهش بازده و عمر مفید تجهیزات می‌شوند بیشتر شده و فعالیت‌های تحقیقاتی در موضوعات این چنینی افزایش یافته است .
کاویتاسیون مشابه پدیده جوشش است، با این تفاوت که جوشش به صورت عمومی، در نتیجه افزایش دمای مایع به وجود می‌آید و این افزایش دما، به وسیله انتقال حرارت از سطوح جامد رخ می‌دهد. نکته‌ای که باید به آن اشاره کرد این است که افزایش سریع و شدید دمای یک بخش کوچک سیال، تقریبا غیر ممکن در نظر گرفته می‌شود.
علاوه بر این، تحلیل فرایند جوشش، نیازمند در نظر گرفتن لایه مرزی حرارتی سطح جامد است. در سمت مقابل، تغییر یکنواخت و سریع در فشار یک مایع امکان پذیر در نظر گرفته می‌شود و تحلیل این فرآیند با آن چیزی که در جوشش رخ می‌دهد کاملا متفاوت است. در این مطلب ابتدا به بررسی کاویتاسیون و روابط حاکم بر آن پرداخته می‌شود و در ادامه انواع کاویتاسیون، تاثیرات مخرب آن و راه‌های رفع آن مورد بررسی قرار می‌گیرند و در انتهای مطلب، کاربردهای مفید این پدیده در صنایع مختلف بیان می‌شوند.
کاویتاسیون چیست ؟
همانطور که اشاره شد ، کاویتاسیون فرآیندی است که طی آن، در ناحیه‌ای از مایع با فشار پایین، حباب بخار شکل می‌گیرد. ممکن است تصور شود که تنها دلیل تشکیل حباب‌های بخار در بخشی از مایع این است که فشار این بخش از مایع کاهش می‌یابد و به فشار بخار (Pv) می‌رسد . اما حقیقت این است که پارامترهای مختلف دیگری نیز موجود هستند که در وقوع این پدیده دخالت دارند. در ادامه، تمام این پارامترها مورد بررسی قرار می‌گیرند؛ اما برای شروع، تعریف فوق را به عنوان یک تعریف خام می‌پذیریم و روابط حاکم بر این پدیده را با همین فرض، مورد مطالعه قرار می‌دهیم.
فشار استاتیک (Static Pressure) در تمام جریان‌ها، با استفاده از رابطه زیر به فرم بی‌بعد در می‌آید .
CP در رابطه بالا ضریب فشار نامیده می‌شود و یک پارامتر بی‌بعد است. P1 فشار استاتیک مرجع را نشان می‌دهد که در پمپها معمولا برابر با فشار ورودی پمپ در نظر گرفته می‌شود. U نیز نمایانگر سرعت مرجع است که در پمپها با سرعت نوک پره ورودی (ΩRT1) برابر قرار داده می‌شود. نکته مهم دیگر در پدیده کاویتاسیون، این است که Cp یک سیال غیر قابل تراکم که درون یک مرز جریان دارد تابعی از هندسه مرزها و عدد رینولدز است. توجه کنید که عدد رینولدز در یک پمپ به شکل زیر تعریف می‌شود.
ν ،Ω و RT1 در رابطه بالا به ترتیب سرعت دوران ایمپلر، ویسکوزیته سینماتیک و شعاع نوک پره ایمپلر در ورودی پمپ را نشان می‌دهند. زمانی که در یک پمپ، کاویتاسیون رخ نداده باشد، سرعت و ضریب فشار، مستقل از فشار مرجع P1 عمل می‌کنند. در این پمپها با تغییر مقدار پارامتر P1، فشار سایر قسمت‌ها به صورت یکنواخت تغییر می‌کند و در نتیجه ضریب فشار بدون تغییر باقی می‌ماند.
رابطه Cp را برای نقطه‌ای از پمپ که کمترین فشار را دارد به شکل زیر بازنویسی می‌کنیم.
در این رابطه CP min مقداری منفی دارد و همانطور که اشاره شد، این پارامتر تنها به هندسه پمپ و عدد رینولدز وابسته است. در صورتی که مقدار عبارت CP min به صورت تئوری و یا آزمایشگاهی محاسبه شود، فشار ورودی، که اولین بار کاویتاسیون در آن رخ می‌دهد به شکل زیر به دست می‌آید.توجه شود که کاویتاسیون زمانی رخ می‌دهد که فشار یک بخش سیال در پمپ به فشار بخار خود برسد. بنابراین در رابطه بالا، فشار Pmin برابر با Pv قرار داده شده است.
این مقدار فشار ورودی برای یک پمپ مشخص که سیال و دمای آن معین است، تنها تابعی از سرعت U در نظر گرفته می‌شود. در بررسی مفهوم کاویتاسیون، پارامترهای بی‌بعد مختلفی به کمک تحلیل ابعادی، تعریف می‌شوند که مهم‌ترین آن‌ها، «عدد کاویتاسیون» (Cavitation Number) است. این پارامتر با نماد σ نشان داده می‌شود و رابطه آن به صورت زیر قابل بیان است.
همانطور که مشخص است، جریان‌هایی که در آن‌ها کاویتاسیون رخ نداده باشد نیز مقداری برای σ دارند. مقدار خاصی از σ نیز موجود است که در آن، کاویتاسیون برای اولین بار در سیستم شروع می‌شود. این عبارت با نماد σi به شکل زیر نمایش داده می‌شود و «عدد شروع کاویتاسیون» (Cavitation Inception Number) نام دارد.
در صورتی که کاویتاسیون زمانی شروع شود که Pmin = Pv است، عدد شروع کاویتاسیون مطابق رابطه زیر برابر با منفی ضریب فشار مینیموم است. در غیر این صورت، این دو پارامتر مقادیر متفاوتی دارند.
در منابع گوناگون سرعت مرجع به شکل پارامترهای مختلفی در نظر گرفته می‌شود. در برخی از آن‌ها سرعت نوک پره و در برخی دیگر سرعت نسبی سیال در ورودی به عنوان سرعت مرجع در نظر گرفته می‌شود.
در پمپها و توربین‌ها پارامتری تحت عنوان «فشار مکش مثبت خالص» (Net Positive Suction Pressure) موجود است که به صورت خلاصه شده با نماد NPSP نمایش داده می‌شود و رابطه آن به شکل زیر است.
در این رابطه، PT1 مطابق با رابطه زیر تعریف می‌شود .
پارامترهای دیگری نیز در پمپها و توربین‌ها مانند «هِد مکش مثبت خالص» (Net Positive Suction Head) و «انرژی مکش مثبت خالص» (Net Positive Suction Energy) موجود هستند که به ترتیب با نماد NPSH و NPSE نمایش داده می‌شوند و رابطه آن‌ها به شکل زیر است.
با استفاده از این روابط، «سرعت مشخصه مکش» (Suction Specific Speed) به شکل زیر معرفی می‌شود .
سرعت مشخصه مکش مانند عدد کاویتاسیون، فرم بی‌بعد فشار سطح مکش یا فشار ورودی را نمایش می‌دهد. سرعت مشخصه مکشی که در آن کاویتاسیون آغاز می‌شود را سرعت مشخصه مکش شروع مینامند. این پارامتر با نماد Si نشان داده می‌شود و می‌توان آن را بر حسب پارامترهای مختلف پمپ مطابق با رابطه زیر تعریف کرد.
پارامتر مهم دیگری که در کاویتاسیون تعریف می‌شود، «ضریب کاویتاسیون توماس» (Thoma’s Cavitation Factor) است که با نماد σTH و به شکل زیر تعریف می‌شود.
مخرج عبارت بالا، افزایش فشار کلی در طول پمپ را نشان می‌دهد. رابطه ضریب کاویتاسیون توماس، برحسب σ و S به شکل زیر نمایش داده می‌شود.
در این رابطه N سرعت مشخصه را نشان می‌دهد. نکته دیگر این است که کاویتاسیون معمولا در ورودی پمپ رخ می‌دهد، بنابراین ضریب کاویتاسیون توماس، پارامتر مفیدی در کاویتاسیون نیست زیرا مخرج این عبارت به پدیده کاویتاسیونی که معمولا در ورودی پمپ رخ می‌دهد مرتبط نیست .
انواع کاویتاسیون
از آنجایی که کاویتاسیون به شکل‌های مختلفی در ایمپلر پمپ به وقوع می‌پیوندد، در این بخش به بررسی انواع کاویتاسیون در پمپها پرداخته می‌شود .
چهار نوع کاویتاسیون عمده داریم که شکل زیر برخی از انواع کاویتاسیون در یک ایمپلر جریان محوری بدون شراد را نشان می‌دهد .
۱ – کاویتاسیون گردابه‌ای نوک :
زمانی که فشار ورودی پمپ کاهش پیدا می‌کند، کاویتاسیون در گردابه‌های نوک ایمپلر آغاز می‌شود که این گردابه‌ها، زمانی تولید می‌شوند که لبه حمله پره به نوک ایمپلر می‌رسد. به این نوع کاویتاسیون، «کاویتاسیون گردابه‌ای نوک» (Vortex Cavitation) گفته می‌شود و در شکل های انتهایی مطلب ، نمونه‌ای از آن به تصویر کشیده شده است. نکته مهمی که در این شکل مشاهده می‌شود، این است که جریان برگشتی در نوک، باعث ایجاد مولفه عمودی در سرعت بالا دست می‌شود .
۲ – کاویتاسیون حباب :
حباب‌های تشکیل شده در نوک پره مشاهده می‌شود. در این حالت، اصلاح منحنی لبه حمله در ناحیه نوک پارامتر σi در این پمپ را کاهش می‌دهد ولی با اینکار نمی‌توان گردابه‌ها و کاویتاسیون گردابه‌ای را از بین برد.
زمانی که عدد کاویتاسیون کاهش پیدا کند، نوع دیگری از کاویتاسیون به وجود می‌آید . این نوع از کاویتاسیون «کاویتاسیون حباب» (Bubble Cavitation) نامیده می‌شود و مطابق با شکل زیر با استفاده از حباب‌هایی ایجاد شده در سطح مکش، به وجود می‌آید.
۳ -کاویتاسیون پره :
با کاهش بیشتر عدد کاویتاسیون، حباب‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شوند و حفره‌های بزرگ چسبیده در سطح مکش پره‌ها را تولید می‌کنند. در مسائل عمومی این نوع از کاویتاسیون با نام «کاویتاسیون چسبیده» (Attached Cavitation) شناخته می‌شود اما در مسائل مربوط به پمپها، این پدیده را «کاویتاسیون پره» (Blade Cavitation) مینامند.
با ادامه روند بالا، حفره‌های پره، گسترش می‌یابند و به نقطه‌ای روی سطح مکش در مقابل لبه حمله پره بعدی، می‌رسند. در این زمان، اگر فشار سیال در مسیر عبور پره‌ها افزایش یابد، حفره ایجاد شده از بین می‌رود و آسیب‌های ناشی از کاویتاسیون در ناحیه‌ای از سطحی رخ می‌دهد که مقابل لبه حمله پره بعدی (این نقطه، انتهای حفره روی سطح مکش پره است) قرار دارد.
دو نوع از کاویتاسیون پره، در سطح مکش پره ایمپلر رخ می‌دهد. نوع اول در قسمت بالا توضیح داده شد و به عنوان «کاویتاسیون جزئی» (Partial Cavitation) شناخته می‌شود. نوع دیگری از کاویتاسیون پره نیز وجود دارد که در اعداد کاویتاسیون بسیار پایین رخ می‌دهد و طی آن، حفره‌های طویل روی پره تشکیل می‌شود. این نوع از کاویتاسیون پره به «کاویتاسیون گسترده» (Supercavitation) معروف است و در ماشین‌های با «صلبیت» (Solidity) پایین رخ می‌دهد.
برخی از پمپها طوری طراحی می‌شوند که کاویتاسیون گسترده در آن‌ها ایجاد شود. نکته مثبت در این حالت این است که نابودی حباب، در پایین دست پره‌ها اتفاق می‌افتد، بنابراین میزان خسارات ناشی از کاویتاسیون در پمپ به حداقل مقدار ممکن می‌رسد. در شکل زیر تفاوت کاویتاسیون جزئی و کاویتاسیون گسترده، به صورت کامل به تصویر کشیده شده است .
۴ – کاویتاسیون جریان برگشتی :
نوع دیگری از کاویتاسیون به نام «کاویتاسیون جریان برگشتی» (Backflow Cavitation) نیز موجود است که در آن، احتمال وقوع تمام انواع کاویتاسیون‌ها موجود است. زمانی که یک پمپ با جریانی کمتر از جریان طراحی آن مورد استفاده قرار می‌گیرد، حباب‌ها و گردابه‌های کاویتاسیون در ناحیه چرخشی بالادست پمپ تشکیل می‌شوند. افزایش فشار پمپ در این شرایط، ممکن است باعث نشتی جریان از نوک و حرکت آن به سمت بالادست و در نتیجه تولید جریان برگشتی شود. این جریان معمولا مقدار زیادی در بالا دست صفحه ورودی پمپ نفوذ می‌کند. در این شرایط اگر پمپ دچار کاویتاسیون شود، حباب‌ها و گردابه‌ها نیز با استفاده از این جریان برگشتی به سمت بالا دست حرکت می‌کنند.
این نوع از کاویتاسیون مشهودترین نوع کاویتاسیون در پمپها است و شکل زیر یک نوع رایج از کاویتاسیون جریان برگشتی در صفحه ورودی را نشان می‌دهد.
راه‌های از بین بردن کاویتاسیون
این پدیده را در دستگاه‌های مختلف می‌توان شناسایی کرد و با انجام برخی اقدامات، آن را از بین برد. مفاهیم اصلی این فرآیند به صورت کامل در بخش قبلی مورد بررسی قرار گرفت و همانطور که اشاره شد، کاویتاسیون یک موج شوک در سیال تولید می‌کند و این موج باعث ایجاد ارتعاشات مکانیکی و صدای قابل شنیدن می‌شود. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که شناسایی وقوع کاویتاسیون کار سختی نیست.
ساده‌ترین راه برای کاهش احتمال وقوع کاویتاسیون در یک پمپ، افزایش فشار ورودی آن است و این کار با استفاده از کاهش فاصله بین پمپ و مخزن یعنی کاهش ارتفاع پمپ و یا افزایش ارتفاع مخرن آب امکان پذیر است.
روش دیگر برای از بین بردن این پدیده، کاهش افت فشار و توربولانس جریان در مسیر جریان قبل از پمپ است. این موضوع را می‌توان با استفاده از دو راه، انجام داد. راه اول انتخاب پمپی است که قطر ورودی یکسانی با قطر لوله دارد و راه دوم کاهش تعداد اتصالات در مسیر جریان است.
نکته دیگر که تمام تولیدکنندگان، خود را ملزم به رعایت آن می‌دانند، بحث تعمیر و نگهداری دستگاه‌ها است. آن‌ها معتقدند که عامل اصلی برای کاهش صدمات ناشی از کاویتاسیون جدی گرفتن تعمیر و نگهداری است به طوری که این عملیات در صنایع، تنها یک توصیه نیست بلکه یک الزام جدی در نظر گرفته می‌شود. همچنین استفاده از مکمل‌های خنک کننده افزودنی در موتورهای دیزل برای کاهش صدمات ناشی از کاویتاسیون به صورت جدی توصیه می‌شود.
در بسیاری از کاربردهای دیگر مانند «هیدروفویل‌ها» (Hydrofoils) و «پروانه‌ها» (Propellers)، کنترل محیط بیرون کار سختی است و استفاده از روش‌هایی که در بالا اشاره شد یعنی افزایش فشار و یا دمای ورودی کاربرد زیادی ندارد. طراحی دقیق این تجهیزات باید طوری در نظر گرفته شود که پدیده کاویتاسیون در شرایط کاری آن‌ها رخ ندهد. در ادامه به بررسی کاربردهای مثبت پدیده کاویتاسیون پرداخته می‌شود.
کاربرد کاویتاسیون
همانطور که اشاره شد پدیده‌هایی مانند کاویتاسیون و ضربه قوچ اثرات مخرب زیادی را در یک سیستم آبی و توربوماشین اعمال می‌کنند. اما کاویتاسیون به صورت کلی پدیده مخربی نیست و کاربردهای عملی بسیار زیادی نیز دارد. برخلاف بسیاری از صنایع که به دنبال حذف احتمال بروز این پدیده در محصولات خود هستند، صنایعی مانند پزشکی نیز وجود دارند که به دنبال ساخت تجهیزاتی برای ایجاد پدیده کاویتاسیون و استفاده از اثرات آن هستند.
در علم پزشکی از پدیده کاویتاسیون فراصوت برای از بین بردن سنگ کلیه و درمان تعدادی از سرطان‌ها استفاده می‌شود. درواقع جریان فراصوت متمرکز با شدت بالا، کاربرد بسیار زیادتری نسبت به روش‌های سنتی دارد. تحقیقات بسیار گسترده‌ای نیز در علم پزشکی انجام شده، که هدف آن‌ها تخریب بافت‌های بیمار بدن به کمک پدیده کاویتاسیون است.
پدیده کاویتاسیون در صنعت تولید شیر نیز برای همگن‌سازی محصولات مورد استفاده قرار می‌گیرد. همانطور که می‌دانید، چربی به صورت طبیعی بالای سطح شیر جمع می‌شود و فرایند همگن‌سازی با شکستن چربی در این محصولات، مخلوط یکنواختی را تولید می‌کند. کاویتاسیون در تصفیه آب نیز کاربرد بسیار زیادی دارد و برای مثال محصول DynaJets با استفاده از کاویتاسیون اجزای مضر را تخریب می‌کند.
علاوه بر موارد بالا، «کاویتاسیون گسترده» (Supercavitation)، کاربرد بسیار زیادی در صنایع دریایی دارد. برای مثال از این پدیده برای افزایش ماکزیمم سرعت دستگاهی مانند زیردریایی استفاده می‌شود. کاویتاسیون گسترده، همانطور که در بخش قبلی اشاره شد، پدیده‌ای است که طی آن حباب‌های بزرگی، تقریبا تمام جسم را پوشانده است. در این شرایط با دور راندن آب از اطراف جسم، «نیروی پسا» (Drag Force) به شدت کاهش می‌یابد. این مورد در شکل زیر به تصویر کشیده شده است .
برخی از جانوران دریایی نیز از پدیده کاویتاسیون برای شکار طعمه خود استفاده می‌کنند. به طور خاص گونه‌ای از میگوها با حرکت سریع پنجه خود باعث وقوع پدیده کاویتاسیون می‌شوند و در صورتی که ضربه پنجه آن‌ها نیز به طعمه برخورد نکند، شوک ناشی از آن برای کشتن طعمه کافی است.
همانطور که اشاره شد، کاویتاسیون فرآیندی است که طی آن، در ناحیه‌ای از مایع با فشار پایین، حباب بخار شکل می‌گیرد. در این مطلب، ابتدا کاویتاسیون و روابط حاکم بر آن به صورت دقیق مورد بررسی قرار گرفتند و در ادامه اثرات مخرب این پدیده و راه‌های رفع آن بیان شدند. در انتها نیز فواید و کاربردهای این پدیده در صنایع مختلف مورد بررسی قرار گرفتند.
منابع :
یک پاسخ
whoa this blog is wonderful i really like reading your articles. Keep up the great paintings! You realize, a lot of people are hunting round for this info, you could help them greatly.