دانلود مقاله پدیده کاویتاسیون

معرفی پدیده کاویتاسیون تاریخچه نیوتن اولین فردی بود که بطور تصادفی در سال 1754 در حین آزمایش عدسی های محدب به پدیده کاویتاسیون و تشکیل حباب در مایعات برخورد کرد ولی نتوانست علت آن را شناسایی کند.

او مشاهدات خود را چنین بیان کرده است: «در مایع بین عدسیها، حبابهایی به شکل هوا بوجود آمده و رنگهایی شبیه به هم تولید کرده که این حبابها نمی‎تواند از جنس هوا باشد زیرا مایع قبلاً هوا زدایی شده است.» نیوتن تشخیص داد که این عمل نتیجه بیرون آمدن هوا در اثر کاهش فشار است و حبابها دوباره نمی‎تواننددر مایع حل شوند و در نتیجه پدیده کاویتاسیون را باعث خواهند شد.

مهندسان کشتی‎سازی در قرن نوزدهم به شکل عجیبی برخورد کردند.

آن این بود که پیچهای توربینها که به آب دریا در تماس بودند بعد از مدتی باز می‎شدند، آنها نتوانستند هیچ دلیل قانع کننده‎ای برای این عمل پیدا کنند.

رینولدز در سال 1875 این مشکل را حل کرد، او یکسری آزمایشات کلاسیک روی یک مدل به طول 30 اینچ انجام داد که دارای پیچ‎هایی به طول 2 اینچ با فنر قابل تنظیم بودند.

او دریافت که وقتی طول پیچها زیاد شود عمل باز شدن رخ نمی‎دهد.

او اظهار داشت که هوای وروید پشت تیغه پره باعث کاهش قرت پروانه می‎شود.

خودش یک مورد معروف را که شاهکاری در صنعت کشتی ‎سازی است، طراحی کرد که سرعت آن برابر 27 کره بود.

اولین مشاهدات مکتوبی که در توربین های بخار ثبت شده توسط ‎Parson است و در گزارشاتش چنین آورده است: «لرزش پروانه بیشتر و راندمان آن کمتر از حدی است که محاسبات نشان می‎دهد، از بررسی روی سطوح تیغه‎ها معلوم شد که حبابهایی در پشت تیغه توربین آب را پاره می‎کند، جنس حبابها از هوا و بخار آب نیست و قسمت اعظم قدرت موتور صرف تشکیل و نگهداشتن آنها به جای راندن کشتی می‎شود.» ‎Parson Barnaby و ‎Thornycroft Barnaby مقاله‎هایی در این زمینه نوشته‎اند و پدیده مذکور را شرح داده‎اند و نتیجه‎گیری کرده‎اند که وقتی فشار اطراف تیغه‎ها از یک حد ویژه‎ای پایین‎تر رود حفره‎ ها و ابرهای حبابی در پروانه‎ها بوجود می‎آید.

‎Thronycroft Barnaby اولین کسانی بودند که مقالات خود از لغت کاویتاسیون ‎(cavitation) استفاده کردند.

آنها اظهار داشته‎اند که وقتی فشار منفی کمتر از ‎psi75/6 شود این اتفاق رخ می‎دهد.

برای آزمایش و مشاهده کاویتاسیون، تجربیات ‎Parson و تلاشهای ‎Turbinia آنها را به ساخت و طراحی یک ماهی تابه سربسته محتوی آب که یک گوشه آن باز بود رهنمون کرد.

این آزمایش مقدمه‎ایی برای طراحی و ساخت اولین تونل کاویتاسیون در سال 1895 شد.

این وسیله هنوز در دپارتمان آرشیتک دریایی و کشتی‎سازی دانشگاه ‎Newcastle upon Tyne وجود دارد.

این وسیله شامل مدار بسته بیضی شکلی از یک لوله مسی عمود بر سطح مقطع پروانه بود که بطور افقی به بالای عضو چرخاننده یک ماشین بخارکوچک متصل بود و سپس به یک موتور الکتریکی منتهی می‎شد.

عکس‎برداری بر روی پنجره‎ای که در بالای آن یک لامپ کمانی شکل قرار گرفته بود صورت می‎گرفت و بدین طریق مشاهده کاویتاسیون امکان‎پذیر بود.

‎Parson در سال 1910 یک تونل کاویتاسیون بزرگ در ‎Newcastle upon Tyne ساخت که برای تست پروانه‎هایی به قطر 12 اینچ در یک مدار بسته با طول مسیر جریان 66 فوت، قطر لوله اصلی 36 اینچ و سطح مقطعی به عرص 25/2 فوت و عمق 5/2 فوت بکار می‎رفت که دارای پنجره شیشه‎ای قابل نمایش از یک نورافکن بزرگ و سرعت عکس‎برداری 30000/1 ثانیه بود.

‎Hutton تنها فردی است که تاریخچه دقیق و شاخه‎های کاویتاسیون را با چندین مرجع کمیاب از محققان مربوطه تهیه کرده است.

تعریف و اساس فرآیند کاویتاسیون به تشکیل و فعالیت حباب در مایع کاویتاسیون گویند.

وقتی مایع در فشار ثابت، به اندازه کافی گرم شود یا هنگامی که در دمای ثابت، متوسط فشار استاتیکی یا دینامیکی‎اش به اندازه کافی کاهش یابد، حبابهایی از بخار و یا گاز بخار تشکیل می‎شود بطوری که حتی با چشم هم گاهی اوقات قابل مشاهده است.

با کاهش فشار یا افزایش دما، اگر حباب تنها شامل گاز باشد ممکن است با نفوذ گازهای غیرمحلول ازمایع به حباب، منبسط شود.

ولی اگر حباب بیشتر از بخ ار پر شده باشد، اگر به اندازه کافی کاهش فشار محیط دردمای ثابت صورت بگیرد، یک انفجار تبخیری از سمت داخل حباب اتفاق می‎افتد که به این پدیده کاویتاسیون می‎گویند.

در حالی که برای حباب پر شده از بخار، بالا رفتن دما باعث رشد پیوسته آن خواهد شد که آن را جوشش می‎نامند.

رشد حبابها در اثر نفوذ گاز به نام ‎Degassing معروف است.

در صورتی که این رشد اگر به علت کاهش فشار دینامیکی باشد آن را کاویتاسیون گازی می‎نامند.

می‎توان کاویتاسیون را بر حسب رشد حباب به چهار دسته کلی زیر تقسیم کرد: 1- کاویتاسیون گازی ‎(gaseous cavitation): حباب محتوی گاز که به دلیل افزایش دما یا کاهش فشار رشد یافته است.

2- ‎کاویتاسیون تبخیری ‎(vaporous cavitation): حباب پر شده از بخار که سبب رشد آن کاهش فشار است.

3- گاز زدایی ‎(Degassing): حباب محتوی گاز که سبب رشد آن نفوذ گازهای غیرمحلول در مایع است.

4- جوشش ‎(boiling): حباب محتوی بخار که علت رشد آن بالا رفتن دما به قدری کافی است.

اگر از دیدگاه تغییر فشار دینامیکی موضوع را بررسی کنیم آنچه که دارای اهمیت است ارتباط بالا رفتن یا پایین آمدن فشار برای رشد حباب است.

زیرا اگر رشد حباب بدلیل افزایش فشار داخل آن باشد می‎توان از رشد آن جلوگیری کرده و گاز درون آن را در مایع حل و یا بخار داخل آن را کندانس کرد.

در هم شکستن ‎(collapse)برای حباب محتوی بخار و کمی گاز بیشتر اتفاق می‎افتد و کمتر در حالتی که حجم گاز نسبت به بخار زیادتر باشد روی می‎دهد.

بطور کلی کاویتاسیون شامل تمام اتفاقاتی است ه در مسیر تشکیل حباب و انبساط آن تا در هم شکستن (collapse) حبابها روی می‎دهد.

در حالتی که در فرایند جوشش معمولی حبابها بطور پیوسته رشد می‎کنند.

شدت در هم شکستن (collapse) با رشد و بهم پیوستگی مهم است و در بالا به آن اشاره شد می‎توان به صورت زیر خلاصه شود: 1- کاویتاسیون پدیده‎ای است مخصوص مایعات و در جامدات و گازها بوجود نمی‎آید.

2- کاویتاسیون نتیجه کاهش فشار در مایع است.

بنابراین به جرأت می‎توان گفت که اگر قدر مطلق مینیمم فشار کنترل شود، این پدیده کنترل خواهد شد.

بدین معنی که از خواص فیزیکی و شرایط مایع می‎توان یک فشار بحرانی را محاسبه کرد که اگر فشار مایع مدت زمان کافی زیر آن فشار بحرانی قرار بگیرد کاویتاسیون تولید خواهد شد در غیر این صورت هیچگاه کاویتاسیون رخ نخواهد داد.

3- کاویتاسیون با ظاهر شدن و یا ن اپدید شدن حفره‎ها (حبابها) در مایع مرتبط است.

اگر لغت ‎Cavity به معنای حفره یا حباب و لغت ‎Hole به معنی سوراخ را در دیکشنری وبستر ‎(Webster) مقایسه کنیم به این نتیجه می‎رسیم که ‎Cavity یک لغت معنی‎دار نسبت به ‎Hole است و آن دلالت به یک فضای خالی فعال دارد.

در بسیاری از موارد لغت کاویتاسیون مناسب است، زیرا آن به مفهوم فعال بودن اهمیت می‎دهد.

به آسانی می‎توان دریافت که اگر حفره‎ها واقعاً خالی باشند، حجم نمی‎تواند به عنوان یک قسمت فعال در این پیده فیزیکی نقش بازی کند.

بنابراین همه آثار قابل مشاهده کاویتاسیون باید برای رفتار مایع قابل تعقیب و جستجو باشد.

به هر حال اندازه و حجم حفره در مدت عمر آن نقش کمی را ایفا می‎کند مگر در زمان نزدیک به شروع و پایان سیکل حباب که پارامترهای مورد نظر نقش بسزایی را بعهده دارند، زیرا ابعاد حباب میکروسکپی و یا حتی زیر – میکروسکپی ‎(Sub-Microscopic) است.

4- کاویتاسیون یک پیده دینامیکی است.

بنابراین به رشد و در هم شکستن ‎(collapse) حبابها کاملاً ارتباط دارد.

برخی از موارد مهم دیگری را در ذیل یادآوری می‎کنیم.

الف- هیچ اشاره‎ای به حرکت یا ساکن بودن مایع نشده است،‌ بنابراین ممکن است این مفهوم را برساند که کاویتاسیون در هر حالتی امکان وقوع دارد.

ب- اشاره‎ای مبنی بر محل روی دادن کاویتاسیون، مثلاً در محدوده مرزهای جامه یا خارج آن نشده است.

بنابراین به نظر می‎رسد که کاویتاسیون هم در داخل مایع و هم روی مرزهای جامد اتفاق بیفتد.

ج- بحث بالا مربوط به دینامیک رفتار حباب است.

بطور ضمنی بین هیدرودینامیک رفتار حباب و آثار آن مانند خوردگی کاویتاسیون تفاوت قائل شده است .

توضیحات فوق که در مورد سیکل تبخیر ‎- در هم شکستن ‎(collapse) است، بر مبنای تشخیص کاویتاسیون می‎باشد.

در بسیاری از موارد این پدیده به طور کامل با سیکل ساده دینامیک حبابهای کوچک مشخص شده است.

در مراحل پیشرفته بعد از شروع، تولید هیدرودینامیکی کاویتاسیون ممکن است خیلی پیچیده‎تر از بحث بالا باشد.

تقسیم‎بندی کاویتاسیون کاویتاسیون بطور کلی براساس چگونگی تولید آن به چهار دسته اصلی زیر تقسیم می‎شود: 1- کاویتاسیون هیدرودینامیکی ‎(HYDRODYNAMIC CAVITATION) تغییرات فشار در جریان مایع به خاطر هندسه سیستم سبب بوجود آمدن این پدیده می‎شود.

سیال در حال حرکت، در مسیر حرکتش بطور موضعی دارای سرعتهای متفاوت است،‌ این تغییر سرعت عامل اصلی تغییر فشار موضعی سیال می‎شود.

با افزایش بیش از حد سرعت موضعی مایع، فشاار موضعی آن کمتر از مقدار بحرانی (وابسته به خواص فیزیکی سیال) می‎گردد.

که خود سبب بوجود آمدن حباب در مایع می‎شود.

این حباب به دلیلی حتی با افزایش فشار، بیشتر از مقدار فشار بحرانی از بین نمی‎رود.

این سیر موجب بوجود آمدن کاویتاسیون هیدرودینامیکی می‎شود.

مراحل این نوع کاویتاسیون به شرح زیر است: الف- مرحله نخستین ‎(Incipient Stage): در این مرحله حبابهای قابل رویت کوچک و منطقه کاویتاسیون محداود است.

ب- مرحله توسعه یافته ‎(Developed Stage): در اثر تغییر دادن شرایط فشار، سرعت و دما در جهت افزایش نرخ تبخیر، کاویتاسیون رشد می‎کند و مرحله توسعه یافته قابل تشخیص می‎شود.

ج- مرحله پایانی ‎(Desinent Stage): این مرحله قبل از ناپدید شدن کاویتاسیون است.

در مرحله نهایی و مرحلهاولی کاویتاسیون نزدیک به شرایط آستانه می‎باشد.

شرایطی که مرز با آستانه بین نبودن و ظاهرشدن کاویتاسیون را نشان دهد همیشه قابل تشخیص نیست تا هنگام ظهور و ناپدید شدن مشاهده گردد.

‎a- تقسیم‎بندی کاویتاسیون هیدرودینامیکی کاویتاسیون هیدرودینامیکی را از نظر وضعیت قرار گرفتن حباب می‎توان به دسته‎های زیر تقسیم کرد: ‎b- آثار کاویتاسیون هیدرودینامیکی معمولاً اثر کاویتاسیون هیدرودینامیکی در پمپها این است که نیروی اعمالی به سیال را که توسط سطح مرزی برای هدایت آن انجام می‎گیرد، کاهش می‎دهد.

انحنای زاویه‎ای ‎(angular deflection) جریان تولید شده توسط پره در حال چرخش در زمان گسترش کاویتاسیون کمتر از زمانی است که آن گسترش پیدا نکرده است.

در توربینهای هیدرولیک وقتی کاویتاسیون رشد می‎یابد، قدرت خروجی و بازده هر دو کاهش می‎یابد.

در صورتی که در پمپ سانتریفیوژ افت هد و کاهش بازده بوجود می‎آید.

کاهش توان خروجی و هد توسط کاویتاسیون، ممنتم انتقالی بین سیال و روتور را کاهش می‎دهد و کاهش بازده موجب افزایش اتلاف انرژی و در نتیجه افزایش دما می‎شود.

2- کاویتاسیون صوتی ‎(ACOUSTIC CAVITATION) در این حالت پدیده کاویتاسیون به سبب امواج صوتی حاصل از تغییرات فشار تولید می‎شود.

در بعضی از محیط‎های مایع تغییرات فشار حائز اهمیت نمی‎باشد لیکن یکسری امواج صوتی در مایع که به طرق مختلف بوجود آمده است امکان ایجاد کاویتاسیون صوتی را بوجود می‎آورد.

این امواج صوتی سبب افزایش و کاهش فشار می‎شود.

اگر دامنه تغییرات فشار در قسمت منفی سیکل فشار حاصل از امواج صوتی کمتر از فشار بحرانی سیال شود،‌ حبابهای ریز بوجود می‎آیند.

اگر دامنه امواج صوتی باز هم بیشتر شود امکان دارد فشار منفی به صفر برسد و سبب رشد غیرقابل کنترل حبابها شود.

به این صورت که حبابها دائماً در مایع منبسط و منقبض می‎شوند و باعث افزایش بیشتر دامنه میدان صوتی می‎گردند.

در هر صورت در کاویتاسیون صوتی دو حالت گذرا و پایدار ممکن است رخ دهد.

حبابهای پایدار بطور منظم ارتعاش می‎کنند در حالی که حبابهای گذرا طول عمرشان کمتر از یک سیکل می‎باشد.

دو مشخصه اساسی در کاویتاسیون صوتی وجود دارد، اول اینکه بطور کلی فرآیند تغییرات شعاع حباب با فشار منبع صوت کاملاً غیرخطی است.

دوم اینکه چون حباب دارای تراکم‎پذیری بالایی است در هنگام انبساط، انرژی پتانسیل زیادی را می‎تواند در خود ذخیره و در هنگام انقباض، آن را به انرژی جنبشی تبدیل کند.

در این حالت کاویتاسیون گذرا بسیار مسئله‎ساز است.

زیرا زمانی که حباب انبساط پیدا کند و سپس منفجر شود به حبابهای ریزی تبدیل می‎گردد که هر کدام از آنها جوانه‎ای برای حباب بعدی است.

اگر این رویه ادامه یابد، سبب می‎شود انرژی در حجم کمی متمرکز شود و موجب بوجود آمدن واکنش شیمیایی همراه با تولید نور گردد.

3- کاویتاسیون نوری ‎(OPTIC CAVITATION) این نوع کاویتاسیون بوسیله گسیل نور با شدت بالا و همسو (لیزر) در مایع تولید می‎شود.

کاویتاسیون نوری هنگامی رخ می‎دهد که یک شعاع لیزری موجب متراکم شدن انرژی در مایع شود.

در این موقع در مایع شکست ‎(Breakdown of Liquid) رخ می‎دهد و سبب تشکیل حباب می‎گردد.

که این حبابها براحتی قابل رویت هستند.

4- کاویتاسیون ذره‎ای ‎(PARTICLE CAVITATION) این نوع کاویتاسیون به علت ذرات عناصر یا فوتونهای گسیل شده در مایع بوجود می‎آید.

اگر ذره‎ای با انرژی و سرعت بالا به مایع وارد شود سبب یونیزه شدن مایع می‎گردد.

قسمتی از انرژی یونها که تا حدود 1000 الکترون ‎- ولت هم می‎رسد در حجم بسیار کوچک تولید حرارت می‎کند.

این حرارت سبب فوق گرم ‎(Super Heat) شدن مایع می‎گردد، در نتیجه جوشش موضعی در مایع بوجود می‎آید که بصورت حبابهایی ریز در طول مسیر ذرهها قابل رویت است.

مرجع ‎]2‎[ عنوان کرده است که کاویتاسیون هیدرودینامیکی و صوتی از تنش مایع بوجود می‎آیند، در صورتی که کاویتاسیون ذره‎ای و نوری بوسیله ذخیره کردن موضعی انرژی، حاصل می‎گردد.

اثرها و اهمیت کاویتاسیون کاویتاسیون به دلیل آثاری که می‎تواند داشته باشد توجه بسیار زیادی را در صنعت امروز به خود اختصاص داده است.

آثاری را که کاویتاسیون می‎تواند به وجود بیاورد عبارتند از: 1- اثرهایی که هیدرودینامیک سیال را تغییر دهد.

2- اثرهایی که بر روی سطح مرزی سیال با دیواره جامد به وقوع می‎پیوندد و می‎تواند تولید خطر کند.

3- آ‌ثار خارجی که ممکن است به تغییرات مهم و جدی هیدرودینامیکی جریان اضافه شود و به مرزهای جامد ضرر رساند.

متأسفانه در میدان هیدرودینامیکی، تأثیرات کاویتاسیون به جز چند مورد استثنا، همگی مضر هستند.

کنترل نکردن آن می‎تواند خطرهای جدی و حتی نتایج جبران‎ناپذیری را به همراه داشته باشد.

از طرف دیگر لزوم اجتناب از کاویتاسیون و یا کنترل آن محدودیتهای جدی را برای طراحی بسیاری از انواع وسایل هیدرودینامیکی تحمیل می‎کند.

در ماشینهای هیدرودینامیکی مانند همه توربینها از سرعت مخصوص پایین فرانسیس تا سرعت مخصوص بالایکاپلان، زمینه برای ایجاد کاویتاسیون آماده است.

پمپهای محوری ‎(Axial) و سانتریفیوژ ‎(Centrifugal) و حتی پمپهای رفت و برگشتی قدیمی نیز درگیر اثرهای کاویتاسیون هستند.

اگرچه کاویتاسیون ممکن است با طراحی اشتباه تشدید یابد، اما حتی در وسایلی که از بهترین طراحی نیز برخوردار هستند هنگامی که در عمل شرایط نامطلوب اعمال گردد ممکن است اتفاق بیفتد.

کاویتاسیون همچنین امکان دارد در وسایلی که انرژی مکانیکی به آنها وارد یا از آنها خارج می‎شود هم اتفاق بیفتد.

ولوها ‎(Valves) و همه وسایلی که سرعت سیال عبوری در آن‎ها تغییر می‎کند،‌م مکن است تحت تأثیر آثار کاویتاسیون قرار گیرند.

اندیکس کاویتاسیون کاویتاسیون معمولاً‌ در یک ترکیب بحرانی از سرعت، فشار و فشار بخار جریان اتفاق می‎افتد.

معمولاً برای بررسی موارد فوق از پارامترهایی به نام اندیکس کاویتاسیون استفاده می‎شود.

از نظر ت ئوری این اندیکس با نوشتن رابطه برنولی بین یک نقطه‌آزاد و نقطه‎ای که در آن ممکن است کاویتاسیون رخ دهد و جایگزین کردن فشار نقطه دوم با فشار سیار و استخراج رابطه‎ای بدون بعد از روابط ذیل بدست می‎آید.

که در آن: P : فشار در نقطه مورد نظر P0 : فشار در نقطه مبنا V : سرعت جریان در نقطه مورد نظر ‎V0 : سرعت جریان در نقطه مبنا ‎Z : رقوم در نقطه‌ مورد نظر ‎Z0 : رقوم در نقطه مبنا ‎g : شتاب جاذبه زمین ‎ : جرم مخصوص آب حال می‎توان ‎Cp را به عنوان یک پارامتر بدون بعد به نام فاکتور فشار از رابطه زیر بدست آورد.

به طوریکه: ‎Ef : انرژی پتانسیل جریان ‎E0 : انرژی پتانسیل درنقطه مبناء با صرفنظر کردن از شرایط ثقلی (که معمولاً یا اندک است یا برای تمامی حالات برابر) خواهیم داشت: که در آن ‎Cpmin کمترین مقدار ‎Cp در جریان، در نقطه‎ای است که کاویتاسیون مورد بررسی قرار می‎گیرد.

با همان فرض ناچیز بودن شرایط خواهیم داشت: که در آن: ‎PV : فشار بخار آب ‎P0 : ‎Pa + pg ‎Pa : فشار اتمسفر ‏‎Pg : فشار گیج شکل‎گیری کاویتاسیون آب به خودی خود با افزایش دما و کاهش فشار به بخار تبدیل نمی‎شود.

آبیکه به طور کامل تصفیه و فیلتر شده باشد می‎تواند بارها فشارهای منفی بسیار بزرگ را تحمل کند،‌ بدون آنکه به بخار تبدیل شود.

کاویتاسیون و جوشیدن هر دو در نقاطی که دارای ناخالصی است و یا در کنار یک شکاف زیر در دیواره جریان، اتفاق می‎افتد.

مشاهده محققان نشان می‎دهد که قبل از دیده شدن کاویتاسیون، معمولاً یک محدوده کوچک از جریان، انبوهی از جریانهای ریز به چشم می‎خورند که از آنان به عنوان هسته کاویتاسیون یاد می‎شود.

این حبابها در ایجاد کاویتاسیون نقش مهمی را ایفا می‎کنند و تئوری کاویتاسیون براساس وجود این حبابها شکل می‎گیرد.

وقتی یک دسته از حبابهای ریز کاویتاسیون از ناحیه کم فشار به ناحیه پرفشار پائین دست که در آن شرایط کاویتاسیون حاکم نیست رانده می‎شوند کاهش قطری در حبابها بوجود می‎آید.

هنگامی که شعاع حباب به شعاع بحرانی رسید،‌ حباب ناگهان درهم می‎شکند و آب اطراف آن برای پر کردن حفره حاصل به سمت آن هجوم می‎آورد.

در نقطه‌ از بین رفتن این حبابها، برخورد دسته‎های آبی که با سرعت بسیار به سمت هم حرکت می‎کنند باعث یک انفجار کوچک شده و فشار درون آب را (در آن نقطه) به شدت بالا می‎برد.

اگر فروپاشیدگی یک حباب در نزدیکی سطح بتن اتفاق بیافتد، انفجار نامتقارن بوده و تولید یک جت می‎کند.

این جت با سرعت زیاد به سطح برخورد می‎کند.

سرعت این جت در حدود 400 کیلومتر در ساعت تخمین زده شده است.

پس سطح بتن ضربات زیادی را از این جتهای کوچک دریافت می‎کند.

بدین ترتیب در اطراف یک ذره بتن ممکن است اختلاف فشار زیادی ایجاد شود که این اختلاف فشار باعث جداشدگی ذره می‎گردد.

نقش سطوح مختلف در کاویتاسیون نامنظمی سطوح در سازه‎های هیدرولیکی اساساً به دو بخش نامنظمی منفرد (موضعی) و نامنظمی با توزیع یکنواخت (گسترده) تقسیم می‎شود.

در هیدرولیک کاربردی برای بررسی نقش این سطوح در کاویتاسیون از دیاگرامها و رابطه‎هایی که توسط محققان مختلف برای این سطوح ارائه شده استفاده می‎شود.

به طور معمول این دیاگرامها و روابط، رابطه‎های بین مشخصات نامنظمی مثل شکل، طول، ارتفاع و مشخصات جریان از یک طرف و ضریب کاویتاسیون بحرانی و شرایطی که کاویتاسیون در آن ایجاد می‎شود را از طرف دیگر بیان می‎کنند.

روشهای مطالعه کاویتاسیون برای مطالعه پدیده کاویتاسیون استفاده از روشهای زیر رایج می‎باشد: 1- استفاده از عدد کاویتاسیون 2- حل معادله رشد حباب 3- رژیم جریان عدد کاویتاسیون ماهیت چندگانه کاویتاسیون موجب شده است که یک عدد بی‎بعد برای آن تعریف کنیم.

این عدد شامل پارامترهای هندسی (زاویه حمله و شکل پره) و خواص فیزیکی سیال (جرم حجمی و لزجت) و خواص هیدرولیکی جریان است.

عدد کاویتاسیون بیان‎کننده نسبت افت انرژی به انرژی کل است و به شکل زیر تعریف می‎شود: در معادله فوق ‎P0 و ‎u0 به ترتیب فشار و سرعت مرجع، ‎Pv فشار بخار اشباع و ‎ دانسیته سیال است.

در ماشینهای هیدرولیکی این عدد بیان‎کننده نسبت افت هیدرودینامیکی به هد کل است.

با توجه به اینکه این عدد تا حد زیادی تحت تأثیر دمای آب، مقدار هوای موجود در آن و حتی شتاب ثقل قرار دارد،‌استفاده از این روش خیلی محدود است.

چون عدد بدست آمده یکتا نیستو قابل تکرار هم نیست.

حل معادله رشد حباب با توجه به اینکه اثرات فرسایش و ارتعاش ناشی از پدیده کاویتاسیون مربوط به آخرین لحظه ترکیدن حباب است از این‎رو لازم است اطلاعات مربوط به مراحل نهایی انهدام یک حباب را از معادلات رشد حباب بدست آوریم.

در این روش با استفاده از چندین فرض ساده‎کننده معادله رشد حباب را حل می‎کنیم و سپس قدرت پالس فشاری و سرعت میکروجت را به کمک آن تعیین می‎کنیم.

اشکال این روش آن است که معادله رشد حباب برای یک حباب مجزای کروی شکل نوشته می‎شود در حالی که در تخریب ناشی از پدیده کاویتاسیون،‌ رفتار گروهی حبابها حائز اهمیت است و از طرف دیگر حبابها کروی نیستند (به ویژه حبابهایی که در نزدیک دیواره قرار دارند).

رژیم جریان بررسی‎های انجام شده نشان می‎دهد که رشد حباب ارتباط زیادی به رژیم و نوع جریان دارد.

از این رو لازم است که عدد کاویتاسیون را به صورت پارامترهای هیدرولیکی جریان بنویسیم: در معادله فوق ‎a و ‎b و ‎c عدد رینولدز است.

روش فوق نیز دارای این عیب است ه در آن پارامتر دما وجود ندارد در حالی که رشد حباب یک پدیده تغییر حالت است و از معادله واندروالس که شامل پارامتر دما است، پیروی می‎کند.

روشهای تشخیص کاویتاسیون هدف اصلی از مطالعه کاویتاسیون، پیش‎بینی نقطه شروع کاویتاسیون است.

پس از مشخص شدن این نقطه سعی می‎شود یک حاشیه اطمینان رعایت شود تا آسیب کمتری به ماشینها و وسایل هیدرولیکی وارد شود همانطوری که قبلاً اشاره شد کاویتاسیون باعث تغییر پارامترهای هیدرولیکی جریان می‎شود، ‌در فاز سیال ناپیوستگی ایجاد می‎کند،‌ راندمان ماشینهای هیدرولیکی را پایین می‎آورد و صدا و ارتعاش ایجاد می‎کند.

از تمامی این آثار می‎توان برای تشخیص وقوع کاویتاسیون استفاده نمود.

روشهای تشخیص کاویتاسیون به چند دسته تقسیم می‎شود: 1- منحنی مشخصه 2- اکوستیک 3- توزیع فشار 4- اپتیک 5- کاهش جرم 6- لیزر منحنی مشخصه با وقوع کاویتاسیون الگوی جریان عوض می‎شود و مقاومت سیال افزایش می‎یابد.

در نتیجه راندمان ماشینهای هیدرولیکی پایین آورده شده و هد و دبی متناسب با آن کاهش می‎یابد.

یک روش استاندارد برای مطالعه کاویتاسیون در شکل زیر نشان داده شده است.

یک پمپ در مدار بسته کار می‎کند.

فشار روی مخزن توسط یک پمپ خلاء کاهش می‎یابد تا شرایط کاویتاسیون فراهم شود.

با رسم منحنی مشخصه پمپ در حالت کارکرد سالم و در حالت وقوع کاویتاسیون می‎توان نقطه شروع کاویتاسیون را تشخیص داد.

شکل زیر نمونه‎ای از این منحنی‎ها را نشان می‎دهد.

دستگاه تست کاویتاسیون در تست کاویتاسیون باید شرایط محل نصب در محاسبه فشار حلی و نیز ضریب جاذبه و جرم حجمی دخالت داده شود.

قبل و بعد از آزمایش وسائل اندازه‎گیری باید کالیبره شوند.

دقت هر وسیله اندازه‎گیری باید معلوم باشد و در محاسبات مربوط به تخمین خطاهای اندازه‎گیری تأثیر داده شود.

توزیع فشار وقوع کاویتاسیون باعث می‎شود مشخصات هیدرولیکی جریان (از جمله فشار) تغییر کند.

با استفاده از چند ترانسدیوسر پیزوالکتریک می‎توان فشار روی پره‎ها را در یک جریان کاویتاسیون بدست آورد و به کمک آن نقطه شروع کاویتاسیون را مشخص کرد.

کاهش جرم از آنجا که کاویتاسیون موجب فرسایش شدید سطح پروانه و پوسته (در ماشینهای هیدرولیکی) می‎شود، اندازه‎گیری میزان کاهش وزن می‎تواند بیانگر شدت وقوع کاویتاسیون باشند.

معمولاً‌ نموداری که نشان‎دهنده کاهش وزن یک نمونه با تغییر زمان است، رسم می‎شود.

آکوستیک کاویتاسیون باعث تولید حباب و دوفازی شدن جریان می‎شود.

سرعت صوت در آب و جریان کاویتاسیون (دوفازی) تغییر می‎کند.

با اندازه‎گیری صدا و یا با استفاده از پدیده دوپلر می‎توان وقوع کاویتاسیون را پیش‎بینی کرد.

لیزر شدت وقوع کاویتاسیون با میزان حبابهای تولید شده در جریان متناسب است و با تعیین مقدار حباب در جریان آغاز کاویتاسیون را مشخص کرد.

روشهای سنتی برای کاهش خسارات کاویتاسیون برای کاهش اثرات مخرب کاویتاسیون باید عوامل ایجاد آن را کنترل کرد و حاشیه اطمینانی را برای کارکرد سیستم در نظر گرفت.

مهمترین روشهای کاهش خسارات کاویتاسیون عبارتند از: 1- طراحی بهینه ماشینها 2- طراحی بهینه سیستمهای لوله‎کشی 3- کاهش اتلافات 4- کاهش مرحله‎ای فشار 5- استفاده از مواد مقاوم 6- تزریق هوا 7- پوشش‎دهی سطحی 8- کنترل کاویتاسیون 9- استفاده از مواد افزودنی پلیمری طراحی بیهنه سیستمهای لوله‎کشی طراحی خط مکش تأثیر زیادی در توزیع ینواخت جریان در ورودی پره‎ها دارد.

این موضوع در پمپهایی با دو دهانه مکش اهمیت بیشتری دارد.

مثلاً اگر یک زانویی در ورودی پمپ داشته باشیم، پروفیل سرعت ناهمگن می‎شود.

وجود یک لوپ انبساط نامناسب می‎تواند باعث ایجاد جریان چرخشی در ورودی پمپ بشود (شکل الف).

لوپ انبساط باید سیال را در یک جهت دوران دهد (شکل ب).

حلقه‎های انبساط در لوله‎کشی کاهش اتلافات کاویتاسیون به علت افت فشار و رسیدن فشار به ‎Pv اتفاق می‎افتد.

از این‎رو برای اجتناب ازکاویتاسیون لازم است که میزان افت فشار در سیستم را کاهش دهیم.

به طور کلی سه نوع اتلاف فشار در یک سیستم قابل تشخیص است.

1- اتلاف اصطکاکی 2- اتلاف شتابی 3- اتلاف شوک ورودی دو نوع اول متناسب با مربع سرعت سیال می‎باشد.

و نوع سوم متناسب با مربع سرعت نسبی سیال است.

در پمپهای کوچک اتلاف اصطکاکی مهمتر است ولی در پمپهای بزرگ (سرعت بیشتر از 50 متر بر ثانیه) اتلاف شتاب از اهمیت بیشتری برخوردار است.

کاهش مرحله‎ای فشار به طور کلی در هر سیستمی باید تا آنجا که ممکن است از تغییر ناگهانی فشار جلوگیری کرد.

به عنوان مثال در شیرهایی که افت فشار زیادی ایجاد می‎کنند،‌ کاویتاسیون اتفاق می‎افتد، برای برطرف کردن این مشکل می‎توان با نصب یک ارفیس در جلوی شیر فشار آنرا به صورت پله‎ای کم کرد تا از وقوع کاویتاسیون جلوگیری شود.

استفاده از مواد مقاوم برای آنکه فرسایش کم شود در ساخت ماشینهای هیدرولیکی باید از مواد مقاوم در مقابل خستگی استفاده کرد.

میزان فرسایش با عدد سختی برینل رابطه دارد.

فرسایش کاویتاسیون به مقدار مواد زبره موجود در آب نیز بستگی دارد.

به ذرات ریز جامد معلق در سیال که در اثر فرسایش سطح به وجود آمده مواد زبره گفته می‎شود.

افزایش مقاومت خستگی با افزایش صافی سطح و بالا بردن سختی آن (عملیات حرارتی) امکان‎پذیر است.

تزریق هوا با تزریق مقداری هوا می‎توان اثر موج شوکی را کاهش داد.

به عنوان نمونه در شکل زیر اثر تزریق هوا بر کالیبراسیون در جریان نشان داده شده است.

همچنانکه در شکل می‎توان مشاهده کرد در ناحیه 1 تزریق هوا باعث تقویت هسته‎های حباب می‎شود و در ناحیه 2 تأثیری دارد.

در ناحیه 3 و 4 تزریق هوا مفید است.

این نمودار براساس آزمایش تجربی و اندازه‎گیری زمان لازم برای از بین رفتن یک لایه به رنگ از روی یک پره یک ماشین هیدرولیکی در شرایط کاویتاسیون توسط ‎Minasyan (1990) بدست آمده است.

تأثیر هوا بر کاهش تخریب کاویتاسیون پوشش‎دهی سطح روکش‎های فلزی یا غیرفلزی (پلیمری) که دارای قابلیت انعطاف‎پذیری هستند، انرژی دریافتی ناشی از ترکیدن حبابها را جذب می‎کنند و به محیط پس می‎دهند.

این پوششها به وسیله اسپری کردن روی سطوح ایجاد می‎شوند.

برخی از این مواد عبارتند از پلی‎آمید، استول، اپوکسی رزین، نایلون، رزین سیلیکون.

کنترل کاویتاسیون می‎توان حبابها را در محلولهای دلخواه جایی که دارای انرژی کمتر هستند ترکاند.

این کار به وسیله نصب یک پره اولیه ارزان قیمت و قابل تعویض در جلوی پمپهای محوری انجام می‎شود.

استفاده از مواد افزودنی پلیمری اضافه کردن کمی ماده پلیمری به سیال باعث کاهش خسارات کاویتاسیون می‎شود.

عوامل مؤثر در خسارت ناشی از کاویتاسیون بر روی یک سطح هنگامی که جریان با سرعت بالا از روی یک سطح عبور می‎کند، سطح مزبور قابلیت آسیب‎‎دیدگی توسط کاویتاسیون را دارد.

عوامل تعیین کننده آسیب‎دیدگی سطح عبارتند از: - علت ایجاد کاویتاسیون - موقعیت آسیب - شدت کاویتاسیون - مقدار سرعت جریان - مقدار هوای موجود در آب - مقاومت سطح در مقابل آسیب - مدت زمانی که سطح در معرض آسیب قرار دارد.

علت ایجاد کاویتاسیون همانطور که قبلاً نشان داده شد،‌ کاویتاسیون هنگامی اتفاق می‎افتد که فشار موضعی جریان کمتری از فشار بخار آب شود.

برای مثال، در پدیده چکش آبی هنگام حرکت موج به سمت پایین دست و در زمانی ه فشار پیزومتر به پایین‎تر از فشار اتمسفر می‎رسد،‌ این اتفاق می‎تواند رخ دهد.

با این حال منشاء کاویتاسیون در سازه‎های هیدرولیکی بیشتر ناصافی سطح می‎باشد.

جریانهای برشی نیز باعث ایجاد کاویتاسیون می‎گردند.

جت مستغرق مثالی از یک جریان می‎باشد برش، ‌بین جت با سرعت بالا و جریان نسبتاً آرام اطراف جت اتفاق می‎افتد.

جریان برشی در نزدیکی سطح جریان،‌ در هنگام عبور مایع نیز اتفاق می‎افتد.

در حال حاضر محققین در حال مطالعه خصوصیات کاویتاسیون در جریانهای برشی پس از یک لایه مرزی می‎باشند.

موقعیت آسیب کاویتاسیون همواره در پایین دست عامل ایجاد‎کننده آن حادث می‎شود.

استین برینگ نشان داد که برای یک استوانه که انتهای آن در مقابل جریان قرار دارد، خسارت هنگامی شروع می‎شود که طول ابر کاویتاسیون مساوی قطر سیلندر گردد.

او همچنین دریافت که طول ابر کاویتاسیون، ‎Lk، از رابطه زیر محاسبه می‎گردد: که در رابطه مذکور: ‎H : مشخصات ابعاد مانند ارتفاع پله، شعاع سیلندر و غیره ‎Lk : طول ابر کاویتاسیون جریان ‎ : شاخص کاویتاسیون جریان : شاخص کاویتاسیون در زمان شروع آسیب ،‌ هنگامی که ‎ است، برابر با شاخص کاویتاسیون می‎گردد.

استین برینگ همچنین نشان داد که حداکثر خسارت در نزدیکی انتهای ابر کاویتاسیون اتفاق می‎افتد.

آزمایشات او با مشاهدات خسارت ناشی از کاویتاسیون در تونل سرریز سد گلن کانیون نسبتاً انطباق داشت.

پس از حدود 20 روز کارکرد با دبی 205 مترمکعب در ثانیه خساراتی در تونل سر ریز سمت چپ در پایین دست قطعات خرد شده رسوبات کلیستی مشاهده گردید.

پس از سه روز کارکرد سرریز با دبی 425 مترمکعب در ثانیه خساراتی در پایین دست آسیب‎دیدگی اولیه مشاهده شد.

معادله قبل می‎تواند برای برآورد فاصله سطحی که حداکثر آسیب‎دیدگی را دارد،‌بکار گرفته شود.

محاسبات نشام می‎دهد که فاصله از محل حداکثر خسارت با افزایش دبی و ارتفاع زیریهای سطح افزایش می‎یابد.

همچنین در سرریز خساراتی مشاهده می‎شد، اما دو ناحیه متمایز از لحاظ خسارت افزایش نیافته بودند.

معادله استین برینگ بین دو ناحیه خسارت دیده تمایز قائل می‎شود.

اگرچه تغییرات خیلی کوچک هستند،‌اما نسبت به میزان خسارت نمی‎توان بطور کامل آنها را از هم جدا نمود.

این دو مشاهده در مورد شکل آسیب و زیان ناشی از کاویتاسیون فرضیه وسیعی را زیر سؤال می‎برد.

این فرضیه بیان می‎کند که شکل آسیب‎دیدگی ناشی از کاویتاسیون مانند یک درخت کریسمس می‎باشد.

این بدان معناست که وقتی یک ناحیه دچار آسیب‎دیدگی شد، همین ناحیه سبب افزایش کاویتاسیون و ایجاد ناحیه‎های کاویتاسیون بعدی در پایین دست خواهد شد.

از آنجا که ناحیه آسیب دیده از ناصافیهایی که سبب آن بوده است بزرگتر می‎باشد،‌ بنابراین فرآیند در جهت بزرگ و بزرگتر نمودن ناحیه آسیب دیده عمل خواهد کرد.

بهترین برآورد از الگوهای خسارات مشاهده شده و استفاده از معامله فوق نشان داد که الگوی درخت کریسمس در خسارات مشاهده شده در تونل سرریز سد گلن کانیون فقط مربوط به تغییرات دبی می‎باشد.

حالت خسارت با الگوی درخت کریسمس تنها زمانی توسعه می‎یابد، که عمق خسارت حاصل کاویتاسیون نسبت به عمق جریان افزایش یابد.

بدون تردید مکانیزم ایجاد خسارت بیشتر از فرسایش ناشی از جریان جت بر روی یک سطح ناصاف می‎باشد تا از کاویتاسیون.

فرسایش سطح در اثر یک جت با سرعت بالا بدون حضور پدیده کاویتاسیون، بطور سیستماتیک مورد مطالعه قرارنگرفته است.

شدت کاویتاسیون معرفی یک عدد برای نشان دادن شدت کاویتاسیون کار بسیار مشکلی می‎باشد.

استین برینگ مشاهده نمود که با کاهش مقدار شاخص کاویتاسیون نسبت به شاخص کاویتاسیون اولیه، ‎، شدت خسارت به آرامی افزایش می‎یابد، که این موضوع در شکل 2-18 نشان داده شده است.

اگر شاخص کاویتاسیون متعاقباً بیشتر کاهش پیدا کند، به ناحیه‎ای می‎رسد که در آن روند آسیب با شاخص کاویتاسیون نسبت عکس پیدا خواهد نمود.

کاهش بیشتر در شاخص کاویتاسیون،‌ در نقطه‎ای عاید می‎گردد که میزان آسیب دارای حداکثر مقدار می‎باشد.

با کاهش بیشتر شاخص کاویتاسیون میزان آسیب نیز کاهش می‎یابد.

از این موضوع می‎توان دریافت که شدت کاویتاسیون هنگامی که شاخص کاویتاسیون کمتر از شاخص اولیه می‎گردد،‌ ابتدا افزایش و سپس کاهش می‎یابد.

طیف صدا نیز دارای رفتار مشابهی می‎باشد.