فرمت فایل: ورد –Word و قابل ویرایش

تعداد صفحات: 41

فهرست مطالب

عنوان

- معرفي پديده كاويتاسيون

- تعريف و اساس فرآيند كاويتاسيون

- تقسيم‎بندي كاويتاسيون

- اثرها و اهميت كاويتاسيون

- انديكس كاويتاسيون

- شكل‎گيري كاويتاسيون

- روش‎هاي مطالعه كاويتاسيون

- روش‎هاي تشخيص كاويتاسيون

- روش‎هاي سنتي براي كاهش خسارات كاويتاسيون

- عوامل مؤثر در خسارت ناشي از كاويتاسيون بر روي سطح

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 فشار بحراني از بين نمي‎رود. اين سير موجب بوجود آمدن كاويتاسيون هيدروديناميكي مي‎شود. مراحل اين نوع كاويتاسيون به شرح زير است: