کاویتاسیون

کاویتاسیون چیست؟

کاویتاسیون فرآیندی است که طی آن، در ناحیه ای از مایع با فشار پایین، حباب بخار شکل میگیرد. این فرایند ممکن است در هر نوع توربوماشین هیدرولیکی مانند انواع پمپ ها و توربین ها 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 فعالیت های تحقیقاتی در موضوعات این چنینی افزایش یافته است.

کاویتاسیون مشابه پدیده جوشش است، با این تفاوت که جوشش بصورت عمومی، در نتیجه افزایش دمای مایع بوجود می آید و این افزایش دما، بوسیله انتقال حرارت از سطوح جامد رخ میدهد.

نکته ای 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 راه های رفع آن مورد بررسی قرار میگیرند و در انتهای مطلب، کاربردهای مفید این پدیده در صنایع مختلف بیان میشوند.

همانطورکه 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 حباب های بخار در بخشی از مایع این است که فشار این بخش از مایع کاهش می یابد 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.

برای شروع، تعریف فوق را بعنوان یک تعریف خام میپذیریم و روابط حاکم بر این پدیده را با همین فرض، مورد مطالعه قرار میدهیم.

فشار استاتیک (Static Pressure) در تمام جریان ها، با استفاده از رابطه‌ زیر به فرم بی بعد در می آید.

C_P در رابطه بالا ضریب فشار نامیده میشود و یک پارامتر بی بعد است. P₁ فشار استاتیک مرجع را نشان میدهد که در پمپ ها معمولا برابر با فشار ورودی پمپ در نظر گرفته میشود. U نیز نمایانگر سرعت مرجع است که در پمپ‌ ها با سرعت نوک پره ورودی (ΩR_T1) 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 R_T1 در رابطه بالا به ترتیب سرعت دوران ایمپلر، ویسکوزیته سینماتیک و شعاع نوک پره ایمپلر در ورودی پمپ را نشان میدهند. زمانیکه در یک پمپ، کاویتاسیون رخ نداده باشد، سرعت و ضریب فشار، مستقل از فشار مرجع P₁ عمل میکنند. در این پمپ ها با تغییر مقدار پارامتر P₁، فشار سایر قسمت ها بصورت یکنواخت تغییر میکند و در نتیجه ضریب فشار بدون تغییر باقی میماند.

رابطه C_p را برای نقطه ای از پمپ که کمترین فشار را دارد بشکل زیر بازنویسی میکنیم.

مقداری منفی دارد و همانطورکه اشاره شد، این پارامتر تنها به هندسه پمپ و عدد رینولدز وابسته است. در صورتیکه مقدار عبارت C_Pmin بصورت تئوری و یا آزمایشگاهی محاسبه شود، فشار ورودی، که اولین بار کاویتاسیون در آن رخ میدهد بشکل زیر بدست می آید.

توجه شود که کاویتاسیون زمانی رخ میدهد که فشار یک بخش سیال در پمپ به فشار بخار خود برسد. بنابراین در رابطه بالا، فشار P_min برابر با P_v 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 بی بعد 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 بصورت زیر قابل بیان است.

همانطورکه مشخص است، جریان هایی 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 σ_i به شکل زیر نمایش داده میشود و «عدد شروع کاویتاسیون» (Cavitation Inception Number) نام دارد.

در صورتیکه کاویتاسیون زمانی شروع شود که P_min = P_v است، عدد شروع کاویتاسیون مطابق رابطه زیر برابر با منفی ضریب فشار مینیموم است. در غیر اینصورت، 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 بعنوان سرعت مرجع درنظر گرفته میشود.

در پمپ ها و توربین ها پارامتری تحت عنوان «فشار مکش مثبت خالص» (Net Positive Suction Pressure) موجود است که بصورت خلاصه شده با نماد NPSP نمایش داده میشود و رابطه آن بشکل زیر است.

در این رابطه، PT1 مطابق با رابطه زیر تعریف میشود.

پارامتر‌های دیگری نیز در پمپ ها و توربین ها مانند «هد 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) بشکل زیر معرفی میشود.

سرعت مشخصه مکش مانند عدد کاویتاسیون، فرم بی بعد 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 S_i نشان داده میشود و میتوان آنرا 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 σ_TH و بشکل زیر تعریف میشود.

مخرج عبارت بالا، افزایش فشار کلی در طول پمپ را نشان میدهد. رابطه ضریب کاویتاسیون توماس، برحسب σ و S بشکل 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 آنجاییکه کاویتاسیون بشکل های مختلفی در ایمپلر پمپ به وقوع میپیوندد، در این بخش به بررسی انواع کاویتاسیون در پمپ ها پرداخته میشود.

زمانیکه فشار ورودی پمپ کاهش پیدا میکند، کاویتاسیون در گردابه های نوک ایمپلر آغاز میشود که این گردابه ها، 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 زیر، نمونه ای از آن به تصویر کشیده شده است. نکته مهمی که در این شکل مشاهده میشود، اینست که جریان برگشتی در نوک، باعث ایجاد مولفه‌ عمودی در سرعت بالا دست میشود.

با دقت به شکل بالا، حباب های تشکیل شده در نوک پره مشاهده میشود. در این حالت، اصلاح منحنی لبه حمله در ناحیه نوک پارامتر σ_i در این پمپ را کاهش میدهد ولی با اینکار نمیتوان گردابه ها و کاویتاسیون گردابه ای را از بین برد.

زمانیکه عدد کاویتاسیون کاهش پیدا کند، نوع دیگری از کاویتاسیون بوجود می آید که نمایی از آن در شکل زیر به تصویر کشیده شده است. این نوع از کاویتاسیون «کاویتاسیون حباب» (Bubble Cavitation) نامیده میشود و مطابق با شکل زیر با استفاده از حباب هایی ایجاد شده در سطح مکش، بوجود می آید.

با کاهش بیشتر عدد کاویتاسیون، حباب ها با یکدیگر ترکیب میشوند و حفره های بزرگ چسبیده در سطح مکش پره ها را تولید میکنند. در مسائل عمومی این نوع از کاویتاسیون با نام «کاویتاسیون چسبیده» (Attached Cavitation) شناخته میشود اما در مسائل مربوط به پمپ ها، این پدیده را «کاویتاسیون پره» (Blade Cavitation) مینامند. این پدیده در شکل زیر به تصویر کشیده شده است.

با ادامه روند بالا، حفره های پره، گسترش می یابند و به نقطه ای روی سطح مکش در مقابل لبه‌ حمله پره بعدی، میرسند. در این زمان، اگر فشار سیال در مسیر عبور پره ها افزایش یابد، حفره ایجاد شده از بین میرود و آسیب های ناشی از کاویتاسیون در ناحیه ای 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 بعنوان «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، حفره های طویل روی پره تشکیل میشود. این نوع از کاویتاسیون پره به «کاویتاسیون گسترده» (Super cavitation) معروف است و در ماشین های با «صلبیت» (Solidity) پایین رخ میدهد.

برخی از پمپ ها طوری طراحی میشوند که کاویتاسیون گسترده در آنها ایجاد شود. نکته مثبت در این حالت اینست که نابودی حباب، در پایین دست پره ها اتفاق می افتد، بنابراین میزان خسارات ناشی از کاویتاسیون در پمپ به حداقل مقدار ممکن میرسد. در شکل زیر تفاوت کاویتاسیون جزئی و کاویتاسیون گسترده، بصورت کامل به تصویر کشیده شده است.

نوع دیگری از کاویتاسیون بنام «کاویتاسیون جریان برگشتی» (Back flow Cavitation) نیز موجود است که در آن، احتمال وقوع تمام انواع کاویتاسیون ها موجود است. زمانیکه یک پمپ با جریانی کمتر از جریان طراحی آن مورد استفاده قرار میگیرد، حباب ها و گردابه های 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، حباب ها و گردابه ها نیز با استفاده از این جریان برگشتی به سمت بالا دست حرکت میکنند.

این نوع از کاویتاسیون مشهودترین نوع کاویتاسیون در پمپ ها است و شکل زیر یک نوع رایج از کاویتاسیون جریان برگشتی در صفحه ورودی را نشان میدهد.

راه های از بین بردن کاویتاسیون

همانطورکه نشان داده شد، کاویتاسیون باعث ایجاد مشکلات متعددی مانند خوردگی میشود. شکل زیر اثرات ناشی از خوردگی در یک پمپ آب را به تصویر کشیده است.

این پدیده را در دستگاه های مختلف میتوان شناسایی کرد و با انجام برخی اقدامات، آنرا از بین برد. مفاهیم اصلی این فرآیند بصورت کامل در بخش قبلی مورد بررسی قرار گرفت و همانطورکه 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.

ساده ترین راه برای کاهش احتمال وقوع کاویتاسیون در یک پمپ، افزایش فشار ورودی آن است و اینکار 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 دستگاه ها است. آنها معتقدند که عامل اصلی برای کاهش صدمات ناشی از کاویتاسیون جدی گرفتن تعمیر و نگهداری است بطوریکه این عملیات در صنایع، تنها یک توصیه نیست بلکه یک الزام جدی در نظر گرفته میشود. همچنین استفاده از مکمل های خنک کننده افزودنی در موتورهای دیزل برای کاهش صدمات ناشی از کاویتاسیون بصورت جدی توصیه میشود.

در بسیاری از کاربردهای دیگر مانند «هیدروفویل ها» (Hydrofoils) و «پروانه ها» (Propellers)، کنترل محیط بیرون کار سختی است و استفاده از روش هایی 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

همانطورکه اشاره شد پدیده هایی مانند کاویتاسیون و ضربه قوچ اثرات مخرب زیادی را در یک سیستم آبی و توربوماشین اعمال میکنند. اما کاویتاسیون بصورت 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 سرطان ها استفاده میشود. درواقع جریان فراصوت متمرکز با شدت بالا، کاربرد بسیار زیادتری نسبت به روش های سنتی دارد. تحقیقات بسیار گسترده ای نیز در علم پزشکی انجام شده، که هدف آنها تخریب بافت های بیمار بدن به کمک پدیده کاویتاسیون است.

پدیده کاویتاسیون در صنعت تولید شیر نیز برای همگن سازی محصولات مورد استفاده قرار میگیرد. همانطورکه میدانید، چربی بصورت طبیعی بالای سطح شیر جمع میشود و فرایند همگن سازی با شکستن چربی در این محصولات، مخلوط یکنواختی را تولید میکند. کاویتاسیون در تصفیه آب نیز کاربرد بسیار زیادی دارد و برای مثال محصول Dyna Jets با استفاده از کاویتاسیون اجزای مضر را تخریب میکند.

علاوه بر موارد بالا، «کاویتاسیون گسترده» (Super cavitation)، کاربرد بسیار زیادی در صنایع دریایی دارد. برای مثال از این پدیده برای افزایش ماکزیمم سرعت دستگاهی مانند زیردریایی استفاده میشود. کاویتاسیون گسترده، همانطورکه در بخش قبلی اشاره شد، پدیده ای است که طی آن حباب های بزرگی، تقریبا تمام جسم را پوشانده است. در این شرایط با دور راندن آب از اطراف جسم، «نیروی پسا» (Drag Force) بشدت کاهش می یابد. این مورد در شکل زیر به تصویر کشیده شده است.

برخی از جانوران دریایی نیز از پدیده کاویتاسیون برای شکار طعمه خود استفاده میکنند. بطور خاص گونه ای از میگوها با حرکت سریع پنجه خود باعث وقوع پدیده کاویتاسیون میشوند و در صورتیکه ضربه پنجه آنها نیز به طعمه برخورد نکند، شوک ناشی از آن برای کشتن طعمه کافی است.

همانطورکه اشاره شد، کاویتاسیون فرآیندی است که طی آن، در ناحیه ای از مایع با فشار پایین، حباب بخار شکل میگیرد. در این مطلب، ابتدا کاویتاسیون و روابط حاکم بر آن بصورت دقیق مورد بررسی قرار گرفتند و در ادامه اثرات مخرب این پدیده و راه های رفع آن بیان شدند. در انتها نیز فواید و کاربردهای این پدیده در صنایع مختلف مورد بررسی قرار گرفتند.