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