معرفي پديده كاويتاسيون
تاريخچه
نيوتن اولين فردي بود كه بطور تصادفي در سال ۱۷۵۴ 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 ۱۸۷۵ اين مشكل را حل كرد، او يكسري آزمايشات كلاسيك روي يك مدل به طول ۳۰ اينچ انجام داد كه داراي پيچ‎هايي به طول ۲ 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 ۲۷ 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 ۱۸۹۵ 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 ۱۹۱۰ يك تونل كاويتاسيون بزرگ در ‎Newcastle upon Tyne ساخت كه براي تست پروانه‎هايي به قطر ۱۲ اينچ در يك مدار بسته با طول مسير جريان ۶۶ فوت، قطر لوله اصلي ۳۶ اينچ و سطح مقطعي به عرص ۲۵/۲ فوت و عمق ۵/۲ فوت بكار مي‎رفت كه داراي پنجره شيشه‎اي قابل نمايش از يك نورافكن بزرگ و سرعت عكس‎برداري ۳۰۰۰۰/۱ 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:
۱- كاويتاسيون گازي ‎(gaseous cavitation): حباب محتوي گاز كه به دليل افزايش دما يا كاهش فشار رشد يافته است.

۲- ‎كاويتاسيون تبخيري ‎(vaporous cavitation): حباب پر شده از بخار كه سبب رشد آن كاهش فشار است.
۳- گاز زدايي ‎(Degassing): حباب محتوي گاز كه سبب رشد آن نفوذ گازهاي غيرمحلول در مايع است.
۴- 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:

۱- كاويتاسيون پديده‎اي است مخصوص مايعات و در جامدات و گازها بوجود نمي‎آيد.
۲- 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.
۳- 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.
۴- 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:

 

۱- 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 فش

 

ار بحراني از بين نمي‎رود. اين سير موجب بوجود آمدن كاويتاسيون هيدروديناميكي مي‎شود. مراحل اين نوع كاويتاسيون به شرح زير است:
الف- مرحله نخستين ‎(Incipient Stage): در اين مرحله حبابهاي قابل رويت كوچك و منطقه كاويتاسيون محداود است.
ب- مرحله توسعه يافته ‎(Developed Stage): در اثر تغيير دادن شرايط فشار، سرعت و دما در جهت افزايش نرخ تبخير، كاويتاسيون رشد مي‎كند و مرحله توسعه يافته قابل تشخيص مي‎شود.
ج- مرحله پاياني ‎(Desinent Stage): اين مرحله قبل از ناپديد شدن كاويتاسيون است. در مرحله نهايي و مرحلهاولي كاويتاسيون نزديك به شرايط آستانه مي‎باشد. شرايطي كه مرز با آستانه بين نبودن و ظاهرشدن كاويتاسيون را نشان دهد هميشه قابل تشخيص نيست تا هنگام ظهور و ناپديد شدن مشاهده گردد.

‎a- تقسيم‎بندي كاويتاسيون هيدروديناميكي
كاويتاسيون هيدروديناميكي را از نظر وضعيت قرار گرفتن حباب مي‎توان به دسته‎هاي زير تقسيم كرد:
‎b- آثار كاويتاسيون هيدروديناميكي
معمولاً اثر كاويتاسيون هيدروديناميكي در پمپها اين است كه نيروي اعمالي به سيال را كه توسط سطح مرزي براي هدايت آن انجام مي‎گيرد، كاهش مي‎دهد. انحناي زاويه‎اي ‎(angular deflection) جريان توليد شده توسط پره در حال چرخش در زمان گسترش كاويتاسيون كمتر از زماني است كه آن گسترش پيدا نكرده است.
در توربينهاي هيدروليك وقتي كاويتاسيون رشد مي‎يابد، قدرت خروجي و بازده هر دو كاهش مي‎يابد. در صورتي كه در پمپ سانتريفيوژ افت هد و كاهش بازده بوجود مي‎آيد.
كاهش توان خروجي و هد توسط كاويتاسيون، ممنتم انتقالي بين سيال و روتور را كاهش مي‎دهد و كاهش بازده موجب افزايش اتلاف انرژي و در نتيجه افزايش دما مي‎شود.
۲- كاويتاسيون صوتي ‎(ACOUSTIC CAVITATION)
در اين حالت پديده كاويتاسيون به سبب امواج صوتي حاصل از تغييرات فشار توليد مي‎شود. در بعضي از محيط‎هاي مايع تغييرات فشار حائز اهميت نمي‎باشد ليكن يكسري امواج صوتي در مايع كه به طرق مختلف بوجود آمده است امكان ايجاد كاويتاسيون صوتي را بوجود مي‎آورد. اين امواج صوتي سبب افزايش و كاهش فشار مي‎شود. اگر دامنه تغييرات فشار در قسمت منفي سيكل فشار حاصل از امواج صوتي كمتر از فشار بحراني سيال شود،‌ حبابهاي ريز بوجود مي‎آيند. اگر دامنه امواج صوتي باز هم بيشتر شود امكان دارد فشار منفي به صفر برسد و سبب رشد غيرقابل كنترل حبابها شود. به اين صورت كه حبابها دائماً در مايع منبسط و منقبض مي‎شوند و باعث افزايش بيشتر دامنه ميدان صوتي مي‎گردند. در هر صورت در كاويتاسيون صوتي دو حالت گذرا و پايدار ممكن است رخ دهد. حبابهاي پايدار بطور منظم ارتعاش مي‎كنند در حالي كه حبابهاي گذرا طول عمرشان كمتر از يك سيكل مي‎باشد.

دو مشخصه اساسي در كاويتاسيون صوتي وجود دارد، اول اينكه بطور كلي فرآيند تغييرات شعاع حباب با فشار منبع صوت كاملاً غيرخطي است. دوم اينكه چون حباب داراي تراكم‎پذيري بالايي است در هنگام انبساط، انرژي پتانسيل زيادي را مي‎تواند در خود ذخيره و در هنگام انقباض، آن را به انرژي جنبشي تبديل كند. در اين حالت كاويتاسيون گذرا بسيار مسئله‎ساز است. زيرا زماني كه حباب انبساط پيدا كند و سپس منفجر شود به حبابهاي ريزي تبديل مي‎گردد كه هر كدام از آنها جوانه‎اي براي حباب بعدي است. اگر اين رويه ادامه يابد، سبب مي‎شود انرژي در حجم كمي متمركز شود و موجب بوجود آمدن واكنش شيميايي همراه با توليد نور گردد.
۳- كاويتاسيون نوري ‎(OPTIC CAVITATION)
اين نوع كاويتاسيون بوسيله گسيل نور با شدت بالا و همسو (ليزر) در مايع توليد مي‎شود. كاويتاسيون نوري هنگامي رخ مي‎دهد كه يك شعاع ليزري موجب متراكم شدن انرژي در مايع شود. در اين موقع در مايع شكست ‎(Breakdown of Liquid) رخ مي‎دهد و سبب تشكيل حباب مي‎گردد. كه اين حبابها براحتي قابل رويت هستند.

۴- كاويتاسيون ذره‎اي ‎(PARTICLE CAVITATION)
اين نوع كاويتاسيون به علت ذرات عناصر يا فوتونهاي گسيل شده در مايع بوجود مي‎آيد. اگر ذره‎اي با انرژي و سرعت بالا به مايع وارد شود سبب يونيزه شدن مايع مي‎گردد. قسمتي از انرژي يونها كه تا حدود ۱۰۰۰ الكترون ‎- ولت هم مي‎رسد در حجم بسيار كوچك توليد حرارت مي‎كند. اين حرارت سبب فوق گرم ‎(Super Heat) شدن مايع مي‎گردد، در نتيجه جوشش موضعي در مايع بوجود مي‎آيد كه بصورت حبابهايي ريز در طول مسير ذرهها قابل رويت است.
مرجع ‎]۲‎[ عنوان كرده است كه كاويتاسيون هيدروديناميكي و صوتي از تنش مايع بوجود مي‎آيند، در صورتي كه كاويتاسيون ذره‎اي و نوري بوسيله ذخيره كردن موضعي انرژي، حاصل مي‎گردد.
اثرها و اهميت كاويتاسيون
كاويتاسيون به دليل آثاري كه مي‎تواند داشته باشد توجه بسيار زيادي را در صنعت امروز به خ

ود اختصاص داده است. آثاري را كه كاويتاسيون مي‎تواند به وجود بياورد عبارتند از:
۱- اثرهايي كه هيدروديناميك سيال را تغيير دهد.
۲- اثرهايي كه بر روي سطح مرزي سيال با ديواره جامد به وقوع مي‎پيوندد و مي‎تواند توليد خطر كند.
۳- آ‌ثار خارجي كه ممكن است به تغييرات مهم و جدي هيدروديناميكي جريان اضافه شود و

به مرزهاي جامد ضرر رساند. متأسفانه در ميدان هيدروديناميكي، تأثيرات كاويتاسيون به جز چند مورد استثنا، همگي مضر هستند. كنترل نكردن آن مي‎تواند خطرهاي جدي و حتي نتايج جبران‎ناپذيري را به همراه داشته باشد. از طرف ديگر لزوم اجتناب از كاويتاسيون و يا كنترل آن محدوديتهاي

جدي را براي طراحي بسياري از انواع وسايل هيدروديناميكي تحميل مي‎كند. در ماشينهاي هيدروديناميكي مانند همه توربينها از سرعت مخصوص پايين فرانسيس تا سرعت مخصوص بالايكاپلان، زمينه براي ايجاد كاويتاسيون آماده است. پمپهاي محوري ‎(Axial) و سانتريفيوژ ‎(Centrifugal) و حتي پمپهاي رفت و برگشتي قديمي نيز درگير اثرهاي كاويتاسيون هستند. اگرچه كاويتاسيون ممكن است با طراحي اشتباه تشديد يابد، اما حتي در وسايلي كه از بهترين طراحي نيز برخوردار هستند هنگامي كه در عمل شرايط نامطلوب اعمال گردد ممكن است اتفاق بيفتد. كاويتاسيون همچنين امكان دارد در وسايلي كه انرژي مكانيكي به آنها وارد يا از آنها خارج مي‎شود هم اتفاق بيفتد. ولوها ‎(Valves) و همه وسايلي كه سرعت سيال عبوري در آن‎ها تغيير مي‎ك

ند،‌م مكن است تحت تأثير آثار كاويتاسيون قرار گيرند.
انديكس كاويتاسيون
كاويتاسيون معمولاً‌ در يك تركيب بحراني از سرعت، فشار و فشار بخار جريان اتفاق مي‎افتد. معمولاً براي بررسي موارد فوق از پارامترهايي به نام انديكس كاويتاسيون استفاده مي‎شود. از نظر ت ئوري اين انديكس با نوشتن رابطة برنولي بين يك نقطة‌آزاد و نقطه‎اي كه در آن ممكن است كاويتاسيون رخ دهد و جايگزين كردن فشار نقطة دوم با فشار سيار و استخراج رابطه‎اي بدون بعد از روابط ذيل بدست مي‎آيد.

كه در آن:
P : فشار در نقطه مورد نظر
P0 : فشار در نقطه مبنا
V : سرعت جريان در نقطه مورد نظر

‎V0 : سرعت جريان در نقطه مبنا
‎Z : رقوم در نقطة‌ مورد نظر
‎Z¬۰ : رقوم در نقطه مبنا
‎g : شتاب جاذبه زمين
‎ : جرم مخصوص آب
حال مي‎توان ‎Cp را به عنوان يك پارامتر بدون بعد به نام فاكتور فشار از رابطه زير بد

ست آورد.

به طوريكه:
‎Ef : انرژي پتانسيل جريان
‎E0 : انرژي پتانسيل درنقطه مبناء
با صرفنظر كردن از شرايط ثقلي (كه معمولاً يا اندك است يا براي تمامي حالات برابر) خواهيم داشت:

كه در آن ‎Cpmin كمترين مقدار ‎Cp در جريان، در نقطه‎اي است كه كاويتاسيون مورد بررسي قرار مي‎گيرد. با همان فرض ناچيز بودن شرايط خواهيم داشت:

كه در آن:
‎PV : فشار بخار آب
‎P0 : ‎Pa + pg
‎Pa : فشار اتمسفر

‏‎Pg : فشار گيج
شكل‎گيري كاويتاسيون
آب به خودي خود با افزايش دما و كاهش فشار به بخار تبديل نمي‎شود. آبيكه به طور كامل تصفيه و فيلتر شده باشد مي‎تواند بارها فشارهاي منفي بسيار بزرگ را تحمل كند،‌ بدون آنكه به بخار تبديل شود. كاويتاسيون و جوشيدن هر دو در نقاطي كه داراي ناخالصي است و يا در كنار يك شكاف زير در ديوارة جريان، اتفاق مي‎افتد.