پدیده حفره زایی (Cavitation) برای بسیاری از پمپ‌ها، پروانه‌های محرک زیردریایی‌ها، موشک‌های توربینی زیرآبی و دستگاه‌های حفاری زیر آب می‌تواند مخرب باشد. این پدیده با تغییر فشار و حرارت در آب به وجود می‌آید. این پدیده باعث می‌شود حباب آب به وجود آمده منفجر و در نتیجه خرابی به بار آورد.
کاویتاسیون چیست؟ (پدیده حفره زایی چیست)
پدیده حفره زایی یا کاویتاسیون یکی از خطرناک‌ترین حالت‌هایی است که ممکن است برای یک پمپ به وجود بیاید. آب یا هر مایع دیگری، در هر درجه حرارتی به ازای فشار معینی تبخیر می‌شود. در حین جریان مایع در داخل چرخ یک پمپ، فشار مایع در نقطه‌ای از فشار تبخیر مایع در درجه حرارت مربوطه کمتر شود، حباب‌های بخار یا گازی در فاز مایع به وجود می‌آیند که به همراه مایع به نقطه‌ای دیگر با فشار بالاتر حرکت می‌کنند. حتی اگر بهترین پمپ را داشته باشید، برخورد با این پدیده امکان دارد اتفاق بیفتد.
اگر در محل جدید فشار مایع به اندازه کافی زیاد باشد، حباب‌های بخار در این محل تقطیر شده و در نتیجه ذراتی از مایع از مسیر اصلی خود منحرف شده و با سرعت‌های فوق العاده زیاد، به اطراف و از جمله پره‌ها برخورد می‌نمایند. در چنین مکانی بسته به شدت برخورد، سطح پره‌ها خورده شده و متخلخل می‌گردد. این پدیده مخرب در پمپ‌ها را کاویتاسیون می‌نامند. صدای کاویتاسیون مخصوص و مشخص بوده و شبیه برخورد گلوله‌هایی به یک سطح فلزی است.
همزمان با تولید این صدا پمپ نیز به ارتعاش در می‌آید. در انتها این صداهای منقطع به صداهایی شدید و دائم تبدیل می‌گردد و در همین حال نیز راندمان پمپ به شدت کاهش می‌یابد. کاویتاسیون در لغت از کلمه cavity به معنای حفره آمده و منظور از کاویتاسیون ایجاد حفره یا حفره زایی است. لازم به ذکر است نقطه جوش مایعات به فشاری که مایع در آن قرار دارد بستگی دارد. مثلا آب در فشار یک اتمسفر در دمای 100 درجه سانتیگراد می‌جوشد که این دما در فشار 5/0 اتمسفر در حدود 80 درجه است.
انواع پدیده حفره زایی
ممکن است در داخل پمپ شرایطی به وجود بیاید که در دمای موجود با توجه به کاهش فشاری که ایجاد شده سیال بجوشد، این پدیده در صورت وقوع ابتدای پره در داخل پروانه رخ می‌دهد. تبدیل مایع به حباب‌های بخار معمولا همراه با افزایش حجم ناگهانی است. حباب تشکیل شده با سرعت زیادی به جلو هدایت می‌شود.
در نیمه دوم پره با افزایش فشار سیال شرایط از حالت اشباع به حالت مایع فشرده برمی‌گردد و طی پدیده پیچیده‌ای حباب بخار سقوط کرده و ضمن تقطیر شدن با سرعت زیاد به اطراف برخورد می‌کند. قطرات سیال که با این سرعت به اطراف برخورد می‌کنند، دارای مومنتوم بسیار بالایی هستند به طوری که نیروی وارد شده از طرف این ذرات تبر دیواره پروانه قادر است قسمتی از بدنه پروانه را کنده و بر روی آن ایجاد حفره کند. کم تر فلزی در برابر این نیرو مقاومت می‌کند. آلیاژهای فولاد-کروم مقاومت بهتری در مقابل این پدیده دارند. حفره زایی دارای انواع مختلفی می‌باشد که در ادامه به توضیح مختصری از آنها اکتفا می‌کنیم.
- حفره زایی حبابی یا تبخیری
- حفره زایی پره
- حفره زایی بن پروانه
- حفره زایی ابری
- حفره زایی محفظه پروانه
- حفره زایی گردابه
- حفره زایی میانه گردابه
کاویتاسیون تبخیری یا حبابی
این نوع کاویتاسیون از انواع شایع این پدیده است. 70% کاویتاسیون‌ها بخاطر برگشت بخار می‌باشد. برای جلوگیری از این نوع می‌بایست مقدار NPSHa در سیستم از مقدار NPSHr بیشتر باشد. به زبان ساده‌تر حداقل انرژی مورد نیاز پمپ باید بیشتر از انرژی باشد که سازنده پمپ ارائه می‌دهد.
راه‌های جلوگیری از کاویتاسیون تبخیری
مقدار دما را کاهش دهیم تا فشار مایع بخار نیز کاهش یابد.
کاویتاسیون گردابه نوک
زمانی که فشار ورودی پمپ کاهش پیدا می‌کند، کاویتاسیون در گردابه‌های نوک ایمپلر آغاز می‌شود. این گردابه‌ها، زمانی تولید می‌شوند که لبه حمله پره به نوک ایمپلر می‌رسد. به این نوع کاویتاسیون ورتکس یا گردابه نوک گفته می‌شود. جریان برگشتی در نوک، باعث ایجاد مولفه عمودی در سرعت بالا دست می‌شود.
کاویتاسیون حباب
در این نوع در نوک پره حباب‌هایی ایجاد می‌شود. در این حالت، اصلاح منحنی لبه حمله در ناحیه نوک پارامتر کیو آی در این پمپ را کاهش می‌دهد اما با این کار نمی‌توان گردابه‌ها و کاویتاسیون گردابه‌ای را از بین برد. زمانی که عدد کاویتاسیون کاهش پیدا کند، نوع دیگری از کاویتاسیون به وجود می‌آید که Bubble Cavitation نامیده می‌شود و با استفاده از حباب‌های ایجاد شده در سطح مکش، به وجود می‌آید.
کاویتاسیون پره
دو نوع کاویتاسیون پره داریم، در نوع اول در با عنوان کاویتاسیون جزئی و در نوع دوم که اعداد بسیار پایین رخ می‌دهند حفره‌های طویل روی پروانه تشکیل می‌شود.
فاکتورهای موثر در پدیده کاویتاسیون
- عوامل هندسی: ناهمواری‌های سطحی سرریز، خصوصا برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های موضعی. شکاف‌های دریچه‌های کشویی و پایه‌های دریچه‌های قطاعی. ستون‌ها، درزهای ساختمانی، جدا کننده جریان و رفلکتورها، دهانه مجاری و لوله، تغییر در شکل عبور جریان، انحنا یا انحراف در مسیر جریان در آبراهه.
- عوامل هیدرودینامیکی: دبی مخصوص، سرعت جریان، عملکرد دریچه، توسعه لایه مرزی.
- عوامل متفرقه: انتقال حرارت در طی فرو ریختن، درجه حرارت آب، تعداد و اندازه حباب‌های درون، پراکندگی هوا.
پدیده حفره زایی یا کاویتاسیون مقاله خیلی عالی بود من اطلاعات مهمی به دست آوردم
سلام
ممنون از توجه شما