ُفره‌زایی، حباب‌زایی، حفره‌سازی، خلاءزایی پدیده‌ای است که در آن کاهش فشار باعث تبخیر موضعی مایع و ایجاد حباب‌هایی شود.
در این پدیده که معمولاً در مایعات با حرکت متلاطم به دلیل اختلاف فشار در مایع رخ می‌دهد، فشار موضعی کمتر از فشار بخار مایع میشود.
این امر باعث میشود تا مثلاً آب که در شرایط متعارف در ۱۰۰ درجه سانتیگراد شکل گازی پیدا می‌کند در دماهایی پایین‌تر زودتر به صورت گاز درآید.
حباب‌های گازی ایجاد شده زمانی که دوباره به منطقه پرفشارتر وارد می‌شوند معمولاً منفجر می‌شوند.
این ترکیدن حباب‌ها شوکی موج مانند ایجاد می‌کند که صدادار است و می‌تواند از طریق خوردگی حبابی به تجهیزات آسیب برساند.
انواع کاویتاسیون
- حفره زایی حبابی
- حفره زایی پره
- حفره زایی بن پروانه
- حفره زایی ابری
- حفره زایی محفطه ی پروانه
- حفره زایی نوک گردابه
- حفره زایی میانه گردابه
کاویتاسیون تبخیری
شایعترین نوع کاویتاسیون می‌باشد و حدود ۷۰٪ از کاویتاسیون‌ها را در بر می‌گیرد.
برای جلوگیری از این نوع کاویتاسیون، مقدار NPSHa در سیستم باید از مقدار (NPSHr حداقل انرژی مورد نیاز پمپ که توسط کارخانه سازنده توسط منحنی‌هایی به همراه کاتالوگ پمپ ارائه می‌گردد) بیشتر باشد.
برای جلوگیری از صدمات ناشی از این نوع کاویتاسیون، راهکارهای زیر پیشنهاد می‌گردد:
۱- کاهش دما که مقدار هد ناشی از فشار بخار سیال را کاهش دهد، هرچه دما کمتر باشد در نتیجه فشار اشباع متناظر به آن کمتر خواهد شد و در نتیجه احتمال کمتر شدن این فشار نسبت به فشار داخل پمپ افزایش می‌یابد.
۲- افزایش تراز مایع در مخزن مکش که مقدار هد استاتیکی را افزایش می‌دهد.
۳- بهبود و اصلاح پمپ شامل موارد زیر:
- کاهش سرعت که مقدار Hfهد ناشی از افت را کاهش می‌دهد.
- افزایش قطر چشمه پره
- بکار بردن دو پمپ کوچکتر بصورت موازی که موجب کاهش افد هد میشود.
در این شرایط مایع مجبور میشود از ناحیه پر فشار پمپ به طرف ناحیه کم فشار آن در عرض پره بازگردش کند.
وقتی در قسمت مکش یا تخلیه جریان گردابی ایجاد میشود که ناشی از سرعت بالای سیال می‌باشد جریان سیال برعکس شده و در خلاف جریان حرکت جریان عادی سیال باز گردش می‌کند.
باز گردش سیال باعث میشود که قطر مفید عبور سیال در قسمت مکش و تخلیه کاهش یابد و باعث کاهش فشار سیال گردد
این نوع کاویتاسیون به دو حالت اتفاق می‌افتد:
اول اینکه مایع داخل محفظه پمپ با سرعت موتور باز گردش کرده و یکباره حرارتش افزایش پیدا کرده و فوق گرم میشود.
دوم وقتی که سیال مجبور میشود که از میان آب بندها و درزهای بین قطعات به سرعت عبور کند در این حالت حرارت بالا باعث تبخیر مایع خواهد شد.
صدمات ناشی از کاویتاسیون در پمپ‌های باز بیشتر در لبه تیغه‌های ایمپلر سمت چشم پره و در نوک تیغه‌ها تا قطر خارجی ایمپلر اتفاق می‌افتد.
برای بهبود و تصحیح شرایط در حالت ایمپلر باز باید ایمپلر را به گونه‌ای تنظیم کرد که تلرانس بین تیغه‌ها و محفظه دقیقا تصحیح شود.
در پمپ‌های پره بسته امکان تصحیح شرایط نیست اما لازم است جریان محصور شده در قسمت تخلیه پمپ آزاد شود.
فضای آزاد بین نوک پره و زبانه باید معادل ۴٪ قطر پره باشد. صدمات ناشی از این نوع کاویتاسیون بیشتر در نوک تیغه‌های خارجی پره و پشت زبانه، روی دیواره محفظه داخلی دیده میشود.
۱-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 Vortex Cavitation گفته میشود. جریان برگشتی در نوک، باعث ایجاد مولفه عمودی در سرعت بالا دست میشود.
۲-کاویتاسیون حباب :
حباب‌های تشکیل شده در نوک پره مشاهده میشود. در این حالت، اصلاح منحنی لبه
حمله در ناحیه نوک پارامتر σi در این پمپ را کاهش می‌دهد ولی با اینکار نمی‌توان
گردابه‌ها و کاویتاسیون گردابه‌ای را از بین برد.زمانی که عدد کاویتاسیون کاهش پیدا کند،
نوع دیگری از کاویتاسیون به وجود می‌آید کهBubble Cavitation نامیده میشود و با استفاده از حباب‌هایی ایجاد شده در سطح مکش، به وجود می‌آید.
۳ -کاویتاسیون پره :
با کاهش بیشتر عدد کاویتاسیون، حباب‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شوند و حفره‌های بزرگ چسبیده در سطح مکش پره‌ها را تولید می‌کنند.
در مسائل عمومی این نوع از کاویتاسیون با نام کاویتاسیون چسبیده (Attached Cavitation) شناخته میشود اما در مسائل مربوط به پمپ‌ها، این پدیده را کاویتاسیون پره (Blade Cavitation) می‌نامند.
با ادامه روند بالا، حفره‌های پره، گسترش می‌یابند و به نقطه‌ای روی سطح مکش در مقابل لبه حمله پره بعدی، می‌رسند.
در این زمان، اگر فشار سیال در مسیر عبور پره‌ها افزایش یابد،
حفره ایجاد شده از بین می‌رود و آسیب‌های ناشی از کاویتاسیون
در ناحیه‌ای از سطحی رخ می‌دهد که مقابل لبه حمله پره بعدی (این نقطه، انتهای حفره روی سطح مکش پره است) قرار دارد.
انواع کاویتاسیون پره
دو نوع از کاویتاسیون پره رخ می‌دهد. نوع اول در قسمت بالا توضیح داده شد و به عنوان 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، حفره‌های طویل روی پره تشکیل میشود.
این نوع از کاویتاسیون پره به کاویتاسیون گسترده (Supercavitation) معروف است و در ماشین‌های با صلبیت پایین رخ می‌دهد.
نکته مثبت در این حالت این است که نابودی حباب، در پایین دست پره‌ها اتفاق می‌افتد،
بنابراین میزان خسارات ناشی از کاویتاسیون در پمپ به حداقل مقدار ممکن می‌رسد .
در این نوع کاویتاسیون احتمال وقوع تمام انواع کاویتاسیون‌ها موجود است.
فاکتورهای مؤثر در پدیده کاویتاسیون
۱. عوامل هندسی:
- ناهمواری‌های سطحی سرریز، خصوصا برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های موضعی
- شکاف‌های دریچه‌های کشویی و پایه‌های دریچه‌های قطاعی
- ستون‌ها piers
- درزهای ساختمانی
- جدا کننده جریان ودفلکتورها Flow splitter & deflector
- دهانه مجاری و لوله Ports of ducts & pipe
- تغییر در شکل عبور جریان Change of water passage shape
- انحنا یا انحراف در مسیر جریان در آبراهه Misalignment of conduit
۲. عوامل هیدرودینامیکی:
- دبی مخصوص
- سرعت جریان
- عملکرد دریچه
- توسعه لایه مرزی
۳. عوامل متفرقه:
- انتقال حرارت در طی فرو ریختن
- درجه حرارت آب
- تعداد و اندازه حباب‌های درون آب Diffusion of air
- پراکندگی هوا
یکی از مثال‌های بارز و خطرناک کاویتاسیون در پره‌های توربین دیده میشود که به راحتی می‌تواند باعث تخریب پره گردد.
از دیگر مثال‌ها برای این پدیده می‌توان به کاویتاسیون در پروانهٔ کشتی‌ها ، سرریز سد ها و مشکلاتی در برخی سازه های آبی اشاره کرد.
جلوگیری از بروز کاویتاسیون
- افزایش سطح سیال در مخزن
- بالا بردن مخزن
- افزایش فشار مخزن (استفاده از سیستم بسته / سیستم تحت فشار(
- قرار دادن پمپ داخل گودال( Pit )
- کاهش افت‌های ناشی از لوله‌کشی و اتصالات
- تزریق مقدار کمی سیال خنک‌کننده به ورودی پمپ
- عایق‌بندی مناسب لوله‌ها
- به کار بردن پمپ‌های دو مکش
- بکار بردن پمپ‌ها با سرعت دورانی (rpm) پایین تر
- به کار بردن پمپ‌ها با مجرای ورودی (چشم) پروانه بزرگتر
- زاویه جریان ورودی بزرگتر
- زاویه جریان تا کمتر از ۱۰ درجه
- به منظور کاهش بیشتر NPSHR و به‌تبع آن افزایش بیشتر سرعت مخصوص مکش ، یک پروانه جریان محوری یا یک راه انداز (Inducer) در جلوی پروانه سانتریفیوژ بکار گرفته میشود.
- جلوگیری از ورود هوا به داخل پمپ
- به کار بردن خط بای پس مناسب
- جلوگیری از اغتشاش (Turbulence) جریان سیال و فراهم نمودن شرایط عبور سیال در یک سرعت ثابت
- به کارگیری چندین پمپ کوچکتر به جای استفاده از یک پمپ بزرگ
کاربرد کاویتاسیون
صنایعی مانند پزشکی 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 سرطان‌ها استفاده میشود.
درواقع جریان فراصوت متمرکز با شدت بالا، کاربرد بسیار زیادتری نسبت به روش‌های سنتی دارد.
پدیده کاویتاسیون در صنعت تولید شیر نیز برای همگن‌سازی محصولات مورد استفاده قرار می‌گیرد.
همانطور که می‌دانید، چربی به صورت طبیعی بالای سطح شیر جمع میشود و فرایند همگن‌سازیبا شکستن چربی در این محصولات،
مخلوط یکنواختی را تولید می‌کند. کاویتاسیون در تصفیه آب،از بین بردن پلانکتون های اضافی در دریاچه ها ،
پراکنده ساختن نفت خام ریخته شده بور سوط اقیانوس ها بوسیله جت کاویتاسیون ،حذف سیانید از محیط های آبی و بسیاری موارد دیگر نیز کاربرد دارد.
