مقاله در مورد پديده كاويتاسيون

 nx دارای 47 صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است فایل ورد nx  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد. این پروژه توسط مرکز nx2 آماده و تنظیم شده است توجه : در صورت  مشاهده  بهم ريختگي احتمالي در متون زير ،دليل ان کپي کردن اين مطالب از داخل فایل ورد مي باشد و در فايل اصلي nx،به هيچ وجه بهم ريختگي وجود ندارد بخشی از متن nx : معرفی پدیده كاویتاسیون تاریخچه نیوتن اولین فردی بود كه بطور تصادفی در سال 1754 در حین آزمایش عدسیهای محدب به پدیده كاویتاسیون و تشكیل حباب در مایعات برخورد كرد ولی نتوانست علت آن را شناسایی كند. او مشاهدات خود را چنین بیان كرده است:«در مایع بین عدسیها، حبابهایی به شكل هوا بوجود آمده و رنگهایی شبیه به هم تولید كرده كه این حبابها نمی‎تواند از جنس هوا باشد زیرا مایع قبلاً هوا زدایی شده است.»نیوتن تشخیص داد كه این عمل نتیجه بیرون آمدن هوا در اثر كاهش فشار است و حبابها دوباره نمی‎تواننددر مایع حل شوند و در نتیجه پدیده كاویتاسیون را باعث خواهند شد. مهندسان كشتی‎سازی در قرن نوزدهم به شكل عجیبی برخورد كردند. آن این بود كه پیچهای توربینها كه به آب دریا در تماس بودند بعد از مدتی باز می‎شدند، آنها نتوانستند هیچ دلیل قانع كننده‎ای برای این عمل پیدا كنند. رینولدز در سال 1875 این مشكل را حل كرد، او یكسری آزمایشات كلاسیك روی یك مدل به طول 30 اینچ انجام داد كه دارای پیچ‎هایی به طول 2 اینچ با فنر قابل تنظیم بودند. او دریافت كه وقتی طول پیچها زیاد شود عمل باز شدن رخ نمی‎دهد. او اظهار داشت كه هوای وروید پشت تیغه پره باعث كاهش قرت پروانه می‎شود. خودش یك مورد معروف را كه شاهكاری در صنعت كشتی‎سازی است، طراحی كرد كه سرعت آن برابر 27 كره بود. اولین مشاهدات مكتوبی كه در توربینهای بخار ثبت شده توسط ‎Parson است و در گزارشاتش چنین آورده است:«لرزش پروانه بیشتر و راندمان آن كمتر از حدی است كه محاسبات نشان می‎دهد، از بررسی روی سطوح تیغه‎ها معلوم شد كه حبابهایی در پشت تیغه توربین آب را پاره می‎كند، جنس حبابها از هوا و بخار آب نیست و قسمت اعظم قدرت موتور صرف تشكیل و نگهداشتن آنها به جای راندن كشتی می‎شود.»‎Parson Barnaby و ‎Thornycroft Barnaby مقاله‎هایی در این زمینه نوشته‎اند و پدیده مذكور را شرح داده‎اند و نتیجه‎گیری كرده‎اند كه وقتی فشار اطراف تیغه‎ها از یك حد ویژه‎ای پایین‎تر رود حفره‎ها و ابرهای حبابی در پروانه‎ها بوجود می‎آید. ‎Thronycroft Barnaby اولین كسانی بودند كه مقالات خود از لغت كاویتاسیون ‎(cavitation) استفاده كردند. آنها اظهار داشته‎اند كه وقتی فشار منفی كمتر از ‎psi75/6 شود این اتفاق رخ می‎دهد. برای آزمایش و مشاهده كاویتاسیون، تجربیات ‎Parson و تلاشهای ‎Turbinia آنها را به ساخت و طراحی یك ماهی تابه سربسته محتوی آب كه یك گوشه آن باز بود رهنمون كرد. این آزمایش مقدمه‎ایی برای طراحی و ساخت اولین تونل كاویتاسیون در سال 1895 شد. این وسیله هنوز در دپارتمان آرشیتك دریایی و كشتی‎سازی دانشگاه ‎Newcastle upon Tyne وجود دارد. این وسیله شامل مدار بسته بیضی شكلی از یك لوله مسی عمود بر سطح مقطع پروانه بود كه بطور افقی به بالای عضو چرخاننده یك ماشین بخاركوچك متصل بود و سپس به یك موتور الكتریكی منتهی می‎شد. عكس‎برداری بر روی پنجره‎ای كه در بالای آن یك لامپ كمانی شكل قرار گرفته بود صورت می‎گرفت و بدین طریق مشاهده كاویتاسیون امكان‎پذیر بود. ‎Parson در سال 1910 یك تونل كاویتاسیون بزرگ در ‎Newcastle upon Tyne ساخت كه برای تست پروانه‎هایی به قطر 12 اینچ در یك 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 بكار می‎رفت كه دارای پنجره شیشه‎ای قابل نمایش از یك نورافكن بزرگ و سرعت عكس‎برداری 30000/1 ثانیه بود. ‎Hutton تنها فردی است كه تاریخچه دقیق و شاخه‎های كاویتاسیون را با چندین مرجع كمیاب از محققان مربوطه تهیه كرده است. تعریف و اساس فرآیند كاویتاسیون به تشكیل و فعالیت حباب در مایع كاویتاسیون گویند. وقتی مایع در فشار ثابت، به اندازه كافی گرم شود یا هنگامی كه در دمای ثابت، متوسط فشار استاتیكی یا دینامیكی‎اش به اندازه كافی كاهش یابد، حبابهایی از بخار و یا گاز بخار تشكیل می‎شود بطوری كه حتی با چشم هم گاهی اوقات قابل مشاهده است. با كاهش فشار یا افزایش دما، اگر حباب تنها شامل گاز باشد ممكن است با نفوذ گازهای غیرمحلول ازمایع به حباب، منبسط شود. ولی اگر حباب بیشتر از بخ ار پر شده باشد، اگر به اندازه كافی كاهش فشار محیط دردمای ثابت صورت بگیرد، یك انفجار تبخیری از سمت داخل حباب اتفاق می‎افتد كه به این پدیده كاویتاسیون می‎گویند. در حالی كه برای حباب پر شده از بخار، بالا رفتن دما باعث رشد پیوسته آن خواهد شد كه آن را جوشش می‎نامند. رشد حبابها در اثر نفوذ گاز به نام ‎Degassing معروف است. در صورتی كه این رشد اگر به علت كاهش فشار دینامیكی باشد آن را كاویتاسیون گازی می‎نامند. می‎توان كاویتاسیون را بر حسب رشد حباب به چهار دسته كلی زیر تقسیم كرد:1- كاویتاسیون گازی ‎(gaseous cavitation): حباب محتوی گاز كه به دلیل افزایش دما یا كاهش فشار رشد یافته است. 2- ‎كاویتاسیون تبخیری ‎(vaporous cavitation): حباب پر شده از بخار كه سبب رشد آن كاهش فشار است. 3- گاز زدایی ‎(Degassing): حباب محتوی گاز كه سبب رشد آن نفوذ گازهای غیرمحلول در مایع است. 4- جوشش ‎(boiling): حباب محتوی بخار كه علت رشد آن بالا رفتن دما به قدری كافی است. اگر از دیدگاه تغییر فشار دینامیكی موضوع را بررسی كنیم آنچه كه 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 كرده و گاز درون آن را در مایع حل و یا بخار داخل آن را كندانس كرد. در هم شكستن ‎(collapse)برای حباب محتوی بخار و كمی گاز بیشتر اتفاق می‎افتد و كمتر در حالتی كه حجم گاز نسبت به بخار زیادتر باشد روی می‎دهد. بطور كلی كاویتاسیون شامل تمام اتفاقاتی است ه در مسیر تشكیل حباب و انبساط آن تا در هم شكستن (collapse) حبابها روی می‎دهد. در حالتی كه در فرایند جوشش معمولی حبابها بطور پیوسته رشد می‎كنند. شدت در هم شكستن (collapse) با رشد و بهم پیوستگی مهم است و در بالا به آن اشاره شد می‎توان به صورت زیر خلاصه شود: 1- كاویتاسیون پدیده‎ای است مخصوص مایعات و در جامدات و گازها بوجود نمی‎آید. 2- كاویتاسیون نتیجه كاهش فشار در مایع است. بنابراین به جرأت می‎توان گفت كه اگر قدر مطلق مینیمم فشار كنترل شود، این پدیده كنترل خواهد شد. بدین معنی كه از خواص فیزیكی و شرایط مایع می‎توان یك فشار بحرانی را محاسبه كرد كه اگر فشار مایع مدت زمان كافی زیر آن فشار بحرانی قرار بگیرد كاویتاسیون تولید خواهد شد در غیر این صورت هیچگاه كاویتاسیون رخ نخواهد داد. 3- كاویتاسیون 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 دیكشنری وبستر ‎(Webster) مقایسه كنیم به این نتیجه می‎رسیم كه ‎Cavity یك لغت معنی‎دار نسبت به ‎Hole است و آن دلالت به یك فضای خالی فعال دارد. در بسیاری از موارد لغت كاویتاسیون مناسب است، زیرا آن به مفهوم فعال بودن اهمیت می‎دهد. به آسانی می‎توان دریافت كه اگر حفره‎ها واقعاً خالی باشند، حجم نمی‎تواند به عنوان یك قسمت فعال در این پیده فیزیكی نقش بازی كند. بنابراین همه آثار قابل مشاهده كاویتاسیون باید برای رفتار مایع قابل تعقیب و جستجو باشد. به هر حال اندازه و حجم حفره در مدت عمر آن نقش كمی را ایفا می‎كند مگر در زمان نزدیك به شروع و پایان سیكل حباب كه پارامترهای مورد نظر نقش بسزایی را بعهده دارند، زیرا ابعاد حباب میكروسكپی و یا حتی زیر – میكروسكپی ‎(Sub-Microscopic) است. 4- كاویتاسیون یك پیده دینامیكی است. بنابراین به رشد و در هم شكستن ‎(collapse) حبابها كاملاً ارتباط دارد. برخی از موارد مهم دیگری را در ذیل یادآوری می‎كنیم.الف- هیچ اشاره‎ای به حركت یا ساكن بودن مایع نشده است،‌ بنابراین ممكن است این مفهوم را برساند كه كاویتاسیون در هر حالتی امكان وقوع دارد. ب- اشاره‎ای مبنی بر محل روی دادن كاویتاسیون، مثلاً در محدوده مرزهای جامه یا خارج آن نشده است. بنابراین به نظر می‎رسد كه كاویتاسیون هم در داخل مایع و هم روی مرزهای جامد اتفاق بیفتد. ج- بحث بالا مربوط به دینامیك رفتار حباب است. بطور ضمنی بین هیدرودینامیك رفتار حباب و آثار آن مانند خوردگی كاویتاسیون تفاوت قائل شده است . توضیحات فوق كه در مورد سیكل تبخیر ‎- در هم شكستن ‎(collapse) است، بر مبنای تشخیص كاویتاسیون می‎باشد. در بسیاری از موارد این پدیده به طور كامل با سیكل ساده دینامیك حبابهای كوچك مشخص شده است. در مراحل پیشرفته بعد از شروع، تولید هیدرودینامیكی كاویتاسیون ممكن است خیلی پیچیده‎تر از بحث بالا باشد. تقسیم‎بندی كاویتاسیون كاویتاسیون بطور كلی براساس چگونگی تولید آن به چهار دسته اصلی زیر تقسیم می‎شود: 1- كاویتاسیون هیدرودینامیكی ‎(HYDRODYNAMIC CAVITATION)تغییرات فشار در جریان مایع به خاطر هندسه سیستم سبب بوجود آمدن این پدیده می‎شود. سیال در حال حركت، در مسیر حركتش 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 كمتر از مقدار بحرانی (وابسته به خواص فیزیكی سیال) می‎گردد. كه خود سبب بوجود آمدن حباب در مایع می‎شود. این حباب به دلیلی حتی با افزایش فشار، بیشتر از مقدار فش ار بحرانی از بین نمی‎رود. این سیر موجب بوجود آمدن كاویتاسیون هیدرودینامیكی می‎شود. مراحل این نوع كاویتاسیون به شرح زیر است:الف- مرحله نخستین ‎(Incipient Stage): در این مرحله حبابهای قابل رویت كوچك و منطقه كاویتاسیون محداود است. ب- مرحله توسعه یافته ‎(Developed Stage): در اثر تغییر دادن شرایط فشار، سرعت و دما در جهت افزایش نرخ تبخیر، كاویتاسیون رشد می‎كند و مرحله توسعه یافته قابل تشخیص می‎شود. ج- مرحله پایانی ‎(Desinent Stage): این مرحله قبل از ناپدید شدن كاویتاسیون است. در مرحله نهایی و مرحلهاولی كاویتاسیون نزدیك به شرایط آستانه می‎باشد. شرایطی كه مرز با آستانه بین نبودن و ظاهرشدن كاویتاسیون را نشان دهد همیشه قابل تشخیص نیست تا هنگام ظهور و ناپدید شدن مشاهده گردد. ‎a- تقسیم‎بندی كاویتاسیون هیدرودینامیكی كاویتاسیون هیدرودینامیكی را از نظر وضعیت قرار گرفتن حباب می‎توان به دسته‎های زیر تقسیم كرد:‎b- آثار كاویتاسیون هیدرودینامیكی معمولاً اثر كاویتاسیون هیدرودینامیكی در پمپها این است كه نیروی اعمالی به سیال را كه توسط سطح مرزی برای هدایت آن انجام می‎گیرد، كاهش می‎دهد. انحنای زاویه‎ای ‎(angular deflection) جریان تولید شده توسط پره در حال چرخش در زمان گسترش كاویتاسیون كمتر از زمانی است كه آن گسترش پیدا نكرده است. در توربینهای هیدرولیك وقتی كاویتاسیون رشد می‎یابد، قدرت خروجی و بازده هر دو كاهش می‎یابد. در صورتی كه در پمپ سانتریفیوژ افت هد و كاهش بازده بوجود می‎آید. كاهش توان خروجی و هد توسط كاویتاسیون، ممنتم انتقالی بین سیال و روتور را كاهش می‎دهد و كاهش بازده موجب افزایش اتلاف انرژی و در نتیجه افزایش دما می‎شود. 2- كاویتاسیون صوتی ‎(ACOUSTIC CAVITATION)در این حالت پدیده كاویتاسیون به سبب امواج صوتی حاصل از تغییرات فشار تولید می‎شود. در بعضی از محیط‎های مایع تغییرات فشار حائز اهمیت نمی‎باشد لیكن یكسری امواج صوتی در مایع كه به طرق مختلف بوجود آمده است امكان ایجاد كاویتاسیون صوتی را بوجود می‎آورد. این امواج صوتی سبب افزایش و كاهش فشار می‎شود. اگر دامنه تغییرات فشار در قسمت منفی سیكل فشار حاصل از امواج صوتی كمتر از فشار بحرانی سیال شود،‌ حبابهای ریز بوجود می‎آیند. اگر دامنه امواج صوتی باز هم بیشتر شود امكان دارد فشار منفی به صفر برسد و سبب رشد غیرقابل كنترل حبابها شود. به این صورت كه حبابها دائماً در مایع منبسط و منقبض می‎شوند و باعث افزایش بیشتر دامنه میدان صوتی می‎گردند. در هر صورت در كاویتاسیون صوتی دو حالت گذرا و پایدار ممكن است رخ دهد. حبابهای پایدار بطور منظم ارتعاش می‎كنند در حالی كه حبابهای گذرا طول عمرشان كمتر از یك سیكل می‎باشد. دو مشخصه اساسی در كاویتاسیون صوتی وجود دارد، اول اینكه بطور كلی فرآیند تغییرات شعاع حباب با فشار منبع صوت كاملاً غیرخطی است. دوم اینكه چون حباب دارای تراكم‎پذیری بالایی است در هنگام انبساط، انرژی پتانسیل زیادی را می‎تواند در خود ذخیره و در هنگام انقباض، آن را به انرژی جنبشی تبدیل كند. در این حالت كاویتاسیون گذرا بسیار مسئله‎ساز است. زیرا زمانی كه حباب انبساط پیدا كند و سپس منفجر شود به حبابهای ریزی تبدیل می‎گردد كه هر كدام از آنها جوانه‎ای برای حباب بعدی است. اگر این رویه ادامه یابد، سبب می‎شود انرژی در حجم كمی متمركز شود و موجب بوجود آمدن واكنش شیمیایی همراه با تولید نور گردد. 3- كاویتاسیون نوری ‎(OPTIC CAVITATION)این نوع كاویتاسیون بوسیله گسیل نور با شدت بالا و همسو (لیزر) در مایع تولید می‎شود. كاویتاسیون نوری هنگامی رخ می‎دهد كه یك شعاع لیزری موجب متراكم شدن انرژی در مایع شود. در این موقع در مایع شكست ‎(Breakdown of Liquid) رخ می‎دهد و سبب تشكیل حباب می‎گردد. كه این حبابها براحتی قابل رویت هستند. 4- كاویتاسیون ذره‎ای ‎(PARTICLE CAVITATION)این نوع كاویتاسیون به علت ذرات عناصر یا فوتونهای گسیل شده در مایع بوجود می‎آید. اگر ذره‎ای با انرژی و سرعت بالا به مایع وارد شود سبب یونیزه شدن مایع می‎گردد. قسمتی از انرژی یونها كه تا حدود 1000 الكترون ‎- ولت هم می‎رسد در حجم بسیار كوچك تولید حرارت می‎كند. این حرارت سبب فوق گرم ‎(Super Heat) شدن مایع می‎گردد، در نتیجه جوشش موضعی در مایع بوجود می‎آید كه بصورت حبابهایی ریز در طول مسیر ذرهها قابل رویت است. مرجع ‎]2‎[ عنوان كرده است كه كاویتاسیون هیدرودینامیكی و صوتی از تنش مایع بوجود می‎آیند، در صورتی كه كاویتاسیون ذره‎ای و نوری بوسیله ذخیره كردن موضعی انرژی، حاصل می‎گردد. اثرها و اهمیت كاویتاسیون كاویتاسیون به دلیل آثاری كه می‎تواند داشته باشد توجه بسیار زیادی را در صنعت امروز به خ ود اختصاص داده است. آثاری را كه كاویتاسیون می‎تواند به وجود بیاورد عبارتند از: 1- اثرهایی كه هیدرودینامیك سیال را تغییر دهد. 2- اثرهایی كه بر روی سطح مرزی سیال با دیواره جامد به وقوع می‎پیوندد و می‎تواند تولید خطر كند. 3- آ‌ثار خارجی كه ممكن است به تغییرات مهم و جدی هیدرودینامیكی جریان اضافه شود و به مرزهای جامد ضرر رساند. متأسفانه در میدان هیدرودینامیكی، تأثیرات كاویتاسیون به جز چند مورد استثنا، همگی مضر هستند. كنترل نكردن آن می‎تواند خطرهای جدی و حتی نتایج جبران‎ناپذیری را به همراه داشته باشد. از طرف دیگر لزوم اجتناب از كاویتاسیون و یا كنترل آن محدودیتهای جدی را برای طراحی بسیاری از انواع وسایل هیدرودینامیكی تحمیل می‎كند. در ماشینهای هیدرودینامیكی مانند همه توربینها از سرعت مخصوص پایین فرانسیس تا سرعت مخصوص بالایكاپلان، زمینه برای ایجاد كاویتاسیون آماده است. پمپهای محوری ‎(Axial) و سانتریفیوژ ‎(Centrifugal) و حتی پمپهای رفت و برگشتی قدیمی نیز درگیر اثرهای كاویتاسیون هستند. اگرچه كاویتاسیون ممكن است با طراحی اشتباه تشدید یابد، اما حتی در وسایلی كه از بهترین طراحی نیز برخوردار هستند هنگامی كه در عمل شرایط نامطلوب اعمال گردد ممكن است اتفاق بیفتد. كاویتاسیون همچنین امكان دارد در وسایلی كه انرژی مكانیكی به آنها وارد یا از آنها خارج می‎شود هم اتفاق بیفتد. ولوها ‎(Valves) و همه وسایلی كه سرعت سیال عبوری در آن‎ها تغییر می‎ك ند،‌م مكن است تحت تأثیر آثار كاویتاسیون قرار گیرند. اندیكس كاویتاسیون كاویتاسیون معمولاً‌ در یك تركیب بحرانی از سرعت، فشار و فشار بخار جریان اتفاق می‎افتد. معمولاً برای بررسی موارد فوق از پارامترهایی به نام اندیكس كاویتاسیون استفاده می‎شود. از نظر ت ئوری این اندیكس با نوشتن رابطه برنولی بین یك نقطه‌آزاد و نقطه‎ای كه در آن ممكن است كاویتاسیون رخ دهد و جایگزین كردن فشار نقطه دوم با فشار سیار و استخراج رابطه‎ای بدون بعد از روابط ذیل بدست می‎آید. كه در آن: P : فشار در نقطه مورد نظر P0 : فشار در نقطه مبنا V : سرعت جریان در نقطه مورد نظر ‎V0 : سرعت جریان در نقطه مبنا ‎Z : رقوم در نقطه‌ مورد نظر ‎Z¬0 : رقوم در نقطه مبنا ‎g : شتاب جاذبه زمین ‎ : جرم مخصوص آب حال می‎توان ‎Cp را به عنوان یك پارامتر بدون بعد به نام فاكتور فشار از رابطه زیر بد ست آورد. به طوریكه:‎Ef : انرژی پتانسیل جریان ‎E0 : انرژی پتانسیل درنقطه مبناءبا صرفنظر كردن از شرایط ثقلی (كه معمولاً یا اندك است یا برای تمامی حالات برابر) خواهیم داشت: كه در آن ‎Cpmin كمترین مقدار ‎Cp در جریان، در نقطه‎ای است كه كاویتاسیون مورد بررسی قرار می‎گیرد. با همان فرض ناچیز بودن شرایط خواهیم داشت: كه در آن:‎PV : فشار بخار آب ‎P0 : ‎Pa + pg‎Pa : فشار اتمسفر ‏‎Pg : فشار گیجشكل‎گیری كاویتاسیون آب به خودی خود با افزایش دما و كاهش فشار به بخار تبدیل نمی‎شود. آبیكه به طور كامل تصفیه و فیلتر شده باشد می‎تواند بارها فشارهای منفی بسیار بزرگ را تحمل كند،‌ بدون آنكه به بخار تبدیل شود. كاویتاسیون و جوشیدن هر دو در نقاطی كه دارای ناخالصی است و یا در كنار یك شكاف زیر در دیواره جریان، اتفاق می‎افتد. ادامه خواندن مقاله در مورد پديده كاويتاسيون

نوشته مقاله در مورد پديده كاويتاسيون اولین بار در دانلود رایگان پدیدار شد.