پدیده کاویتاسیون

نویسنده: سید‌امیررضاعبداللهی و با تشکر از مهندس امین‌شمس     تاریخ انتشار: ۱۴۰۰/۱۲/۰۷    مدت زمان تقریبی مطالعه: ۳۰ دقیقه

بخش اول: مقدمه و توضیح کلی

کاویتاسیون پدیده‌ای است که در سرعت‌های بالا باعث خرابی و ایجاد گودال می‌گردد. گاهی در یک سیستم هیدرولیکی به علت بالارفتن سرعت، فشار محلی پائین می‌آید و ممکن است این فشار به حدی پائین بیاید که برابر فشار بخار سیال در آن شرایط باشد و یا در طول سرریز یا حوضچه خلاء‌زایی در اثر وجود ناصافی‌ها و یا ناهمواری‌های کف سرریز خطوط جریان از بستر خود جدا شده و بر اثر این جداشدگی فشار موضعی در منطقه جداشدگی کاهش‌یافته و ممکن است که به فشار بخار سیال برسد. در این صورت بر اثر این دو عامل بلافاصله مایعی که در آن قسمت در جریان است به حالت جوشش درآمده و سیال به بخار تبدیل شده و حباب‌هایی از بخار به وجود می‌آید که در شکل ۲ به خوبی قابل مشاهده است این حباب‌ ‌ها پس از طی مسیر کوتاهی به منطقه‌ای با فشار بیشتر رسیده و منفجر می‌شود و تولید سروصدا می‌کند و امواج ضربه‌ای ایجاد می‌کند و به مرز بین سیال و سازه ضربه زده و پس از مدت کوتاهی روی مرز جامد ایجاد فرسایش و خوردگی می‌کند.

شکل ۱ – پروانه خورده شده در اثر پدیده کاویتاسیون

شکل ۲ – نحوه خورده شدن سطح چرخ پمپ در اثر کاویتاسیون

به منظور انجام محاسبات لازم برای بررسی پدیده کاویتاسیون، عدد بی‏بعد کاویتاسیون تعریف می‏گردد که به صورت زیر است:

در رابطه گفته شده، p فشار موضعی، فشار بخار سیال، چگالی سیال و سرعت سیال می‏‌باشد. عدد بی‏‌بعد کاویتاسیون بر حسب رینولدز مقدار بحرانی دارد که اگر این مقدار ازحد بحرانی خود عبور کند پدیده کاویتاسیون شروع می‏‌گردد. البته مقدار بحرانی عدد کاویتاسیون به نوع سیال و مشخصات ترمودینامیکی آن نیز وابستگی بسیار زیادی دارد. در شکل ۳ نمودار عدد کاویتاسیون بر حسب رینولدز برای برخی از مایعات نشان داده شده است.

شکل ۳ – نمودار عدد کاویتاسیون بر حسب عدد بی ‏بعد رینولدز

تبدیل مجدد حباب‌ ها به مایع و فشار ناشی از انفجار آن گاهی به ۱۰۰۰ MPa می‌رسد. ازآنجایی‌که سطوح تماس این حباب‌ها با بستر سرریز بسیار کوچک هستند نیروی بسیار زیادی در اثر این انفجارها به بسترهای سرریزها و حوضچه‌های آرامش وارد می‌کند. این عمل در یک مدت کوتاه و با تکرار زیاد انجام می‌شود که باعث خوردگی بستر سرریز می‌شود و به‌تدریج این خوردگی‌ها تبدیل به حفره‌های بزرگ می‌شوند. اين مرحله را Cavitation erosion یا Cavitation pitting می‌نامند. در سرریز‌های بلند چون سرعت سیال بسیار زیاد است، در نتیجه ناصافی‌هایی حتی در حد چند میلی متر هم می‌تواند باعث ایجاد جداشدگی جریان شود. هر نوع روزنه با برآمدگی یا حتی تعویض ناگهانی سطح مقطع هم می‌تواند باعث جدایی خطوط جریان شود. این پدیده معمولاً در پایه‌های دریچه‌ها بر روی سرریز‌ها، در قسمت زیر دریچه‌های کشویی و انتهای شوت‌ها رخ می‌دهد . شرایطی که موجب ایجاد پدیده کاویتاسیون می‌گردد اغلب در جریان با سرعت بالا پدید می‌آید. به طور مثال سطح آبروی سرریز که ۴۰ تا ۵۰ متر پایین‌تر از سطح تراز آب مخزن است به طور حاد در معرض خطر کاویتاسیون قرار دارد. پدیده کاویتاسیون در جریان های بسیار آشفته در پرش هیدرولیکی در مکان‌هایی مثل حوضچه ‌های خلاءزایی مشکلات فراوانی ایجاد می‌کند. صدمه کاویتاسیون به سازه‌ های طراحی شده برای سرعت‌ های بالا و در سد‌ های بلند و سرریز های بزرگ یک مشکل دائمی است. فاکتورهای مؤثر در پدیده کاویتاسیون : در طی حداقل ۲۰ سال تجربه و بررسی عملکرد سرریز (شامل مدل و آزمایش بر روی مدل اصلی) این‌طور نتیجه‌گیری شده که کاویتاسیون در اثر عملکرد مجموعه‌ای از عوامل و شرایط است. معمولاً یک عامل به‌تنهایی برای ایجاد مسئله کاویتاسیون کافی نیست ولی ترکیبی از عوامل هندسی و هیدرودینامیکی و فاکتورهای وابسته دیگر ممکن است منجر به خسارت کاویتاسیون گردد. از مهم‌ترین عواملی که می‌توانند در این زمینه ممکن است دخیل باشند می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

۱- عوامل هندسی:

الف- ناهمواری‌های سطحی سرریز به خصوص برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های موضعی

ب- شکاف‌های دریچه‌های کشویی و پایه‌های دریچه‌های قطاعی

ج- ستون‌ها (Piers)

د- درزهای ساختمانی

ه- جداکننده جریان و دفلكتور‌ها (Flow splitter & deflector)

و- دهانه مجاری و لوله (Ports of ducts & pipe)

ز- تغییر در شکل پاساژ جریان آب (Change of water passage shape)

ح- انحنا یا انحراف در مسیر جریان در آب راهه (شکل‌۴)

شکل ۴ – Misalignment Of conduit

۲- عوامل هیدرودینامیکی:

الف- دبی مخصوص

ب – سرعت جریان

ج – عملکرد دریچه

د- توسعه لایه مرزی

۳- عوامل متفرقه:

الف- انتقال حرارت در طی فروریختن

ب- درجه حرارت آب

ج- تعداد و اندازه حباب ‌های درون آب

انواع کاویتاسیون

کاویتاسیون اینرسی

کاویتاسیون اینرسی اولین بار در اواخر قرن ۱۹ ام بررسی شد. زمانی که حجم مشخصی از سیال به فشار بسیار پایین می‏‌رسد، امکان ایجاد حفره در آن وجود خواهد داشت. این پدیده کاویتاسیون سکه‏‌ای نامیده می‏‌شود و معمولا در پشت پره‏ های یک پروانه در حال چرخش رخ می‌‏دهد یا مثلا یک رودخانه که با سرعت زیاد حرکت می‌‏کند، می‏‌توان باعث ایجاد کاویتاسیون برروی سنگ‏ های بستر رودخانه ‏شود مخصوصا زمانی که اختلاف ارتفاعی وجود داشته باشد مثلا یک آبشار.

یکی از راه ‏های دیگر ایجاد خلائی که موجب کاویتاسیون می‏‌شود شامل جابه‏‌جایی موضعی انرژی است. مثلا یک موج لیزری شدید (کاویتاسیون اپتیک) یا تخلیه الکتریکی از طریق جرقه زدن. گازهای موجود در هوا وارد محیط کاویتاسیون می‏‌شوند و بدین ترتیب محیط در شرایط خلاء نخواهد بود بلکه حباب ‏های گاز با فشار پایین در آن حضور دارند. زمانی که شرایط به وجود آمدن این حباب‏ های گازی از بین برود، مثلا حباب به سمت پایین دست سیال حرکت کند یا مایع سیال اطراف حباب به دلیل فشار بالا شروع به جنبش کند، فشار سیال اطراف محیط کاویتاسیون که ناشی از اینرسی است باعث می‏‌شود که سیال با سرعت زیادی به سمت محیط کاویتاسیون کشیده شود و حباب بترکد در این حالت حباب در کسری از ثانیه می‏‌ترکد و گازهای موجود در حباب از طریق مکانیزم‌های شدیدی که انرژی زیادی به شکل شوک‏ های ارتعاشی آزاد می‌‏کنند، به محیط سیال داده می‏‌شود. در نقطه‏‌ای که حباب می‏‌ترکد دمای بخار می‌‏تواند تا هزاران درجه کلوین و فشار به چند صد اتمسفر برسد.

کاویتاسیون اینرسی حتی می‏‌تواند در حضور میدان ارتعاشاتی به وقوع بپیوندد. حباب‏‌های میکروسکوپی گاز که معمولا در مایع وجود دارند به دلیل میدان ارتعاشی مجبور به ارتعاش اجباری می‏‌گردند. اگر شدت ارتعاش به طرز چشمگیری بالا باشد، در ابتدا اندازه حباب ‏ها افزایش می‏‌یابد و سپس می‏‌ترکند. معمولا از این روش برای ایجاد حباب‌‏های خلاء به منظور پرداخت سطح استفاده می‌‏شود که با نام روش اولتراسونیک شناخته می‌‏شود.

مفهوم پدیده کاویتاسیون مانند پدیده جوشش است. تفاوت اصلی بین این دو پدیده در مسیر ترمودینامیکی است که باعث ایجاد حباب‏‌های گاز می‏‌گردد. جوشش زمانی اتفاق می‌‏افتد که دمای موضعی مایع به دمای اشباع برسد و پس از آن حرارت اضافه داده شده باعث ایجاد تغییر فاز مایع به گاز می‏‌گردد. کاویتاسیون زمانی اتفاق می‏‌افتد که فشار موضعی به زیر فشار بخار اشباع برسد، که مقدار فشار توسط تنش کششی سیال در دمای مشخص تعیین  می‌گردد

شکل ۵ – تشکیل حباب به دلیل قرار گرفتن سیال در معرض میدان ارتعاشی

شکل ۶ – تفاوت پدیده کاویتاسیون با جوشش

برای اتفاق افتادن پدیده کاویتاسیون، حباب کاویتاسیون نیازمند سطح است. این سطح می‏تواند یک سطح مانند دیواره‏ های یک محفظه یا سطح ناخالصی‏‌های سیال یا حتی میکروحباب‏‌های حل نشده درون سیال باشد. به طور معمول این موضوع پذیرفته شده است که سطوح آب‏گریز باعث تثبیت حباب ‏های کوچک می‌‏شوند. این حباب ‏های موجود روی سطح، بدون هیچ محدودیتی شروع به رشد می‏‌کنند تا زمانی که به فشار بحرانی برسند که به محدوده بلیک معروف است. نکته قابل ذکر این است که در بحث کاویتاسیون تعریف فشار بخار متفاوت از تعریف معمولی فشار جزئی بخار آب در اتمسفر متفاوت است. در کاویتاسیون فشار بخار به فشار بخار در حالت تعادل گفته می‏‌شود و بنابراین در حالت تعادل (اشباع) تعریف می‏‌گردد.

کاویتاسیون هیدرودینامیکی

کاویتاسیون هیدرودینامیکی به فرآیند تبخیر، تولید حباب و ترکیدن آن در یک سیال جاری گفته می‏‌شود که در نتیجه‌‏ی کاهش و افزایش فشار موضعی پیاپی اتفاق می‌‏افتد. کاویتاسیون فقط زمانی اتفاق می‌‏افتد که فشار موضعی به زیر فشار بخار اشباع سیال برسد و سپس دوباره با افزایش به فشاری بیشتر از این فشار برسد که به این افزایش فشار بازیابی فشار گفته می‌‏شود. اگر فشار بازیابی شده بیشتر از فشار بخار اشباع نباشد به این پدیده Flashing گفته می‏‌شود. در سیستم‌‏های لوله‏‌کشی کاویتاسیون معمولا به دلیل افزایش انرژی جنبشی یا افزایش سطح ارتفاع لوله می‌‏باشد.

کاویتاسیون هیدرودینامیکی با عبور دادن سیال از یک کانال در سرعت خاص یا با چرخاندن یک جسم در سیال ایجاد می‏‌گردد. در حالت کانال، ترکیبی از فشار و انرژی جنبشی می‏‌تواند زمینه ‏ساز کاویتاسیون هیدرودینامیکی می‏‌گردد.

شکل ۷ – کاویتاسیون هیدرودینامیکی

بنابر دیاگرام تغییر فاز ترمودینامیکی، با افزایش دما تغییر فاز توسط مکانیزم جوشش اتفاق می‏‌افتد. اگرچه کاهش فشار استاتیک نیز می‏تواند باعث تغییر فاز تحت فرآیند کاویتاسیون شود.

انواع کاویتاسیون در پمپ‌ها

در این بخش به معرفی انواع کاویتاسیون در پمپ‌ها می‌پردازیم و راه حل‌هایی برای جلوگیری از وقوع انواع کاویتاسیون را معرفی می‌کنیم.

انواع کاویتاسیون در پمپ ها به شرح زیر است:

کاویتاسیون تبخیری: این نوع کاویتاسیون از جمله متداول ترین انواع کاویتاسیون در پمپ‌ها است و در اثر پایین بودن هد مکش مثبت خالص در دسترس (NPSHA) نسبت به مقدار هد مکش مثبت خالص مورد نیاز (Net Positive Suction Head Required) برای کارکرد مناسب پمپ که توسط شرکت سازنده ارائه می‌شود (NPSHR)، ایجاد می‌شود. راه جلوگیری از این نوع پدیده کاویتاسیون، بالاتر نگه داشتن NPSHA نسبت به NPSHR است.

شکل ۸ – تغیرات فشار در یک پمپ سانتریفیوژ با پدیده کاویتاسیون

کاویتاسیون گردش مجدد داخلی (Recirculation): کاویتاسیون گردش مجدد داخلی بر خلاف دیگر انواع کاویتاسیون‌ها در اثر پایین بودن هد مکش مثبت خالص مورد نیاز در سیستم (NPSHA) رخ نمی‌دهد. این نوع پدیده کاویتاسیون هنگامی رخ می‌دهد که جریان به هر دلیلی نتواند از قسمت تخلیه پمپ خارج شود و یا از قسمت مکش پمپ وارد شود. این امر سبب ایجاد گردش مجدد (Recirculation) در جریان داخل پمپ می‌شود و آسیب می‌ رساند.که در شکل ۹ به خوبی قابل مشاهده است.

شکل ۹ – کاویتاسیون گردش مجدد

کاویتاسیون از نوع مکش هوا: در صورت ایجاد خلا در داخل پمپ می‌تواند مکش هوا به داخل پمپ رخ بدهد. این پدیده مکش هوا سبب ایجاد اختلال در کارکرد پمپ و آسیب رساندن می‌شود. این پدیده کاویتاسیون از نوع مکش هوا نام دارد. برای جلوگیری از این اتفاق باید قطعات مختلف پمپ و کل سیستم به خوبی آب بندی و متصل شوند تا مکش هوا رخ ندهد.

شکل ۱۰برخی از انواع کاویتاسیون در یک پروانه جریان محوری بدون محفظه را نشان می‌دهد.

شکل ۱۰ – انواع کاویتاسیون در یک پروانه جریان محوری بدون محفظه

زمانی که فشار ورودی پمپ کاهش پیدا می‌کند، کاویتاسیون در گردابه‌های نوک پروانه آغاز می‌شود که این گردابه‌ها، زمانی تولید می‌شوند که لبه‌ حمله پره به نوک پروانه می‌رسد. به این نوع کاویتاسیون، «کاویتاسیون گردابه‌ای نوک» (Vortex Cavitation) گفته می‌شود و در شکل۱۰، نمونه‌ای از آن به تصویر کشیده شده است. نکته مهمی که در شکل۱۰ مشاهده می‌شود، این است که جریان برگشتی در نوک، باعث ایجاد مولفه‌ عمودی در سرعت بالا دست می‌شود.

کاربرد فرآیند کاویتاسیون در صنعت

مهندسی شیمی

در صنعت، از کاویتاسیون برای هموژنیزه کردن، مخلوط کردن و جدایش ذرات معلق در یک مایع کلوئیدی مانند رنگ یا شیر استفاده می‏‌شود. بسیاری از دستگاه‏‌های مخلوط کن صنعتی برپایه همین طرح طراحی می‏‌شوند و معمولا شامل یک پروانه برای عبور دادن سیال از یک محفظه دایره‏ای که سوراخ ورودی آن بسیار بزرگ‏تر از سوراخ خروجی آن است، می‏‌باشد. در این روش، در زمان ورود سیال به محفظه موجب افزایش حجم و درنتیجه کاهش چشمگیر فشار می‏گردد که این موضوع باعث ایجاد پدیده کاویتاسیون می‌شود. در این روش از دستگاه ‏های هیدرولیکی برای کنترل سایز سوراخ ورودی استفاده می‏‌شود و اجازه تغییر لحظه‏‌ای در سیستم برای سیال‌‏های مختلف می‏‌گردد. به دلیل پدیده کاویتاسیون شدیدی که در این دستگاه ‏ها اتفاق می‌‏افتد از مواد بسیار سختی مانند فولاد ضدزنگ، آلیاژهای کوبالت-کروم یا حتی از الماس‌های پلی‏کرسیتال مصنوعی استفاده می‏‌شود.

مهندسی پزشکی

کاویتاسیون نقش مهمی در تخریب سنگ کلیه دارد. همچنین کاویتاسیون نقش اساسی در شکافتن بافت‌های غیر تهاجمی برای درمان انواع بیماری‌ها دارد و از این پدیده برای باز کردن غشاء مغز برای افزایش میزان تاثیرگذاری داروهای عصبی استفاده می‌کنند.

پاکسازی

کاویتاسیون توان غلبه بر ذرات آلودگی را دارد. در این روش ذرات پاک‏‌کننده را به سیال اضافه می‌‏نمایند و سپس با ایجاد یک میدان ارتعاشی در سیال پدیده کاویتاسیون ایجاد می‌شود که این پدیده باعث می‏‌شود ذرات پاک‏‌کننده به از بین بردن ذرات آلودگی کمک نمایند.

صنایع مواد غذایی

از فرآیند کاویتاسیون برای پاستوریزه کردن تخم مرغ استفاده می‌‏گردد. یک روتور پر از سوراخ حباب ‏های کاویتاسیون را ایجاد می‏‌نماید که این موضوع باعث افزایش دمای سیال به صورت درونی می‌‏گردد. همچنین سطح دستگاه باید سرد باشد تا تخم مرغ ‏ها در این فرآیند پخته نشوند. شدت فرآیند قابل تنظیم است تا کمترین آسیب به پروتئین تخم مرغ‏ ها، در اثر گرما، وارد شود.

آسیب‏های ناشی از کاویتاسیون

بیشترین آسیبی که پدیده کاویتاسیون ایجاد می‌‏نماید در پمپ ‏ها، پروانه‏‌ها یا در موانعی است که بر سر راه سیال قرار می‏‌گیرند.

زمانی که پروانه یک پمپ یا یک کشتی در سیال به حرکت در می‏‌آید مناطق کم فشار در اطراف آن ایجاد می‏‌شود که با عبور پروانه‌ها از این مناطق پدیده کاویتاسیون را ایجاد می‌‏نماید. شوک شدید ایجاد شده باعث خوردگی و کنده شدن تکه‏‌های ریز از سطح پروانه می‏‌گردد.

کاویتاسیون در پمپ‌‏ها در دو حالت آسیب ایجاد می‏‌نماید. اولین حالت کاویتاسیون مکش است و زمانی اتفاق می‏افتد که سیال مکش شده توسط پمپ در شرایط فشار کم یا پمپ در حالت مکش زیاد است. در این شرایط در اطراف چشم پره، مایع به بخار تبدیل می‏‌گردد.

حالت دوم کاویتاسیون در خروج است و زمانی اتفاق می‏افتد که فشار سیال خروجی پمپ بسیار زیاد باشد. معمولا در پمپ‌‏هایی که در ۱۰  % بازده اصلی خود کار می‏‌کنند این پدیده اتفاق می‏‌افتد.

شکل۱۱ – کاویتاسیون مکش و خروج

شکل ۱۲ – نمودار کاویتاسیون پمپ گریز از مرکز

بخش دوم: روابط حاکم بر کاویتاسیون

روابط حاکم

همانطور که اشاره شد، کاویتاسیون فرآیندی است که طی آن، در ناحیه‌ای از مایع با فشار پایین، حباب بخار شکل می‌گیرد. ممکن است تصور شود که تنها دلیل تشکیل حباب ‌های بخار در بخشی از مایع این است که فشار این بخش از مایع کاهش می‌یابد و به فشار بخار ( ) می‌رسد. اما حقیقت این است که پارامتر‌های مختلف دیگری نیز موجود هستند که در وقوع این پدیده دخالت دارند. در ادامه، تمام این پارامترها مورد بررسی قرار می‌گیرند؛ اما برای شروع، تعریف فوق را به عنوان یک تعریف خام می‌پذیریم و روابط حاکم بر این پدیده را با همین فرض، مورد مطالعه قرار می‌دهیم.

فشار استاتیک (Static Pressure) در تمام جریان ‌ها، با استفاده از رابطه‌ زیر به فرم بی‌بعد در می‌آید.

 در رابطه بالا ضریب فشار نامیده می‌شود و یک پارامتر بی‌بعد است. فشار استاتیک مرجع را نشان می‌دهد که در پمپ‌ها معمولا برابر با فشار ورودی پمپ در نظر گرفته می‌شود. U نیز نمایانگر سرعت مرجع است که در پمپ‌‌ها با سرعت نوک پره ورودی () برابر قرار داده می‌شود. نکته مهم دیگر در پدیده کاویتاسیون، این است که  یک سیال تراکم ناپذیر که درون یک مرز جریان دارد تابعی از هندسه مرزها و عدد رینولدز است. توجه کنید که عدد رینولدز در یک پمپ به شکل زیر تعریف می‌شود.

در رابطه بالا به ترتیب سرعت دوران پروانه، ویسکوزیته سینماتیک و شعاع نوک پره پروانه در ورودی پمپ را نشان می‌دهند. زمانی که در یک پمپ، کاویتاسیون رخ نداده باشد، سرعت و ضریب فشار، مستقل از فشار مرجع  عمل می‌کنند. در این پمپ‌ها با تغییر مقدار پارامتر ، فشار سایر قسمت‌ها به صورت یکنواخت تغییر می‌کند و در نتیجه ضریب فشار بدون تغییر باقی می‌ماند.

رابطه  را برای نقطه‌ای از پمپ که کمترین فشار را دارد به شکل زیر بازنویسی می‌کنیم:

این مقدار فشار ورودی برای یک پمپ مشخص که سیال و دمای آن معین است، تنها تابعی از سرعت U در نظر گرفته می‌شود. در بررسی مفهوم کاویتاسیون، پارامترهای بی‌بعد مختلفی به کمک تحلیل ابعادی، تعریف می‌شوند که مهم‌ترین آن‌ها، عدد کاویتاسیون (Cavitation Number) است. این پارامتر با نماد σ نشان داده می‌شود و رابطه آن به صورت زیر قابل بیان است.

همانطور که مشخص است، جریان‌هایی که در آن‌ها کاویتاسیون رخ نداده باشد نیز مقداری برای 𝜎 دارند. مقدار خاصی از 𝜎 نیز موجود است که در آن، کاویتاسیون برای اولین بار در سیستم شروع می‌شود. این عبارت با نماد به شکل زیر نمایش داده می‌شود و عدد شروع کاویتاسیون (Cavitation Inception Number) نام دارد.

در صورتی که کاویتاسیون زمانی شروع شود که  است، عدد شروع کاویتاسیون مطابق رابطه زیر برابر با منفی ضریب فشار مینیموم است. در غیر این صورت، این دو پارامتر مقادیر متفاوتی دارند.

در منابع گوناگون سرعت مرجع به شکل پارامتر‌های مختلفی در نظر گرفته می‌شود. در برخی از آن‌ها سرعت نوک پره و در برخی دیگر سرعت نسبی سیال در ورودی به عنوان سرعت مرجع در نظر گرفته می‌شود.

در پمپ ‌ها و توربین ‌ها پارامتری تحت عنوان «فشار مکش مثبت خالص (Net Positive Suction Pressure) موجود است که به صورت خلاصه شده با نماد NPSP نمایش داده می‌شود و رابطه آن به شکل زیر است.

در این رابطه، مطابق با رابطه زیر تعریف می‌شود.

پارامتر‌های دیگری نیز در پمپ‌ ها و توربین‌ ها مانند هِد مکش مثبت خالص (Net Positive Suction Head) و انرژی مکش مثبت خالص (Net Positive Suction Energy) موجود هستند که به ترتیب با نماد NPSH و NPSE نمایش داده می‌شوند و رابطه آن ‌ها به شکل زیر است.

با استفاده از این روابط، سرعت مخصوص مکش (Suction Specific Speed) به شکل زیر معرفی می‌شود.

سرعت مشخصه مکش مانند عدد کاویتاسیون، فرم بی‌ بعد فشار سطح مکش یا فشار ورودی را نمایش می‌دهد. سرعت مشخصه‌ مکشی که در آن کاویتاسیون آغاز می‌شود را سرعت مشخصه مکش شروع می‌‌نامند. این پارامتر با نماد S_i نشان داده می‌شود و می‌توان آن را بر حسب پارامتر‌های مختلف پمپ مطابق با رابطه زیر تعریف کرد.

پارامتر مهم دیگری که در کاویتاسیون تعریف می‌شود، «ضریب کاویتاسیون توما (Thoma’s Cavitation Factor) است که با نمادو به شکل زیر تعریف می‌شود.

مخرج عبارت بالا، افزایش فشار کلی در طول پمپ را نشان می‌دهد. رابطه ضریب کاویتاسیون توما، برحسب 𝜎 و S به شکل زیر نمایش داده می‌شود.

در این رابطه N سرعت مشخصه را نشان می‌دهد. نکته دیگر این است که کاویتاسیون معمولا در ورودی پمپ رخ می‌دهد، بنابراین ضریب کاویتاسیون توما، پارامتر مفیدی در کاویتاسیون نیست زیرا مخرج این عبارت به پدیده کاویتاسیونی که معمولا در ورودی پمپ رخ می‌دهد مرتبط نیست.

برای دانلود PDF این مطلب بر روی لینک کلیک نمایید.

منابع

• https://www.researchgate.net/figure/Critical-cavitation-number-vs-Reynolds-number_fig12_257295446
• https://en.wikipedia.org/wiki/Cavitation#Inertial_cavitation
• https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3085427/
• https://www.nature.com/articles/s41598-020-68317-3
• Franc, J. P., & Michel, J. M. (2006). Fundamentals of cavitation (Vol. 76). Springer science & Business media
• Zhang, Y., Qian, Z., Wu, D., Wang, G., Wu, Y., Li, S., & Peng, G. (2017). Fundamentals of cavitation and bubble dynamics with engineering applications. Advances in Mechanical Engineering, 9(3), 1687814017698321
• Brennen, Christopher E. “An introduction to cavitation fundamentals.” (2011): 1-17
• TULLIS, J. Paul. Cavitation guide for control valves. Nuclear Regulatory Commission, Washington, DC (United States). Div. of Engineering; Tullis Engineering Consultants, Logan
• UT (United States), 1993

بازدیدها: 632