آشنایی با پدیده کاویتاسیون و نحوه کاهش اثرات مخرب آن
در این پست تصمیم داریم در مورد پدیده کاویتاسیون و اثرات مخرب آن بر روی سدها اطلاعاتی را در اختیار شما بازدیدکنندگان قرار دهیم.
کاویتاسیون پدیده‌ای بسیار مهم و در عین حال مخرب در سازه‌های هیدرولیکی، از جمله سرریز سدها به شمار می‌آید که این پدیده زمانی حادث می‌شود که فشار موجود بر روی سازه سرریز از فشار بخار کمتر باشد. وقوع این پدیده موجب خسارات بسیار شدید بر سازه سرریز شده و در نهایت تاثیرات نامطلوبی بر عملکرد سد خواهد گذاشت. از جمله پارامترهای مهم دخیل در وقوع این پدیده می‌توان به سرعت جریان، فشار جریان، مقاومت مصالح تشکیل دهنده سازه سرریز و نیز میزان هوای موجود در جریان عبوری از روی سرریز اشاره کرد. به طور کلی برای بررسی پدیده کاویتاسیون روش‌های مختلفی از جمله شاخص کاویتاسیون مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش چنانچه شاخص کاویتاسیون بیشتر از شاخص بحرانی کاویتاسیون باشد در سرریز خطر این پدیده ناچیز و تاحدی منتفی می‌باشد.
پیشنهاد دانلود : جزوه تایپ شده انواع سرریز در سدها
مقدمه
هنگامي كه آب روي يك سرريز جريان يابد، ناحيه‌اي از آب خالص با يك لايه مرزي مشاهده مي‌شود كه اين لايه در طول جريان رشد نموده تا به سطح آزاد مي‌رسد، آشفتگي در لايه مرزي تداخل نموده با سطح آب، مي‌تواند نقطه آغاز طبيعي ورود هوا باشد. چنانچه رشد لايه آب و هوا از سطح آب به بدنه سرريز برسد، خسارت ناشي از كاويتاسيون منتفي مي‌شود. با افزايش ارتفاع سد و دبي واحد عرض سرريز، هواي سطح آزاد به سطح سرريز نرسيده، ضمن آنكه ناهمواري هاي بسيار كوچك سطح سرريز در سرعت‌هاي بالا باعث جدايي مناطق كوچكي از جريان خواهد شد كه در اين مناطق فشار پايين خواهد بود. اگر سرعت به اندازه كافي بزرگ باشد، فشار مي‌تواند به پايين‌تر از فشار بخار محلي كاهش يافته و در نتيجه حباب‌هاي بخار شكل خواهند گرفت. چنانچه حباب‌ها به مناطق پايين دست با فشار بالا مي‌رسند، وقوع پديده درون انفجاري حباب‌ها باعث ايجاد نيروهاي برشي قابل توجه و در نتيجه وقوع خسارت ناشي از آن به سازه شود كه به آن كاويتاسيون گفته مي‌شود. اين حباب‌ها در درون مايع و در دماي معمولي ظاهر مي‌شوند.
در واقع اين پديده شامل مجموعه‌اي از پيامدهاي متوالي است، كه از توليد حباب‌ها آغاز شده، رشد آنها را در بر گرفته و تا انهدام آنها ادامه دارد. رشد حباب‌ها ممكن است در اثر ورود گاز محلول در مايع به درون حباب‌ها و يا انبساط گاز درون اين حباب‌ها به علت افزايش دما يا كاهش فشار باشد. حباب‌هايي كه در نزديكي سطح و در تماس با جداره‌ها مي‌باشند، در زمان انهدام شرايط مرزي يكسان و متقارني نداشته و نيروهاي وارد از طرف سيال به صورت غير متقارن به آنها وارد مي‌شود. بدين ترتيب برآيند نيروهاي غير متقارن وارد بر حباب شبيه به يك ميكروجت عمل كرده و با توليد نيرو و فشار بسيار بالا مي‌تواند تخريب جداره و سطح سرريز را باعث شود. تحليل‌هاي عددي و نتايج عكس‌برداري سرعت ميكروجت مذكور را بين ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ متر بر ثانيه برآورد مي‌كند.
در اثر وقوع پديده كاويتاسيون در نزديك سطح سازه حفره‌هایي ايجاد مي‌شود كه در ادامه بهره‌برداري از سازه اين حفره‌ها بزرگتر شده و منجر به پديده فرسايش و كنده شدن تكه‌هاي بزرگي از سطح مي‌گردد. پديده كاويتاسيون داراي خاصيت گسترش سريع به اطراف و با فركانس بالا مي‌باشد. به عنوان مثال زمان انفجار يك حباب به قطر ۱ميلي متر برابر ۹ ميكروثانيه محاسبه و سرعت انتقال موج فشاري متناسب با سرعت صوت در جريان (مشابه پديده ضربه قوچ) مي‌باشد. بدين ترتيب ملاحظه مي‌شود كه به علت فركانس بالا و نيروي زياد، كاويتاسيون پتانسيل تخريبي قابل توجهي دارد. پديده كاويتاسيون از آن جهت كه مي‌تواند ظرفيت جريان را محدود كند، صداهاي قابل توجهي را توليد مي‌كند و سبب تخريب سطح جريان شود، حائز اهميت مي‌باشد. به طور نمونه در شکل 1 پدیده کاویتاسیون نشان داده شده است.
شكل 1- نمونه‌ای از پدیده کاویتاسیون
در اثر وجود ناصافی‌ها و ناهمواری‌های کف سرریز، خطوط جریان از بستر خود جدا می‌شوند. در اثر این جداشدگی یک جریان گردابی در پایین‌دست محل جداشدگی تشکیل می‌شود. به دلیل بالا بودن سرعت جریان در سرریز (سرعت بیش از 25 متر در ثانیه)، فشار موضعی در منطقه گردابی، کاهش یافته و به فشار بخار آب می‌رسد. در نتیجه بخار آب، حباب‌هایی به نام Cavity در این منطقه شکل می‌گیرند. این حباب‌ها پس از طی مسیر کوتاهی به منطقه با فشار بیشتر می‌رسند و منفجر می‌شوند. از آنجا که سطوح تماس این حباب‌ها با بستر سازه بسیار کوچک است، نیروی فوق‌العاده زیادی در اثر انفجار حباب‌ها به بستر سرریز وارد می‌شود. پارامتری که برای توصیف ترکیب بحرانی میان سرعت جریان، فشار جریان و فشار بخار آب به کار می‌رود شاخص کاویتاسیون نامیده شده و از رابطه زیر محاسبه می‌شود.
که در آن Pv فشار بخار اشباع، Pa فشار اتمسفر، R شعاع انحنا، Y ارتفاع جریان و V سرعت جریان است. وقوع خرابی در اثر کاویتاسیون، ناشی از علل متنوعی است، ولی ترکیبی از عوامل هندسی و هیدرودینامیکی ممکن است ایجاد خرابی کنند.
تخليه كننده‌هاي تحتاني سازه‌هايي مي‌باشند كه براي انتقال آب از مخزن سد به پايين دست جهت تخليه‌ي مخزن در مواقع اضطراري، پايين آوردن تراز آب مخزن، شستن رسوبات ته نشين شده‌ي داخل مخزن به پايين دست و انحراف دبي مازاد و سيلاب به كار مي‌روند. از آنجايي كه عمدتاً سرعت جريان در تخليه كننده‌ها بسيار بالا مي‌باشد، كاويتاسيون، خوردگي و همچنين ارتعاش دريچه‌ها در اثر نوسانات فشار از مسائل مهم اندركنش آب و سازه در اين گونه سازه‌ها به شمار مي‌رود. دريچه‌هاي سد جهت كنترل جريان با توجه به نيازهاي پايين دست بايد به گونه‌اي طراحي شوند كه عملكرد آنها در برابر نيروهاي هيدرواستاتيك و هيدروديناميكي وارد بر آن كه تحت تاثير شرايط بهره برداري (ميزان بازشدگي دريچه)، دبي و هد مي‌باشد، دچار اختلال نشود. پيش‌گيري از وقوع اختلال در عملكرد و حتي شكست اين سازه در نتيجه‌ي ارتعاشات ناشي از بارهاي هيدروديناميكي نوساني كه در اثر نوسانات فشار آب زير دريچه و پديده‌ي كاويتاسيون مي‌باشد، نياز به توجه جدي در طراحي دارد. تعريفي كه به طور عمومي از كاويتاسيون در سازه‌هاي هيدروليكي ارائه مي‌شود آن است كه هرگاه مايعي تحت دماي ثابت بواسطه‌ي شرايط و حالات ديناميكي و استاتيكي با كاهش فشار مواجه شود، به گونه‌اي كه فشار آن به محدوده ي فشار بخار اشباع آن مايع برسد، حباب‌هاي گازي در آن ايجاد مي‌شود كه قابل توسعه و انتقال مي‌باشند. در اثر تركيدن‌هاي پي در پي اين حباب‌ها، ضربه‌هاي موج گونه‌اي در سيال ايجاد مي‌شود كه گاهاً موجب پديده‌ي خستگي و آسيب رساندن به سازه‌ي هيدروليكي و ايجاد ارتعاش در آن مي‌شود.
پیشنهاد مطالعه : انواع سرریز سد و انتخاب دبی طرح برای آنها
عوامل تشديد كننده كاويتاسيون
چنانچه شاخص کاویتاسیون بیشتر از 2/0 باشد، کاویتاسیون به وجود نمی‌آید. ولی در نقاطی که این شاخص کمتر از 2/0 شود، احتمال وقوع کاویتاسیون زیاد بوده و باید روش‌های برای جلوگیری از پیدایش آن طراحی شود.
وقوع كاويتاسيون در اثر تركيبي از علل و شرايط متنوّع رخ مي‌دهد كه برخي از اين علل، عوامل هندسي و برخي هيدروديناميكي هستند. برخي از اين علل عبارتند از: ناهمواري‌هاي سطح سرريز، هر نوع برآمدگي و روزنه، شكاف‌هاي دريچه‌هاي كشويي، پايه‌هاي دريچه‌هاي قطاعي، شكستگي‌هاي ساختماني، دهانه مجاري و لوله‌ها، دبي مخصوص، سرعت جريان، عملكرد دريچه، يا بطور كّلي مواردي كه باعث جدايي جريان مي‌شود و پيشرفت لاية مرزي و انتقال گرما حين انفجار حباب‌ها، دماي آب و ميزان حباب هوا در آب كه خسارت بوجود آمده معمولا در روية سرريزها، كنار ضمائم حوضچه آبريز، قسمت انتهاي شوت سرريز، در پاية دريچه‌ها و روي سرريزها، در قسمت زير دريچه كشويي و… مي‌باشد.
روش هاي مقابله با كاويتاسيون
با استفاده از انديس كاويتاسيون و دانستن مقاديري از سرعت و فشار كه تحت آنها پديده كاويتاسيون رخ مي‌دهد مي‌توان پيش از بوجود آمدن اين پديده، آن‌را كنترل واز بوجود آمدن آن جلوگيري كرد. براي مثال اوّلين كنترل بالا بردن فشار و كم كردن سرعت است تا عدد كاويتاسيون را افزايش دهيم. يا كنترل بعدي، استفاده از اشكالي است كه كاويتاسيون بحراني آنها كوچك باشد كه اين كنترل بدين طريق از روي ناهمواري‌هاي سطح بتن بدست مي‌آيد. راه حل هاي اجرايي استفاده از روش هاي توصيه شده زير مي‌باشد. اين روش‌ها شامل اصلاح بتن و استفاده از مواد خاص، سرريزهاي پلكاني و هوادهي مي‌باشد.
1 . اصلاح بتن و استفاده از مواد خاص
استفاده از مواد مقاوم در برابر كاويتاسيون مانند فولاد ضدّ زنگ جوش شده و يا فولاد ضد زنگ تهيه شده به روش نورد گرم، استفاده از بتن الياف‌دار، ايجاد پوشش‌هاي سطحي از قبيل بتن‌هاي با مقاومت بسيار بالا، اندود كردن سطح آبرو با مواد مقاوم و صيقل كننده مثل رزين‌ها و بالاخره كاهش زبري سطحي در بخش‌هاي پايين آبرو جهت از بين بردن زمينة شروع كاويتاسيون مي‌تواند باعث جلوگيري از پديده شود.
2 . سرريزهاي پلكاني
يكي از راه‌هاي كاهش انرژي بسيار زياد آب و كاهش سرعت جريان طراحي وساخت سرريزهاي پله‌اي است. اين سرريزها با افزايش تعداد سدهاي بتن غلتكي (R.C.C) كه شرايط آسان و وسيعي را براي ساخت چنين سرريزهايي فراهم مي‌كند، علاقمندان بيشتري به خود پيدا كرده است. فرق سرريز پلكاني با سرريز صاف در اين است كه درسرريز پلكاني بريدگي‌هايي درسطح منحني سرريز صاف به صورت پله طراحي شده است.
نحوه جلوگيري ازكاويتاسيون دراين سرريزها بدين گونه است كه به علت آشفتگي ناشي از وجود پله‌ها سرعت جريان كاهش يافته و همچنين در طي اين آشفتگي‌ها مقدار متنابهي هوا وارد آن مي‌شود كه اين هوا باعث تركيدن و تصاعد حباب‌هاي هوا مي‌شود.
محل اولين نقطه بلع هوا درجريان روي اين سريزها با تغييرات دبي متغير است وهرچه دبي افزايش يابد هوادهي درنقطه پايين‌تري صورت مي‌گيرد، آگاهي از اين نكته در طراحي اين سرريزها براي جلوگيري از كاويتاسيون بسيار مهم است.
3 . هوادهي
اولـين بار در سد Grand Goulee درسال ١٩٦٠ از روش هوادهـي استفاده شد و هفت سـال بـعد در سـد Yellow tail مورد استفاده قرار گرفت، از اواسط دهه ٧٠ اين سيستم بيشتر مطرح شد. بطوري كه در سدهاي Nurek ,Yellowtail Emborcacao, FozdoAreia, Guri باعث جلوگيري ازخرابي‌هاي كاويتاسيون شد.
راسل و شيل ( ١٩٧٤) پيشنهاد كردند كه داخل نمودن هوا براي كاهش صدمات مناسب است. زيرا:
1) حضور هوا در بخارهاي كاويتي باعث كوبش حباب‌هاي كاويتي و كاهش فشار چكشي آب ناشي از اين حباب‌ها مي‌شود.
2) حباب‌هاي هواي داخل شده جريان را احاطه مي‌كنند و باعث كاهش تندي شوك موج و بزرگي شوك‌هاي موجي روي سطوح مادي مي‌شود.
تصوير يك هواده درشكل 2 نمايش داده شده و مطابق آن فشار در جاييكه هوا وارد مي‌شود كاهش مي‌يابد (فشار منفي) تا هواي بيشتري وارد جريان شود. البته در هر هواده به ازاي يك ارتفاع مشخص ميزان ورود هوا حداكثر مي‌شود.
شكل 3- نماي يك سيستم هواده جهت کاهش کاویتاسیون
سيستم‌هاي هواده مناسب بايد هواي زيادي وارد نمايند و بيشتر هوا در نزديكي نواحي خطرناك باشد و همچنين خود هواده‌ها نبايد دچار كاويتاسيون شوند.
نمونه‌هايي از سدهايي كه دچار كاويتاسيون شده‌اند
برخي از سدهايي كه دچار كاويتاسيون شده‌اند عبارتند از: سد شهيد عبّاسپور (كارون1) ايران كه در قسمت بعد در مورد آن توضيحاتي آمده، سدهاي هوور، يلوتيل (1967) و گلن كانيون (1983) در آمريكا، سد كبان تركيه، سد اين فرينلو در مكزيك، سد براتسك شوروي، سد گوري در ونزوئلا، سد آلدیاداويلا در پرتغال (1966) و سد تاربلا در پاكستان (1974).
خسارات كاويتاسيون در سرريز سد شهيد عبّاسپور (كارون 1)
سد شهيد عباسپور (كارون 1) يك سد قوسي با ارتفاع ٢٠٠ متر و حجم مخزن 2/9 ميليارد متر مكعّب، در سال 1356 روي رودخانه كارون احداث شد دبي تخلية كل سرريز 1650 متر مكعّب بر ثانيه است پس از آبگيري مخزن و شروع بارندگي‌ها در سال 1356 و استفاده از سرريز به منظور تخليه سيل، آثار اوّلين خوردگي در سطح سرريز مخصوصا در قسمت هاي انتهايي شوت و حّتي در سطح باكت سرريز نيز ظاهر شد با ادامه بهره‌برداري از سرريز كار پيشروي اين خوردگي‌ها به جايي رسيد كه در گذرگاه شماره 1 سمت چپ سرريز، حفره‌اي به عرض 18 متر يعني تقريبًا تمام عرض سرريز و طول حدود 20 متر و عمق 5/1 متر بوجود آمده به طوري كه علاوه بر بتن كف سرريز كليه آرماتورهاي كف نيز گسسته شد حّتي سنگ كف زير بتن سرريز تخريب و از جا كنده شد. ميزان جرياني كه از اين گذرگاه عبور نموده بين 300 تا 700 متر مكعّب در ثانيه بوده كه در مقايسه با دبي حداكثر بسيار كم می‌باشد.
منابع:
1 . مقاله‌ی بررسی پدیده کاویتاسیون روی سرریز سد ونیار با استفاده از مدل عددی FLUENT، از وحید حسن زاده و همکاران، مجله پژوهش آب ایران/جلد 9/ شماره 3
2 . مقاله‌ی مطالعه ي عددي وقوع كاويتاسيون در دريچه‌هاي سازه‌هاي آبي و ارتعاش ناشي از آن در بازشدگی‌هاي مختلف دريچه، از محمد سعيد كريمي و حسين حسين جان زاده، ششمين كنگره ملي مهندسي عمران
3 . مقاله‌ی خسارات كاويتاسيون در سرريزها و راه‌هاي جلوگيري از آن، از اميد فرقاني و ضياءالدين ايدي
