گاز تحت فشار می‌تواند در مایع حل شود و هنگامی که فشار کاهش یابد، حباب‌ها از آن خارج می‌شوند.

به همین ترتیب، وقتی مایع وارد پمپ می شود، فشاری که بدلیل مکش برروی مایع بوده است کاهش پیدا می‌کند.
هنگامی که فشار کاهش یافته به فشار بخار سیال در دمای پمپاژ نزدیک می‌شود، باعث می شود تا سیال تبخیر شود.

وقتی که حباب ها با پروانه درگیر می شوند، فشار دوباره افزایش می یابد و موجب می شود تا حباب‌ها از هم گسیخته و نابود شوند. پس از نابودی حباب‌ها، سیالات پیرامون برای حفظ پیوستگی سیال به محل تشکیل حفره هجوم آورده که نتیجه آن ایجاد یک تونل پر فشار از مایع به نام میکروجت است.

گیف عملکرد میکروجت کاویتاسیون

جمعیت ملیونی از میکرو جت‌ها به همراه تکرار شوندگی، می‌تواند هر متریال مستحکمی را از پای درآورد.
میکروجت در مجاورت جشم جامد ایجاد شوک و تنش مکانیکی نامنظم نموده و در آن ترک‌های میکرونی ایجاد می‌کند.
این پدیده را کاویتاسیون (Cavitation) یا حفره‌زایی می نامند؛ که در متن بالا روند کاویتاسیون اتفاق افتاده در لحظه برخورد سیال به پروانه را بیان کردیم.

چرا کاویتاسیون اهمیت دارد؟

کاویتاسیون در بسیاری از موارد یک اتفاق نامطلوب است.

در دستگاه هایی مانند پیشران‌ها و پمپ‌ها ، کاویتاسیون باعث ایجاد سر و صدای زیاد ، آسیب به قطعات، لرزش و از بین رفتن راندمان می‌شود.
البته که در مواردی که در همین پست به آن ها اشاره می‌کنیم دارای کاربرد مثبتی می‌باشند.

حفره سازی(Cavitation) باعث ایجاد فرسودگی زیاد در اجزای سازنده می‌شود و می‌تواند طول پروانه یا پمپ را به طور چشمگیری کاهش دهد.

روند خرابی کاویتاسیون در پمپ های سانتریفیوژ

دلایل ایجاد کاویتاسیون

همانطور که گفته شد، اگر فشار سیال به فشار بخار سیال برسد حباب تشکیل شده و به تبع آن کاویتاسیون اتفاق می‌افتد.

برای رسیدن فشار سیال به فشار بخار و یا همان تشکیل حفره سازی 3 راه وجود دارد که در زیر به آن‌ها اشاره می‌کنیم:

1# افت فشار

با افت فشار سیال به اندازه ای که فشار سیال به فشار بخار سیال در دمای کاری خود برسد، و موجب ایجاد پدیده حفره‌زایی می شود.

افت فشار ( دلایل ایجاد cavitation)

2# افزایش دما

با افزایش دما، فشار بخار سیال افزایش یافته و هنگامی که به فشار سیال برسد، کاویتاسیون ایجاد می شود.

افزایش دما (دلایل ایجاد کاویتاسیون)

3# ورتکس و یا بازچرخش در دهانه مکش

دومین نوع کاویتاسیون (معروف به کاویتاسیون نوع دوم) از باز چرخش جریان در دهانه مکش ناشی می شود که دلیل عمده آن ناپیوسته شدن جریان در ورودی پمپ است.

به زبان ساده، ناپیوستگی جریان هنگامی اتفاق می افتد که توازن میان جرم و سطح (یا حجم) توزیع شده از بین برود.

راه پیشگیری از کاویتاسیون

بالا بردن فشار ساکشن

پایین آوردن فشار بخار سیال

افزایش NPSHA  و کاهش NPSHR

برای شناسایی روش های جلوگیری کلاسیک ابتدا باید با مفهوم NPSH یا ارتفاع خالص مثبت در دهانه مکش آشنا شویم.

به تبع راه های افزایش NPSHA و کاهش NPSHR که در پست NPSH توضیح داده شده است از راه های پیشگیری از کاویتاسیون می باشد.

این را هم ببینید
NPSH

انواع کاویتاسیون (حفره زایی در چه جاهایی اتفاق می افتد؟)

امکان وقوع حفره‌زایی در تمام سیستم هیدرولیکی وجود دارد.
از شیرها و تجهیزات مدار هیدرولیکی بگیریم تا داخل پمپ که چند نوع کاویتاسیون اتفاق می افتد.
در ادامه به بیان هرکدام از این موارد می پردازیم.

کاویتاسیون در لوله

ذر جای جای مدار هیدرولیکی هم همانند درون پمپ احتمال بوجود آمدن کاویتاسیون وجود دارد.
از این موارد می‌توان به وقوع این پدیده در شیرها که در تصویر زیر نیز مشاهده می‌شود اشاره کرد.

کاویتاسیون در مدار

قسمت عمده پدیده حفره‌زایی در پمپ‌ها رخ می‌دهد که در سه محل مختلف پمپ این اتفاق می‌افتد.

انواع کاویتاسیون در پمپ ها

  • ورودی پمپ
  • در لحظه برخورد سیال به پروانه

خرابی پره پمپ

  • درخروج سیال از پروانه

کاویتاسیون در خروج سیال از پروانه Discharge Cavitation

فواید کاویتاسیون

برخلاف تصور اکثریت، کاویتاسیون مفید نیز هست. این فواید موجب می‌شود تا این پدیده در موارد مختلفی کاربرد داشته باشد.

در ادامه به برخی از این کاربردها می‌پردازیم:

کاربرد های کاویتاسیون

پدیده حفره‌زایی در موارد مختلفی کاربرد دارد.
از این موارد می‌توان به کاربرد در مهندسی شیمی، پزشکی، صنایع تمیزکاری، و صنایع خوراکی اشاره کرد.

از جمله آن‌ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

مهندسی شیمی

در صنعت، پدیده حفره‌زایی اغلب برای همگن کردن (هموژنیزه کردن)، یا مخلوط کردن و تجزیه ذرات معلق در یک ترکیب مایع کلوئیدی مانند مخلوط رنگ یا شیر استفاده می شود. بسیاری از دستگاههای اختلاط صنعتی بر این اصل طراحی بنا شده اند. این معمولاً از طریق طراحی پروانه یا با مجبور کردن مخلوط از طریق دهانه حلقوی که دارای یک دهانه ورودی باریک است با یک دهانه خروجی بسیار بزرگتر حاصل می شود. در حالت دوم ، کاهش شدید فشار در اثر شتاب مایع به حجم بیشتر باعث ایجاد حفره‌زایی می شود. این روش را می توان با دستگاه های هیدرولیکی کنترل کرد که اندازه دهانه ورودی را کنترل می کنند ، امکان تنظیم دینامیکی در طول فرایند یا اصلاح مواد مختلف را فراهم می کنند. سطح این نوع شیر مخلوط کردن ، که در برابر آن سطح حباب‌های کاویتاسیون قرار می‌گیرد و باعث انفجار آن‌ها می‌شود، تحت فشارهای مکانیکی و حرارتی فوق العاده‌ای قرار می‌گیرد. بنابراین آن‌ها اغلب از مواد بسیار سخت یا سخت مانند فولاد ضد زنگ، Stellite (طیف گشترده ای از آلیاژ کبالت-کروم) یا حتی الماس پلی کریستالی (PCD) ساخته می‌شوند.

کاویتاسیون در پزشکی

پدیده حفره‌زایی نقش مهمی در تخریب سنگ کلیه در لیتوتریپس موج شوک دارد.
امروزه آزمایشاتی انجام می‌شود که آیا می‌توان از کاویتاسیون برای انتقال مولکول‌های بزرگ به سلول‌های بیولوژیکی (سونوپوراسیون) استفاده کرد.
کاویتاسیون نیتروژن روشی است که در تحقیقات برای لیز غشاهای سلولی هنگام ترک اندامک‌ها دست نخورده به کار می‌رود.

روند چربی زدایی موضعی بدن دستگاه التراسونیک برای استفاده های پزشکی

این پدیده نقش مهمی در تقسیم غیر حرارتی ، غیر تهاجمی بافت برای درمان انواع بیماری ها دارد.
و می توان از آن برای باز کردن سد خونی-مغزی برای افزایش جذب داروهای عصبی در مغز استفاده کرد.
کاویتاسیون همچنین در HIFU ، یک روش درمانی حرارتی غیر تهاجمی برای سرطان نقش دارد.

تمیز کردن

در کاربردهای نظافت صنعتی ، کاویتاسیون از قدرت کافی برای غلبه بر نیروهای چسبندگی ذره به زیر لایه ، سست کردن آلاینده ها برخوردار است. فشار آستانه مورد نیاز برای شروع کاویتاسیون یک عملکرد قوی از پالس و ورودی قدرت است. این روش با تولید کاویتاسیون آکوستیک کنترل شده در مایع تمیز کننده ، چیدن و حمل ذرات آلاینده به دور کار می کند تا آنها به ماده تمیز شده وصل نشوند.

خوردنی و آشامیدنی

پاستوریزه کردن تخم مرغ

از پدیده حفره‌زایی برای پاستوریزه کردن تخم مرغ استفاده شده است. روتور با پره های حفره دار، حباب های کاویتاسیون را تولید می کند. بوسیله کاویتاسیون ایجاد شده، مایعات از درون آن گرم می شوند. سطوح تجهیزات، خنک تر از مایع گذرنده هستند، بنابراین تخم مرغ مانند فرایند گرم شدن که در سطوح گرم تجهیزات قدیمی اتفاق می افتد، سخت نمی شود. شدت کاویتاسیون را می توان تنظیم کرد و باعث می شود تا در این روند، کمترین آسیب پروتئین تنظیم شود.