دانلود پایان نامه
با استفاده از اندیس کاویتاسیون و آگاهی از مقادیری از سرعت و فشار که تحت آن ها اندیس کاویتاسیون به مقدار بحرانی شروع کاویتاسیون () میرسد که در نتیجه آن پدیده ی کاویتاسیون رخ می دهد، می توان پیش از به وجود آمدن این پدیده، آن را کنترل و حتی از به وجود آمدن آن پیشگیری کرد. راه حل های اجرایی جهت کاهش احتمال وقوع پدیده کاویتاسیون و یا از بین بردن خسارات ناشی از این پدیده در موارد زیر خلاصه شده است.
اصلاح انحنای جریان و بهبود کیفیت مصالح جدار
استفاده از مواد مقاوم در برابر کاویتاسیون مانند فولاد ضد زنگ جوش شده و یا فولاد ضد زنگ تهیه شده به روش نورد گرم، استفاده از بتن الیاف دار، ایجاد پوشش های سطحی از قبیل بتن های با مقاومت بالا، اندود کردن سطح جدار با مواد مقاوم و صاف کننده مانند رزین ها و بالاخره کاهش زبری جدار در بخش های پاییندست جریان جهت از بین بردن زمینه ی شروع کاویتاسیون می تواند باعث جلوگیری از این پدیده شود. در جریانات بالغ بر 20 تا 30 متر بر ثانیه جلوگیری از کاویتاسیون به کمک مواد خاص معقول نیست زیرا علاوه بر وجود شکاف های بسیار کوچک و جداشدگی اندودها، هزینه بالای این مواد کمکی مانع از استفاده از آن ها می شود.
کاستن از سرعت جریان
یکی از راه های کاهش انرژی بسیار زیاد آب و کاهش سرعت جریان، طراحی و ساخت سرریزهای پله ای است. فرق سرریز پلکانی با سرریز شوت در این است که در سرریز پلکانی بریدگی هایی در سطح منحنی سرریز صاف به صورت پله طراحی شده است. نحوه ی جلوگیری از کاویتاسیون در این سرریزها بدین صورت است که به علت آشفتگی ناشی از وجود پله ها سرعت جریان کاهش یافته و همچنین در طی این آشفتگی ها مقدار قابل توجهی هوا وارد جریان می شود که وجود هوا در جریان، خود باعث جلوگیری از کاویتاسیون می شود. در حال حاضر سرریزهای پلکانی محدود به دبی های m2/s 15-10 شده است چرا که خارج از این محدوده ی دبی، فشار منفی در سطح پله ها به وجود می آید که خود باعث ایجاد کاویتاسیون می شود. (فرقانی، 1382)
هوادهی
هرچند دقت در طرح و ساخت سازه ی هیدرولیکی مورد نظر و اصلاح ناهمواریهای سطوح، احتمال وقوع کاویتاسیون را کاهش می دهد اما این احتمال کامل از بین نخواهد رفت زیرا امکان به وجود آمدن ناهمواری ها در سطوح با گذشت زمان وجود دارد برای مثال در اثر انقباض یا انبساط بتن، سطح بتن در محل درزها دچار برآمدگی می شود. لذا احتمال وقوع کاویتاسیون برای سازه های هیدرولیکی که درگیر جریان با سرعت بالا می باشند همواره وجود داشته و در نتیجه بهترین راه حل برای رفع این مشکل دائمی، هوادهی به جریان میباشد.
تحقیقات انجام شده در زمینه ی بررسی پدیده ی کاویتاسیون و راه های پیشگیری از آن نشان داده است که موثرترین و اقتصادی ترین روش برای جلوگیری از این پدیده، هوادهی به جریان می باشد. لذا بررسی تأثیر پارامترهای مختلف بر روی هوادهی جریان از اهمیت ویژه ای برخوردار است. نظریه های مختلفی برای توضیح چگونگی توقف کاویتاسیون توسط هوای موجود در جریان ارائه شده است که این مکانیسمها در زیر تشریح شدند.
بر اساس یک نظریه حباب های هوا بین جداره و جریان به صورت بالشتک قابل ارتجاع عمل می نمایند و باعث استهلاک انرژی ناشی از انفجار حباب ها می گردند. همچنین وجود بالشتک های هوا می تواند مسیر نیروی ناشی از انفجار حباب های بخار آب را از جداره منحرف نموده و یا آن را به تعویق اندازد. همچنین بر اساس نظریه دیگری ورود هوا به داخل جریان باعث افزایش موضعی فشار جریان شده و کاهش احتمال وقوع کاویتاسیون را در بر دارد. نظریه ی دیگری کاهش خسارات ناشی از کاویتاسیون به علت هوادهی جریان را به دلیل کاهش سرعت صوت در جریان با وجود حبابهای هوا بیان مینماید. مقدار سرعت موج فشاری که باعث انتقال نیروی فشاری به اطراف می شود، متناسب با سرعت صوت در محیط می باشد و با افزایش حبابهای هوا در داخل جریان، سرعت صوت به شدت کم شده و بدین ترتیب شدت کاویتاسیون کاهش می یابد. (Falvey, 1980) مکانیسم کاویتاسیون و بالطبع مکانیسم پیشگیری از آن توسط هوادهی به جریان بسیار پیچیده بوده و نظریات ذکرشده تصویر ساده ای از مکانیسم پیچیده ی این پدیده را ارائه می دهند.
هوادهی جریان
در بسیاری از سازه های هیدرولیکی که درگیر جریان دو فازی آب و هوا میباشند، جهت عملکرد ایمن سازه علاوه بر لحاظ کردن مشخصات جریان آب عبوری، حرکت همزمان هوا در سیستم نیز مورد توجه قرار میگیرد. در حالت کلی تفاوت بین وزن مخصوص آب و هوا باعث جدا شدن این دو از یکدیگر میشود اما برخی از وضعیت های جریان باعث اختلاط شدید آب و هوا در سراسر سطح تماس آن دو می شوند. این فرآیند ورود حباب های هوا نامیده می شود. در نظرگیری تأثیرات ورود هوا بر روی جریان آب ضروری می باشد چرا که جریان هوا در وضعیت های متفاوت بر جریان آب و سازه تأثیرگذار میباشد. (Wood, 1991)
در سال 1915 کاویتاسیون اشکالاتی در تونل تخلیه سدها به وجود آورد و در سال 1941 مشاهده شد که سرریزها نیز همین مشکل را پیدا کرده اند. هرچند در آن زمان کاویتاسیون تنها به عنوان یکی از شش علت وقوع خرابی ها عنوان گردید ولی بعدها طی مطالعات بیشتر مشخص شد که کاویتاسیون دلیل اصلی خرابی ها بوده است. اولین بار در سال 1960 در سد گراند گولی از روش هوادهی استفاده شد و هفت سال بعد در سد یلوتیل مورد استفاده قرار گرفت. از اواسط دهه ی 70 این سیستم بیشتر مطرح شد به طوری که کاربرد آن در سدهای فوز دو اریا ، بلومسا، گوری، نورک، یلوتیل و گراند گولی باعث جلوگیری از خرابی های ناشی از کاویتاسیون شد. (خسروجردی، 1391) در ایران نیز در سال 1357 با مشاهده خسارات عظیم ناشی از کاویتاسیون در سرریز سد کارون 1، نیاز مبرم به هوادهی جریان در سرریزها و تخلیه کنندههایی که دارای جریان با سرعت زیاد هستند به روشنی اثبات گردید. (زندی، 1384)
تقسیم بندی کلی هوادهی جریان
معیارهای مختلفی برای تقسیم بندی انواع هوادهی جریان به کار گرفته شده است ولی رایجترین آن بر اساس نحوه ورود هوا به داخل جریان که به صورت خود به خودی (طبیعی) و یا اجباری تقسیم بندی میشود، بیان شده است.
1) هوادهی خود به خودی: این نوع از هوادهی همان ورود طبیعی هوا به داخل جریان آب می باشد که در شکل (2-2) نمایش داده شده و به دو صورت زیر دسته بندی می شود:
هوادهی سطحی: در این نوع از هوادهی ورود هوا به داخل جریان را به آشفتگی های موجود در سطح جریانهای آزاد ارتباط میدهند. در حالت کلی ورود هوا را به :
واسطه ی شکستگی موج های سطحی جریان
قطرات آب جدا شده از سطح آزاد آب و بازگشت یافته به داخل جریان
دام افتادن هوا توسط آشفتگی های سطحی جریان، مربوط میسازند. (Wood, 1991)
شکل ‏22- هوادهی خود به خودی جریان عبوری از روی سرریز شوت و نحوه توسعه لایه مرزی (Falvey, 1980)
هوادهی موضعی: این نوع از هوادهی به جریان در اثر تغییراتی از قبیل تغییر شکل مقطع جریان، تغییر سرعت جریان، برخورد جت مایع به سطح جریان و … در جریان به وجود می آید. نمونه های مهم این نوع از هوادهی در زیر مورد بررسی قرار گرفته است:
جت برخوردی: در محل برخورد جت با سطح آب (ساکن یا جاری) در زوایای مختلف، به علت سرعت بالای جت، لایه ی برشی درون آب تشکیل می شود. به علت اختلاف سرعت جت با آب، جریان های چرخشی درون لایه ی برشی تشکیل شده و درون این ورتکس ها فشار هوا کاهش پیدا می کند و حباب های هوای گیر افتاده در درون آن ها به قسمت های پایینی و داخل آب کشیده می شود. (شکل 2-3-a) (Wood, 1991)