دانلود پایان نامه
حباب های هوا به علت شناوری شان معرف مومنتوم قائم می باشند و ممکن است اثر بسیار قوی بر میدان جریان داشته باشد.
در مجاری باز، ورود هوا باعث افزایش در عمق آب می شود.
در سرریزهای شوت، هوای نزدیک کف می تواند باعث افزایش سرعت جریان شود.
در مجاری بسته، برای جریان عبوری از یک مقطع مشخص حضور هوا منجر به تغییر در دبی آب یا توزیع فشار سیستم می شود.
حضور هوا بر کارایی سیستم هیدرولیکی تأثیر معکوس دارد.
در جریانهای هیدرولیکی واسطهای، امواج فشاری به صورت قابل ملاحظه توسط هوا مستهلک میشوند.
تجمع هوا در یک سیستم هیدرولیکی می تواند منجر به قطع جریان شود که به این اثرات blow-out یا blow-back گفته می شود.
حضور حباب های هوا منجر به تشدید انتقال اکسیژن و نیتروژن می شود تا آب به حالت اشباع کامل برسد.
ورود هوا به داخل جریان، بسته به شرایط میتواند مفید یا مضر باشد. از جمله مزایایی که ورود حباب هوا به داخل جریان دارد می توان به پیشگیری از وقوع کاویتاسیون، اکسیژن زایی و کاهش سرعت موج های فشاری اشاره کرد و از جمله معایب آن تأثیرات سوء آن بر عملکرد پمپ ها، سازه های آبگیر و در سیستم های انتقال آب تحت فشار می باشد. (Wood, 1991)
پیشینه موضوع تحقیق
در پی خرابی های ناشی از کاویتاسیون مطالعات آزمایشگاهی و عددی بسیار گسترده ای در مورد راه های پیشگیری و جلوگیری از صدمات ناشی از کاویتاسیون به سازه های هیدرولیکی انجام گرفته که از جمله این تحقیقات میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
پترکا (1953) تحقیقات گستردهی آزمایشگاهی جهت تعیین نقش هوادهی به جریان را در کاهش خسارات ناشی از کاویتاسیون انجام داد. این آزمایشات در داخل یک ونتوری در طول دو ساعت و با سرعت جریان در گلوگاه ونتوری بیش از m/s 30 ، در دو حالت با تزریق و بدون تزریق هوا روی نمونههای بتنی صورت گرفت. به ازای غلظت هوای 2% افت وزنی نمونههای بتنی در اثر کاویتاسیون بسیار کاهش یافته و برای غلظتهای 6% تا 8% این افت قابل اندازهگیری نبود. بر اساس نتایج این آزمایشات مقدار غلظت هوای 5% تا 8% برای پیشگیری از کاویتاسیون و کاهش خسارات آن در سطوح بتنی توصیه شد. امروزه نیز در بسیاری از تحقیقات بر روی این موضوع، اغلب مقادیر توصیه شده توسط پترکا ارائه شده و به عنوان معیار هوادهی در نظر گرفته میشود. (شکل 2-6) (Wood, 1991)
راسموسن (1956) آزمایشاتی بر روی جریان دو فازه (مخلوط آب و هوا) برای بررسی تاثیر آن در پیشگیری از پدیده کاویتاسیون انجام داده است. در این تحقیق آزمایشگاهی دو روش، یکی دیسک چرخان با سرعت بالا در داخل آب و دیگری جریان مشابه آزمایش پترکا مورد استفاده قرار گرفت. نتایج آزمایش نشان داد که در هر دو نمونه مورد آزمایش مقدار هوای 8% تا 10% برای از بین بردن کامل پدیده کاویتاسیون مناسب میباشد. (Krammer, 2004)
شکل ‏26- تاثیر ورود هوا در کاهش تخریب نمونه بتنی (Wood, 1991)
روزانوف و کاوشینکف (1973) مطالعات وسیعی در مورد خسارات ناشی از کاویتاسیون بر روی مستهلک کنندههای انرژی در حوضچههای آرامش انجام دادند. اندازهگیریهای روی مدل و نمونه اصلی نشان داد که وقوع کاویتاسیون در اثر نوسانات فشار حتی اگر میانگین فشار بزرگتر از فشار بخار مایع باشد، امکانپذیر خواهد بود. در نتیجه این آزمایشات مشخص شد که تزریق مقدار هوای 25/1% تا 2% به منطقه با فشار کم (ناحیه کاویتاسیون)، خسارت ناشی از کاویتاسیون را تا 5/2% کاهش داده و برای مقدار هوای 6% تا 7% بلوکهای مستهلک کننده متحمل هیچگونه خسارتی نخواهند شد. (Krammer, 2004)
راسل و شیهان (1974) تحقیقات آزمایشگاهی خود را بر روی نمونههای بتنی با مقاومت فشاری مختلف جهت تعیین درصد هوای مناسب برای حذف خسارت کاویتاسیون انجام دادند. در این آزمایشات مقاومت نمونه بتنی از Mpa 10 تا Mpa 20 در نظر گرفته شد و تاثیر هوادهی بر جریان مورد بررسی قرار گرفت. نتایج آزمایشات نشان داد که وجود 8/2% هوا جهت حذف خسارات ناشی از کاویتاسیون در نمونههای مورد آزمایش کافی میباشد. با اینحال آنها بیان کردند که مقدار هوای واقعی برای جلوگیری از خسارت پدیده کاویتاسیون در شرایط مختلف به پارامترهای گوناگونی وابسته میباشد. همچنین قابل ذکر است که در این آزمایشات تنها غلظت هوای متوسط برای کل حجم محاسبه شده و مقدار غلظت موضعی هوا برای منطقه خسارت دیده مشخص نشده است. (Krammer, 2004)
کین (1978) مطالعاتی بر روی یک مدل واقعی سرریز جهت یافتن تأثیر هوادهی در جلوگیری از تخریب ناشی از کاویتاسیون انجام داد. این تحقیقات بر اساس نظریه ی کاهش خسارات ناشی از کاویتاسیون با هوادهی به جریان به علت کاهش سرعت صوت در مخلوط آب و هوا صورت پذیرفت. همانطور که در شکل (2-7) مشهود است با افزایش غلظت هوای جریان از 0% تا 10%، سرعت صوت با شدت زیادی از m/s1460 به m/s50 کاهش یافته است. نتایج بدست آمده از این آزمایشات مشخص کرد که اگر غلظت هوا در نزدیک بستر بیش از 1% تا 2% باشد تخریب ناشی از کاویتاسیون کاهش یافته و به ازای غلظت هوای 5% تا 10% تخریبی رخ نمی دهد. شکل (2-7) (Wood, 1991)
شکل ‏27- تاثیر هوادهی به جریان در کاهش سرعت صوت (Wood, 1991)
سمنکوو و اسکلکوو (1980) بررسیهای تئوریکی و آزمایشگاهی روی هوادهی جریان، انواع هواده ها و تاثیر این سازهها بر روی جریان انجام دادند. در این آزمایشات ویژگی های هندسی مانند ارتفاع و زاویه هواده برای انواع هواده ها مثل رمپ، پله و ترکیب آن ها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این تحقیقات مشخص نمود که هوادهی به جریان اقتصادی ترین راه مقابله با تخریب های ناشی از کاویتاسیون می باشد ولی انتخاب نوع هواده بسته به شرایط به پارامترهای مختلفی وابسته می باشد.
اروین و همکاران (1980) در طی آزمایشاتی به بررسی تاثیر سرعت و مقدار هوای ورودی توسط جت برخوردی دایروی به سطح آب بر شدت توربولانسی پرداختند. در طی این آزمایشات مشخص شد که ورود هوا توسط جریان جت به آب باعث کاهش شدت توربولانسی شده و با افزایش مقدار هوای ورودی به جریان از شدت توربولانسی کاسته میشود. (شکل 2-8) (Wood, 1991)
شکل ‏28- تغییرات شدت توربولانسی بر اساس سرعت هوای ورودی به جریان (Ervin et al., 1980)
کن و گارود (1981) مطالعاتی در مورد علل تخریب سرریز تونلی سد تاربلا پاکستان انجام دادهاند. در نتیجه این مطالعات نشان داده شد که خسارات رخ داده در جداره بتنی تونل این سد ناشی از بروز پدیده کاویتاسیون در اثر جریانهای برشی شدید حاصله به همراه سرعت بالای m/s 30 جریان و نوسانات فشار بوده است. تونل انتقال آب سد تاربلا دارای سه دریچه در دهانه ورودی بوده که به هنگام وقوع حادثه دریچه میانی باز و دو دریچه کناری بسته بودند. با نوسانات فشار و همچنین برقراری جریان برشی شدید در مجاورت پایههای ورودی تونل و تشکیل جریانهای گردابی، حبابهای کاویتاسیون تولید شده و به همراه جریان به مناطق پاییندست (دارای فشار بالا) حمل شده و در آن منطقه منفجر شدند و در نتیجه، طی گذشت زمان پوشش بتنی جداره داخلی تونل دچار خوردگی شدید شده است.