دانلود پایان نامه
در سدهای بلند عموما سازههای وابسته مانند سرریزها و حوضچههای آرامش در معرض خطر وقوع پدیده کاویتاسیون و خسارات ناشی از آن قرار دارند. وقوع این پدیده در جریان و در نزدیکی جدارههای سازههای وابسته مانند سرریز موجب تخریب جداره شده و در صورت عدم توجه خسارات جبران ناپذیری را به همراه خواهد داشت. بنابراین شناخت تاثیرات کاویتاسیون بر روی سازه سرریز و شرایط هیدرولیکی جریان و از طرفی مکانیسمهای تخریب ناشی از وقوع کاویتاسیون ضرورت دارد.
تاثیرات کاویتاسیون
سه تاثیر اساسی کاویتاسیون در سرریزها عبارتند از:
1) تاثیر بر هیدرودینامیک جریان
علت تاثیر گذاری پدیده کاویتاسیون بر هیدرودینامیک جریان ایجاد اختلال در پیوستگی فاز مایع است که در اثر تشکیل حبابها پیدا میشود. زمانی که حبابها فضایی از مایع را اشغال مینمایند عمل متقابل بین ذرات مایع از بین میرود و در اکثر موارد کاویتاسیون باعث مقاومت در برابر جریان میشود. معمولا تاثیر کاویتاسیون در هدایت جریان باعث کاهش نیروهایی است که از طرف جداره به جریان میشود و این اثر در هر دو سیستم باز و بسته منجر به کاهش کارایی سیستم میشود.
2) تاثیر بر سطح جداره جریان
در اثر وقوع پدیده کاویتاسیون جداره جریان دچار صدمه شده و مواد روی جداره جابجا میشوند. این جابجایی نیز ناشی از فشار فوقالعاده زیادی است که در اثر انفجار حبابها بوجود میآید. این تاثیر کاویتاسیون بر روی اکثر فلزات مانند فلزات ترد، لاستیک، شیشه و بتن مشهود میباشد.
3) تاثیرات متفرقه
سروصدا و ارتعاش از آثار فرعی کاویتاسیون میباشد که ناشی از انفجار حبابهای هوا میباشند و چنانچه فرکانس نوسانات حاصله از کاویتاسیون، با فرکانس طبیعی سازه هماهنگ شود تولید ارتعاش کرده و در نهایت باعث خرابی و صدمه سازه خواهد شد. (زندی، 1384)
مکانیسم تخریب ناشی از وقوع کاویتاسیون
محققین در رابطه با مکانیسم تخریب ناشی از پدیده کاویتاسیون مطالعات گستردهای انجام داده و با بررسی وضعیت حبابهای هوای بوجود آمده در جریان در اثر وقوع این پدیده، تخریبات ناشی از آن را توجیه کردهاند. در نتیجه این مطالعات دو مکانیسم زیر جهت تخریب ناشی از کاویتاسیون ارائه شده است:
به دلیل فشار زیاد وارده بر سطح حباب، جریان آب به طرف مرکز حباب حرکت کرده و با منهدم شدن حباب، در مرکز حباب به هم برخورد میکنند. در اثر وقوع این عمل در مرکز حباب تغییر مومنتوم قابل توجهی بوجود میآید (از مقدار مومنتوم زیاد به صفر برای جریان آب) که این تغییر مومنتوم باعث ایجاد موج فشاری کروی در جریان شده که اگر در نزدیکی جداره باشد باعث تخریب آن میگردد.
به دلیل وجود ارتفاع زیاد سیال در ناحیه فوقانی حباب و وجود مرز جامد در سطح زیرین آن، گرادیان فشار مابین قسمت فوقانی و تحتانی حباب بوجود آمده که در اثر این گرادیان فشار، میکروجتهایی در ناحیه فوقانی حباب پدیدار میشوند. به علت سرعت بالای این میکروجتها شکل حباب از حالت کروی خارج شده و در نهایت با منهدم شدن حباب، این میکروجتها با سرعت بالا به جداره برخورد کرده و با ایجاد فشار بسیار زیاد منجر به تخریب جداره میشوند. (Falvey, 1990)
انفجار حبابهای کاویتاسیون فقط در صورتی که در نزدیکی جدار رخ دهد موجب خوردگی و تخریب جدار خواهد شد. خسارت به سطح سازه، در پاییندست محلی که حبابها منفجر میشوند شروع میشود، پس از مدتی فرورفتگی بزرگی بر روی سطح شکل میگیرد و با گذشت زمان، به علت برخورد جریان با سرعت بالا به انتهای پاییندست حفره، فرورفتگی ایجاد شده بزرگتر میشود. اختلاف فشار بین محدودهای که جریان به آن برخورد میکند و محدودهی اطراف آن، توانایی شکستن بخشهایی از سازه و حمل آن به وسیله جریان را به وجود میآورد. این فرآیند فرسایش کاویتاسیون نامیده میشود. تخریبات ناشی از کاویتاسیون در سرریزهای آزاد و تونلی بعضاً شدید بوده و سازه ی هیدرولیکی وابسته را غیرقابل استفاده می نماید. در شکل (2-1) نمونههایی از تخریب ناشی از پدیده کاویتاسیون نشان داده شده است.
زمانی که پدیده کاویتاسیون به علت ناهمواریهای سطحی ایجاد میشود نحوه تخریب به صورت یک الگوی کلاسیک، شکلی مانند درخت کاج به خود میگیرد و علت اینکه در بالادست تخریب بیشتری مشاهده میشود این است که بعد از بالادست به سمت پاییندست فشار جریان رفته رفته افزایش یافته و همچنین پتانسیل کاویتاسیون کاهش پیدا میکند. (Falvey, 1990) در شکل 2 شکل (2-1)، نحوه تخریب با الگوی درخت کاج در سرریز تونلی سد هوور نمایش داده شده است و در شکل 1 شکل (2-1)، این الگو به طور کامل در طول تونل بتنی سد گلن کانیون گسترش یافته به طوری که خسارات شدیدی به تونل وارد کرده است.
در سرریزهای بلند در نواحی انتهایی به علت سرعت بالای جریان شکل تخریب ناشی از پدیده کاویتاسیون همانند ابر میباشد. در شکل 4 شکل (2-1)، به علت عدم توجه به پدیده کاویتاسیون و تخریبات ناشی از آن، توده عظیمی از سطح بتنی سرریز آزاد سد کارون 1 جدا شده که این امر موجب ایجاد اخلال در عملکرد سرریز شده است.

مطلب مرتبط :   پایان نامه درباره مکتب دفاع اجتماعی، حقوق کیفری ایران

(1) سرریز تونلی سد گلن کانیون (2) سرریز تونلی سد هوور

(3) سرریز تونلی سد فلامینگ جورج (4) سرریز آزاد سد کارون 1
شکل ‏21- نمونههایی از تخریبهای ناشی از کاویتاسیون در سرریزها
روشهای پیشگیری و کاهش خسارات ناشی از کاویتاسیون