1. 1  Cavitation در لغت به معنی حفره و بریدگی می باشد و یکی از پدیده های بسیار مهم در علم هیدرولیک می باشد.

2. 2

3. 3

4. 4  وقتی در مایعی سرعت جریان زیاد شود به تبع آن فشار کم می شود. با کاهش فشار به کمتر از فشار بخار، مایع به جوش می آید ( 2 راه برای به جوش آمدن یک مایع وجود دارد 1- افزایش دما 2- کاهش فشار ). جوش آمدن مایع باعث ایجاد حباب (bubble) می شود. این حباب ها در اولین جایی در پایین دست که فشار جریان زیاد شود متلاشی (collapse) می شوند. اگر این حباب ها در روی سطح جامد متلاشی شوند باعث خوردگی و پدیده کاویتاسیون می شوند. متلاشی شدن حباب ها در یک زمان بسیار کوتاه و همراه با فشار زیاد و ایجاد لرزش (vibration) می باشد.

5. 5

6. 6

7. 7

8. 8

9. 9  کاویتاسیون و لرزش ناشی از آن پدیده ای است که باید در طراحی سازه های آبی مورد توجه قرار گیرد زیرا نادیده گرفتن آن می تواند باعث تخریب کامل یک سازه شود.  کاویتاسیون های شدیدی تاکنون در سر ریز سد های بزرگ دنیا رخ داده است که از آن جمله می توان در کشور های ایران، آمریکا، روسیه و پاکستان را نام ببریم. در ایران این پدیده باعث آسیب جدی به سرریز کارون 1 شد.

10. 10

11. 11  اولین آسیب بزرگ و جدی که در دنیا اتفاق افتاد مربوط به سد Hoover آمریکا و سرریز تونلی tunnel spillway آن بود. Cavitation damage to the concrete wall of the 15.2m diameter Arizona spillway at the Hoover Dam. The hole is 35m long, 9m wide and 13.7m deep

12. 12  اولین آسیب جدی به سد کارون 1 در سال 1977 برای دبی m 3 /s/m 45 رخ داد. جدی ترین آسیب در سال 1993 و برای دبی سیلاب m 3 /s/m 92 اتفاق افتاد.  سرریز آزاد سد کارون 1 شامل 3 دهنه به عرض 18 متر بوده که با دریچه های 20×15( ارتفاع × عرض ) کنترل می شوند. حداکثر دبی سیلاب محتمل m 3 /s 16500 و m 3 /s/m 297 می باشد.  شکل این سرریز بر اساس استاندارد WES نمی باشد.  WES: The Waterway Engineering Station (U. S. Army)

13. 13

14. 14

15. 15

16. 16  Johnson(1963) نشان داد که در سرعت m/s 30 کاویتاسیون در پایین دست یک ناهمواری (offset) به ارتفاع mm 3 رخ خواهد داد. امروزه سرعت m/s 30 به عنوان یک سرعت محدود کننده برای سرریز ها مورد قبول واقع شده است.

17. 17  Ball(1976) در پی تحقیقاتی که از سد کارون 1 به عمل آورد به این نتیجه رسید که کاویتاسیون ممکن است در سرعت های بالا بر روی ناهمواری های سطحی سرریز رخ دهد. بنابر این، 2 عامل کاهش خسارات کاویتاسیون هموار کردن کردن سطح سرریز و کاهش سرعت می باشد.

18. 18

19. 19  اگر فضای زیر یک تیغه آب عبوری از یک سرریز لبه تیز را با مصالح پر کنیم، سرریز بدست آمده، فقط برای آن دبی Fit بوده و فشار روی تاج، فشار اتمسفر می باشد. برای هد آب کمتر از آن، فشار مثبت توسعه پیدا کرده وضریب دبی کاهش پیدا می کند. برای هد آب بیشتر از آن، فشار منفی روی تاج گسترش پیدا کرده و ضریب دبی افزایش می یابد.

20. 20  مقدار واقعی سرعت، به دلیل افت انرژی روی سرریز، همیشه از مقدار تئوری آن کمتر می باشد. مقدار سرعت واقعی بستگی به هد آب روی تاج، مقدار سقوط، شیب سرریز، زبری و... دارد.  Bauer(1954) در طی آزمایشاتی نشان داد که افت اصطکاکی روی سرریز به میزان قابل توجهی از افت اصطکاکی نرمال در جریان آشفته توسعه یافته کمتر است.

21. 21  وقتی خطوط جریان بصورت منحنی شوند منحنی توزیع فشار، به دلیل نیروهای گریز از مرکز، از حالت هیدرواستاتیک خارج می شود. توزیع فشار هیدرواستاتیک در مورد جریان هایی به کار می رود که شتاب جریان صفر باشد و خطوط جریان مستقیم باشند.  در جایی که سطح مقعر می باشد نیروهای گریز از مرکز باعث افزایش فشار جریان نسبت به حالت هیدرواستاتیک و در جایی که سطح محدب باشد این نیروها باعث کاهش فشار جریان نسبت به حالت هیدرواستاتیک می شود.

22. 22

23. 23  میزان تأثیر فاکتور های موثر در متلاشی شدن حباب ها :

24. 24  عوامل موثر در کاویتاسیون :

25. 25

26. 26  پتانسیل کاویتاسیون در یک سطح در مواجهه با یک جریان با سرعت بالا با مقدار شاخص کاویتاسیون محاسبه می شود که یکی از فرم های معادله اولر است. مقادیر P و V متوسط فشار و سرعت در نقطه ای دور از سطح هستند. در جریان های نزدیک سطح آزاد مایع مقدار P برابر فشار مطلق هوا منظور می شود. مقادیر P و V متوسط فشار و سرعت در نقطه ای دور از سطح هستند. در جریان های نزدیک سطح آزاد مایع مقدار P برابر فشار مطلق هوا منظور می شود.

27. 27  برای شبیه سازی جریان در مدل و نمونه اصلی از نظر کاویتاسیون، لازم است فشار در نقاط مورد نظر هم در مدل و هم در نمونه اصلی به حد فشار بخار اشباع مایع برسد.

28. 28  در مواردی که برای مدل سازی از تشابه عدد فرود استفاده می شود، همبستگی خوبی بین نتایج مدل و نمونه اصلی دیده می شود. تفاوت هایی که دیده می شود ناشی از 2 مورد است : 1- مواقعی که ویسکوزیته اثر معنی داری پیدا می کند. 2- مواقعی که separation flow اتفاق بیفتد.

29. 29  برای جلوگیری از کاویتاسیون در نمونه اصلی باید عدد کاویتاسیون بحرانی برای مدل در آزمایشگاه بدست آید.  در مدل های هیدرولیکی، شرایط تشابه در مدل و نمونه اصلی موقعی فراهم می شود که هر دو عدد فرود و عدد کاویتاسیون بین آنها یکسان باشد.

30. 30  چون در شبیه سازی عدد فرود معمولا سرعت در مدل کمتر از نمونه اصلی است امکان فراهم نمودن کاویتاسیون در مدل و در شرایط اتمسفر تقریبا غیر ممکن است. بهمین علت احتمال وقوع کاویتاسیون در نمونه اصلی بصورت غیر مستقیم مدل می شود.  برای اینکار ابتدا نقاطی از نمونه اصلی که احتمال وقوع فشار منفی و کاویتاسیون می رود مشخص می شوند. سپس با استفاده از تشابه عدد فرود، فشار و سرعت روی نمونه اصلی تخمین و عدد و احتمال کاویتاسیون محاسبه می شود. برای این منظور هم فشار ثابت و فشار دینامیکی ناشی از ضربات منفی آب روی مدل باید اندازه گیری و در محاسبه فشار نقاط مشابه در نمونه اصلی استفاده شوند.

31. 31  برای حصول دقت بیشتر فشار در مدل با صرف هزینه زیاد بصورت مستقیم مدل می شود. برای این منظور مدل در محفظه ای بسته مجهز به یک سیستم تخلیه هوا جهت کاهش فشار روی مدل مورد آزمایش قرار می گیرد. مقدار کاهش فشار بر مبنای مقیاس مدل است. با این روش می توان وقوع کاویتاسیون را در مدل مشاهده و با اطمینان بیشتری در مورد وقوع کاویتاسیون در نقاط مشابه نمونه اصلی قضاوت نمود.

32. 32  پتانسیل تخریب ناشی از کاویتاسیون به عوامل زیر بستگی دارد : 1- شکل سازه 2- میزان مقاومت سازه 3- سرعت و عمق جریان 4- مدت زمانی که کاویتاسیون رخ می دهد. 5- ارتفاع سازه از سطح آزاد دریا

33. 33  اگر مقدار شاخص کاویتاسیون ( برای یک سازه و شرایط بهره برداری مورد نظر ) از مقدار شاخص کاویتاسیون بحرانی ( که در آن کاویتاسیون رخ می دهد ) بیشتر باشد سازه مورد نظر مشکلی نخواهد داشت اما اگر باشد کاویتاسیون رخ میدهد و میزان خسارت نیز به مقدار بستگی دارد.

34. 34  در صورت امکان از مدل های بزرگ با مقیاس 1:10 یا 1:15 استفاده شود.  حتی المقدور از مقاطع یکنواخت استفاده شود.  تا جای ممکن زبری سطح بتن کاهش یابد.  از تبدیل های ناگهانی یا شعاع انحنای کم روی سرریز اجتناب شود.  شاخص کاویتاسیون برای جاهایی که مستعد کاویتاسیون می باشند محاسبه گردد.  طراحی بر اساس استاندارد WES صورت پذیرد.  از بتن مستحکم و مقاوم ( تا جایی که توجیه اقتصادی داشته باشد ) استفاده شود.

35. 35  یک مثال از میزان تأثیر مقاومت بتن در جلوگیری از کاویتاسیون : اگر یک بتن سازه ای (structural concrete) در معرض کاویتاسیون ناشی از سرعت 98 فوت در ثانیه و به مدت 3 ساعت قرار گیرد حفره ای به عمق 5/0 اینچ ایجاد خواهد شد. اگر در شرایط یکسان از بتن پلیمری (polymerized concrete) استفاده شود بعد از 6000 ساعت حفره ای به همان اندازه تشکیل می شود.

36. 36  از سیستم هوادهی در سرریز استفاده شود.( موثر و اقتصادی ) gate slot, along the spillway chute and before the spillway bucket  به طور کلی سرعت جریان، شیب کف و میزان انحنای سرریز در جاهای مختلف فاصله بین هواده ها را مشخص می کند.  اولین هواده در جایی کارگذاری می شود که شاخص کاویتاسیون برابر 22/0 باشد.

37. 37

38. 38

39. 39

40. 40

41. 41

42. 42

43. 43

44. 44

45. 45