Kavitasyon Probleminin Sistem Simülasyonu ile İncelenmesi

Kavitasyon Probleminin Sistem Simülasyonu ile İncelenmesi

Kavitasyon, su veya herhangi bir sıvı akışkan içerisindeki hız artışı veya bu akışkan içerisinde hızlı hareket eden herhangi bir cisim nedeni ile oluşan faz değişim olayıdır. Bernoulli prensibine göre akışkan içerisindeki hız artışı, basıncın azalmasına neden olur. Daha düşük basınç, akışkan içerisinde daha düşük bir kaynama noktası anlamına gelir. Başka bir deyişle, basınçtaki azalma suyun kaynama noktasını ortam sıcaklığına kadar düşürebilir. Bu durumda, içinde su buharı ve erimiş gazlar bulunan, hava kabarcıkları içeren bir tür soğuk kaynama meydana gelir. Bu olaya kavitasyon ismi verilir.

Şekil 1: Faz Diyagramı

Şekil 1’den anlaşıldığı gibi kaynama, sıvı fazdan gaz faza geçerken sıcaklık arttığından dolayı meydana gelir. Kavitasyon ise sıvı fazdan gaz faza geçerken basınç düştüğünden dolayı meydana gelir. Şekil.2’de görüldüğü gibi sıvı faz içerisinde havanın çözünmesi yüksek basınçta başlar. Tamamen çözünmüş gaz ve sıvı karışımının doyma basıncının altına düşmesiyle akışkan içerisinde hava kısmen açığa çıkar. Basıncın yüksek doymuş buhar basıncının altına düşmesi ile çözünmüş gazlar tamamen açığa çıkarak kavitasyon oluşur.

Şekil 2: Basınca göre hava ya da gazın sıvı içerisinde çözünmesi

Kavitasyonun Türleri

1. Buharlaşma
Klasik kavitasyon olarak bilinir. Santrifuj pompa da pervaneden geçen sıvı hız kazandığı zaman ortaya çıkar. Eğer pervane doğru çalışmazsa, pervane etrafındaki sıvı molekülleri hemen kaynayabilir ve bu durum mini şok dalgaları oluşturur.

2. Türbülans
Sistemin parçaları olan borular,valfler filtreler,dirsekler yetersiz miktarda sıvı veya sıvı türü pompalarda vorteks oluşturabilir. Esas itibariyle, bu durum türbülansı oluşturur ve değişken basınç meydana gelir. Bu durum nehir zemini aşındırdığı gibi katı metaryellerin yüzeylerini de zamanla aşındırır.

3. Vana Sendromu
Vana geçişi sendorumu olarak bilinir. Bu tür kavitasyon çok büyük çapa sahip kanat ya da kalın kaplamaya sahip vana içerisinde meydana gelir. Vana içerisinde az boşluk oluşur. Böyle durumda, ufak miktarda boşluklar sıvının içerisinde hızlanarak artar ve bu şekilde düşük basınç oluşur. Bu düşük basınç sıvıya çarparak kavitasyon kabarcıklarını oluşur.

4. İç sirkülasyon
Bu durumda pompa uygun oranda deşarj olamaz ve böylece sıvı kanat etrafında sirkülasyona uğrar. Bunun sonucunda sıvı yüksek ve düşük basınç bölgelerinde hızlı bir şekilde hareket eder ve buharlaşmış kabarcıklar oluşur.

5. Aspire edilmiş hava kavitasyonu
Pompa bazen yanlış valften ya da bağlantı contaları gibi diğer zayıf noktalardan içine hava çekebilir. Hava içeri bir kere girdiğinde gidicek bir yeri yoktur. Sıvı etrafında dolanırken, pervane tarafında basınç altında kabarcılar oluşur.

Kavitasyon Belirtileri

– Debi yada basınç düşüşü: Eğer pompa başta üretildiği gibi debi miktarı üretmiyorsa, bunun anlamı kavitasyon oluşuyor demektir.
– Beklenmeyen titreşim: Kavitasyon, kullanılan ekipmanlar ve pompolanan sıvı tarafından beklenmeyen titreşimlere neden olabilir.
– Pervane Erozyonu: Sistem içersindeki pervane parçaları yada aşınmış bölümler kesinlikle kavitasyonun göstergesidir.
– Conta/Rulman yorulması: Kavitasyon contalarda sızdırmaya ya da hataya neden olabilir.
– Düzensiz güç tüketimi: Kabarcıklar pervane etrafında şekillenirse ya da pervane çoktan arızalanmaya başladıysa, pompa normalden daha fazla güç gerektirir.
– Ses: Kavitasyonun ilk göstergesi sestir. Kabarcıklar patladığında bir dizi çatlama ve ses çıkartabilirler.

Hidrolik Pompada Kavitasyon Olayının Sistem Simülasyonu ile İncelenmesi

Burada şekil 3’de görünen tek pistonlu hidrolik pompa Simcenter Amesim’de modellenip kavitasyon olayı incelenmiştir.

Şekil 3: Tek pistonlu hidrolik pompa

Bu çalışma ile hidrolik pompanın çıkış debisine bakarak kavitasyonun sonucu görmek amaçlanmıştır. Ayrıca kavitasyonun hidrolik pompanın çıkış debisi ve sıvı/gaz karışımının bulk modülü üzerindeki büyük etkisini gözlenmiştir.

Şekil 4: Tek pistonlu hidrolik pompanın 1 boyutlu Amesim modeli

Tek pistonlu pompa, aşağıdaki özelliklerde 1 piston ve 2 Çek valf ile modellenebilir.
– Dpiston=10 mm , Strok = 20 mm ve pompa deplasmanı = 1.57 cm3
– Giriş çek valfin karakteristik özelliği 5 L/dk/bar , Çıkış çek valfinin karakteristik özelliği ise 12 L/dk/bar.

Pompanın 500 dev/dk ile 2100 dev/dk piston hızlarında davranışı incelenmiştir. Şekil 4’de 500dev/dk ve 2100 dev/dk hızında çalışan pompadaki akışkanın özellikleri grafikler ile verilmiştir. 2100 dev/dk’da oluşan basınç, sıvının doymuş buhar basıncının 0.9 bar altındadır. Bu durum kavitasyonun gerçekleştiğini göstermiştir.

Şekil 5: rpm=500 dev/dk (solda) ve rpm=2100 dev/dk (sağda) hızda çalışan pompanın piston haznesindeki termodinamik özellikleri

Pompanın hızı 500 dev/dk iken sıvının yoğunluğu 849,970 ile 850.010 kg/m3 arasında, 2100 dev/dk’da 839 ve 850 kg/m3 değerleri arasında gelişir. Bu durum şekil 5’de görüldüğü gibi piston hızına bağlı değişen teorik hacimsel debi ve simülasyon sonucu elde edilen debi arasındaki farklılığı açıklar. Giriş çek valfi boyunca birim basınç düşüşü için daha fazla akışa izin verirse, kavitasyon etkisi azaltılabilir. Bu değeri arttırmanın pompa debisi üzerine etkisi simülasyon sonucunda şekil 5’den kolaylıkla görünmektedir.

Şekil 6: Farklı pompa hızlarında Teorik ve Simüle edilmiş akış oranı

Referanslar;

1. Simcenter Amesim Help , Demo Help ‘Cavitation in a Pump’
2. Fundamentals of cavitation. Jean-Pierre Franc, Jean-Marie Michel. Springer, 2004
3. Sound Propagation and Scattering in Bubbly Liquids. Wilson, Preston Scot. 2002. PhD thesis.
4. Yıldız Teknik Üniversitesi, Gemi İnşaatı ve Denizcilik Fakültesi, Dr. Fahri Çelik Ders Notları

Simcenter Amesim yazılımı ve diğer hizmetlerimiz hakkında detaylı bilgi için lütfen DTA Mühendislik Nümerik Analizler Bölümü mühendisleriyle iletişime geçiniz.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *