Kavitasi: Apabila Tekanan Rendah Membentuk Rongga Wap

Dalam pam, baling-baling kapal dan saluran berkelajuan tinggi, tekanan cecair tidak semestinya sama di semua tempat. Jika tekanan setempat jatuh hingga di bawah tekanan wap cecair pada suhu itu, sebahagian cecair boleh berubah menjadi wap dan membentuk rongga kecil. Fenomena pembentukan serta keruntuhan rongga wap ini dipanggil kavitasi. Secara ringkas, kavitasi bermula apabila tekanan setempat menghampiri atau jatuh di bawah tekanan wap.

Rongga kavitasi bukan sekadar gelembung udara biasa

Gelembung udara boleh terbentuk apabila gas terlarut keluar daripada larutan, tetapi rongga kavitasi terhasil terutamanya kerana cecair mengewap apabila tekanan setempat terlalu rendah. Bezanya penting kerana punca dan tingkah laku kedua-duanya tidak sama. Dalam kavitasi, perubahan tekanan boleh berlaku sangat cepat sepanjang laluan aliran.

Keruntuhan rongga boleh menghasilkan denyutan tekanan yang kuat

Apabila rongga wap dibawa ke kawasan yang tekanannya lebih tinggi, wap di dalamnya memeluwap dan rongga runtuh dengan pantas. Keruntuhan berhampiran permukaan pepejal boleh menghasilkan denyutan tekanan dan aliran mikro yang berulang. Dalam jangka panjang, proses ini boleh menyebabkan bunyi, getaran, hakisan permukaan dan kerosakan pada bilah atau pendesak.

Suhu mempengaruhi betapa mudah kavitasi bermula

Tekanan wap meningkat apabila suhu cecair meningkat. Oleh itu, pada tekanan setempat yang sama, cecair yang lebih panas boleh berada lebih dekat kepada keadaan yang membenarkan pembentukan wap. Walau bagaimanapun, kavitasi sebenar turut dipengaruhi oleh bentuk saluran, kelajuan aliran, gangguan aliran dan kewujudan tapak nukleasi mikroskopik. Sebagai rujukan, tekanan wap air kira-kira 2.3 kPa pada 20 °C dan kira-kira 101 kPa pada 100 °C.

Kavitasi juga boleh menurunkan prestasi sistem aliran

Rongga wap mengambil ruang yang sepatutnya diisi cecair dan mengubah cara momentum dipindahkan dalam pam atau baling-baling. Jika kavitasi menjadi teruk, kadar aliran, beza tekanan dan kecekapan boleh merosot. Jurutera cuba memastikan tekanan masuk mencukupi, memilih geometri yang sesuai dan mengelakkan keadaan operasi yang menyebabkan tekanan setempat jatuh terlalu rendah.

Perbandingan antara tekanan setempat dengan tekanan wap lazim dinyatakan dengan nombor kavitasi σ = (p − p_v)/(½ρv²), dengan p tekanan rujukan aliran, p_v tekanan wap cecair, ρ ketumpatan cecair dan v laju rujukan. Nilai σ yang lebih kecil menunjukkan aliran lebih hampir kepada kavitasi. Definisi praktikal p dan v boleh berbeza sedikit mengikut konteks dan rujukan.

Contoh anggaran dengan persamaan Bernoulli bagi cecair ideal, tanpa perbezaan ketinggian dan geseran: air pada 20 °C mengalir dengan p₁ ≈ 101 kPa dan v₁ = 2 m/s. Tekanan jatuh ke p_v ≈ 2.3 kPa apabila laju mencapai v₂ = √(v₁² + 2(p₁ − p_v)/ρ) = √(2² + 2 × 98 700/1000) ≈ √201 ≈ 14 m/s. Nilai ini ialah ambang ideal, bukan ramalan tepat bagi pam sebenar, kerana geseran, turbulens dan nukleus mikroskopik mengubah titik permulaan kavitasi sebenar.

Sejarah ringkas

Charles Parsons memerhatikan kavitasi pada baling-baling kapal Turbinia pada 1894 dan membina terowong kavitasi pertama pada 1895. Lord Rayleigh menerbitkan analisis keruntuhan rongga sfera pada 1917.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?