KAVİTASYON

KAVİTASYON OLUŞUMUNA ETKİ EDEN FAKTÖRLER Kavitasyon başlangıcını ve oluşumunu daha iyi anlayabilmek için yapılan çalışmalar arasında standart ITTC formları üzerinde birtakım deneyler yapılmıştır. Farklı kavitasyon tünellerinde, aynı modellerin aynı koşullarda denenmeleri halinde farklı karakterde kavitasyon izlenmesi ve kavitasyon başlangıcının farklı değerlerde ortaya çıkması ile kavitasyon başlangıcı üzerinde etkili olan faktörler incelenmiş , a. Yüzey etkileri b. Nüklei (Kavitasyon çekirdeği) etkisi c. Viskozite etkileri faktörlerinin önem taşıdığı belirlenmiştir.

Yüzey Etkileri Bilindiği gibi teknik olarak tamamen pürüzsüz yüzeylerin elde edilebilmesi olanak dışıdır. Pervanelerin yüzeyinde pürüz mevcut olması durumunda kavitasyon olayı daha erken başlamış olacaktır. Yüzey üzerinde mikron mertebesindeki pürüzler kavitasyon çekirdeği için birer tutunma yüzeyi veya sıkışma bölgesi oluşturacaklar ve kavitasyonun başlamasına uygun zayıf noktaları meydana getireceklerdir.

Özellikle pervane imalinde kullanılan malzeme özellikleri, pervane kanat profillerinin giriş uçlarının bozukluğu ve yüzey bozuklukları eşdeğer biçimde kavitasyon başlaması ve hızlı gelişimi üzerinde etkili olmaktadır. Bu nedenle pervane imali ve yüzey işlemesi kavitasyon açısından büyük önem taşımakta, pervane imalatında malzeme ve işçilik kritik olmaktadır.

Çekirdek Etkileri Kavitasyonun akışkanın içerisindeki zayıf noktalardan başladığı bilinmektedir. Kavitasyon olayının fiziksel anlamı açısından kavitasyonu başlatan kabarcıkların çapları ve sayılarının belirlenmesi önem taşımaktadır. Çekirdek ölçme ve sayma yöntemlerinin başlıcaları şunlardır: Işın saptırma yöntemi Holographic yöntem Mikroskobik yöntem-optik yöntem Akustik yöntem

Bunlardan ışın saptırma yöntemi en çok kullanılan yöntemdir Bunlardan ışın saptırma yöntemi en çok kullanılan yöntemdir. Yoğun bir ışın önünden geçen parçacıkların ışını saptırması yolu ile kayıt yapılmaktadır. Bu yöntemde hava ile katı parçacıkların birbirinden ayrılması zordur. Holographic yöntem, pahalı ve zaman isteyen bir yöntem olmakla birlikte katı parçacıklar ile kabarcıkları ayırt etmesi bakımından avantajlıdır. Bu yöntemde laser ışını ile kavitasyon bölgesindeki akışkan taranmakta ve bu parça mikroskop ile analiz edilmektedir.Mikroskopik-optik yöntemde ise akışkan mikroskop mercek sistemi ile taranmakta ve sürekli filmi çekilmektedir. Akustik yöntemde ise ultrasonik ses dalgasının yansıma prensibi kullanılmaktadır. Kabarcıklar tarafından emilen ses enerjisi ise kabarcık çapının ölçümü için değerlendirilmektedir. Kavitasyon çekirdeğinin sayısı ve çapının su içindeki hava miktarı ile ilgisi araştırılmış ve dinlendirilmiş su içinde bu sayının önemli ölçüde azaldığı görülmüştür.

Viskozite Etkileri Eksenel simetrik ITTC formları üzerindeki araştırmalarda akımın değişik rejimleri ve dolayısı ile kavitasyon başlangıcına etkili olan kenar tabaka bölgeleri incelenmiştir. Genellikle laminer kenar tabakada görülen ayrılma ile kavitasyonun başladığı ve türbülanslı akımda kavitasyon olayının daha önce oluştuğu izlenmektedir. Model ve gemi pervanelerinin farklı Reynolds sayılarında çalıştıkları düşünüldüğünde, kenar tabaka ve türbülanslı akım benzerliğinin sağlanmadığı sürece kavitasyon başlangıcının ve kavitasyon karakteristiklerinin de model ve gerçek pervanede farklı olacakları anlaşılmaktadır. Her ne kadar model pervanelerde ve standart ITTC formlarında laminer tabakada gözlenen ayrılma olayının kavitasyon başlangıcı ile yakın ilişkisi saplanmış ise de gerçek gemi pervanelerinin çalıştıkları Reynolds sayıları göz önüne alındığında kenar tabakanın tümü ile türbülanslı olduğu, dolayısı ile gerçek pervanelerde kavitasyon olayının daha çok kavitasyonun çekirdeği ve yüzey pürüzlülüğü ile ilişkili olacağı sonucuna varılabilecektir. Viskozite etkisi daha çok kenar tabaka yolu ile profiller etrafındaki basınç dağılımını etkilemekte ve böylece kavitasyon başlangıcında rol oynamaktadır.

Laminer kenar tabaka ayrılması olayının, ancak düşük Reynolds sayılarında yani model deneylerinde kavitasyonu başlatacağı buna karşılık gemi ölçeğinde yani yüksek Reynols sayılarında bir etki yaratmayacağı söylenebilir. Model pervaneler ve gerçek gemi pervaneleri üzerindeki akım bölgeleri aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Viskozite ve türbülans etkisi ile gemi pervanelerinde daha çok tabaka şeklinde kavitasyon görülecek olup, noktasal ve kabarcıklar şeklindeki kavitasyonun ise daha çok model deneylerinde gözlenmektedir.

KAVİTASYON BAŞLANGICI

Kavitasyon başlangıcı, sıvı akımındaki basınç ile sıvının buharlaşma basıncı arasındaki ilişki yardımı ile anlaşılmaktadır. Yani kavitasyonun başlaması için, akışkan içindeki bir noktanın basıncının, akışkanın buharlaşma basıncına eşit veya düşük olması yeterli olmaktadır. Kavitasyon mekanizmasını anlamak için küçük bir hücum açısındaki bir profili göz önüne alalım. Akış iki boyutlu ve viskoz olmayan bir akış olsun. Suyun buharlaşma basıncı “e” ile, profilin üzerindeki bir noktanın basıncıda Pm, hızı Vm ile gösterilirse, bu profile gelen su akımına ait P basıncı ve V hızı yardımı ile Bernoulli denkleminde aşağıdaki eşitlik yazılabilir:

Bu koşul aşağıdaki şekilde ifade edilebilir: M noktasında kavitasyon olmaması için aşağıdaki koşul sağlanmak zorundadır , Bu koşul aşağıdaki şekilde ifade edilebilir: Bu denklemin her iki tarafı “Akışkanın Dinamik Basıncı” olarak bilinen ile bölünürse : bağıntısı elde edilir Bu ifade aşağıdaki gibi yazılarak kavitasyon olmama şartı bulunur.

Eşitsizliğin sağ tarafı boyutsuz bir katsayı olup  ile gösterilir ve buna kavitasyon sayısı denir. Dolayısıyla eşitsizliği kavitasyonun mevcut olup olmadığını tayin eden bir kriter olmaktadır. Kavitasyon sayısı, statik ve dinamik basınçların oranı şeklinde yazılabilir. Akım içinde bulunan bir pervane kanadının yüzeyi üzerinde herhangi bir referans noktada aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır:

:referans noktadaki statik basınç :suyun buhar basıncı Burada; :referans noktadaki statik basınç :suyun buhar basıncı :suyun yoğunluğu :referans hız Referans nokta bir pervane kanadı üzerinde herhangi bir yerde olabilir, V hızı; eksenel serbest akım hızı (U), rotasyonel hız (N) veya bu hız bileşenlerinin vektörel toplamı olan bileşke hız ’ye dayanabilir. Kavitasyon sayısı, bir kavitasyon tünelinin test bölgesindeki basıncı etkileyen ve test ortamında korunması zorunlu bir boyutsuz parametredir.

Kavitasyon sayısına alternatif olarak, pervane kanadı etrafında veya üzerindeki “yerel basınç katsayısı” aşağıdaki gibi tanımlanabilir: Burada: : ele alınan noktadaki yerel basınçtır. Kavitasyonun tanımından yola çıkarak, kavitasyonun bu yerel basınç ’nin suyun buhar basıncına eşit olan bir minimum değere ( ) düştüğünde meydana geleceği varsayılmaktadır.

Bu nedenle aşağıdaki eşitlik her iki denklemden yararlanılarak yazılabilir. Burada değerine “kavitasyon başlangıç sayısı” adı verilmektedir.

KAVİTASYON KONTROL YÖNTEMLERİ Kavitasyon kontrolü için çok sayıda yöntem uygulanmaktadır. Bu yöntemlerden birçoğu karmaşık hesap ve analizleri gerektirir. Crouch ve Burrıll’in kavitasyon kontrolü yaklaşımları pervane açınım alanının pervanenin kavitasyon yapmayacağı şekilde belirlenmesi, pervane kanat yüklenmesinin analizi yoluyla kavitasyon incelenmesi prensibine dayanmaktadır. Küçük boyutlu gemiler tenezzüh tekneleri vb. için kavitasyon kontrolü genelde bu yöntemlerle yapılmaktadır. Ancak, büyük gemiler, harp gemileri gibi özel gemiler ile özel şartlarda çalışması öngörülen gemiler ve gemi izine ait datası mevcut gemiler için kavitasyon analizi, kanat kesitleri etrafındaki basınç dağılımı bulunarak detaylı bir şekilde yapılır.

Kavitasyon kova diyagramları(Cavitation bucket diagram Pervane kanat kesitlerinin dizaynında kesitin kavitasyon durumunu belirlemek için kavitasyon kova diyagramları kullanılır. Bu diyagramlar kesit kavitasyon sayısı karşılığında kesit hücum açısı alınarak çizilmişlerdir. Kesitin hangi bölgesinde hangi koşullar altında kavitasyonun başlayacağı bu diyagramlar yardımıyla analiz edilebilmektedir.

KAVİTASYON SAYISI d KAVİTASYONSUZ HÜCUM AÇISI  KABARCIK KAVİTASYONU SIRT KAVİTASYONU YÜZ KAVİTASYONU

Crouch Yöntemi Kavitasyon kontrolunda en basit yaklaşım müsaade edilebilir kanat yüklenmesinin bulunması ve gerçek pervane kanat yüklenmesinin hesaplanarak karşılaştırılmasıdır. Bu yaklaşım genelde sağlıklı sonuçlar vermekte ve Crouch yöntemi olarak anılmaktadır. Bu yöntemin uygulanabilmesi için öncelikle müsaade edilebilir kanat yüklenmesi ile gerçek kanat yüklenmesinin mümkün olduğunca doğru olarak bulunmasına gerek vardır.

Maksimum Müsaade Edilebilir Kanat Yüklenmesinin Bulunması: Gerr’in (1989) Wageningen’de yapılmış havuz tecrübeleri sonuçlarından yararlanarak geliştirmiş bulunduğu, ampirik formülü ile kavitasyonun oluşabileceği basınç yaklaşık olarak hesaplanabilmektedir. Burada, PSI : Kavitasyon başlama basıncı(psi.) VA : Pervaneye gelen suyun hızı (Knot) Ft : Operasyon sırasında pervane şaft merkez derinliği(Feet) olarak kullanılmaktadır. Basıncın pascal olarak ifade edilmek istenmesi halinde bulunan sonucun 6.89x103 ile çarpılarak dönüştürülmesi gerekmektedir.

Pervane Kanat Kesiti Üzerindeki Gerçek Yüklemenin Bulunması: Bir pervane kanadı üzerindeki gerçek yükleme; formülü yardımı ile ifade edilebilmektedir. Bu formülde; PSI = Kanat yükü (psi.) SHP = Şaft beygir gücü 0_ = Açık su pervane verimi VA = Pervaneye gelen suyun hızı(Knot) AD = Pervane kanat açınım alanı (in2)

Burrill Yöntemi Bu yöntemde,ortalama kavitasyon sayısı şaft ekseni temel alınarak bulunan statik basınca göre, dinamik basınç ise 0.7 R pervane kesiti esas alınarak hesaplanır. Bu yöntemde pervane kanatlarına gelen itme yüklemesi,c katsayısı ile ifade edilir. T= itme AP=Pervane kanadı izdüşüm alanı VR=Suyun 0.7R kanat kesitindeki relatif hızı (VR=VA +  n D 0.7) n= Pervane devir sayısı (devir/s), D=Pervane çapı

Burrill kriterine göre önce  hesaplanır ve kavitasyon üst sınır eğrilerinden (c,  eğrileri) kavitasyon için müsaade edilebilir seviyeye karşılık gelen c değeri okunur. Bu değer kullanılarak; bağıntısı yardımıyla pervane için gerekli minimum izdüşüm alanı bulunur. İzdüşüm alanı yardımı ile açılım alanı Taylor formülünden aşağıdaki gibi hesaplanır. AP/AD=1.067 - 0.229P/D Bu bağıntı ile minimum pervane alanı bulunur ve mevcut pervane alanının yeterli olup olmadığı kontrol edilir.

Keller Formülü Kavitasyon incelemesinin, pervane kanat yüklenmesinin ilk yaklaşım olarak incelenmesi Keller formülü yardımıyla yapılabilir; şeklinde tanımlanan Keller formülünde T pervanenin yarattığı itmeyi, Z kanat sayısını, P0 lokal basıncı, Pv ise buharlaşma basıncını ifade etmektedir. itme T Newton (N) veya Kilonewton (kN), P basıncı ise Newton/metrekare veya kilonewton/metrekare cinsinden kullanılmalıdır. Keller formülündeki k katsayısı ise 0 ile 0.20 arasında değişen bir sabit olup ayna kıçlı, hızlı gemiler için k=0, yüksek güce sahip tek pervaneli gemiler için ise k=0.2 değerleri kullanılır. Gemi tipi ve tecrübeye dayanılarak ara değerler kullanılır.

Pervanenin sağladığı itme T, bağıntılarından yararlanılarak bulunabilir. Bu formüle bulunan kanat açınım alanı oranı seçilen pervanenin kanat açınım oranından küçük veya eşit olması halinde kanat yüklenmesinin yaklaşık bir ilk tahmin olarak kabul edilebilir sınırlar içerisinde olacağı varsayılır.