קוויטציה

הדגמת תופעת הקַוויטציה במדחף של כלי שיט

קַוִיטַצְיָה (בעברית: מִעוּר) היא תופעה שבה נוצרים חללי אדים קטנים בנוזל, שמופעל עליו עומסים מחזוריים מהירים של לחץ ותת-לחץ לסירוגין. החללים גדלים וברגע שהם מגיעים לגודל קריטי הם קורסים לתוך עצמם במהירות גבוה, תוך יצירת קול אופייני. הלחץ השורר בתוך החללים הללו יכול להגיע לכדי 500 אטמ' ומהירות הקריסה לכדי 400 קמ"ש. קריסת החללים יוצרת סילון נוזל מקומי שיכול לפגוע במשטח הקרוב אליו ולגרום לו נזק לאורך זמן. תופעה זו יכולה להתרחש במשאבות צנטריפוגליות, במדחפי כלי שיט כאשר נוצר אזור תת-לחץ במדחף, בגלל מערבולות מקומיות, והלחץ המקומי שנוצר הוא נמוך יותר מלחץ האדים של הנוזל. במצב זה מגיע הנוזל באותו מקום לרתיחה וזו גורמת להיווצרות בועות אדים (כלומר אדי הנוזל ולא אויר כפי שמקובל לחשוב) ולשחרור אנרגיה רבה בקריסתן, דבר שמזיק מאד לפעילות המשאבה. קוויטציה יוצרת שחיקה בעייתית בהקשרים הנדסיים. קריסת החללים שמתפוצצים לתוך עצמם ליד פני שטח המתכת, גורמים למאמץ מחזורי ומתמשך. התעיפות על פני השטח יוצרת שחיקה הנקראת גם כן מיעור (קוויטציה) בגלל ה"מערות" הקטנות הנוצרות בתוך המתכת.

בתהליך ניקוי אולטרסוני, על ידי מערכת של אמבט מתכת, נוזל ומשדרים אולטרסונים, מתאפשר ניקוי יסודי של חלקים שונים, שלא על ידי אמצעי מכני כלשהו. תופעת הקוויטציה משמשת במקרים אלו להפרדת שאריות ייצור, שמן, פיח, גריז וכו, מהחלקים הנמצאים בתוך הנוזל, ללא צורך בשימוש בכלי עבודה. על ידי שיטה זו ניתן לנקות חלקי מתכת, פלסטיק, מעגלים מודפסים ועוד.

גם בעולם החי, יש סרטן שמשתמש בייצירת בועיות קוויטציה, על מנת לסדוק את הקונכייה של המזון שלו, אליו הוא מעוניין להגיע^[1].

פיזיקה

הקוויטציה נחקרה לראשונה על ידי הלורד ריילי בשלהי המאה ה-19. כשחלקיקי נוזל מגיעים ללחץ נמוך מספיק נוצרים חללים, בועיות קטנות. התופעה נקראת קוויטציה (CAVITY=חלל, מערה). התופעה מתרחשת בעיקר מאחורי להבי טורבינות המסתובבים במהירות או ליד שטח המתנודד במשרעת ובתדירות מספיקה. זרימת נהר מהירה, למשל, יכולה לגרום לקוויטציה סמוך לסלעים הנמצאים בנהר במיוחד ליד מפלים.

קיימות עוד דרכים בהם קוויטציה נוצרת. התפרקות חשמלית למשל דרך ניצוץ יכולה לאייד לחלקיק שנייה חלק מהנוזל. גם תנודות של גלי קול יכולים ליצור בועיות קטנות שיקרסו לתוך עצמן זמן קצר לאחר היווצרותן.

קוויטציה היא בעצם תופעה הדומה למדי לרתיחה. גם ברתיחה וגם בקוויטציה נוצרות בועות אדים של הנוזל בתוך נפח הנוזל, הקורסות לתוך עצמן תוך כדי יצירת גלי הלם. הקריסה בשתי התופעות יכולה לגרום לשחיקה של חומר הנמצאים בקרבתן. בנוסף הרעש שאפשר לשמוע משתי התופעות דומה (הרעש ששומעים כשקומקום מתחיל לרתוח).

קוויטציה מופיעה רבות גם במשאבות פוזיטיביות, מסוג גלגלי שיניים לדוגמה. בשונה ממשאבות צנטריפוגליות, משאבות פוזיטיביות במהלך הפעולה שלהן, מגיעות למצב שבו תאי העברת הנוזל, נעולים על ידי חיץ מתכתי (בין אם זה גלגלי השיניים או גוף המשאבה שבו הגלגלים סובבים), ולכן, נוזל אינו יכול להיכנס אל תוך התא אשר בו הלחץ האבסולוטי יורד, כדי למלא את כל הנפח שנוצר בתא הנעול. כתוצאה מירידת הלחץ האבסולוטי (כמוסבר לעיל), "מתפוצצות" בועות האוויר שמצאות בתאים הנעולים וגורמות נזק ממשי לחלקי המשאבה, בדמות חורים קטנים בחלקים השונים.

נזקים

קובץ:Cavitation Propeller Damage.JPG

נזק שנגרם לפרופלור על ידי קוויטציה

במדחפי ספינות, והיא אחד הגורמים העיקריים לבלאי של מדחפים אלו.

בצוללות רעשי קוויטציה במדחף הם אחת הדרכים העיקריות לגילוי צוללת על ידי שימוש בסונאר פסיבי.

קוויטציה היא גם אחד ההסברים הרווחים לרעש המופק בעת פכירת אצבעות.

פתרונות

ציפויים

פתרון מקובל הוא לצפות את להבי המדחף או המשאבה בחומר פולמרי עם טיב פני שטח גבוה, המולקלות של הפולימר גדולות וארוכות, דבר שמפחית את היכולת של סילוני הנוזל ליצור נזק לפני השטח.

מניעת קוויטציה צריכה להיעשות בצד היניקה של המשאבה - הגדלת העומד החיובי מעל פתח היניקה או הגדלת קוטר צינור היניקה. אפשרות נוספת היא להגדיל את הלחץ במכל שבו נמצא הנוזל שממנו יונקים.

חומרי גלם

בחירת חומרי גלם עמידים יותר על ידי הקשייתם, טיפולים תרמיים (מתכות), שיפור פני השטח וציפויים למיניהם.

שימושים בקוויטציה

טורפדות חדשניים יוצרים מיעוּר על או סופר-קוויטציה, על ידי שיגור הטורפדו בסיוע רקטה. ראש הטורפדו מתוכנן כך שכאשר יחדור למים במהירות רבה, תנועת המים סביב הטורפדו תביא לכך שלחץ המים ירד עד כדי כך שיהיה נמוך מלחץ האדים שלהם. כך נוצרת מעין בועת גז שבתוכה נע הטורפדו, והתנגדות המים נעלמת. בדרך זו יכול הטורפדו להגיע למהירות גבוהה מאד: טורפדות מודרניים שאינם משתמשים בטכנולוגיה כזו מגיעים למהירות של כ-100 קשר, כ-190 קמ"ש; ואילו טורפדות המונעים בסופר-קוויטציה עשויים להגיע למהירות העולה על 200 קשר, כ-370 קמ"ש. סין הודיעה כי בכוונתה לפתח צוללת שתעבוד על עקרון דומה.