(۱) سرریز تونلی سد گلن کانیون (۲) سرریز تونلی سد هوور

(۳) سرریز تونلی سد فلامینگ جورج (۴) سرریز آزاد سد کارون ۱
شکل ‏۲‑۱- نمونه­هایی از تخریب­های ناشی از کاویتاسیون در سرریزها

روش­های پیشگیری و کاهش خسارات ناشی از کاویتاسیون

با بهره گرفتن از اندیس کاویتاسیون و آگاهی از مقادیری از سرعت و فشار که تحت آن‌ها اندیس کاویتاسیون به مقدار بحرانی شروع کاویتاسیون () می­رسد که در نتیجه آن پدیده‌ی کاویتاسیون رخ می‌دهد، می‌توان پیش از به وجود آمدن این پدیده، آن را کنترل و حتی از به وجود آمدن آن پیشگیری کرد. راه‌ حل ‌های اجرایی جهت کاهش احتمال وقوع پدیده کاویتاسیون و یا از بین بردن خسارات ناشی از این پدیده در موارد زیر خلاصه شده است.

اصلاح انحنای جریان و بهبود کیفیت مصالح جدار

استفاده از مواد مقاوم در برابر کاویتاسیون مانند فولاد ضد زنگ جوش شده و یا فولاد ضد زنگ تهیه‌شده به روش نورد گرم، استفاده از بتن الیاف دار، ایجاد پوشش‌های سطحی از قبیل بتن‌های با مقاومت بالا، اندود کردن سطح جدار با مواد مقاوم و صاف کننده مانند رزین‌ها و بالاخره کاهش زبری جدار در بخش‌های پایین­دست جریان جهت از بین بردن زمینه‌ی شروع کاویتاسیون می‌تواند باعث جلوگیری از این پدیده شود. در جریانات بالغ بر ۲۰ تا ۳۰ متر بر ثانیه جلوگیری از کاویتاسیون به کمک مواد خاص معقول نیست زیرا علاوه بر وجود شکاف‌های بسیار کوچک و جداشدگی اندودها، هزینه بالای این مواد کمکی مانع از استفاده از آن‌ها می‌شود.

کاستن از سرعت جریان

یکی از راه‌های کاهش انرژی بسیار زیاد آب و کاهش سرعت جریان، طراحی و ساخت سرریزهای پله‌ای است. فرق سرریز پلکانی با سرریز شوت در این است که در سرریز پلکانی بریدگی‌هایی در سطح منحنی سرریز صاف به صورت پله طراحی شده است. نحوه‌ی جلوگیری از کاویتاسیون در این سرریزها بدین صورت است که به علت آشفتگی ناشی از وجود پله‌ها سرعت جریان کاهش‌یافته و همچنین در طی این آشفتگی‌ها مقدار قابل‌توجهی هوا وارد جریان می‌شود که وجود هوا در جریان، خود باعث جلوگیری از کاویتاسیون می‌شود. در حال حاضر سرریزهای پلکانی محدود به دبی‌های m²/s 15-10 شده است چرا که خارج از این محدوده‌ی دبی، فشار منفی در سطح پله‌ها به وجود می‌آید که خود باعث ایجاد کاویتاسیون می‌شود. (فرقانی، ۱۳۸۲)

هوادهی^[۹]

هرچند دقت در طرح و ساخت سازه‌ی هیدرولیکی مورد نظر و اصلاح ناهمواری­های سطوح، احتمال وقوع کاویتاسیون را کاهش می‌دهد اما این احتمال کامل از بین نخواهد رفت زیرا امکان به وجود آمدن ناهمواری‌ها در سطوح با گذشت زمان وجود دارد برای مثال در اثر انقباض یا انبساط بتن، سطح بتن در محل درزها دچار برآمدگی می‌شود. لذا احتمال وقوع کاویتاسیون برای سازه‌های هیدرولیکی که درگیر جریان با سرعت بالا می‌باشند همواره وجود داشته و در نتیجه بهترین راه حل برای رفع این مشکل دائمی، هوادهی به جریان می­باشد.

تحقیقات انجام‌شده در زمینه‌ی بررسی پدیده‌ی کاویتاسیون و راه‌های پیشگیری از آن نشان داده است که موثرترین و اقتصادی‌ترین روش برای جلوگیری از این پدیده، هوادهی به جریان می‌باشد. لذا بررسی تأثیر پارامترهای مختلف بر روی هوادهی جریان از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. نظریه‌های مختلفی برای توضیح چگونگی توقف کاویتاسیون توسط هوای موجود در جریان ارائه شده است که این مکانیسم­ها در زیر تشریح شدند.
بر اساس یک نظریه حباب‌های هوا بین جداره و جریان به صورت بالشتک قابل ارتجاع عمل می‌نمایند و باعث استهلاک انرژی ناشی از انفجار حباب‌ها می‌گردند. همچنین وجود بالشتک‌های هوا می‌تواند مسیر نیروی ناشی از انفجار حباب‌های بخار آب را از جداره منحرف نموده و یا آن را به تعویق اندازد. همچنین بر اساس نظریه دیگری ورود هوا به داخل جریان باعث افزایش موضعی فشار جریان شده و کاهش احتمال وقوع کاویتاسیون را در بر دارد. نظریه‌ی دیگری کاهش خسارات ناشی از کاویتاسیون به علت هوادهی جریان را به دلیل کاهش سرعت صوت در جریان با وجود حباب­های هوا بیان می­نماید. مقدار سرعت موج فشاری که باعث انتقال نیروی فشاری به اطراف می‌شود، متناسب با سرعت صوت در محیط می‌باشد و با افزایش حباب­های هوا در داخل جریان، سرعت صوت به شدت کم شده و بدین ترتیب شدت کاویتاسیون کاهش می‌یابد. (Falvey, 1980) مکانیسم کاویتاسیون و بالطبع مکانیسم پیشگیری از آن توسط هوادهی به جریان بسیار پیچیده بوده و نظریات ذکرشده تصویر ساده‌ای از مکانیسم پیچیده‌ی این پدیده را ارائه می‌دهند.

هوادهی جریان

در بسیاری از سازه‌های هیدرولیکی که درگیر جریان دو فازی آب و هوا می­باشند، جهت عملکرد ایمن سازه علاوه بر لحاظ کردن مشخصات جریان آب عبوری، حرکت همزمان هوا در سیستم نیز مورد توجه قرار می­گیرد. در حالت کلی تفاوت بین وزن مخصوص آب و هوا باعث جدا شدن این دو از یکدیگر می­ شود اما برخی از وضعیت‌های جریان باعث اختلاط شدید آب و هوا در سراسر سطح تماس آن دو می‌شوند. این فرایند ورود حباب‌های هوا^[۱۰] نامیده می‌شود. در نظرگیری تأثیرات ورود هوا بر روی جریان آب ضروری می‌باشد چرا که جریان هوا در وضعیت‌های متفاوت بر جریان آب و سازه تأثیرگذار می­باشد. (Wood, 1991)
در سال ۱۹۱۵ کاویتاسیون اشکالاتی در تونل تخلیه سدها به وجود آورد و در سال ۱۹۴۱ مشاهده شد که سرریزها نیز همین مشکل را پیدا کرده‌اند. هرچند در آن زمان کاویتاسیون تنها به عنوان یکی از شش علت وقوع خرابی‌ها عنوان گردید ولی بعدها طی مطالعات بیشتر مشخص شد که کاویتاسیون دلیل اصلی خرابی‌ها بوده است. اولین بار در سال ۱۹۶۰ در سد گراند گولی^[۱۱] از روش هوادهی استفاده شد و هفت سال بعد در سد یلوتیل^[۱۲] مورد استفاده قرار گرفت. از اواسط دهه ۷۰ این سیستم بیشتر مطرح شد به طوری که کاربرد آن در سدهای فوز دو اریا^[۱۳] ، بلومسا^[۱۴]، گوری^[۱۵]، نورک^[۱۶]، یلوتیل و گراند گولی باعث جلوگیری از خرابی‌های ناشی از کاویتاسیون شد. (خسروجردی، ۱۳۹۱) در ایران نیز در سال ۱۳۵۷ با مشاهده خسارات عظیم ناشی از کاویتاسیون در سرریز سد کارون ۱، نیاز مبرم به هوادهی جریان در سرریزها و تخلیه کننده­هایی که دارای جریان با سرعت زیاد هستند به روشنی اثبات گردید. (زندی، ۱۳۸۴)

تقسیم بندی کلی هوادهی جریان

معیارهای مختلفی برای تقسیم بندی انواع هوادهی جریان به کار گرفته شده است ولی رایج­ترین آن بر اساس نحوه ورود هوا به داخل جریان که به صورت خود به خودی (طبیعی) و یا اجباری تقسیم بندی می­ شود، بیان شده است.
۱) هوادهی خود به خودی: این نوع از هوادهی همان ورود طبیعی هوا به داخل جریان آب می‌باشد که در شکل (۲-۲) نمایش داده شده و به دو صورت زیر دسته‌بندی می‌شود:
هوادهی سطحی: در این نوع از هوادهی ورود هوا به داخل جریان را به آشفتگی‌های موجود در سطح جریان­های آزاد ارتباط می­ دهند. در حالت کلی ورود هوا را به :
واسطه‌ی شکستگی موج‌های سطحی جریان
قطرات آب جدا شده از سطح آزاد آب و بازگشت یافته به داخل جریان
دام افتادن هوا توسط آشفتگی‌های سطحی جریان، مربوط می­سازند. (Wood, 1991)
شکل ‏۲‑۲- هوادهی خود به خودی جریان عبوری از روی سرریز شوت و نحوه توسعه لایه مرزی (Falvey, 1980)
هوادهی موضعی: این نوع از هوادهی به جریان در اثر تغییراتی از قبیل تغییر شکل مقطع جریان، تغییر سرعت جریان، برخورد جت مایع به سطح جریان و … در جریان به وجود می‌آید. نمونه‌های مهم این نوع از هوادهی در زیر مورد بررسی قرار گرفته است:
جت برخوردی^[۱۷]: در محل برخورد جت با سطح آب (ساکن یا جاری) در زوایای مختلف، به علت سرعت بالای جت، لایه‌ی برشی درون آب تشکیل می‌شود. به علت اختلاف سرعت جت با آب، جریان‌های چرخشی^[۱۸] درون لایه‌ی برشی تشکیل شده و درون این ورتکس‌ها فشار هوا کاهش پیدا می‌کند و حباب‌های هوای گیر افتاده در درون آن‌ها به قسمت‌های پایینی و داخل آب کشیده می‌شود. (شکل ۲-۳-a) (Wood, 1991)
پرش هیدرولیکی^[۱۹]: در پرش هیدرولیکی همانند جت برخورد علت ورود هوا به داخل جریان تشکیل لایه‌ی برشی و ایجاد ورتکس‌ها درون لایه‌ی برشی می‌باشد که باعث هوادهی موضعی به جریان می‌شود. لازم به ذکر است که در این حالت مقدار هوای ورودی به جریان به مراتب بیشتر از حالت قبل می­باشد. (شکل ۲-۳-b) (Wood, 1991)
اجسام غوطه­ور در جریان آب^[۲۰]: در اثر قرارگیری یک مانع درون جریان، خطوط جریان خود را با آن وفق داده و از همدیگر جداشده و از کنار مانع عبور می‌کنند. در اثر این عمل فضای خالی در پشت مانع به وجود آمده که در این فضای خالی ورتکس­هایی پدید می­آیند و اگر فضای خالی ایجاد شده در تماس با اتمسفر باشد، هوا می‌تواند به داخل آن و در نتیجه به داخل جریان انتقال یابد. (شکل ۲-۳-c) (Wood, 1991)
تبدیل جریان با سطح آزاد به جریان تحت فشار درون مجرا^[۲۱]: زمانی که جریانی با سطح آزاد وارد یک مجرای بسته می‌شود هندسه‌ی ورودی جریان در دریچه و اطراف آن باعث ایجاد یک چرخش در جریان (گردابه^[۲۲]) شده و به وسیله‌ی این گردابه هوا به صورت موضعی وارد جریان می‌شود. (شکل ۲-۳-d) (Wood, 1991)
۲) هوادهی اجباری: درسازه­های هیدرولیکی با سرعت جریان بالا (بالاتر از m/s 20) مثل سرریزهای آزاد، ورود هوا به صورت طبیعی از سطح آزاد جوابگوی کاهش یا از بین بردن احتمال تخریب ناشی از کاویتاسیون نمی ­باشد. بنابراین از سیستم­های هواده اجباری در این گونه سازه­ها از جمله سرریزهای تحت فشار تونلی استفاده می­ شود. سازه‌های هواده مصنوعی ساخته شده در مسیر جریان، به ورود هوا به داخل جریان آب کمک می‌کنند. هر سیستم هوادهی باید مشمول شرایط زیر باشد:
هوای زیادی به جریان وارد کرده و تمرکز هوا در نزدیکی نواحی بحرانی زیاد باشد.
دارای طراحی ساده و اقتصادی باشد.
هیچ­گونه خرابی ناشی از کاویتاسیون در آن پیش نیاید. (زندی، ۱۳۸۴)
انواع مختلف سیستم هواده­های اجباری که شرایط فوق را برای جریان فراهم می­نمایند عبارتند از دفلکتورها، افست، گروو و ترکیبی از آن­ها که در شکل (۲-۴) نشان داده شده ­اند. وجود این سازه­ها در مسیر جریان، باعث ورود اجباری هوا به جریان و تشکیل نواحی مختلفی در جریان می­ شود که در شکل (۲-۵) نمایش داده شده است.

(a) (b)

© (d)
شکل ‏۲‑۳- هوادهی موضعی جریان (Wood, 1991)
شکل ‏۲‑۴- انواع هواده­ها (Falvey, 1990)
L_c
شکل ‏۲‑۵- نحوه ورود هوا به داخل جریان در نزدیکی سازه هواده سرریز آزاد (Chanson, 1989)

تاثیرات هوادهی جریان در سرریزها

اگر در مسیر جریان از سازه‌های هواده مصنوعی استفاده شود هوادهی اجباری بر روی سرریز اتفاق می‌افتد. ازجمله تأثیرات ورود هوا به جریان آب عبارتند از :
اکثر خصوصیات سیال (مخلوط آب و هوا) تغییر می‌کند که غالب این تغییرات مربوط به چگالی و الاستیسیته می‌باشد.
حضور هوا ساختار توربولانسی جریان را تغییر می‌دهد و احتمال تغییر در تنش برشی حاصل از دیواره وجود دارد.
حضور هوا از ایجاد فشار منفی بیش از حد و کاویتاسیون جلوگیری می‌کند.
حباب‌های هوا به علت شناوری‌شان^[۲۳] معرف مومنتوم قائم می‌باشند و ممکن است اثر بسیار قوی بر میدان جریان داشته باشد.