تكهف

Cavitation -



التكهّف

سهام طرابيشي

فيزياء التكهّف

أنواع التكهف

التحكم في التكهف

تطبيقات التكهف

أضرار التكهف

التكهّف (التجوف)  cavitationهو تشكل تجاويف في سائل، مملوءة ببخاره أو أي غاز آخر منحل في السائل؛ أي تشكل مناطق صغيرة خالية من السائل على شكل فقاعات bubbles أو فراغاتvoids . يحدث التكهف عادة عندما يتعرض السائل لتغيرات سريعة في الضغط من شأنها أن تحدث تجاويف حيث يكون الضغط منخفضاً نسبياً. ثم تنبجر (تنفجر نحو الداخل) implode هذه التجاويف لدى تعرضها لضغط أعلى فتولّد موجة صادمة شديدة.

فيزياء التكهّف

لوحظ التكهف عام 1895  أول مرة على  دواسر propellers الغواصات  فظهرت تأكلات واضحة عليها خلال مدة قصيرة، ممّا دعا الفيزيائي الإنكليزي اللورد رايلي Lord Rayleigh (John William Strutt) إلى دراسة التكهّف أواخر القرن التاسع عشر؛ فوضع نموذجاً للعملية عام 1917عندما كان يدرس انهيار فراغ كروي في سائل؛ إذ لاحظ أنه عندما يخضع حجم من سائل لضغط منخفض إلى حد كاف قرابة 2.5  كيلو باسكال عند الدرجة 21 سْ يمكن أن يتمزق rupture ويشكل تجويفاً. أطلق على هذه الظاهرة "بداية التكهّف" cavitation inception.

تشبه العملية الفيزيائية لبدء التكهّف عملية الغليان، ويكمن الفارق الرئيسي بين العمليتين في مساريهما الترموديناميكيَّين اللذين يسبقان تشكل البخار، ولا سيما سرعة استجابتيهما الزمنيَّتين للمؤثر. يحدث الغليان عندما يرتفع ضغط البخار في موضع من السائل عن الضغط الموضعي الذي يحيط به ومع وجود طاقة كافية لتغير الطور إلى غاز؛ في حين يبدأ التكهّف عندما يهبط الضغط الموضعي إلى أخفض بكثير من ضغط البخار المشبع، وهي قيمة تعطى بشدة التوتر السطحي للسائل عند درجة حرارة معينة إضافة إلى فرق الضغط.

يعد التكهّف من أهم أسباب التأكل في بعض الأوساط، حيث يسبب الانبجار المتكرر  للفراغات بالقرب من سطح معدن إجهاداً دورياًcyclic stress  للسطح، يؤدي إلى إضعاف المعدن، ينجم عنه نوع من التأكل يدعى التكهّف. من أكثر الأمثلة شيوعاً على هذا النوع من التأكل: تأكل المكبس الماص في المضخة pump impeller (الشكل1)، وما يشبه ذلك  عند المنعطفات الحادة bends في شفرة دافعة، حيث يحدث تغير مفاجئ في اتجاه حركة السائل. يقَّسم  سلوك التكهّف عادة صنفين: التكهّف العطالي inertial cavitation (أو الانتقالي transient) والتكهّف اللاعطالي (أو المستقر stable).

الشكل (1) تأكل صفيحة صمام بالتكهف في مضخة هدروليكية بمكبس محوري.

إن ارتباط الضغط بحدوث التكهف وسّعت دراسته لأن تغيرات الضغط يمكن أن تكون نتيجة جريان السائل نفسه ولا سيما الجريان المضطرب، أو أن تكون نتيجة تماسّه مع أجسام صلبة ذات أشكال تحرض حدوث اضطراب، ومن ثمَّ زيادة  في السرعة يقابلها انخفاض في الضغط وفق مبدأ برنولي Bernoulli's principle، أو أن تكون التغيرات نتيجة تطبيق موجة صوتية أو فوق صوتية ذات شدة مناسبة. ويسمى التكهف أحياناً التكهف الهدروديناميكي hydrodynamic cavitation ليشير إلى حدوثه نتيجة الجريان، أو تكهف صوتي أو فوق صوتي sonic  أو  ultrasonic cavitation ليشير إلى سبب حدوثه فوق الصوتي. يحدث التكهف -على سبيل المثال- خلف شفرة داسرة دوّارة rotating propeller blade، الشكل (2)، أو أي سطح مهتز في السائل بسعة وتسارع كافيين. كما يمكن للنهر الذي يجري بسرعة أن يسبب التكهّف في سطوح الصخور، ولا سيما عندما يكون هناك سقوطكما هي الحال في مساقط المياه  waterfalls.

الشكل (2) التكهف الهدروديناميكي والتكهف الفائق.

أنواع التكهف

التكهّف العطالي: هو العملية التي تنبجر من خلالها الفراغات أو الفقاعات في سائل بسرعة مولدة موجة صادمة shock wave. يستغل التكهّف العطالي بعض الحيوانات، مثل ضربات القريدس (الروبيان) السرعوف mantis shrimps ليشلّ فريسته، وكذلك في ضربات القريدس المسدس (القاذفة) pistol shrimps،  إضافة إلى حدوثه في بعض النسج النباتية الوعائية. يمكن أن يحدث التكهّف أيضاً في معدات صناعية؛ مثل صمامات التحكم control valves والمضخات والدواسر والماصات  impellers.

التكهّف اللاعطالي: هو العملية التي ترغَم فيها فقاعة في سائل على التكيف في الحجم أو الشكل وفق شكل معين لتغير دخل الطاقة، كالمجال الصوتي المهتز. غالباً ما يستخدم مثل هذا التكهّف في حمامات التنظيف بالأمواج فوق الصوتية؛ فقد تبين وجود نصف قطر فقاعة توازني لمثل هذا النوع من التكهف. كما يمكن رصده في المضخات والدواسر عند سرعات مناسبة وغيرها. يكون التأكل في هذا النوع من التكهّف أقل بكثير منه في حالة التكهّف العطالي، وغالباً ما يستخدم في تنظيف المواد الهشة، كرقائق السليكون wafers silicon.

لما كانت الأمواج الصادمة المتشكلة بانهيار الفراغات قوية إلى درجة تسبب أضراراً بالغة بالأجزاء المتحركة؛ عُدَّ التكهّف ظاهرة غير مرغوب فيها، ويُطلب تجنبها ولا سيما في تصميم المكنات كالعنفات أو الدواسر. ويعد التخلص من التكهّف من أهم مجالات دراسة ديناميك الموائع.

وقد يكون التكهف مفيداً أحياناً ولا يسبب الأذى؛ عندما يحدث بعيداً عن أجزاء المكنات، مثل التكهّف الفائق supercavitation الذي يحيط بالجسم المغمور المتحرك في سائل إحاطة تامة في حال تحقّق شروط التكهف عند مقدمته التي تستمر حتى تغطيته كاملاً؛ ممّا يخفف من معامل الاحتكاك كثيراً، كما في  الشكل (2) حيث أثر الفقاعات مستمر.

ويمكن أن يحدث التكهّف اللاعطالي أيضاً بوجود حقل صوتي؛ إذ ترغم الفقاعات الغازية المجهرية التي توجد في سائل على الاهتزاز بفعل المجال الصوتي المطبَّق، ممّا يُحدِث موجة ضغط من انخفاض فيه يعقبه ارتفاع. وإذا كانت الشدة الصوتية عالية إلى حدٍّ كاف يزداد في بادئ الأمر حجم الفقاعات ثمّ سرعان ما تنهار بعد قيمة معينة للشدة. ومن ثم يمكن للتكهّف العطالي أن يحدث حتى لو كان التخلخل في السائل غير كاف لحدوث ما يشبه تكهف رايلي. تعتمد الأمواج فوق الصوتية العالية الاستطاعة عادة على التكهّف العطالي لفقاعات الخلاء المجهرية في معالجة السطوح والسوائل والملاط الرقيق القوام slurries.

أدت دراسة التكهف وشروط حدوثه في فقاعة واحدة إلى دراسة تأثير الفقاعات المتجاورة، ومن ثمَّ تبين إمكان تلاصق  الفقاعات أو اندماجها أو حركتها ضمن السائل. وقد أثر ذلك في فهم طبيعة التكهف والاستفادة منه. كما دُرس إمكان تشكل نويات (تَنَوّي) nucleate الفقاعات على السطوح الصلبة وانتفاخها ثم انفجارها، أو وجود فقاعات مكروية في الأصل تساعد على التكهف.  يشارك في تضخم الفقاعات وجود غازات منحلة في السائل؛ فعلى سبيل المثال يوجد في الدم خليط من غازات بخار الماء وثنائي أكسيد الكربون والأكسجين والآزوت يختلف تكهفها اللاعطالي باختلاف نسبها؛ فتحدث في الدم اهتزازات مع تبادل حراري مع المحيط isothermal oscillation أو اهتزازات سريعة من دون تبادل حراري (كظومة) adiabatic oscillations مع المحيط.

 ودُرس أيضاً توليد فراغات التكهّف نتيجة تموضع للطاقة، كالنبضة الليزرية الشديدة المبأرة (تكهّف ضوئي) أو بالانفراغ الكهربائي في شرارة؛ فتتبخر جزيئات السائل في تجويف من الوسط المحيط؛ لكنه لا يشكل خلاء مثالياً؛ إذ إنّ ضغط البخار فيه منخفض. تبدأ مثل هذه الفقاعة المنخفضة الضغط في السائل بالانهيار بفعل الضغط الأعلى للوسط المحيط، وعندما تنهار الفقاعة يزداد ضغط البخار ودرجة الحرارة فيها، ويستمر الانهيار حتى تصل الفقاعة إلى جزء صغير من حجمها الأصلي، وهي اللحظة التي يتوزع عندها الغاز في السائل المحيط عن طريق آلية عنيفة نوعاً ما تحرِّر مقداراً كبيراً من الطاقة على شكل موجة صدمة صوتية، وقد يرافقها ضوء مرئي. يمكن أن تبلغ درجة حرارة البخار في الفقاعة عند نقطة الانهيار الكامل عدة آلاف الكلفن، ويبلغ الضغط عدة مئات ضغط جوي.

 ويمكن أن يحدث التكهّف بالمصsuction في مضخة ماصة عندما يكون المص في شرط الضغط المنخفض أو الخلاء العالي أو كليهما؛ إذ يتحول السائل إلى بخار في عروة مكبس المضخة، يُحمل هذا البخار إلى جانب الخلاء من المضخة، حيث يضغط ثانية فيتحول إلى سائل. تحدث عملية الانبجار هذه بعنف وتهاجم وجه المكبس الماص، ويمكن أن يقتلع من سطحه في حالة تكهّف المص قطعاً كبيرة أو صغيرة جداً؛ فيغدو إسفنجيَّ الشكل، والحالتان كلتاهما تسببان عطلاً مبكراً للمضخة، غالباً بسبب تضرّر الدعامة. في التطبيقات الآلية، يمكن لمرشح مسدود في جملة هدروليكية أن يسبب تكهّف المص ضجيجاً يشتد أو يخف بالتزامن مع سرعة دوران المحرك، على شكل أنين عالي الطبقة يشبه صوت مسننات لدائنية (بلاستيكية) غير صحيحة التعشيق.

التحكم في التكهف  

يؤدي توليد الفقاعات ونموها وانهيارها إلى كثافاتٍ طاقية عالية جداً وارتفاعٍ كبيرٍ جداً في درجة الحرارة والضغط عند سطح الفقاعات خلال مدّة قصيرة جداً؛ إلا أن بيئة السائل في الوسط المحيط تظل مؤثرة. ويكون التكهّف ضاراً في غياب التحكم فيه؛ غير أنه لدى التحكم في مسار التكهّف يمكن تسخير استطاعته وجعلها غير ضارة، ويمكن استخدام هذا النوع من التكهّف في تسريع التفاعلات الكيميائية أو انتشار بعض التفاعلات غير المتوقعة لأن الجذور الحرة تتولد في العملية بفعل تفكك الأبخرة المحتبسة في الفقاعات المتكهّفة.

يشيع استخدام الفوهات  rificesوتضيُّقات فنتوريVenturi  على نطاق واسع لتوليد التكهّف، الشكل (3). يختلف تضيق فنتوري عن الفوهة بتدرج مساحات مقاطعه زيادة أو نقصاناً، بحيث يمكن توليد سرعة أعلى في التضيق، في حالة هبوط معين في الضغط. تمتاز الفوهة من جهة أخرى بأنه يمكن تكييفها مع عدد أكبر من الثقوب (ومن ثم محيط أكبر للثقوب) في مساحة مقطع معين من الأنبوب.

الشكل (3) تضيق فنتوري

ويمكن أيضاً التحكم في ظاهرة التكهّف لتسهيل حركة السفن البحرية والقذائف العالية السرعة، وفي تقانات معالجة المواد، وفي الطب وغير ذلك.

وقد وجد أنه لا يمكن تحقيق التحكم في عمليات التكهّف في السوائل إلاّ بتطوير الأساس الرياضي لتلك العمليات ونمذجتها؛ إذ تتجلى هذه العمليات بطرائق مختلفة، أكثرها شيوعاً وأهمية الطرائق التي تتناول التحكم في تكهّف الفقاعات والتكهّف الفائق. وربما يعزى أول حلٍّ تقليدي دقيق إلى الفيزيائي الطبيب الألماني هيلمهولتز H. Helmholtz  في عام 1868.

تطبيقات التكهف

يستفاد من إحداث التكهف في مجالات متعددة منها:

الصناعة والهندسة الكيميائية

يمكن للتكهّف الهدروديناميكي أن يحسّن بعض العمليات الصناعية؛ إذ إن مردود رداغ (طين /ملاط) الذرة corn slurry المتكهّفة مثلاً في إنتاج الإتانول أعلى منه في حالة الرداغ غير المتكهّف في منشآت الطحن الجافة.

يستخدم هذا أيضاً في تعدين المركّبات المقاومة للتفاعلات الحيوية  biorefractory compoundsالتي تحتاج في هذه الحالة إلى شروط من درجة الحرارة والضغط مرتفعة للغاية، نظراً لتولد الجذور الحرة في العملية الناجمة عن تفكك الأبخرة المحتبسة في الفقاعات المتكهّفة، والتي تؤدي إمّا إلى زيادة شدة التفاعل الكيميائي وإمّا إلى انتشار بعض التفاعلات التي لا يمكن حدوثها في أجواء أخرى.

ويستخدم التكهّف في الصناعة لمجانسة أو خلط أو تحطيم الجسيمات المعلقة في مركب سائل غروي مثل مزائج الدهان أو الحليب. يعتمد الكثير من مكنات المزج الصناعية على هذا المبدأ المهم، ويحدث ذلك عادة بتصميم ماصات أو بإجبار المزيج على المرور من خلال فتحة حلقية ضيقة ضمن فتحة خرجها أكبر بكثير منها. يؤدي الانخفاض الكبير في الضغط- في الحالة الأخيرة- عند تسارع السائل نحو حجم أكبر؛ إلى تحريض التكهّف. ويمكن التحكم في هذه الطريقة بأدوات هدروليكية تتحكم في أبعاد فتحة الدخول؛ فيسمح بالضبط الديناميكي لمختلف المواد في أثناء العملية، أو تعديلها. يلاحظ خضوع سطح هذا النوع من صمامات المزج -التي تساق عندها فقاعات التكهّف مؤدية إلى انهيارها-لإجهاد ميكانيكي وحراري كبيرين؛ ولهذا غالباً ما يجري تصنيع هذه المكنات من المواد الفائقة الصلابة والقساوة كالفولاذ الذي لا يصدأ أو الستيليت s telliteأو حتى الألماس المتعدد التبلور Polycrystalline Diamond (PCD)   الذي يتمتع بقساوة عالية، ومقاومة شديدة للاهتراء، وناقلية حرارية مرتفعة.

وقد صُمِّمت أيضاً أدوات تطهير الماء بالتكهّف؛ إذ يمكن عند توفر الشروط القصوى  للتكهّف أن تتحطم المواد الملوثة والجزيئات العضوية. ووجد فرع الكيمياء فوق الصوتية لتتبع التفاعلات عند استعمال أمواج فوق صوتية. يكشف التحليل الطيفي للضوء الصادر عن التفاعلات الكيميائية الصوتية عن آليات انتقال الطاقة الكيميائية التي تعتمد على البلازما. كما يمكن أن يصدر ضوء عن عمليات التكهّف هذه  يعرف بالتألق الصوتي sonoluminescence.

تنجذب المواد الكارهة للماء تحت الماء بالتكهّف عندما يرغمها فارق الضغط بين الفقاعات والماء على التجمع، يمكن أن يساعد هذا المفعول على طي البروتينات protein folding.

وقد أفادالتوصل إلى معرفة شروط حدوث التكهف الفائق إلى استعماله للإقلال من الاحتكاك بين دواسر الغواصات والسفن من جهة والماء من جهة أخرى.

علم الحياة والطب

يؤدي التكهّف دوراً مهماً في تفتيت حصى الكلية بالأمواج فوق الصوتية الصادمة، ويتم حالياً إجراء الاختبارات لإمكان استخدام الموجات فوق الصوتية الخلوية sonoporation لزيادة نفاذية غشاء البلاسما الخلوي ونقل جزيئات كبيرة إلى الخلايا الحيوية. كما يستخدم التكهّف النتروجيني nitrogen cavitation في تحلل lyse الأغشية الخلوية مع الإبقاء على العضيات سليمة؛ فيحقق التكهّف دوراً رئيسياً في التجزئة اللاحرارية واللاهجومية للنسج بهدف معالجة عدة أمراض. وسيزداد أثر التكهف أيضاً في المعالجة بالأمواج فوق الصوتية المبأرة العالية الشدة  (HIFU)High Intensity Focused Ultrasound ، وهي طريقة حرارية لا هجومية في معالجة السرطان.

تستخدم الأمواج فوق الصوتية أحياناً لتسريع تشكل العظم بعد العمليات الجراحية مثلاً. ويُرَجَّح أن صوت طقطقة المفاصل cracking knuckles ناتج من انهيار تكهّفي لفقاعات في المائع المفصلي synovial fluid. يقول بعض الأطباء أن التهاب المفاصل osteoarthritis ينشأ من طقطقة المفاصل على نحو منتظم؛ ممّا يؤدي إلى تأكل العظم ويمكن أن يضعفه.

التنظيف

يتمتع التكهّف بقدرة التغلب على قوى التلاصق بين الجسيمات وسطح الركيزة؛ أي حل الملوثاتloosening contaminants . ويعتمد ضغط العتبة اللازم لإطلاق التكهّف بشدة على عرض النبضة فوق الصوتية واستطاعة دخلها. تجري هذه الطريقة بتوليد تكهّف صوتي متحكم فيه في مائع التنظيف، والتقاط الجسيمات الملوثة وحملها بعيداً بحيث لا تعاود الارتباط بالمادة التي يتم تنظيفها.

أضرار التكهف

 يحدِث التكهف في المكنات قدراً كبيراً من الضجيج، ويؤدي أيضاً إلى تضررها وإحداث الاهتزازات فيها وخفض مردودها. كما أصبح التكهّف هماً في قطاع الطاقة المتجددة نظراً لأنه يمكن أن يَحْدُث على سطح شفرات عنفات توليد طاقة المد الشكل (4)؛ إذ عندما يبدأ السطح بالتكهف فإنه يتأكل بخطوات متسارعة، حيث تؤدي حفر التكهّف فيه إلى زيادة اضطراب تدفق المائع وإحداث صدوع تكون نوى لفقاعات تكهّف إضافية. من شأن هذه الحفر أن تزيد في مساحة سطح المعدّات وتخلف إجهادات متبقية، وهذا ما يجعل السطح أكثر عرضة للتأكل بالإجهاد.

الشكل (4) ظهور التأكل على عنفة فرنسيس Francis turbine بسبب التكهف.

مراجع للاستزادة:  - D. Biryukov, Cavitation and Associated Phenomena, CRC Press 2022. -  X. Wang et al., Fundamentals of Single Cavitation Bubble Dynamics, Springer 2024. -  K. Yasui, Acoustic Cavitation and Bubble Dynamics, Springer 2017.

---

- التصنيف : الكيمياء والفيزياء - النوع : الكيمياء والفيزياء - المجلد : المجلد العاشر، طبعة 2025، دمشق مشاركة :