حين توقف سائلًا جاريًا فجأةً تتحول الطاقةُ الحركية إلى ضغط، وتسري موجةُ ضغط في الأنبوب. وإذا كانت قوية بما يكفي تضررت الأنابيبُ أو التجهيزاتُ أو المعدّات.
الزمن الحرج: ذهاب الموجة وإيابها
تسير موجةُ الضغط في الأنبوب بسرعة قريبة من سرعة الصوت، وتنعكس عن الطرف وتعود. وزمنُ عودتها إلى الصمام يتوقف على طول الأنبوب وسرعة الموجة.
والقاعدة هي: إذا كان زمن الإغلاق أقصر من ذلك الذهاب والإياب بلغ ارتفاعُ الضغط حدّه الأقصى — وهي حالة الإغلاق المفاجئ. وإذا كان أطول عادت الموجةُ المنعكسة قبل اكتمال الإغلاق فحدّت الارتفاع.
ولذلك فـ«الإغلاق البطيء» أمر نسبي: فثانيتان بطيئتان على خط قصير ومفاجئتان على خط طوله كيلومترات.
سرعة الموجة تتوقف على مرونة الأنبوب
سرعةُ الصوت في السائل نفسه حدٌّ أعلى؛ فإذا تمدد جدارُ الأنبوب انخفضت سرعةُ الموجة الفعّالة وقلّ ارتفاع الضغط. ولذلك فالمطرقة المائية أرفقُ في الأنابيب البلاستيكية منها في الفولاذية.
وإذا وُجد غازٌ حر في السائل انخفضت سرعةُ الموجة انخفاضًا حادًّا — فقليلٌ من الهواء يلطّف الطور العابر تلطيفًا واضحًا. وهذا علاجٌ ومصدرُ ارتياب في آنٍ واحد.
انفصال العمود المائي: الخطر الحقيقي
إذا خفضت موجةُ تخلخل الضغطَ دون ضغط البخار في موضع ما، انفصل عمودُ السائل وتكوّن تجويفٌ بخاري. وحين تعود الموجة ينهار ذلك التجويف ويُنتج ذروةَ ضغط أقسى بكثير من الأصلية.
ومعظمُ أضرار خطوط الأنابيب لا يسببها الطورُ العابر المباشر بل ذلك الانهيارُ الثانوي. انظر ملاحظة التجويف.
النمذجة
المسألة انتشارُ موجة أحادي البعد، وتُعالَج عادةً بنماذج الخطوط؛ وCFD ثلاثية الأبعاد غير لازمة هنا. أما إسهام CFD فعلى الأسئلة الموضعية: الجريان داخل الصمام، وأين يبدأ التجويف، وتوزيع القوى على المعدّات.
وفي الحالتين يكون الحل قابلًا للانضغاط وعابرًا؛ وافتراضُ عدم قابلية الانضغاط يمحو الموجة محوًا تامًا.
المراجع
- Singhal, A. K., Athavale, M. M., Li, H. & Jiang, Y. (2002). Mathematical basis and validation of the full cavitation model. Journal of Fluids Engineering, 124(3), 617–624. DOI: 10.1115/1.1486223
- Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6