Kavitasyon, sıvı akışkanlı sistemlerde oluşan basınç dalgalanmalarına bağlı olarak ortaya çıkan ve mühendislik uygulamalarında ciddi sorunlara yol açan bir fenomendir. Özellikle hidrolik pompalar, türbinler ve denizcilik endüstrisindeki pervane sistemlerinde gözlemlenen bu olgu, malzeme aşınması, enerji kaybı ve sistem verimliliğinin düşmesi gibi kritik sonuçlar doğurur.

Kavitasyonun temelinde, sıvının lokal basıncının buhar basıncının altına düşmesiyle ani buharlaşma ve ardından baloncukların yüksek basınç bölgelerinde çökmesi yatar. Gerçekleşen bu dinamik süreç, mikroskobik düzeyde oluşsa da makro ölçekte yıkıcı etkilere sahiptir.

Kavramsal Çerçeve ve Temel Prensipler 

Kavitasyon, sıvı içindeki basıncın buhar basıncının altına düşmesiyle oluşan buhar kabarcıklarının ani çökmesi ve bu süreçte meydana gelen mekanik hasarları ifade eder. Söz konusu fenomen, özellikle hidrolik sistemlerde (pompalar, türbinler, pervane sistemleri) performans kaybına ve malzeme aşınmasına yol açar. 

Basınç-Sıcaklık İlişkisi 

Suyun kaynama noktası, basınçla doğru orantılıdır. Basınç düştüğünde, su düşük sıcaklıklarda buharlaşır. Pervane uçları gibi yüksek hızlı akış bölgelerinde, lokal basınç düşüşleri nedeniyle sıvı aniden buharlaşır ve mikroskobik buhar baloncukları oluşur.

Kavitasyonun Oluşum Mekanizması

Kavitasyon sürecinin başlangıç evresi olan buharlaşma evresinde düşük basınç bölgesinde sıvı buharlaşır ve baloncuklar oluşur. Buharlaşmayı takiben baloncuklar, basıncın yüksek olduğu bölgelere taşındığında aniden çökmeye başlar. Çökme sürecinin ardından mikro jet oluşumu gerçekleşir. Söz konusu evrede çökme sırasında sıvı parçacıkları yüksek hızda (>100 m/s) hareket ederek malzeme yüzeyine çarpar. Nihai olarak mikro jetler, metal yüzeylerde mikro çatlaklara ve zamanla korozyona neden olur. Süreç sonunda pervane yüzeyinde mekanik hasar oluşur.

^{Sırasıyla kavitasyon baloncuklarının mekaniği (Dental Reviews)}

Deneysel Yöntemler ve Analiz

Simülasyon ortamında akışkan dinamiği modellenerek (Computational Fluid Dynamics) basınç dağılımı ve kavitasyon risk bölgeleri saptanır. Ayrıca yüksek hızlı kamera görüntülemesi ile baloncuk davranışları milisaniye düzeyinde kaydedilir.

Kavitasyonun en şiddetli olduğu bölgeler, pervane kanatlarının uçları ve pompa girişleridir. Simüle edilen modellemenin malzeme dayanım testlerinde, alüminyum alaşımların kavitasyon direncinin düşük olduğu gözlemlenmiştir.

^{Bir pompa pervanesinin değişik bölgelerindeki kavitasyon katsayıları (Dlamini, Hashe, Kunene)}

Kavitasyonun Önlenmesine Yönelik Stratejiler

Pervane kanatlarının aerodinamik profilinin iyileştirilmesi ve basınç dalgalanmalarını azaltmak için akış kanallarının genişletilmesi kavitasyon riskini minimize edebilir. Kavitasyona dayanıklı malzemeler (örneğin, titanyum alaşımları veya seramik kaplamalar) kullanılması ve akışkana anti-kavitasyon katkı maddeleri eklenmesi kavitasyon sürecini geciktirebilir. Bu yöntemler malzemenin ömrünü uzatarak ekonomik ve çevresel katkı sağlar.