بخشی از مقاله
چکیده - برای طراحی سازهها و ماشینهای هیدرولیکی، برآورد چگالی و گرانروی امری ضروری است که هردوی آنها تابع شرایط فیزیکی سیال ازجمله دما و مجموع مواد محلول جامد - TDS - و همچنین شرایط شیمیایی این مواد محلول
ازجمله خواص یونی این ذرات میباشد. در طراحی سازه های هیدرولیکی بزرگ همچون سدها به دلیل ضرایب ایمنی بزرگی که در طراحی آنها به کار میرود، این تغییر در تنشها و نیروهای داخلی ناشی از خواص فیزیکی و شیمیایی سیال قابلچشمپوشی است ولی در برخی موارد همچون ماشین های دوار هیدرولیکی این تغییر در خواص سیال به دلیل نزدیکی تنش طراحی به تنش ماکسیمم، بسیار مهم است. برای انجام یک برآورد دقیق نیازمند این هستیم که تاثیر خواص فیزیکی و شیمیایی سیال را درنظر بگیریم که این امر با محاسبه ضریب تبدیل ویژگی های سیال از حالت استاندارد آزمایشگاهی به شرایط بهره برداری سازه هیدرولیکی عملی است.
کلید واژه- به سازههای هیدرولیک، TDS، چگالی معادل
-1 مقدمه
محاسبات در سازه های هیدرولیکی بر مبنای استانداردان ازنظر دما و چگالی انجام می شود . در این مقاله برانیم تا رابطه میان ناخالصی آب - TDS - ، دما ، چگالی آب و تنش در سازه هیدرولیکی و اینکه چطور تغییر در این پارامترها میتواند برآوردهای ما را در محاسبات دستخوش تغییر کند، بررسی کنیم. درنهایت با یک مطالعه موردی درصدد روشن کردن دلیل علمی لغو گارانتی توربین های سد گتوند توسط شرکت فرانسیس هستیم. سد گتوند با 185 متر ارتفاع و مخزن 4/5 میلیارد مترمکعبی یکی از بزرگ ترین سدهای خاکی ایران و جهان است . این سد علی رغم هشدار کارشناسان در نزدیکی یک سازند بزرگ نمکی بر روی رود کارون ساخته شد. برای جلوگیری از انحلال این سازند بزرگ نمکی در دریاچه مخزن سد، تدابیری همچون بهره گیری از دیوار آب بند و پتوی رسی مورد انجام قرار گرفت. با شکست این تدابیر یکی از بزرگ ترین تراژدی های محیط زیستی کشور رخ داد. برای طراحی ماشین های دوار سد گتوند شرکت مشاور حداکثر شوری 375 میکروموس را جهت مبنای طراحی این ماشین ها به شرکت فرانسیس اعلام می نماید. با شکست تدابیر کنترلی سازند نمکی، شوری آب در دهانه ورودی به توربین ها و پمپ های به بیش از 2200 میکروموس و در عمق مخزن سد به رقم 300 گرم بر کیلوگرم افزایش یافت که 10 بار شورتر از آب اقیانوس هاست. با در نظر گرفتن حرکت چرخشی آب در راستای گرانش در مخزن سد که منجر به شورتر شدن آب در لایه های بالایی و در محل خروجی سد و بحرانی تر شدن شرایط می شود، اینک به برآورد تأثیر این رخ داد بر ماشین های دوار، میپردازیم.
پمپهای گریز از مرکز بهصورت وسیع برای انتقال سیالات در بخشهایی ازجمله کشاورزی، صنایع نفت، آب و فاضلاب و غیره مورداستفاده قرار میگیرند و محدوده این پمپها از بار کامل تا نزدیک دبی صفر است. بهمنظور توسعه یک دستگاه قابلاعتماد برای این محدوده کارکرد، باید رفتار جریان در کل پمپ پیشبینی شود. این امر مستلزم آنالیز جریان بسیار پیچیده جریان آشفته با هندسه سهبعدی در حالت طبیعی است.
تجزیهوتحلیل جریان از طریق آزمایشگاه و تست بسیار زمانبر و پرهزینه است، به همین دلیل امروزه دینامیک سیالات محاسباتی بهعنوان یک تکنیک تجزیهوتحلیل جریان برای صرفهجویی در زمان و هزینه است. با استفاده از کد دینامیک سیالات محاسباتی میتوان کارایی سیستم و همچنین رفتار واقعی سیال را مشاهده کرد. بسیاری از محققین از دینامیک سیالات محاسباتی بهعنوان شبیهسازی عددی پمپهای گریز از مرکز استفاده میکنند.
پتال و راماکریشنان آنالیز دینامیک سیالات محاسباتی را برای پمپ مخلوطکن با سرعت مخصوص 46 و در نقطه کار پمپ انجام دادهاند.[1] موقلی و همکاران در سال 1997 معادلات ناویر استوکس را با مدل آشفتگی k‐e برای تحلیل دینامیکی سیال در پمپهای فشارقوی انجام دادهاند.[2] مدویتر و همکاران در سال 2002 از روش دینامیک سیالات محاسباتی چند فازی برای تجزیهوتحلیل کارکرد پمپ گریز از مرکز تحت شرایط کاویتاسیون استفاده کردهاند .آنها از دوفازی هموژنیوس معادلات میانگین رینولدز استفاده کردهاند.که در آن حرکت ترکیبی و معادلات پیوستگی حجم همراه با کسر حجمی بخار حلشده است.[3]
-2 دینامیک سیالات محاسباتی
جریان در پمپ محوری بهصورت پایا، سهبعدی و آشفته در نظر گرفته می شود. معادلات بهصورت بقای جرم، میانگین رینولدز- ناویر استوکس - RANS - و مدل آشفتگی k-e است فرض میشود که جریان تراکم ناپذیر است لذا قانون بقای جرم در مختصات کارتزین بهصورت زیر است.
در معادله فوق چگالی، سرعت میانگین و مختصات مکان در جهت j است. استخراج معادلات میانگین رینولدز بر مبنای تجزیه رینولدز برای معادلات ناویر استوکس بهکاربرده میشود. و برای سیالات تراکم ناپذیر بهصورت معادله زیر بیان میشود - - .[4]
در رابطه فوق A ترم پخش برای جریانهای آرام و آشفته است که بهصورت معادله زیر است
P فشار، Fi منابع اضافی ممنتوم است.
ازآنجاکه معادلات حرکت در یک چارچوب مرجع نسبی مرتبط با پرههای دورانی، نیروهای کریولیس و نیروهای گریز از مرکز قرار دارد بنابراین ترم اضافی مومنتوم بهصورت زیر بیان میشود.
که در معادلات فوق سرعت دورانی، تانسور مرتبه سوم لوی- سیوستا است.
-1-2 مدل آشفتگی
برای حل معادلات ناویر استوکس و ترمهای آشفتگی موجود در این معادله، نیاز به معادلات آشفتگی نیز است مدلهای مختلفی برای حل ترمهای آشفتگی در معادلات ناویر استوکس وجود دارد که در کار حاضر از مدل آشفتگی استفادهشده است این مدل از دو معادله انتقالی برای پارامترهای آشفتگی k و
استفاده میکند .مدل بر مبنای انرژی جنبشی مخصوص k و نرخ پراکندگی نوسان آشفتگی است. معادلات انتقالی این مدل بهصورت معادلات زیر بیان میشوند.
که در معادلات فوق:
-2-2 معادلات تغییرات چگالی برحسب دما و TDS
برای رابطه میان مواد جامد محلول در سیال و دما با چگالی سیال در این محاسبات از روش McCutcheon 1993 بهرهگیری شده است.[5]
در معادله فوق - - چگالی تابعی از دما، - - چگالی معادل می باشد که تابعی از دما و شوری است و S میزان شوری آب برحسب g/kg میباشد.
