بخشی از مقاله
خلاصه
اندازه گیری دبی از لحاظ مدیریت شبکه، تأکید آیین نامه ها بر این اندازه گیری ها و جنبه های اقتصادی دارای اهمیت می باشد. انتخاب مقطع ها برای انجام این اندازه گیری ها بسیار مهم بوده و کارایی ابزارهای موجود به شرایط هیدرولیکی وابسته است. در شبکه های فاضلاب وجود انحراف امری اجتناب ناپذیر است. وجود انحراف منجر به تغییر قابل ملاحظه ای در توزیع سرعت محوری می شود. در این مقاله با استفاده از نرم افزار عددی ANSYS CFX به شبیه سازی سه بعدی کانال انحراف دار پرداخته و به مطالعه تأثیر زاویه انحراف بر خطای اندازه گیری سرعت و پیامدهای آن در اندازه گیری جریان با تکیه بر سنسور های سرعت در شبکه های فاضلاب پرداخته شده است.
کلمات کلیدی: دینامیک سیالات محاسباتی، انحراف، اندازه گیری سرعت متوسط، ضریب کالیبراسیون
-1 مقدمه
طبق آیین نامه ها، صنعت جمع آوری فاضلاب، مانند هر فرایند صنعتی دیگری، نیاز به ابزارهایی جهت کنترل لحظه ای دبی و ارزیابی عملکرد شبکه دارد. انتخاب یک مقطع اندازه گیری کار مشکلی است چرا که هم شرایط هیدرولیکی و هم ضوابط اجرایی را باید در آن لحاظ کرد. این عوامل شامل قابلیت دسترسی، امنیت، تجهیزات و شبکه های ارتباطی و... است. پارامترهای ذکر شده، تأثیر چشمگیری بر روی انتخاب محل مناسب نصب تجهیزات اندازه گیری دارند. از دیدگاه کمیتی - مترولوژی - تضمین میزان دقت اندازه گیری، یعنی ارزیابی منطقی و محدود کردن عواملی که ضریب اطمینان را کاهش می دهند، امری ضروری است.
اندازه گیری دبی در شبکه های فاضلاب از روش های غیر مستقیم میسر می گرددمبحث. اندازه گیری جریان در کانال های فاضلاب معمولاً شامل اندازه گیری سرعت است که فن آوری های مختلفی در این زمینه موجود است. این روش ها دبی را از معادله پیوستگی و به صورت حاصلضرب سرعت متوسط در سطح مقطع مرطوب .A محاسبه می کنند. سطح مقطع را با اندازه گیری ارتفاع سطح آزاد و اطلاعات دقیق هندسی محاسبه کرده و برای اندازه گیری سرعت متوسط از سنسور های سرعت استفاده می شود. تعیین سرعت متوسط نیاز به دانش ویژه ای دارد. سازندگان سنسورها، ادعا می کنند که محصول آنها در هر مکانی، بدون در نظر گرفتن شرایط مرزی قابل استفاده است. ولی بر خلاف این ادعا، با پارامترهای ساده ی خطاهای نصب مواجه می شوند. تعیین سایت اندازه گیری نیاز به دانش تخصصی از فن آوری استفاده شده و ملاحظاتی خاص دارد. در محل هایی که از نظر شرایط هیدرولیکی نامناسب اند، فرض اولیه برای اینکه سرعت اندازه گیری شده محلی معرف سرعت متوسط کل مقطع باشد دچار مشکل می شود. به طور مثال انحراف مسیر کانال می تواند تا طول قابل توجهی پس از آن بر غیر همگن بودن جریان تأثیر گذار باشد، در چنین شرایطی، سرعت اندازه گیری شده متفاوت از سرعت متوسط کل مقطع می باشد. بنابر این باید به سرعت متوسط برای اینکه معرف سرعت متوسط کل مقطع باشد توجه ویژه نمود.
در شبکه های فاضلاب به دلیل توپوگرافی منطقه، اهداف پروژه، شرایط زمین و... ناگذیر به انحراف مسیر کانال هستیم. ویژگی های جریان در انحراف به پارامترهایی مانند شکل، اندازه و انحراف از محور جریان در پلان وابسته است. وجود انحراف در مسیر باعث می شود تا جریانی متفاوت با آنچه که در کانال های مستقیم اتفاق می افتد، بوجود آید. پیامد عمده تغییر راستای جریان، ظهور جریان عرضی است، این پدیده منجر به تغییر قابل ملاحظه ای در توزیع سرعت محوری می شود که در امتداد کانال پایین دست ادامه می یابد. سنسورهای سرعت حجم محدودی از جریان را با فرض برابری سرعت اندازه گیری شده با سرعت متوسط بررسی می کنند. به دلیل حساسیت آنها به توزیع سرعت، برای ارزیابی درست سرعت متوسط پس از انحراف، نیازمند استفاده از ضریب اصلاحی هستیم و ضریب اصلاحی را از فرمول - 1 - محاسبه می کنیم.
که Umean سرعت متوسط کانال و U سرعت در حجم بررسی شده توسط سنسور است. بنابراین دبی از فرمول - 2 - محاسبه می شود.
در عمل سرعت سنج ها با استفاده از سرعت اندازه گیری شده توسط کالیبراسیون های میدانیمعمولاً - با شرایط آب و هوایی خشک - ، کالیبره می شوند و با توجه به حساسیت ضریب کالیبراسیون به تغییرات عمق، یک خطای سیستماتیک به اندازه گیری جریان معرفی می کنند. دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - می تواند ابزار مناسبی برای انتخاب دقیق تر و بهتر محل اندازه گیری دبی جریان و محاسبه ضریب کالیبراسیون باشد. Ernst, Hilgenstock، تأثیر توزیع جریان را بر فلومترهای اولتراسونیک مختلف توسط نرم افزار CFD به طور عددی بررسی کردند .>1@ با CFD می توان فلومترها را به صورت عددی و تحت شرایط مختلف کالیبره کرد. Larrarte و همکاران >2@، Hrabak و همکاران >3@، Pollert و >4@ Bares، بر اساس نتایج حاصله از نرم افزار CFD فلومتری را که در فاضلاب استفاده می شد را کالیبره کردند. در این مقاله ابتدا با استفاده از نرم افزار عددی ICEM به مدل سازی سه بعدی کانال انحراف دار پرداخته و سپس مدل مورد نظر با استفاده از کد عددی ANSYS CFX شبیه سازی شده و معادلات حاکم بر جریان حل می شوند و با استفاده از داده های عددی بدست آمده به مطالعه تأثیر زاویه انحراف بر خطای اندازه گیری سرعت و پیامدهای آن در اندازه گیری جریان با تکیه بر سنسور های سرعت در شبکه های فاضلاب پرداخته شده است. هدف اصلی این مقاله بدست آوردن یک طول مناسب جهت نصب سنسورهای اندازه گیری سرعت است، تا نتایج دقیقی برای مقادیر اندازه گیری شده بدست آید. همچنین در این مقاله به محاسبه ضریب کالیبراسیون برای عمق های مختلف آب پس از انحراف مسیر کانال پرداخته شده است.
-2 مطالعات عددی
نرم افزار عددی ANSYS CFX برای حل سه بعدی معادلات حاکم بر جریان استفاده شده است. که شامل روش حجم محدود با مش های منشوری است. معادلات حاکم بر جریان در کانال های روباز، در حالت کلی معادلات ناویر استوکس می باشد که شامل معادلات پیوستگی و مومنتم است:
الف - معادلات اندازه حرکت برای سیال آشفته تراکم ناپذیر:
شبیه سازی برای لوله دایره ای با قطر 1/5 متر و عمق آب های مختلف و مقادیر زاویه انحراف 10 - ، 30 و 45 درجه - انجام شده است. شرایط مرزی شامل ورودی، خروجی، دیواره ی بدون شیب و شرایط مرزی سطح آزاد است. در ورودی، سرعت یکنواخت U و عمق آب h مشخص شده است و طول کافی فراهم شده در بالا دست انحرافیک پروفیل سرعت کاملاً توسعه یافته را نتیجه می دهد. در خروجی، متوسط فشار استاتیکی نسبی در تمام مرز خروجی برابر با صفر نگه داشته شده است. در دیواره های جامد، شرایط بدون شیب با زبری 2 میلیمتر اعمال شده است. در ناحیه ی نزدیک دیواره، روش عملکرد استاندارد دیواره پیشنهاد شده توسط - Launder et spalding - در سال 1974، استفاده شده است.>5@ این بدان معناست که مؤلفه سرعت در دیواره ها برابر با صفر است.جریان زیر بحرانی است و تغییر در ارتفاع سطح آزاد نسبتاً کوچک است. برای این گونه مسائل، تخمین دیواره صلب رویکرد اولیه خوبی است Lai - و همکاران در سال .>6@ - 2003 در نتیجه به منظور حفظ زمان محاسباتی سازگار با مطالعات انجام شده، سطح آزاد به عنوان یک دیواره صلب مدل شده است. تا زمانی که جریان توسعه یافته نیست جریان های ثانویه از نوع اول Prandlt غالب است و پدیده دیپ رخ نمی دهد. این شبیه سازی ترم تلفات نزدیک سطح آزاد و پدیده دیپ - Dip phenomenon - را پیش بینی نمی کند.
-3 نتایج
Bertrand- krajewski و همکاران در سال2000، فاصله حداقل 20 برابر قطر لوله را برای نصب تجهیزات اندازه گیری سرعت پیشنهاد می کند.>7@ شکل - - 1 تأثیر فاصله از انحراف در پایین دست انحراف 45 درجه و h/D=0.6 را نشان می دهد، که D معرف قطر لوله و برابر 1/5 متر می باشد و B عرض سطح آزاد است. با ورود جریان به انحراف در اثر اعمال نیروی سانتریفیوژ و اندرکنش آن با سایر نیروهای حاکم بر میدان، جریان ثانویه ایجاد شده و باعث باز توزیع مومنتم طولی جریان در جهت عرضی مقطع می شود. در نتیجه تأثیر چشمگیری بر توزیع سرعت محوری می گذارد. بنابرابسیناری از اندازه گیری ها تقریباً منحصراً از درون ناحیه کاملاً توسعه یافته جریان انجام می شوند. این منطقه در پایین دست انحراف است که رفتار ناحیه ی جریان ثابت است. همانطور که در شکل مشاهده می شود، پس از انحراف و تا دوباره توسعه یافتگی جریان، توزیع سرعت متقارن نمی باشد و سرعت ماکزیمم، Umax ، به سمت دیواره خارجی انحراف منتقل شده است. همانطور که در شکل - -1 ب - مشاهده می شود در x / B 10 ، سرعت ماکزیمم در زیر سطح آزاد تشکیل شده است، و این به دلیل جریان ثانویه نوع اول Prandlt و تأثیر عمق آب بالا، پس از انحراف است. پس از انحراف و در x / B 75 ، شکل -1 - ح - ، جریان حالت توسعه یافته خود را باز یافته است و توزیع سرعت در مقطع عرضی متقارن می شود.
