بخشی از مقاله
چکیده
پیدایش جریان های گردابی از جمله مسائل مهم در مهندسی هیدرولیک و طراحی تأسیسات آبی به شمار می آید. سیستم های آبگیر از جمله مهمترین سازه های آبی می باشند که باید در طراحی آنها اثرات جریان های گردابی مورد بررسی قرار گیرد. ورود هوا، چرخش آب و کاهش راندمان سیستم آبگیر، از جمله مشکلات بهره برداری است که باید در موقع طراحی پیش بینی شود. بنابراین در این مقاله توصیه های فنی و طراحی در سیستم آبگیر نیروگاه سدها جهت جلوگیری از ایجاد گرداب بیان می گردد. در تکمیل آن از نتایج مدل عددی آبگیر نیروگاه اول سد شهید عباسپور استفاده شده است.
کلمات کلیدی: جریان گردابی، آبگیر، طراحی، مدل عددی.
1 مقدمه
زمانی که آبگیر در حال کار می باشد، گرداب در ساختمان آبگیر مشکلات گوناگونی را به وجود می آورد. تشکیل گرداب موجب ایجاد افت در تخلیه جریان می گردد. همچنین این امکان وجود دارد که خرابی های جدی در اجزا و بخش های مکانیکی مربوط به آن رخ دهد. بنابراین طراحی باید به گونه ای باشد که از ایجاد جریان چرخشی جلوگیری کند.[1] همچنین راه حل مناسب جهت تأمین عمق استغراق مناسب و تجهیزات ضدگرداب را پیش بینی کرد. زیرا جریان های گردابی آشفته و حاصل اندرکنش پیچیده ای، بین پارامترهای مختلف می باشند .[2]بنابراین تشکیل گرداب در دهانه آبگیرهای تحت فشار در نیروگاه سدها باعث بروز صدماتی در تأسیسات برق-آبی می شود. از جمله این صدمات کاهش راندمان توربین ها، عملکرد نامناسب آنها، ایجاد ارتعاش و سروصدا و نیز تخریب توربین ها و مجاری انتقال آب و .. . می باشند. لذا دلایل زیادی برای شکل گیری گرداب وجود دارد، از جمله اینکه :
-1 سرعت نزدیک شونده به سمت آبگیر دارای توزیع غیریکنواخت باشد.
-2 جریان نزدیک شونده به سمت آبگیر دارای الگوی نامناسب و نامتقارن باشد.
-3 آبگیر دارای جهتی غیر معمول باشد.
بنابراین اندازه های سازه باید به گونه ای باشد که سبب کاهش یا حذف جریان گردابی شود .[2]
.2 انواع مختلف آبگیر
آبگیرهایی که در مقیاس بزرگ اجرا می شوند معمولاً برای سیستم هایی از قبیل نیروگاه و یا دیگر سازه های هیدرولیکی می باشند. آبگیرها را می توان با دو معیار اصلی جهت آبگیر و چگونگی بنای آبگیر تقسیم بندی کرد. این طبقه بندی بر این نکته توجه دارد که جریان های مختلفی که وارد آبگیر می شوند، همراه با شکل گیری گرداب می باشند. در نتیجه در طراحی باید عمق استغراق بحرانی را در آبگیر مورد نظر پیش بینی کرد. لذا از آنجایی که طراحی آبگیرها وابسته به کاربرد هیدرولیکی آنها ، توپوگرافی و عوامل دیگر است. تاکنون هزاران طرح مختلف از آبگیرها ساخته شده است .[3]
.3 پارامترهای مهم در طراحی
معادله ای با استفاده از اعداد بدون بُعد، برای جریان های گردابی پیشنهاد شده اند. این معادله اجازه می دهد تا پارامترهای اصلی تعیین کننده وقوع گرداب را مشخص کرد. لذا پارامترهای بدون بعد زیر قابل استفاده می باشند :
در این روابط = N عدد چرخندگی، = Fr عدد فرود استغراق، = Re عدد رینولدز چرخشی، = We عدد وبر، = h / d عمق استغراق نسبی آبگیر، = V سرعت متوسط جریان در داخل آبگیر به قطر d، = چرخندگی در بالای آبگیر، = g شتاب جاذبه، = Q بده آبگیر، = چگالی آب، = h عمق غوطه وری آبگیر، = d قطر آبگیر، = کشش سطحی آب، = لزجت آب می باشند .[4]اندازه هایی که برای جلوگیری از وقوع گرداب در سازه های آبگیر در نظر گرفته می شوند باید با توجه به این پارامترها تعیین گردند. عمق استغراق، هندسه آبگیر، بده جریان و کاهش پارامتر چرخندگی، می تواند اثر مثبتی بر روی طراحی آبگیرها داشته باشد . [4]
.4 دستور العمل های طراحی
برای طراحی سازه های آبگیر با گرداب آزاد باید به نکات زیر توجه داشت :
-1 شرایط جریان ورودی به آبگیر - هندسه مخزن - . -2 ابعاد و هندسه آبگیر.
-3 عمق آب موجود بر روی دهانه آبگیر.
-4 سرعت جریان در دهانه آبگیر یا مقدار بده جریان.
توجه به این موارد باعث کاهش هزینه ها در مراحل مقدماتی طراحی و جلوگیری از مشکلات ناشی از آن می شود. مطلب دیگر در ارتباط با هندسه آبگیر است . هندسه آبگیر به وسیله مقطع عرضی سطح - تعیین کننده سرعت - و شکل خطوط جریان - حذف کردن گرداب - بر چرخش اثر دارد. شرایط مرتبط با توپوگرافی و خود توپوگرافی ممکن است از موقعیت های جریان نامتقارن جلوگیری کنند .[2]این موقعیت های جریان می تواند منشاء اولیه شکل گیری گرداب باشند. اگر این نکات در طراحی به هر صورت بهینه استفاده شوند، می توانند باعث حذف یا جلوگیری از گرداب سطحی شوند. روش های زیر در حذف گرداب امکان پذیر می باشند :
.1-4 برقراری تداوم خط جریان بین دهانه آبگیر و سطح آزاد آب به صورت های زیر:
-1 بالا بردن تراز حداقل آب، که به معنای عمق استغراق بیشتر است.
-2 پایین بردن تراز سازه آبگیر می باشد.
-3 تغییر دادن جهت جریان نزدیک شونده به سمت آبگیر می باشد.
.2-4 حذف جریان تقربی غیر یکنواخت
به صورت های زیر قابل اجرا می باشد :
-1 ایجاد توزیع یکنواخت سرعت به وسیله اجزای مناسب.
-2 ایجاد بخش های اضافی جهت هدایت جریان به طرف آبگیر.
-3 حذف جریان ثانویه و وضعیت های مرزی نامتقارن به وسیله تزریق کننده ها.
-4 مقاوم کردن پایه ها در مقابل جریان آب.
-5 تغییر مقطع عرضی سطح در آبگیر.
-6 بستن جزئی دریچه ها.
-7 کاهش شتاب نزدیک شونده.
.3-4 ابزارهای مخصوص جلوگیری از گرداب
-1 استفاده از دیواره های عمودی یا صفحات افقی ضدگرداب بر پیشانی آبگیر می باشد.
-2 قرار دادن سقف شناور در محل هایی که گرداب ها قوی هستند.
-3 افزایش شیب قسمت های اطراف آبگیر می باشد.
البته آبگیرها بسیار متنوع هستند و جز با مطالعات دقیق و موردی نمی توان راه های مناسب برای از بین بردن گرداب پیشنهاد داد. همچنین در مواردی که جریان گردابی پیچیده باشد، بهترین راه، استفاده از مدل عددی و بررسی امکان احداث ابزار ضدگرداب می باشد. زیرا بررسی و تحلیل مدل عددی امکان نتیجه گیری بهتر و پیش بینی صحیح تر را خواهد داد .[5]
.5 اصلاح در طرح های انجام شده
انجام اصلاحات طراحی روی یک آبگیر ساخته شده و در حال بهره برداری به وسیله یک مدل عددی برای رسیدن به راه حل مناسب، امکان پذیر است. بنابراین قبل از ترسیم مدل باید در طول تحلیل آن، تمام راه های ایجاد یا کاهش گرداب مورد مطالعه قرار گیرند. اگر چه انجام چنین اقداماتی برای آبگیرهای واقعی ساخته شده مشکل و یا غیرممکن می نماید. اما در عین حال امکان اصلاحاتی هم در الگو وجود دارند که عبارتند از :
-1 بالا بردن حداقل سطح آب.
-2 کاهش تخلیه آبگیر با بستن قسمتی از دریچه در شرایط بحرانی.
-3 اصلاح محیط اطراف.
-4 نصب شناور در ناحیه هسته گرداب جهت کاهش جریان چرخشی یا جلوگیری از ورود هوا همراه گرداب .[6]
.6 نمونه هایی از طرح های ضدگرداب
برای نمونه به ذکر طرح فنی چند شکل از طرح های مختلف مهندسی در این مورد می پردازیم. این طرح ها راهکارهای مناسب ضدگرداب بر روی آبگیرهای افقی را ارائه می دهندضمناً. دربرگیرنده جریان های سرعتی ایجاد کننده گرداب هستند، مانند طرح هایی که برای گرداب در آبگیرهای نیروگاهی با جریان افقی به کار می روند .[2] از شکل - 1 - به عنوان شکل معرف علامت ها می توان استفاده کرد. که در این شکل علامت ها ی معرف عبارتند از :
