بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به جایگاه مجاری بستهی تحت فشار در انتقال آب به نیروگاههای آبی جهت تولید انرژی الکتریکی، تأمین آب شرب، کشاورزی و غیره، بهرهبرداری از سیستم تحت فشار در بیشترین راندمان و در زمان عمر مفید آن از اهمیت زیادی برخوردار است. از مشکلات ایجاد شده در زمان آبگیری و انتقال آب، ورود مقادیر قابل ملاحظهای از هوا به همراه آب در مجرا میباشد. اختلاط آب عبوری از مجرا و جریان هوای اطراف آن، جریان دو فازی آب و هوا را بوجود میآورد.
در طول مسیر لوله آبرسانی، ممکن است اتصالاتی نظیر تبدیلهای گشاد شونده و تنگ شونده یا زانو تعبیه شوند که تغییر سطح مقطع، آشفتگی و نوسانات فشار جریان در محل تبدیل، زانو و حتی در بالادست و پاییندست آن را در پی خواهد داشت. از آنجا که ورود هوا و شکلگیری تودههای هوا در مجاری بسته باعث برهم زدن نظم جریان و نیز کاویتاسیون میشود، یکی از دلایل کاهش راندمان و عمر مفید سیستم انتقال آب است.
به دلیل اهمیت این موضوع، در این مقاله با مطالعه تحقیقات صورت گرفته، به بررسی کنترل پدیدهی ورود هوا در مجاری بسته پرداخته شده است. نتایج ارائه شده، نحوه ارتباط بین شکلگیری و انتقال حبابهای هوا در مجاری بسته با شکل هندسی متفاوت را نشان می دهد. پرش هیدرولیکی نیز باعث تشکیل هر چه بیشتر حبابهای کوچک هوا در مجرا میشود که بر حجم و جابجایی تودهی هوا نقش بسزایی دارد.
کلمات کلیدی: انتقال آب، جریان دو فازی، تودههای هوا، کاویتاسیون
مقدمه
مسئلهی افزایش جمعیت و نیاز روز افزون انتقال آب از مخازن به محل مصرف، به منظور تولید برق، تأمین آب آشامیدنی، کشاورزی و مصارف صنعتی و همچنین تأثیر دسترسی به آب بر پیدایش جامعه، نحوهی انتقال و مهاجرت جمعیت، بسیار حائز اهمیت بوده و امنیت اجتماعی و اقتصادی، فرهنگی، سیاسی را تحت تسلط خود قرار داده است. از این رو جهت انتقال آب از مخازن به مصرفکنندهها، مجاری بستهی تحت فشار، تعبیه شده است.
رسوب، امواج سطحی و گردابها تأثیر منفی بر عملکرد این سیستم داشته و موجب کاهش راندمان آبگیری و در نتیجه اختلال در سیستم انتقال آب میشود. از جمله مشکلاتی که گریبانگیر سیستم انتقال تحت فشار شده است، ورود هوا و شکلگیری توده هوا میباشد که این امر میتواند ناشی از شکل هندسی لوله، عدم استغراق کافی مجاری بسته، نشتی در مجاری، باز شدگی ناگهانی دریچه، عوامل هیدرولیکی، تغییرات دمای جریان، پرش هیدرولیکی و شکلگیری گرداب باشد.
معتقد است هوا به دو روش وارد جریان میشود یک روش از طریق پرش هیدرولیکی و ورود جت به آب و روش دوم آشفتگی جریان در نزدیکی سطح آب میباشد که روش دوم در اثر خروج حجم زیاد آب با سطح آزاد، از مجرایی با قطر کم که تشکیل گرداب با هسته هوا و ورود هوا به سیستم تحت فشار را در پی خواهد داشت . طی تشکیل گرداب و ورود هوا به درون مجاری بسته، ارتعاش سازه و به موجب آن کاهش عمر مفید سازهها رخ میدهد. همینطور کاهش میزان دبی آبگیری در اثر ورود هوا به مجرا، باعث شد تا کنترل این پدیده امری ضروری شناخته شود. به دلیل اهمیت این موضوع، در این مقاله با مطالعه تحقیقات صورت گرفته توسط به بررسی کنترل پدیدهی ورود هوا در مجاری بسته پرداخته شده است.
طبق تقسیم بندی پیشنهادی الگوی جریان در مجاری بستهی تحت فشار، در چند دسته طبقهبندی شد. تشکیل حباب هوا در جریان آب، تجمع حباب های هوا و تشکیل توده هوا، تودههای هوا در طول لوله منبسط شده و جریان آرام برقرار است. تشکیل موج و افزایش آشفتگی جریان، تشکیل جریان غلطان و ضربه قوچی که موجب کاهش کارایی سیستم هیدرولیکی میشود. در شکلگیری جریان حلقوی و افزایش میزان انسداد جریان آب در لوله و در ریزش جریان و کاویتاسیون رخ میدهد.کاویتاسیون در مجاری بستهی تحت فشار، سرعت جریان را کاهش داده و موجب افت بالای جریان میشود.
الگوی جریان در خطوط لولهی افقی
ورود هوا و شکلگیری تودههای هوا در خطوط لوله، موجب کاهش راندمان سیستم انتقال آب میشود. بین لایهی مرزی حبابها و جریان آب، تنش برشی رخ میدهد و در نتیجه جدایی جریان اتفاق میافتد که به دنبال آن شاهد شکلگیری دنباله و ریزش گرداب در پشت توده هوا خواهیم بود. گردابهای نعلاسبی ایجاد شده در بالادست تودههای هوا و ناپایداری مکانی این توده-ها همچنین امکان پسزدگی جریان، همه نمایانگر تأثیرات منفی ورود هوا به جریان آب میباشند که در صورت عدم کنترل ورود هوا و تشکیل تودهی هوا، در پی جابجایی و خروج این تودهی هوا، شاهد تخریب کاویتاسیون در خروجی مجرا شده و منجر به ارتعاش سازه، کاهش ظرفیت آبگیری و پسزدگی جریان میشود.
پدیدهی پسزدگی زمانیکه توده هوا در مجاری بسته برخلاف جهت جریان حرکت کند، اتفاق میافتد . در اثر پسزدگی جریان بوسیلهی تودهها، شبکه آشغالگیر سد Dillon تخریب شد .در این تحقیق سعی شد ابتدا به شناخت الگوی جریان با حضور تودهی هوا در مجاری تحت فشار و روابط حاکم بر آن پرداخته و سپس به مرور مطالعات انجام شده در زمینه تاثیر عوامل هندسی و هیدرولیکی بر ورود هوا در مجاری تحت فشار پرداخته شود.
تأثیر ورود هوا بر کارایی مجاری بستهی تحت فشار
ورود هوا به درون آب باعث ایجاد مشکلاتی در سیستم آبیاری و زهکشی سرریز نیلوفری و مجاری بستهی تحت فشار میشود. ورود هوا به درون لوله، باعث افزایش افت تراز آبگیری میشود. در پی افت تراز آب و کاهش سطح مقطع لوله، به مرور زمان ترک خوردگی و شکستگی لوله رخ میدهد و خسارات جدی به سیستم انتقال آب وارد میشود. به هر حال میزان هوای استاندارد محلول در آب تا %2 میباشد.که در اثر افت فشار و دمای بالا به شکل حبابهایی در جریان آب موجود در سیستم تحت فشار، نمایان میشود.
همینطور میزان هوای ورودی که از راه پمپاژ به سیستم انتقال آب تحت فشار وارد میشود، به میزان %5 تا %10 دبی آب آبگیری تخمین زده شد . در اثر افت فشار ناشی از افت تراز آب در لولهها، هوا در نقاط مرتفع خطوط لوله جا گرفته، حبابهای هوا با هم ترکیب شده، در نتیجه تودهی هوا شکل می-گیرد. این توده میتواند خطرات جدی بر عملکرد و کارایی سیستم انتقال آب بر جای گذارد که در صورت عدم کنترل، ارتعاش و ضربه قوچی در لوله رخ داده، منجر به شکستگی و خوردگی لوله میشود. ضربه قوچی در اثر فعل و انفعال بین حباب هوا و افزایش ناگهانی تراز سطح آب، تولید میشود و خسارات جدی را به تجهیزات سیستم تحت فشار وارد میکند.
نوسانات فشار با حضور تودهی هوا در مجاری بستهی تحت فشار
طی تحقیقی با استفاده از روش عددی به شبیه سازی تأثیر نوسان فشار در حباب هوا و مخلوط همگن آب و هوا پرداخت. نتایج نشان میدهند نوسان فشار با افزایش حجم تودهی هوا در مجاری بسته به شکل قابل توجهی افزایش مییابد.زمانیکه فشار در لوله پایینتر از فشار اتمسفر باشد، هوا از طریق اتصالات لوله و دریچهها وارد جریان آب میشود طبق گفتهی زمانیکه بر حجم تودهیهای هوا در لوله اضافه شود، نوسانات فشار افزایش مییابد.نیز اعلام داشت اگر باشد، تودهی هوا به پاییندست مجاری منتقل میشود. دبی جریان ، شتاب گرانشی ، قطر لوله، شیب لوله میباشد. تودهی هوا در مجاری بسته، در اثر اعمال فشار بالای ناشی از جریان آب گرفتار میشود .گرفتار شدن هوا در مجرا میتواند بدلیل نوسانات فشار جریان رخ دهد.
