بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
رفتار هيدروليکي - مکانيکي - حرارتي محيط هاي متخلخل غيراشباع
چکيده
سطح مشترک بين دو سيال مخلوط نشدني مانندآب و هوا درمحيط غيراشباع خاک به گونه اي عمل مي نمايد که گويي تحت کشش يکساني قرار گرفته است . اما اختلاف فشاري در طول منحني سطح مشترک دو سيال مخلوط نشدني وجود دارد که م توان آن را به کشش سطحي و شعاع انحناي غشاي انعطا پذيرآن ها نسبت داد. ازمشخصات پروفيل پل - موئينه اي مايع در بين ذرات جامد به عنوان يک مدل فيزيکي در جذب سطحي ترموديناميکي استفاده مي شود. دراين تحقيق ازيک مدل فيزيکي براي تعادل پل مايع که تأثيرتماس ذرات درآن بررسي شد، استفاده شده است . هدف اين تحقيق فرموله نمودن يک مدل فيزيکي براي مطالعه نظري اين مسئله به لحاظ انتقال جرم و حرارت مي باشد. به ازاي مقادير درصد اشباع پايين درمحيط هاي متخلخل غيراشباع دانه ا ، جريان مايع اساسا به صورت بخار صورت مگيرد.
رطوبت هوا و نسبت تعادل آن بامکش مايع يکي ديگر ازمهمترين اثرات اجزاي محي متخلخل دانه اي غيراشباع مي باشد.
درمحيط هاي متخلخ دانه ا ، خشک ومرطوب شدن ذرات باتغييرات دما همراه است . جهت خشک و اشباع نمودن يک نمونه خاک به ترتيب از زهکشي و نفوذآب در خاک استفاده مي شود. اما اگر در حين عمل خشک و اشبا کردن خاک کنترل دماي بخار صور گيرد، چنانچه اين دماقابل اندازه گيري باشد،ممکن است رطوبت غير هم دما درمراحل مرطوب و خشک نمودن خاک قابل توجه باشد. نتايج مدل نشان داد که تغييرات مکش درمراحل مرطوب و خشک شدن درفرايندهاي اشباع و غيراشبا کردن در محي ها متخلخل مختل ،يکسان نمي باشد. همچنين تغييرات دما دريک محيط متخلخل غيراشبا ، از طريق تغييرات فاز ناشي ازتغيير درجه اشباع قابل محاسبه مي باشد، در صورتي که اين تغييرات به سادگي قابل اندازگيري نمي باشد.
واژه هاي کليدي :پل موئينه ا ،محيط متخلخ ،مدل فيزيک ،محيط غيراشباع
مقدمه
فصل مشترک دو سيال مخلوط نشدني دريک محيط متخلخل غير اشباع دريک حالت کشش يکنواخت قرار دارد. اختلاف فشار در طرفين اين فصل مشترک را متوان به شعاع هاي انحناي آن وکشش سطحي ارتباط داد. نيمرخ مشخصه يک پل موئينه اي مايع بين دو کره صلب در غياب تأثير نيروي ثقل متواند به صورت يک مدل فيزيکي درترموديناميک جذب مورد لحاظ قرار گيرد.آگاهي از نقش موئينگي در کنترل رفتار محيط هاي متخلخل دانه اي خيس از اهميت فني قابل ملاحظه اي برخوردار است [١]. بعضي از کاربردهاي آن شامل رفتار جريان و مقاومت کششي مواد دانه اي و نگهداريرطوبت در محيط ها ي متخلخل ميباشد.تحليل اوليه پل موئينه اي مايع بين دو ذره کروي همسان در ١٩٢٦ ارائه شد که درآن مقطع فصل مشترک هوا-آب به عنوان بخشي ازيک دايره وزاويه تماس صفرفرض گرديد [٢].محققين متعددي اثرپل موئينه ايمايع را برروي نيروي بين ذرا ت کروي صلب مورد مطالعه قرار داده اند [٣]. در اين مقاله تعادل بين اين ذرا ت و نيروي بين دانه اي به عنوان تابعي از مکش موئينه اي بررسي ميشود. به دليل اثر بخارآب فاز هوا بر خيس شدگي . خشک شدگي محيط متخلخل ، رابطه کلوين بين فازهايآب و بخارآب مورد مطالعه قرار ميگيرد. در نهايت ،تغيير درجه حرار ت درتغييرفاز به علت تبخيرياتقطير ارزيابيم گردد.
فصل مشترک هوا -آب
وقتي که دو سيال مخلوط نشدني درتماس بايکديگر باشند،آنها به وسيله يک فصل مشترک از هم جدا مي شوند.فصل مشترک بين هوا وآب دريک محيط متخلخل غير اشباع دريک حالت کشش يکنواخت بايک نيروي کششي به ازا ي واحد طول يعني کشش سطحي TS قرار دارد. کشش سطحيآب بارابطه زير بيان ميشود
که درآن T= دما يمطلق کلوين و TS= کشش سطحي بر حسب نيوتن برمترمي باشد.
اختلا ف فشار درفصل مشترک هوا -آب بافشار هوا ua وفشارآب uw توسط لاپلا س به عنوان تابعي از کشش سطحي TS و شعاع انحناء r1 و r2 در دو صفحه اصلي متعامد، همچنانکه در شکل (١)ديده ميشود، بدست آمده است .
در موردفصل مشترک هوا -آب دريک محيط متخلخل غير اشباع با مرکزهاي انحناء واقع به ترتيب در فازهاي هوا وآب و با شعاع هاي r١ و r٢ اختلا ف فشارua-uw برحسب نيوتن برمتر به صورت زيربيان مي شود [٢]:
شعاع انحناء r1 و r2 عبارتند از :
که درآن R = شعاع ذرات کروي همسان صلب و =زاويه پرشدگيپل موئينه ايآب است . باقرار دادن معادله (٣) در معادله (٢)ميتوان تعريفي ازمکش ماتريک را به عنوان تابعي اززاويه پرشدگي (بر حسب راديان ) به صورت زیر به دست اورد .
تغييرا ت مکش ماتريک ua-uw به ازا يمقاديرمختلف زاويه پرشدگي و به ازا ي برا يآب در دما ي ٢٠ درجه سانتي گراد در شکل (٢) نشان داده شده است .
شکل -٢:مکش ماتريک (ua-uw) به عنوان تابعي اززاويه پرشدگي به ازا ي شعاع ذرا ت کروي
نيروي بين دانه ايميان دو کره با مجموع دو نيروي ناشي ازمکش منفذ ي و کشش سطحي برابراست ،يعني [٦]:
تغييرا ت نيروي بين دانه اي F درمقابل زاويه پرشدگي برا يآب در دما ي ٢٠ درجه سانتي گراد و به ازا ي در شکل (٣) نشان داده شده است .
ترموديناميک رطوبت خاک
درفصل مشترکآب منفذ ي با هوا، بخارآب بافشار Pv اتفاق مي افتد.اگر بخارآب به عنوان يک گاز کامل در نظر گرفته شود،فشار بخارآب با عبار ت زيرقابل بيان است .
که درآن pv = چگالي بخارآب وRv =ثابت گاز مربو ط به بخارآب ميباشد که مقدارآن برابر٤٦١,٥ژول بر کيلوگرم درجه کلوين است [٧]. چگالي بخارآب بارابطه ترموديناميکيزير بيان مي شود:
که درآن = چگالي بخارآب اشباع ، = فشار اشباع بخارآب و h =رطوبت نسبي است .مقدار چگالي بخارآب
اشباع بر حسب کيلوگرم بر متر مکعب راميتوان با عبار ت زير بيان نمود[٨]:
فشار بخارآب اشباع برحسب نيوتن بر متر نيز با عبار ت زيرقابل بيان است :
دريک محيط متخلخل دانه اي غير اشباع با درجه اشباع جزئي جريان سيال اساسا بصورت بخار صورت ميگيرد و بنابراين تبخير وتقطير را شامل ميشود. رطوبت هوا ي منفذ ي عامل اساسي ديگري ازجريان در محيط متخلخل دانه اي غير اشباع مي باشد.
معادله کلوين ارتبا ط سامانه هايمايع و بخاررا براساس فرض تعادل ترموديناميکي اين سامانه ها به صورت زير بيان م کند:
که درآن = چگاليآب مي باشد. اين رابطه بين رطوبت نسبي هوا ي منفذ ي ومکش منفذ ي برا ي ذرا ت کروي شکل با شعاع هاي و دما ي ٢٠ درجه سانتي گراد در شکل (٤) ارائه گرديده است .
