بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ساختار هیدرولیکی جریان در رسوبشویی تحت فشار با توسعه مجرای تخلیه کننده تحتانی در مخزن سد
خلاصه
در تحقیق حاضر، تأثیر توسعه مجرای تخلیه کننده تحتانی در مخزن و همچنین بررسی ساختار جریان دراین فرآیند بـه صـورت عمـده مـورد مطالعـه قرار گرفته است. آزمایشات با عمق و دبی های مختلف جریان در طولهای مختلف توسعه مجرا به منظور تعیین حجم مخروط رسوبشویی طراحی و انجام گردید. برای بررسی ساختار جریان نیز، اندازه گیری سرعت جریان با استفاده از دستگاه سرعت سنج صوتی داپلر صورت گرفت. نتـایج نشـان می دهد توسعه مجرا به میزان نسبی 0/5،1 و1/5 برابر ارتفاع رسوبات در مخزن موجب افزایش حجم مخروط به میزان 50،74 و96 درصد نسـبت بـه حالت بدون توسعه مجرا میگردد. بررسی هیدرولیکی این فرآیند نیز نشان می دهد که ماکزیمم سرعت افقی جریان، که محل آن درست در محـور مقابل دهانه ورودی مجرا می باشد و همچنین تنش برشی وارد بر کف در محل حداکثر عمق آبشستگی، با افزایش میزان توسعه مجـرا، افـزایش مـی یابد. تجزیه و تحلیل نتایج حاصل از اندازه گیری سرعت جریان مفصلا در متن آمده است.
واژه های کلیدی: رسوبشویی تحت فشار، مدل فیزیکی، توسعه مجرای تخلیه کننده تحتانی، سـاختار جریـان، سـرعت سـنج صوتی داپلر
1. مقدمه
رسوبگذاری در مخازن علاوه بر کاهش حجم مفید آنها، پیامدهای دیگری نیز دارد که از آن جمله میتوان به ورود رسوبات به دریچههای نیروگـاه و اختلال در کار توربینها و خوردگی آنها، انسداد و گرفتگی آبگیرها، افزایش بار اضافی بر روی بدنه سد و موارد دیگر اشاره نمود. از این رو با توجه به اهمیت مسئله، چاره اندیشی بهموقع در این زمینه همراه با درک آن و کسب آگاهی و مهارت در کاربرد روش های حـذف وکنتـرل رسـوبات غیـر قابـل اجتناب میباشد. یکی از مؤثرترین روشهای رسوبزدایی از مخزن به خصوص در حین بهرهبرداری، رسوبشویی هیدرولیکی میباشد که به دو نوع آزاد و تحت فشار تقسیم می شود.[1] از میان این دو، رسوبشویی هیدرولیکی تحت فشار، یک تکنیک موثر جهت بازیابی حجم مفید مخازن سد میباشـد بـه خصوص به سبب داشتن تأثیر موضعی آبشستگی در اطراف دریچههای تحتانی سد، گزینـه بسـیار مناسـبی بـرای زدودن رسـوبات تجمـع یافتـه از آبگیـر نیروگاهها میباشد. در این تکنیک با تخلیه رسوبات نهشته شده از مخزن سد بـه کمـک جریـان خروجـی از دریچـههـای تحتـانی ، حفـره یـا چالـه ای از آبشستگی به شکل مخروط جلوی تخلیهکننده تحتانی بوجود آمده و توسعه می یابد. ارائه یک راهکار مناسب برای افزایش حجم مخروط رسوبشویی در این روش رسوب زدایی که با کمترین اتلاف آب مخزن همراه است می تواند گامی برای احیای حجم مفید مخزن و نجات آبگیـر هـا باشـد. مطالعـات آزمایشگاهی مختلفی در زمینه رسوبشویی تحت فشار انجام شده که از جمله آنها می تـوان بـه مطالعـات لای و چانـگ[2]، اسـچورلین و همکـاران[3]، طالب بیدختی و نقشینه [4]، امامقلی زاده 5]و[6 و دولس و همکاران [7]، اشاره کرد. زمینه تحقیقاتی مطالعـات فـوق بیشـتر شـناخت بهتـر پـارامتر هـای هیدرولیکی موثر بر این فرآیند بوده است و تحقیقات معدودی در ارتباط با سایر راهکارهای افزایش عملکـرد فرآینـد رسوبشـویی تحـت فشـار صـورت گرفته است که می توان به موارد زیر اشاره نمود. مشکاتی شهمیرزادی و همکاران[8]، با بررسی تأثیر مقاطع عرضی تخلیه کننده های تحتانی را بـر روی
1
ابعاد مخروط رسوبشویی نتیجه گرفتند که با افزایش قطر تخلیه کنده تحتانی ابعاد مخروط رسوبشویی افزایش می یابد و فرسایش رسوبات نهشـته شـده از فاصله دورتری نسبت به تخلیه کننده شکل می گیرد. آلتوس[9]، با قرار دادن جت آب در مخزن میزان تاثیر آن را بر افزایش رسوبات تخلیه شـده مـورد بررسی قرار داده و بیان کرد که در حالت بـدون اعمـال جـت آب، مـدت زمـان لازم بـرای رسوبشـویی دو برابـر حـالتی اسـت کـه جـت آب در مخـزن کارگذاری شده است. احد پور و همکاران[10]، در مطالعه خود به بررسی استفاده از لرزاننده ها1 در لایه های رسوبی و محل قرار گیری آنها روی ابعـاد مخروط رسوبشویی پرداختند. نتایج آنها نشان می دهد که وجود لرزاننده در داخل رسوبات مخزن تاثیر مثبـت بـر ابعـاد حفـره رسوبشـویی دارد. در ایـن پژوهش رسوبشویی تحت فشار با توسعه مجرای تخلیه کننده تحتانی در مخزن و همچنین هیدرولیک این فرآیند به طور عمده مورد بررسـی قـرار گرفتـه است.
.2 مبانی و روش ها
.1-2 آنالیز ابعادی
حجم مخروط رسوبشویی به پارامترهای مختلفی بستگی داردکه انتخاب پارامترهای موثر با توجه به اصـول اولیـه مهندسـی رسـوب و بررسـی مطالعـات گذشته به صورت زیر در نظر گرفته شده است.
که در آن ، : V f حجم مخروط رسوبشویی، :U o سرعت جریان خروجی از تخلیه کنندهی تحتانی، : H w ارتفاع آب داخل مخزن، بالای مرکز مجرای تخلیه کنندهی تحتانی ، : H s ارتفاع رسوبات تجمع یافته در پشت مخزن، بالای مرکز مجرای تخلیه کننده ، : Lt طول مجرای توسعه داده شده در مخزن، قطر مجرای تخلیه کننده تحتانی، اندازه متوسط ذره رسوب، : g شتاب ثقل، چگالی رسوب، چگالی آب، لزجت سینماتیکی آب، : B عرض مخزن میباشند(شکل.(1 سرعت جریان به صورت زیر محاسبه شده است:
Hw
Lf
Do
Hs
y
x الف) پروفیل طولی ب) پلان
شکل-1 معرفی پارامترهای بکار برده شده
با آنالیز ابعادی پارامترهای مذکور با استفاده از روش باکینگهام پارامترهای بدون بعد به صورت زیر به دست آمدند:
از پارامترهای بالا بیانگر تاثیر نیروی لزجت می باشد و با توجه به اینکه مقـدار حـداقل پـارامتر بـدون بعـد فـوق در ایـن تحقیـق 13579می باشد، لذا از تاثیر این پارامتر می توان صرف نظر کرد. همچنین با توجه به ثابت بودن مقادیر زیر در تمام آزمایشات این تحقیق
و با جایگذاری پارامتر های زیر
می توان پارامتر های بی بعد باقی مانده را به صورت رابطه (3) خلاصه کرد:
.2-2 مدل آزمایشگاهی مورد استفاده
برای انجام آزمایشات از مدل فیزیکی ساخته شده در آزمایشگاه هیدرولیک گروه سازه های آبی دانشگاه تربیت مدرس اسـتفاده گردیـد. مـدل فیزیکـی مورد استفاده به شکل مکعب مستطیل و دارای طول کلی 7 متر، عرض 1/4 متر و ارتفاع 1/5 متر می باشـد.کـه از 3 قسـمت، -1 ورودی مـدل(ناحیـهآرام کننده جریان)،-2 مخزن اصلی،-3حوضچه ته نشینی رسوبات تشکیل شده است(شکل.(2 در قسمت ورودی مدل تلاطم جریان ورودی بـه مـدل گرفتـه شده و جریان به صورت آرام وارد قسمت اصلی(مخزن) می گردد. مخزن اصلی مدل دارای طول 5 متر، ارتفاع 1/5 متر و عرض 1/4 متـر مـی باشـد کـه رسوبات در این قسمت از مدل قرار می گیرد و به عنوان مدل مخزن سد در نظر گرفته می شود. ذرات رسوبی مـورد اسـتفاده در آزمایشـات از رسـوبات غیرچسبنده از نوع سیلیس با دانه بندی یکنواخت و با d50 ، 1/15 میلی متر و انحـراف معیـار هندسـی ( ( g،1/37 در نظـر گرفتـه شـد.بـه منظـور انجـام رسوبشویی، یک مجرای تخلیه کننده با مقطع دایره ای به قطر 5 سانتیمتر که در خط مرکزی فلوم قرار داشـت، اسـتفاده گردیـد. بـه منظـور جمـع آوری رسوبات خارج شده از مجرای تخلیهکننده تحتانی، از مخزن مکعب مستطیل شکل به عنوان حوضچه ته نشینی رسـوبات کـه درپـایین دسـت مـدل قـرار گرفته بود، استفاده شد.
مخزن اصلی
حوضچه ته نشینی
شکل -2 تصویر مدل آزمایشگاهی
.3-2 نحوه انجام آزمایشات
به منظور بررسی تاثیر توسعه مجرای تخلیه کننده تحتانی در مخزن سد بر ابعاد مخروط رسوبشویی، آزمایشات با استفادهاز سه طول مجرای تخلیه کنندهی تحتانی با سه ارتفاع آب و هر ارتفاع آب با سه دبی و در تراز رسوبات ثابت 20 سانتیمتر نسبت مرکز مجرا انجام گرفت. همچنین آزمایشاتی با همین شرایط هیدرولیکی در حالت بدون توسعه مجرا در مخزن انجام گردید. جدول (1) و (2) محدوده تغییرات پارامتر ها را به صورت با بعد و بدون بعد نشان می دهد.
برای اندازه گیری سرعت جریان در داخل مخروط رسوبشویی نیز از دستگاه سرعت سنج داپلر1 با نرخ داده برداری 200 نمونه در ثانیه استفاده گردید. دستگاه مذکور توانایی اندازه گیری سرعت جریان در سه جهت را دارا می باشد (سرعت در جهت x,y,z به ترتیب u,v,w می باشـد). بـدین منظور اندازه گیری پروفیل سرعت جریان در 13 محور عمودی در راستای محور مرکزی دریچه به فاصله 5 سانتیمتری از یکدیگر، در دبـی خروجـی 3 لیتر بر ثانیه و ارتفاع آب مخزن 47/5 سانتیمتر، برای سه طول مجرای تخلیه کننده تحتانی 10، 20 و 30 سانتیمتر و حالت بدون توسعه انجـام شـد و نتـایج مورد مقایسه قرار گرفت.
.3 .نتایج و بحث
.1-3 تاثیر توسعه مجرای تخلیه کننده تحتانی بر ابعاد مخروط رسوبشویی
نمودارهای شکل((3، حجم مخروط رسوبشویی را در حالت توسعه مجرا در مخزن و حالت بدون توسعه آن را در ارتفاع آب 47/5 سانتیمتر به طور نمونه نشان میدهد. در این نمودارها I, II, III , IV به ترتیب حالت بدون توسعه مجرا و توسعه به میزان نسبی 0/5،1 و1/5 برابر ارتفاع رسوبات در مخزن می باشد. با توجه به نمودارهای مربوط به این تراز آب و دیگر ترازها ، توسعه مجرای تخلیه کننده تحتـانی بـه ایـن میـزان در مخـزن بـه طـور متوسـط باعـث افزایش حجم مخروط رسوبشویی ، به میزان 50،74 و96 درصد نسبت به حالت بدون توسعه مجرا گردیده است. نتایج حاصل از این نمودار ها حـاکی از آن است که توسعه مجرای تخلیه کننده تحتانی در مخزن تاثیر مثبت و محسوس بر حجم مخروط رسوبشویی دارد.
شکل -3 تغییرات حجم مخروط رسوبشویی در حالت توسعه مجرای تخلیه کننده تحتانی و حالت بدون توسعه آن
در نمودارهای مربوط به این قسمت (z)،فاصله از کف مخروط،((x، فاصله از بدنه در راستای محور مرکزی دریچه و (y)، فاصـله در راسـتای عمـود بـر محور مرکزی دریچه، توسط قطر دریچه (D=5 cm) و مولفه های سرعت افقی((u و قائم((wجریان، توسط سرعت جریان خروجـی از دریچـه تخلیـه کننده تحتانی((V بی بعد شدهاند. در زیر نتایج این بررسی آمده است.
.1-2-3 تغییرات سرعت افقی (u) در پروفیل قائم
در نمودار شکل((4، پروفیل های قائم سرعت در اولین محور مقابل مجرای توسعه داده شده در داخل مخزن، در حالت توسعه مجـرای تحتـانی و حالـت بدون توسعه آورده شده است. قسمت خط چین در این شکل محدوده مجرای تخلیه کننده را نشان می دهد. با توجه به شکل با نزدیک تر شدن به دهانـه ورودی مجرا سرعت های افقی(درجهت جریان) افزایش یافته و در محور مرکزی آن به ماکزیمم مقدار خود می رسند. همچنین با توسعه مجـرای تخلیـه کننده تحتانی ماکزیمم سرعت افقی افزایش می یابد که فاصله گرفتن از بدنه با افزایش میزان توسعه و دیگـری ژئـومتری و هندسـه مخـروط رسوبشـویی تشکیل شده در دو حالت فوق الذکر می تواند دلیلی برای این افزایش سرعت باشد.
