بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از دلایل به وجود آمدن جریانهاي ناماندگار در سیستمهاي توزیع آب بسته شدن سریع شیرها و تغییر تقاضا میباشد. نرم افزارهاي مختلفی جهت شبیهسازي این پدیده وجود دارند که هر کدام شرایط جداگانهاي براي حالت ناماندگار دارند. در این تحقیق تغیرات تقاضا بر روي سیستم توزیع آب در دو حالت بیشترین و کمترین مصرف ساعتی را که باعث تغییرات فشار و در پی آن به وجود آمدن ضربه قوچ میشود را بررسی و با نرم افزار Water Hammer V8iشبیه سازي میکنیم. نتایج نشان میدهد که به وجود آمدن تغییرات فشار در دوحالت کمترین و بیشترین مصرف ساعتی تفاوت هاي زیادي دارند.
کلمات کلیدي: جریان ناماندگار، سیستم توزیع آب، ضربه قوچ
1. مقدمه
امروز به دلیل افزایش جمعیت، بزرگتر شدن شهرها، گسترش فعالیت کشاورزي و صنعتی مساله انتقال و توزیع آب به عنوان یکی از مهمترین مسائل مورد توجه قرار گرفته است، بگونهاي که اکنون مهندسی آب در میان علوم از جایگاه ویژهاي برخوردار است. طراحی و بهره برداري از اینگونه سیستمها همواره با مسائل خاصی همراه است، یکی از مهمترین این مسائلها تحلیل و بررسی جریان غیر ماندگار است. هرگونه تغییر در تقاضا سبب یک تغییر فشار و بالعکس میشود. در واقع انرژي جنبشی سیال به انرژي کشسانی تبدیل میشود. از این پدیده در سیستمهاي توزیع و انتقال آب با عنوان ضربه قوچ یاد میشود.
این پدیده در خطوط لوله جریان تحت فشار اتفاق میافتد و به وضوح بر قوانین فشار، تغییرات دبی، تغییرات سرعت جریان و شرایط زمانی و مکانی حرکت سیال استوار است گاهی اوقات قدرت تخریبی این موجهاي فشاري به حدي است که نتایج وخیمی به بار میآورد. ترکیدن خطوط لوله در سیستمهاي توزیع و انتقال آب، خرابی و شکسته شدن شیرها، دریچههاي کنترل و پمپها از نمونه هاي بارز این پدیده میباشد.بررسی و مطالعه دقیق ضربه قوچ یک امر لازم و ضروري میباشد تا با شناخت کامل اثرات آن، براي کنترل اثرات سوء این فرایند تمهیدات مناسب اتخاذ گردد و سیستم توزیع و انتقال آب از خطرات این پدیده مصون بماند.
عوامل زیادي برا ي به وجود آوردن ضربه قوچ یا تشدید آن وجود دارد براي مثال تغییر تقاضا، باز و بسته شدن شیرها، خاموش و روشن شدن ناگهانی پمپ و .... از مهمترین این عوامل مییاشند.
مدل شبه دو بعدي جریان آشفته در ضربه قوچ براي پیشرفت ودرك رفتار جریان در حالت گذرا لوله لازم میباشد. با انجام تحقیقات دقیق بر روي جریان گذرا و اثبات مدل یک بعدي ضربه قوچ موجب آشکار سازي آلودگی آب در سیستمهاي انتقال آب شده است.[1]در تحقیقات صورت گرفته مدل عددي شبه دو بعدي براي جریان آشفته ضربه قوچ با توجه به ویژگیهاي قوي، سازگار با فیزیک حرکت موج و انتشار آشفته، هماهنگ، با انجام بدون خطا و نادیده گرفتن سرعت شعاعی در عناصر مرزي مانند شیرها و مخازن موجود میباشد [2]
ضربه قوچ بعد از بسته شدن سریع یک شیر منجر به شکل گیري و فرو پاشیه حفره بخار آب میشود. موج تولید شده از این فرو پاشی باعث بوجود آمدن پالس فشار کوتاه مدت میشود و در نتیجه حداکثر فشار تولید شده از بستن سریع شیر، از فشار Joukowsky تجاوز مینماید [3]دو لایه و پنج لایه ویسکازیته گردابی دو نوع از مدلهاي ضربه قوچ آشفته نام دارند که مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند و همچنین دقت و صحت فرضیات شبه ماندگار و متقارن مورد ارزیابی واقع شد و نشان داد که هر دو مدل آشفته براي جریان ضربه قوچ به بزرگی و توزیع ویسکازیته گردابی در درون لوله حساس نیستند[4]
چند مقیاس بی بعد تجزیه و تحلیل شده، باعث تعریف و گسترش میرایی موج فشاري اولیه توسط زمانهاي مختلف بسته شدن شیر شده است. تاثیر جریان برگشتی بر روي موج فشاري میرایی با چند مقیاس با روش کاربردي ضربه قوچ بوجود آمده در حین تولید جریان بررسی شده است که در نتیجه هرگاه جریان برگشتی رخ نمیدهد جریان اصلی نزدیک به صفر میباشد.[5] عموما حالت گذرا در شبکه¬هاي توزیع تحت فشار به عنوان ضربه قوچ شناخته میشود و بر قوانین فشار، تغییرات دبی یا تغییرات سرعت جریان و شرایط زمانی و مکانی استوار است .[6]در برخی از سیستمهاي هیدرولیکی تحت فشار، مانند خطوط انتقال آب، نفت یا شبکههاي توزیع و لوله هاي آب و ... پدیده حالت گذرا با ایجاد موجهاي سریع، زودگذر و میرا موجب خطراتی خواهند شد..
ترکیدن خطوط لوله در سیستم هاي انتقال و شبکه هاي توزیع، خرابی و شکسته شدن شیرها، دریچه هاي کنترل، برگشت یا وارد شدن آب کثیف از نمونه هاي این پدیده مخرب می باشند.[7] البته در پاره اي از پروژه ها شدت تخریبی این پدیده به حدي نیست که سیستم انتقال را فلج کند، اما در همین سیستمها نیز با تکرار این پدیده در هنگام بهره برداري موجب میشود از کارایی سیستم کاسته شده و نهایتاً به خطوط لوله، شیرآلات، پمپ ها و سازه هاي اطراف سیستم هاي هیدرولیکی صدمه وارد آید.[8]یکی دیگر از عواقب نامطلوب پدیده حالت گذرا نشت و تلفات آب است که به وسیله پمپاژ نرمال و تصادفی و عملکرد دریچه ها ایجاد می شود. گذرا بودن در سیستم هاي توزیع و انتقال آب به نشت و تلفات آب کمک میکند. [9]
براي تحلیل حالت گذرا و حل مسایل آن روشهاي محاسبات گوناگونی در مراجع مختلف آمده است و امروزه نیز نرم افزارهاي تجاري بسیاري براي بررسی این پدیده نوشته شدهاند که به کمک آنها میتوان حالت گذرا را در حالات مختلف تحلیل و بررسی کرد. براي طراحی سیستمهاي انتقال و لولههاي ارتباطی، توجه به این پدیده ضروري است. در سیستمهاي انتقال آب تلاش طراحان بر این است که ضمن محاسبه میزان تغییرات فشار، دبی و ... در طی حالت گذرا با روش و ابزارهاي مختلف مقدار و صدمات ناشی از این پدیده را کاهش دهند. شبیه سازي حالت گذرا یک نیاز ضروري و حیاتی براي تامین کردن سلامتی و عملکرد سالم سیستم هاي توزیع آب میشود [10]در این تحقیق ابتدا تغییرات فشار در حالت کمترین مصرف ساعتی و سپس در حالت بیشترین مصرف ساعتی بررسی میکنیم و سپس با بررسی تغیرات فشار هاي ایجاد شده در پی امواج ضربه قوچ به نتایج مورد نظر میرسیم.
.2 مبانی نظري و روابط حاکم
سیالات در حال حرکت با استفاده از دو اصل انجام میشود الف. اصل بقاي جرم ب. اصل بقاي مومنتم که روابط این دو قانون تعیین شده و نحوه استفاده از آنها بیان میشود.
2.1رابطه پیوستگی
رابطه پیوستگی، هم بستگی دبی جریان با سرعت و سطح مقطع لوله را نشان میدهد یا به عبارت دیگر مقدار گذر حجمی جریان یا دبی در هر سطح مقطع برابر است با حاصلضرب مساحت سطح مقطع و سرعت متوسط حرکت در همان سطح مقطع که همواره در تمام مقاطع مقداري است ثابت. بنابراین میتوان نوشت:
در رابطه فوق، مقدار Q دبی جریان بر حسب متر مکعب بر ثانیه و V بر حسب متر بر ثانیه و D قطر لوله بر حسب متر است.
2.2 معادله مومنتوم
مکانیک سیالات تنها با داشتن معادله پیوستگی مشخص نمیشود بلکه باید اصل بقاء اندازه حرکت یا قانون دوم نیوتون را درباره آن بیان کرد. اندازه حرکت حاصلضرب جرم در سرعت است. قانون دوم نیتون بیان میکند که برایند نیروهاییکه بر یک جسم اثر میکند برابر است با تغییرات خالص مومنتوم.با در نظر گرفتن جریان غیرقابل تراکم و ثابت فرض کردن ضریب ویسکوزیته، شکل معادله ناویر استوکس به صورت زیر میباشد:
که در آن بردار سرعت، بیانگر فشار، نیروهاي حجمی و ویسکوزیته میباشد. بیانگر مشتق مادي بوده و به صورت تعریف میگردد.
.3 معرفی منطقه و دادههاي مورد مطالعه
شهرك صنعتی ملوسجان در روستاي تنگ خیاره و ملوسجان بیضاء واقع شده که مساحت این شهرك 50 هکتار و 31 واحد تولیدي در آن در حال فعالیت می باشد. که در جدول شماره 1 میزان مصرف روزانه واحدهاي صنعتی مشخص گردیده است. آب مصرفی کل شهرك براساس الگوي مصرف واحدهاي صنعتی مختلف و بر حسب مساحت واحدها و همچنین واحدهاي خدماتی و قطعات فضاي سبز و تلفات شبکه بدست می آید. با توجه به نوع واحدهاي صنعتی مستقر در هر بلوك مصرف بلوکها را با توجه به تعداد واحدهاي آن بلوك و مساحت واحدها تعیین میشود. ضمناً مصرف قطعات فضاي سبز برحسب مساحت آنها و براساس مصرف 2 لیتر برمترمربع بر روزتعیین شده است.کل آب مصرفی شهرك برابر می شود با : 1544 متر مکعب در روز لذا جمع مصرف روزانه شهرك برابر میشودبا:
از دو ضریب .4 و 3.5 براي محاسبه حداقل مصرف ساعتی و حداکثر مصرف ساعتی در نظر میگیریم.این تحقیق مطالعه موردي شهرك ملوسجان شامل 32 گره و 44 لوله و یک مخزن می باشد.شیکه توزیع آب شهرك صنعتی ملوسجان حلقوي است و از 45 لوله با جنس پلی اتیلن و32 گره و یک مخزن در ارتفاع 1800 متر تشکیل شده است. قطر داخلی لولهها به میزان دبی بستگی دارد و از 93.8 تا 238.8 تغییر میکند.مدول الاستیسیته لوله پلی اتیلن kg/m2 E=8.15* میباشد. فشار در شبکه با وجود شیر فشار شکن علاوه بر به حداقل رسانیدن نشت، حداقل ارتفاع لازم لراي نیاز آبی را فراهم میکند.1
