بخشی از مقاله
خلاصه
در خطوط انتقال آب همواره جریان به دلایل گوناگون از یک حالت پایدار به حالت پایدار دیگری تغییر شرایط میدهد. این امر موجب به وجود آمدن جریانها غیرماندگار در سیستم میگردد. از سوی دیگر با گذشت زمان از شروع بهرهبرداری از خطوط انتقال آب، خط لوله دچار نشت و یا حتی شکستگی میشود. بنابراین بررسی خصوصیات جریانهای غیرماندگار که بخش جدایی ناپذیر سیستم هیدرولیکی انتقال آب میباشد، در حضور نشت از اهمیت ویژهای برخوردار خواهد بود.
لذا در این تحقیق کمک نرمافزار شبیهساز عددی Hammer به بررسی و شبیهسازی جریان-های غیرماندگار سریع در حضور نشت و مقایسه آن با نتایج آزمایشگاهی میپردازیم. آزمایشات بر روی یک سیستم مخزن، لوله و شیر انجام شده است که لوله آن از جنس پلیاتیلن به قطر 63 میلیمتر و با طول 47 متر میباشد. دبی، قطر و موقعیتهای گوناگون نشت در آزمایشات و شبیهسازی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاکی از آن است که نرمافزار امواج فشاری ناشی از جریان غیر ماندگار سریع را تسبتا خوب شبیهسازی می- نماید اما در شبیهسازی نشت در جریان غیرماندگار سریع، مدل عملکرد مناسبی ندارد.
1. مقدمه
در سامانه های هیدرولیکی انتقال آب، شبکههای توزیع، سامانههای پمپاژ و جریانهای ثقلی پدیده جریانهای غیرماندگار سریع یا ضربه قوچی با ایجاد امواج سریع، زودگذر و میرا موجب خطرهای گوناگونی میشود. این خطرها همه ساله خسارات زیادی را بر سامانههای انتقال آب وارد می-سازد. در این حالت از جریان چون مشخصات جریان با زمان تغییر میکند جریان را غیردائم، غیرماندگار و یا ناپایدار مینامند.
از آنجا که با در نظر گرفتن ماهیت جریان، دخالت دادن عامل زمان در محاسبات ضرورت پیدا میکند. در واقع تمام جریانهای ناپایدار سریع، تبدیل یا انتقال کوتاه مدت از حالت جریان پایدار به حالت پایدار دیگری هستند. تعیین مشخصات جریان در یک جریان غیرماندگار از مباحث مهم هیدرولیک است. از سوی دیگر با گذشت زمان از بهرهبرداری خطوط انتقال آب، نشت آب در هر کجای یک سیستم آبرسانی نظیر تاسیسات آبگیر، سیستم انتقال، تصفیهخانه، مخازن ذخیره و یا شبکه توزیع ممکن است رخ دهد.
از این میان شبکه توزیع معمولاً بیشترین سهم را در تلفات آب دارد، به طوری که گاهی اوقات مشاهده شده که 40 تا 50 درصد از آب تولیدی در شبکه توزیع تلف شده است. وجود این مقدار نشت در خطوط انتقال و شبکههای توزیع آب میتواند تاثیر عمدهای بر رفتار هیدرولیکی جریانهای میرای سریع به وجود آمده در سیستم آبرسانی داشته باشد.
لذا بررسی و شناخت خصوصیات هیدرولیکی امواج فشاری گذرای به وجود آمده در سیستم تحت تاثیر وجود نشت در خط لوله دارای اهمیت خاصی میباشد. این مسئله همچنین از این دیدگاه که وقوع جریان غیرماندگار سریع چه تاثیری میتواند بر میزان نشت داشته باشد نیز هائز اهمیت است. آقای نیکلای ژوکوفسکی در سال 1898 در شهر مسکو اولین شخصی بود که نشان داد علت بالا رفتن فشار در مسیر خطوط لوله انتقال سیالات در نتیجه تغییر سرعت و جرم سیال است .[1]
ایشان رابطه P c V را برای تعیین و محاسبه سرعت انتشار موج فشار ناشی از ضربه قوچ ارائه نمود. با توجه به تلاش و کوشش فراوان و پر ثمر آقای ژوکوفسکی در بررسی پدیده ضربهقوچ و نتایج سودمند این تحقیقات، مطابق نظر صاحبنظران عنوان بانی و پدر علم ضربهقوچ شایسته و برازنده ایشان است. تحقیقات بر روی پدیده ضربه قوچ ادامه یافت تا اینکه فردی ایتالیایی به نام لورانزو آلیوی و همکارانش [2] به تجزیه و تحلیل جدیدی در فرآیند ضربه قوچ رسیدند و دامنه مطالعاتی قیلی را به صورت گستردهای بسط و توسعه دادند.
فریزل بر اساس مطالعاتی که هنگام کار در نیروگاه اوگدن انجام داده بود، تحلیلی از ضربهقوچ ارائه داد. وی روابطی برای سرعت موج ضربهقوچ و افزایش فشار حاصل از کاهش ناگهانی سرعت به دست آورد. وی همچنین اثرات خط لولههای انشعابی، انعکاس امواج و موجهای متوالی بر روی تنظیم سرعت را مورد مطالعه قرار داد. استریتر در سال 1963 روش کاملا متفاوتی را برای کنترل پدیده ضربهقوچ ارائه نمود .[3]
او معادلات را همراه با در نظر گرفتن اصطکاک برای بستن شیر واقع در انتهای یک خط لوله ساده به گونهای توسعه داد که حداکثر تنش به وجود آمده در لوله کمتر از تنش مجاز بوده و فشارها در تمام زمانها بالاتر از مقدار فشار در شرایط پایدار قرار گیرد و پس از بستن کامل شیر جریان یکنواخت در لوله برقرار گردد. استریتر همچنین در سال 1967 در مقاله خود صدمات مربوط به شیر را در سیستم لولههای سری، موازی، انشعابات همراه با در نظر گرفتن اصطکاک ارائه نمود.
او پیشنهاد نمود تا از روش ارائه شده به منظور بهره برداری بهتر و همچنین در انتخاب مطمئن تر مواد و مصالح ساخت در سیستمهای انتقال آب و نیروگاههای برقابی مورد استفاده قرار گیرد .[4] پارکر و جانز [5] روش جدیدی برای جدا کردن موج رفت و برگشت برای جریان در حالت یک بعدی پیدا کردند که بر اساس آنالیز جریان بصورت غیر خطی بوده است. ولی آنها فرض کردند که موج رفت و برگشت در هنگام برخورد بصورت خطی جمع میشوند.
لِی [6] یکی از اولین مطالعات جهانی را بر روی مسئله نشت در چندین کشور و شهر مختلف جهان انجام داد و مشخص شد که میزان نشت در نقاط مختلف جهان بسیار متفاوت است. کلمبو و کارنی [7] مسئله اهمیت نسبی تلفات انرژی از طریق نشت را به صورت قسمتی از یک ارزیابی که از طرف مجلس آمریکا انجام شد بررسی نمودند. کوواس و همکاران [8] چندین مطالعه آزمایشگاهی انجام دادند تا به بررسی کاربرد روش آنالیز معکوس جریان میرا در مشخص کردن نشتها، ترکیدگیها، تغییرات قطر و شاخههای لوله بپردازند.
خیاط زاده و سامانی [9] برنامه کامپیوتری بر اساس مدل ریاضی هیدرولیکی جهت تحلیل شبکه در حالت غیرماندگار ارائه دادند. این برنامه قادر بود محاسبات را برای نقاطی که از آنهاکه خطوط مشخصه عبور نمی کند انجام دهد. نتایج این مدل با نتایج عددی مقایسه گردید و جوابها قابل قبول بودند. مینیکنی و همکاران [10] به بررسی رفتار موج فشاری در سیستمهای با تغییر سطح مقطع ناگهانی لوله پرداختند. آنها در تحقیقات خود رفتار جریان ماندگار و جریان غیرماندگار در محل تغییر قطر لوله را مورد بررسی قرار دادند و نتایج را با مدل عددی بررسی نمودند.
در نهایت این تحقیقات منجر به ارائه مدل عددی گسترش یافتهای شد که نتایج آن هماهنگی مناسبتری با نتایج تجربی دارد. فتحیمقدم و همکاران [11] دقت روش تفاضلهای محدود صریح را در ارزیابی هیدرولیک جریان های میرا در سیستم انتقال آب نیروگاههای برقابی - مطالعه موردی سد و نیروگاه مارون - بررسی و نتایج حاکی از دقت بالای روش حل میباشد.
حقیقیپور [12] و همچنین تائبی [13] به ترتیب به بررسی هیدرولیک جریان غیرماندگار در خط لولههای سری و موازی پرداختند. آنها در تحقیقات خود به این نتیجه دست یافتند که جریان غیرماندگار که با ضرایب افت ثابت و یا شبهماندگار محاسبه میشود و در مدلهای تجاری مورد استفاده قرار میگیرد، مقداری کمتری را نسبت به نیروی اصطکاک واقعی نشان میدهد. لذا با توجه به نتایج تحقیقات به عمل آمده در گذشته، در این تحقیق به کمک مدل عددی Hammer به تخمین و شبیهسازی دادههای آزمایشگاهی به دست آمده از مطالعات بر روی مدل فیزیکی میپردازیم و چگونگی تاثیر نشت بر خصوصیات امواج فشاری جریانهای غیرماندگار سریع را مورد بررسی قرار میدهیم.
2. مواد و روشها
آزمایشات تحقیق حاضر در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز انجام شده است. در آزمایشات انجام شده، از یک سیستم مخزن، لوله انعطافپذیر و شیر قطع و وصل به منظور تولید جریان غیرماندگار استفاده شده است. نمای کلی تجهیزات و نشت ایجاد شده بر روی خط لوله در شکل 1 نمایش داده شده است. مخزن موجود دارای هد استاتیکی 5 متر نسبت به انشعاب گرفته شده برای لوله میباشد. لوله از جنس پلی اتیلن با فشار کاری 10 اتمسفر بوده و با قطر 63 میلیمتر و طول 47 متر در آزمایشات به کار گرفته شده است.
شیرآلات از جنس استیل میباشد و هم قطر با لوله در نظر گرفته شدهاند. همچنین لوله در طول مسیر خود بر روی ساپورتی قرار دارد تا از کف آزمایشگاه فاصله داشته و نصب لوازم بر روی آن امکانپذیر شود - شکل . - 1 این قسمت مهمترین قسمت از مدل فیزیکی است که با توجه به محدودیتهای موجود در آزمایشگاه به صورت دایرههایی هم مرکز با کمترین شعاع انحنا 1/5 متر بروی اسکلت فلزی نصب میگردد.
به منظور اندازهگیری دبی در لوله، با توجه به امکانات موجود از دستگاه دبیسنج اولتراسونیک UF6000 P870 استفاده شده است - شکل . - 2 جهت اندازهگیری فشار دینامیکی از مبدل فشار1 استفاده شده است - شکل . - 2 از این وسیله جهت ثبت اختلاف فشار در لوله استفاده میگردد. این حسگرها توسط سیمهای رابط به دستگاه دیتالاگر و از آنجا به سیستم کامپیوتری و نرمافزار پردازشگر اطلاعات مرتبط میگردد. لازم به ذکر است مبدل فشاری بلافاصله قبل از شیر نصب شدهاند تا قادر باشند حداکثر فشار به وجود آمده در سیستم را که در محل شیر رخ می دهد به ثبت رسانند.
2. روابط حاکم
معادلات اساسی حاکم بر جریانهای غیرماندگار سریع و یا همان معادلات ضربهقوچ در مجاری تحت فشار عبارتند از معادلات پیوستگی و ممنتوم در این مجاری که در ادامه با اختصار به آنها اشاره خواهیم کرد.
