سعی بر آن است که مطالب مرجع تخصصی آب و فاضلاب شامل مسایل ، مقالات و اخبار عمران آب و فاضلاب,آب و فاضلاب و به صورت تخصصی فرآیند های تصفیه آب و فاضلاب،مهندسی آب و فاضلاب و صنعت آب و فاضلاب باشد.
دانشنامه آنلاین آب و فاضلاب
رشته های مرتبط:مهندسی عمران آب و فاضلاب،مهندسی تکنولوژی آب و فاضلاب،مهندسی آب و فاضلاب،محیط زیست،مهندسی بهداشت محیط،مهندسی آب،مهندسی شیمی و...
امیرحسین ستوده بیدختی
,.
هيدروليك و هيدرولوژي
۱۳۹۰/۰۲/۱۵
1:8
|
هيدروليك و هيدرولوژي
مایعات تقریباً تراکم ناپذیر هستند. این ویژگی سبب شده است که از مایعات به عنوان وسیله مناسبی برای تبدیل و انتقال کار استفاده شود. بنابراین میتوان از آنها برای طراحی ماشینهایی که در عین سادگی، با نیروی محرک خیلی کم بتواند نیروی مقاوم فوق العاده زیادی را جابجا نماید، استفاده نمود. به این ویژگی و همچنین دانش مطالعه این ویژگی هیدرولیک گفته می‌شود.
امروزه در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ، انتقال قدرت آن هم به صورت کم هزینه و با دقت زیاد مورد نظر است در همین راستا بکارگیری سیال تحت فشار در انتقال و کنترل قدرت در تمام شاخه های صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سیال به دو شاخه مهم هیدرولیک و نیوماتیک ( که جدیدتر است ) تقسیم می‌شود . از نیوماتیک در مواردی که نیروهای نسبتاً پایین (حدود یک تن) و سرعت های حرکتی بالا مورد نیاز باشد (مانند سیستم‌هایی که در قسمت‌های محرک رباتها بکار می روند) استفاده می‌کنند در صورتیکه کاربردهای سیستم‌های هیدرولیک عمدتاً در مواردی است که قدرتهای بالا و سرعت های کنترل شده دقیق مورد نظر باشد(مانند جک های هیدرولیک ، ترمز و فرمان هیدرولیک و...). حال این سوال پیش میاید که مزایای یک سیستم هیدرولیک یا نیوماتیک نسبت به سایر سیستم‌های مکانیکی یا الکتریکی چیست؟در جواب می توان به موارد زیر اشاره کرد: ۱) طراحی ساده ۲) قابلیت افزایش نیرو ۳) سادگی و دقت کنترل ۴) انعطاف پذیری ۵) راندمان بالا ۶) اطمینان در سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک نسبت به سایر سیستم‌های مکانیکی قطعات محرک کمتری وجود دارد و میتوان در هر نقطه به حرکتهای خطی یا دورانی با قدرت بالا و کنترل مناسب دست یافت ، چون انتقال قدرت توسط جریان سیال پر فشار در خطوط انتقال (لوله ها و شیلنگ ها) صورت میگیرد ولی در سیستم‌های مکانیکی دیگر برای انتقال قدرت از اجزایی مانند بادامک ، چرخ دنده ، گاردان ، اهرم ، کلاچ و... استفاده می‌کنند. در این سیستم‌ها میتوان با اعمال نیروی کم به نیروی بالا و دقیق دست یافت همچنین میتوان نیرو های بزرگ خروجی را با اعمال نیروی کمی (مانند بازو بسته کردن شیرها و ...) کنترل نمود. استفاده از شیلنگ های انعطاف پذیر ، سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک را به سیستم‌های انعطاف پذیری تبدیل می‌کند که در آنها از محدودیتهای مکانی که برای نصب سیستم‌های دیگر به چشم می خورد خبری نیست. سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک به خاطر اصطکاک کم و هزینه پایین از راندمان بالایی برخوردار هستند همچنین با استفاده از شیرهای اطمینان و سوئیچهای فشاری و حرارتی میتوان سیستمی مقاوم در برابر بارهای ناگهانی ، حرارت یا فشار بیش از حد ساخت که نشان از اطمینان بالای این سیستم‌ها دارد. اکنون که به مزایای سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک پی بردیم به توضیح ساده ای در مورد طرز کار این سیستم‌ها خواهیم پرداخت. برای انتقال قدرت به یک سیال تحت فشار (تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر) احتیاج داریم که توسط پمپ های هیدرولیک میتوان نیروی مکانیکی را تبدیل به قدرت سیال تحت فشار نمود. مرحله بعد انتقال نیرو به نقطه دلخواه است که این وظیفه را لوله ها، شیلنگ ها و بست ها به عهده میگیرند . بعد از کنترل فشار و تعیین جهت جریان توسط شیرها سیال تحت فشار به سمت عملگرها (سیلندرها یا موتور های هیدرولیک ) هدایت می‌شوند تا قدرت سیال به نیروی مکانیکی مورد نیاز(به صورت خطی یا دورانی ) تبدیل شود. اساس کار تمام سیستم های هیدرولیکی و نیوماتیکی بر قانون پاسکال استوار است.
● قانون پاسکال: ۱) فشار سرتاسر سیال در حال سکون یکسان است .(با صرف نظر از وزن سیال) ۲) در هر لحظه فشار استاتیکی در تمام جهات یکسان است. ۳) فشار سیال در تماس با سطوح بصورت عمودی وارد میگردد. کار سیستم‌های نیوماتیک مشابه سیستم های هیدرولیک است فقط در آن به جای سیال تراکم ناپذیر مانند روغن از سیال تراکم پذیر مانند هوا استفاده می کنند . در سیستم‌های نیوماتیک برای دست یافتن به یک سیال پرفشار ، هوا را توسط یک کمپرسور فشرده کرده تا به فشار دلخواه برسد سپس آنرا در یک مخزن ذخیره می کنند، البته دمای هوا پس از فشرده شدن بشدت بالا میرود که می تواند به قطعات سیستم آسیب برساند لذا هوای فشرده قبل از هدایت به خطوط انتقال قدرت باید خنک شود. به دلیل وجود بخار آب در هوای فشرده و پدیده میعان در فرایند خنک سازی باید از یک واحد بهینه سازی برای خشک کردن هوای پر فشار استفاده کرد. اکنون بعد از آشنایی مختصر با طرز کار سیستم‌های هیدرولیکی و نیوماتیکی به معرفی اجزای یک سیستم هیدرولیکی و نیوماتیکی می پردازیم.
● اجزای تشکیل دهنده سیستم های هیدرولیکی: ۱) مخزن : جهت نگهداری سیال ۲) پمپ : جهت به جریان انداختن سیال در سیستم که توسط الکترو موتور یا ۳) موتور های احتراق داخلی به کار انداخته می شوند. ۴) شیرها : برای کنترل فشار ، جریان و جهت حرکت سیال ۵) عملگرها : جهت تبدیل انرژی سیال تحت فشار به نیروی مکانیکی مولد کار(سیلندرهای هیدرولیک برای ایجاد حرکت خطی و موتور های هیدرولیک برای ایجاد حرکت دورانی).
● اجزای تشکیل دهنده سیستم های نیوماتیکی: ۱) کمپرسور ۲) خنک کننده و خشک کننده هوای تحت فشار ۳) مخزن ذخیره هوای تحت فشار ۴) شیرهای کنترل ۵) عملگرها
● یک مقایسه کلی بین سیستم‌های هیدرولیک و نیوماتیک: ۱) در سیستم‌های نیوماتیک از سیال تراکم پذیر مثل هوا و در سیستم‌های هیدرولیک از سیال تراکم ناپذیر مثل روغن استفاده می کنند. ۲) در سیستم‌های هیدرولیک روغن علاوه بر انتقال قدرت وظیفه روغن کاری قطعات داخلی سیستم را نیز بر عهده دارد ولی در نیوماتیک علاوه بر روغن کاری قطعات، باید رطوبت موجود در هوا را نیز از بین برد ولی در هر دو سیستم سیال باید عاری از هر گونه گرد و غبار و نا خالصی باشد ۳) فشار در سیستم‌های هیدرولیکی بمراتب بیشتر از فشار در سیستم‌های نیوماتیکی می باشد ، حتی در مواقع خاص به ۱۰۰۰ مگا پاسکال هم میرسد ، در نتیجه قطعات سیستم‌های هیدرولیکی باید از مقاومت بیشتری برخوردار باشند. ۴) در سرعت های پایین دقت محرک های نیوماتیکی بسیار نامطلوب است در صورتی که دقت محرک های هیدرولیکی در هر سرعتی رضایت بخش است . ۵) در سیستم‌های نیوماتیکی با سیال هوا نیاز به لوله های بازگشتی و مخزن نگهداری هوا نمی باشد. ۶) سیستم‌های نیوماتیک از بازده کمتری نسبت به سیستم‌های هیدرولیکی برخوردارند.
امروزه در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ، انتقال قدرت آن هم به صورت کم هزینه و با دقت زیاد مورد نظر است در همین راستا بکارگیری سیال تحت فشار در انتقال و کنترل قدرت در تمام شاخه های صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سیال به دو شاخه مهم هیدرولیک و نیوماتیک ( که جدیدتر است ) تقسیم می‌شود . از نیوماتیک در مواردی که نیروهای نسبتاً پایین (حدود یک تن) و سرعت های حرکتی بالا مورد نیاز باشد (مانند سیستم‌هایی که در قسمت‌های محرک رباتها بکار می روند) استفاده می‌کنند در صورتیکه کاربردهای سیستم‌های هیدرولیک عمدتاً در مواردی است که قدرتهای بالا و سرعت های کنترل شده دقیق مورد نظر باشد(مانند جک های هیدرولیک ، ترمز و فرمان هیدرولیک و...). حال این سوال پیش میاید که مزایای یک سیستم هیدرولیک یا نیوماتیک نسبت به سایر سیستم‌های مکانیکی یا الکتریکی چیست؟در جواب می توان به موارد زیر اشاره کرد: ۱) طراحی ساده ۲) قابلیت افزایش نیرو ۳) سادگی و دقت کنترل ۴) انعطاف پذیری ۵) راندمان بالا ۶) اطمینان در سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک نسبت به سایر سیستم‌های مکانیکی قطعات محرک کمتری وجود دارد و میتوان در هر نقطه به حرکتهای خطی یا دورانی با قدرت بالا و کنترل مناسب دست یافت ، چون انتقال قدرت توسط جریان سیال پر فشار در خطوط انتقال (لوله ها و شیلنگ ها) صورت میگیرد ولی در سیستم‌های مکانیکی دیگر برای انتقال قدرت از اجزایی مانند بادامک ، چرخ دنده ، گاردان ، اهرم ، کلاچ و... استفاده می‌کنند. در این سیستم‌ها میتوان با اعمال نیروی کم به نیروی بالا و دقیق دست یافت همچنین میتوان نیرو های بزرگ خروجی را با اعمال نیروی کمی (مانند بازو بسته کردن شیرها و ...) کنترل نمود. استفاده از شیلنگ های انعطاف پذیر ، سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک را به سیستم‌های انعطاف پذیری تبدیل می‌کند که در آنها از محدودیتهای مکانی که برای نصب سیستم‌های دیگر به چشم می خورد خبری نیست. سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک به خاطر اصطکاک کم و هزینه پایین از راندمان بالایی برخوردار هستند همچنین با استفاده از شیرهای اطمینان و سوئیچهای فشاری و حرارتی میتوان سیستمی مقاوم در برابر بارهای ناگهانی ، حرارت یا فشار بیش از حد ساخت که نشان از اطمینان بالای این سیستم‌ها دارد. اکنون که به مزایای سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک پی بردیم به توضیح ساده ای در مورد طرز کار این سیستم‌ها خواهیم پرداخت. برای انتقال قدرت به یک سیال تحت فشار (تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر) احتیاج داریم که توسط پمپ های هیدرولیک میتوان نیروی مکانیکی را تبدیل به قدرت سیال تحت فشار نمود. مرحله بعد انتقال نیرو به نقطه دلخواه است که این وظیفه را لوله ها، شیلنگ ها و بست ها به عهده میگیرند . بعد از کنترل فشار و تعیین جهت جریان توسط شیرها سیال تحت فشار به سمت عملگرها (سیلندرها یا موتور های هیدرولیک ) هدایت می‌شوند تا قدرت سیال به نیروی مکانیکی مورد نیاز(به صورت خطی یا دورانی ) تبدیل شود. اساس کار تمام سیستم های هیدرولیکی و نیوماتیکی بر قانون پاسکال استوار است.
جهش هيدروليكي
جهش هيدروليكي از جمله پديده هايي است كه تاكنون محققان زيادي را معطوف خود ساخته است.خصوصيات بارز و ممتاز اين پديده موجب گرديده است تا در مهندسي هيدروليك كاربردهاي زيادي براي آن يافت شود.استفاده از جهش هيدروليكي در سرريز سدها به عنوان مستهلك كننده انرژي و استفاده از جهش هيدروليكي به منظور افزايش عمق جريان در كانالهاي آبياري و استفاده از تلاطم ايجاد شده در جهش به منظور اختلاط مواد شيميايي يا هوا با آب در تصفيه خانه هاي آب و فاضلاب و موارد متعدد ديگر از جمله اين كاربردها مي باشد.
جرياني كه از روي سرريز سد با سرعت زياد به پايين دست آن جريان مي يابدممكن است باعث تخريب و فرسايش كف رودخانه شده و خطراتي را متوجه سازه كند.بدين منظور براي كاهش انرژي جنبشي جريان در پايين دست سدها از حوضچه هاي جهش هيدروليكي استفاده مي شود.جهش هيدروليكي در واقع تبديل و تغير ناگهاني و سريع حالت جريان از فوق بحراني با سرعت زياد به زير بحراني با سرعت كم مي باشد.بنابراين بيشتر انرژي جنبشي جريان در خلال اين فرايند به انرژي پتانسيل تبديل مي شود.بخش ديگري از انرژي جنبشي نيز بر اثر تنشهاي برشي حاصل از برخورد موجها و تلاطم هاي بوجود آمده بر اثر جهش به صورت گرما جذب محيط اطراف خود مي شود.
خصوصيات بارز يك جهش هيدروليكي را مي توان به صورت زير خلاصه كرد
● آشفتگي شديد جريان
● ارتعاش و مشاهده حالت ضرباني در جريان
● ايجاد موج در سطح آب پايين دست
● ورود هوا به داخل جريان
● استهلاك انرژي به واسط آشفتگي و تلاطم شديد جريان
● ايجاد حالت پاشيدگي در آب و توليد سر و صدا
دريك تقسيم بندي كلي مي توان انواع جهش هيدروليكي را به صورت زير دسته بندي كرد :
١- جهش هيدروليكي ازاد
٢- جهش هيدروليكي اجباري
٣- جهش هيدروليكي مستغرق
هيدرولوژي چيست ؟
بر اساس آخرين مطالعات تا كنون 5 ميليارد سال از عمر زمين مي گذرد و شواهد مشان مي دهد كه آب از همان ابتداي تشكيل كره زمين نقش مهمي در تحول و قابل سكونت كردن آن به عنوان تنها سياره قابل زيست داشته است . با تشكيل اقيانوسها و در ياها و تشگيل بخار از روي آنها و ايجاد ابر و بارندگي و به طور كلي گردش آب در طبيعت و جاري شدن آب در رودخانه ها و بازگشت مجدد آن به طروق مختلف به اقيانوسها ، ابتدا زندگي اوليه با گياهان و جانداران پست آغاز شد و سپس گياهان و حيوانات عالي به وجود آمدند.
پوسته زمين كه از سنگهاي آذرين سرد شده تشكيل شده بود در اثر تماس با هوا و جو تحت تأ ثير پديده هوازدگي قرار گرفت و تغييرات همزمان آب ، دما و يخبندان باعث تكه تكه شدن سنگها شده وجاري شدن آبها آنها را جابه جا كرده و دشتهاي وسيعي را كه داراي پوشش خاك بودند به وجود آوردند . اين پوشش خاكي همراه با آب قابل دسترس در طبيعت محيط مناسبي را براي رشد گياهان فراهم شد و محيط مناسب براي زندگي بشر آماده و مهيا گرديد . انسانهاي نخستين از آب تنها براي شرب استفاده مي كردند بتدريج با پيشرفت تمدن و گذشت زمان از آن براي گردش آسيابها ، كشاورزي و حمل و نقل نيز استفاده كرد.
همزمان با پيشرفت تمدنها استفاده از آب نيز شكل تازه اي به خود گرفت به طوري كه در بسياري از زمينه ها ، از كشاورزي گرفته تا صنعت و از همه مهمتر توليد انرژي از آب استفاده مي شود و امروزه دسترسي به آب كافي و با كيفيت مناسب در زمان و مكان مناسب مد نظر مي باشد و هرگونه كمبود آب را مانعي در جهت توسعه پايدار مي داند به همين دليل هرساله سرمايه هاي زيادي براي توسعه منابع آب و طرحهاي مرتبط با آن مثل سدسازي و احداث شبكه هاي آبياري و زهكشي ، آبخيز داري ، مهار سيل و تغذيه آبهاي زير زميني انجام مي دهند .
بارندگي: PRECIPITATION
بارندگي مقدار آبي است كه از سطح خشكي ها ودرياها تبخير مي شود ودرداخل جو بطور موقت بصورت بخار ذخيره ميگردد. اين بخار آب موجود درجو طي فرآيندهاي فيزيكي مختلف متراكم (CONDENSATION) مي شود وبه شكل ابر در مي آيدكه پس از اشباع شدن ، قطرات آب با ذرات يخ تشكيل شده بصورت برف ، باران، تگرگ وغيره كه جمعاً نزولات جوي يا بارندگي گفته مي شوند دوباره به زمين برمي گردند. بارندگي پديده اي است كه انسان كمتر در آن مي تواند دخل وتصرف كند.
در جامعه امروز چگونگی بهره‌برداری بهینه از منابع آب برای تامین نیاز بخشهای كشاورزی، صنعت و شرب بیش از گذشته اهمیت دارد. طراحی و اجرای سازه‌های (ساختمانهای) بتنی، سنگی، خاكی و... یكی از راههای مناسب برای بهره‌برداری، انحراف و استحصال آب رودخانه‌ها (مجاری روباز)
می‌باشد رفتارهای مختلف این سازه‌ها در مقابل جریان آب، اجزا خود و محیط پیرامون از ساسی‌ترین نكاتی است كه در طراحی بناهای آبی بایستی مد نظر قرار گیرد این رفتارها عمولا با ساختن مدل فیزیكی در آزمایشگاههای هیدرولیك مورد بررسی قرار میگیرد تا با بررسی رفتار سازه در قالب مدل آزمایشگاهی، پیش‌بینی رعایت نكات لازم طراحی برای جلوگیری از هزینه‌های جبران‌ناپذیر بعدی صورت پذیرد. مدل فیزیكی سرریزهای وریسنگی پلكانی با شیب عمومی نمای پایین دست 1:1، 1:2، 1:3 (عمودی، افقی) در دو حالت كلی نفوذپذیر و نفوذناپذیر ساخته شد و در داخل فلوم آزمایشگاهی قرار گرفت. با كمك تحلیل ابعادی و استفاده از قانون فرود (Froud) با عبور دبی‌های مختلف انرژی مخصوص جریان آب در بالادست و پایین دست مدلها محاسبه گردید. وضعیتهای مختلفی از پارامترهای جریان نسبت به هم مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصله نشان داد كه حداقل سرعت جریان پایاب در حداقل دبی مربوط به سرریز با شیب نمای پایین دست 1:1 و بدنه نفوذناپذیر است و در حداكثر دبی نیز مربوط به سرریزی با همین شیب ولی بدنه نفوذپذیر می‌باشد تفاوت زیاد انرژی مخصوص جریان آب در بالادست و پایین دست حاكی از عملكرد موفق این نوع سرریز و استهلاك انرژی جریان و كاهش هزینه‌های اجرایی می‌باشد.
نتایج بررسی دارسی و ایسباخ در محیط متخلخل ریزدانه رابط‌ه‌ای بین سرعت جریان آرام و گرادیان افت انرژی جریان به صورت V=KLi ارائه داد. در جریان آشفته گرادیان افت انرژی جریان با توان دوم سرعت متناسب است i=V2Kt و در جریان بینابینی رابط‌ه به‌صورت تركیبی از جریان آرام و آشفته ارائه شده است(1).
i=VKL+V2Kt، از ط‌رف دیگر جی ناوس (1979) رابط‌ه‌ای تحت عنوان عدد فروید به‌صورت زیر برای تعیین حداكثر دبی عبوری از روی سدهای سنگریزه‌ای پیشنهاد
در سال Peyras 1990 و همكاران با استفاده از مدل هیدرولیكی سرریزهای توریسنگی پلكانی را مورد ارزیابی قرار دادند نتایج تحقیقات آنها نشان داد كه به طور كلی در دبی‌های كم تا زیاد سه نوع جریان ورقه‌ای، جزئی ورقه‌ای و شبه صاف در ا ین سرریزها وجود دارد و با ساخت این سرریزها ط‌ول حوضچه آرامش در مقایسه با روشهای جاری 10 تا 30 درصد كاهش می‌یابد. هزینه اجرای این سرریزها به نسبت سایر سرریزها به شدت كاهش می‌یابد و در صورتیكه به نحو صحیح كنار هم پیچیده و به یكدیگر دوخته شوند مقاومت خوبی در مقابل جریانهای سیلابی از خود نشان می‌دهند (1، 5). نگارنده در سال 1367 نیز با طراحی و اجرای دو سرریز توریسنگی پلكانی (در رودخانه قره‌چای استان مركزی و در بالادست سد الغدیر ساوه) حالات مختلف جریانهای سیلابی، پایداری سازه و... را در سیلابهای مختلف بررسی نمود كه عملكرد بسیار مناسب این سازه‌ها را در ط‌ول حدود 14 سال بهره‌برداری برای انحراف آب و تامین آب كشاورزی به اثبات رسانده است. اجرای بندها و سرریزهای توریسنگی كه در وسعت و تعداد زیاد در آبراهه‌های فصلی حوزه‌های آبخیز و رودخانه‌ها با هدف كنترل فرسایش، كاهش انرژی آب در مسیر و
نیز انحراف آب رودخانه‌ها برای تامین آب كشاورزی مورد استفاده قرار میگیرد (3). سوالی را در خصوص بهینه كردن ابعاد سرریز از نظر اقتصادی و فنی مط‌رح می‌نماید.
برای جوابگویی به این سوال و سوالات متعدد دیگری همچون:
-1 بهترین شیب عمومی نمای پایین دست سرریز توریسنگی پلكانی برای ایجاد حداكثر استهلاك انرژی كدام است؟
-2 در چه دبی جریانی حداكثر و حداقل استهلاك انرژی اتفاق می‌افتد؟
-3 آیا میزان نفوذپذیری سرریز تاثیری در میزان استهلاك انرژی جریان دارد؟ و...
كه هدف تحقیق پاسخ‌گوئی به سوالات فوق است این سوالات با انجام آزمایشات بر روی مدلهای فیزیكی سازه در آزمایشگاه هیدرولیك و با بررسی تغییرات سرعت
جریان آب و تجزیه و تحلیل میزان انرژی جریان در سرآب و پایآب مدل سرریز پاسخ داده شده‌اند.
روش كار
در انواع سرریزهای توریسنگی (پلكانی، شیب‌دار و قائم) شكل شماره -1 انواع پلكانی آن استهلاك انرژی خوبی از خود نشان می‌دهد (1، 2، 3).
از انواع سرریزهای تاج خطی (كه تاج آن در پلان بصورت خط است) سرریز توریسنگی پلكانی است این نوع سرریز، مشابه تعدادی سرریز اوجی شكل است با این تفاوت كه به جای منحنی پیوند در سطح آستانه سرریز از تعدادی پله با مصالح سنگی كه در جعبه‌های توری فولادی نرم گالوانیزه (توریسنگ) قرار گرفته‌اند (4).
آزمایشهای انجام شده بر روی این مدل توسط Peyras و همكاران (5) نشان می‌دهد كه اتلاف انرژی تابعی است از عدد پله (آبشاره) شیب وجه پایین دست پله‌ها و تعداد پله‌ها كه برای سه نوع جریان ورقه‌ای جزئی ورقه‌ای و شبه صاف از دبی‌های كم تا زیاد بر روی پله‌ها ایجاد میگردد.
در مدلسازی سرریز با توجه به اینكه نیروی موثر در حركت جریان نیروی ثقل می‌باشد از قانون تشابه فرود (یعنی نسبت نیروی اینرسی به نیروی ثقل) بر اساس روابط زیر استفاده گردید:
=نیروی ثقل‌نیروی اینرسی(1)
g.Lخm.am.a=pL3.L/T2p."L3.g=V2L.g====> Fr=V
:Vسرعت جریان آب
:gنیروی ثقل
:Lعمق جریان آب می‌باشد.
و با تعریف بعضی متغیرها از جمله ارتفاع سرریز(H) ، شیب عمومی نمای پایین دست پله‌ها(i) ، تخلخل توده سنگ بكار برده شده(n) ، كه نمایانگر وضع هندسی
سیستم هیدرولیكی و میزان جریان عبوری از روی سرریز در واحد عرض(q) ، ارتفاع آب روی سرریز (h) و سرعت آب عبوری از روی سرریز (V) كه وضع جریان سیاله را و
نهایتا وزن مخصوص سیال (pw) لزجت سینماتیكی (v) و نیروی ثقل (g) كه نشانگر خواص سیاله می‌باشند میتوان پارامترهای بدون بعد مستقل زیر را به دست آورد و با استفاده از تجارب تحقیقاتی مشابه و امكانات آزمایشگاهی، مقیاس ساخت مدل فیزیكی 1/10 و نیز مدل از نوع غیر معوج انتخاب شده است. ابعاد هر جعبه توریسنگ در مدل به ترتیب درازا 30 سانتی‌متر، پهنا 10 سانتی‌متر و بلندا 10 سانتی‌متر و تعداد پله‌ها نیز سه پله یعنی ارتفاع مدل 30 سانتی‌متر انتخاب شده است.
شیب عمومی نمای پایین دست مدل 1:1، 1:2 و 1:3 (عمودی، افقی) تعیین و مدل در دو حالت عمده یعنی در حالت اول نفوذ آب از داخل و روی سرریز (بالا دست مدل نفوذپذیر و قائم است) و در حالت دوم فقط آب از روی سرریز عبور می‌كند (بالادست مدل نفوذناپذیر قائم است) آزمایش شد. بده‌های جریان 20، 40، 60، 80 و 100 لیتر در ثانیه انتخاب و با سه شیب مختلف در نمای پایین دست در دو حالت كلی آزمایشات صورت گرفت. ابعاد چشمه‌های توری جعبه‌های گابیون 20*30 میلی متر و قط‌ر سیم توریها 0/7 میلی‌متر و سنگ مورد استفاده در جعبه‌ها از جنس ماسه سنگ، سنگ آذرین و سنگ آهك شكسته تعیین و ابعاد سنگها با توجه به انجام آزمایش دانه‌بندی بوسیله الك حداقل 1/5 برابر قط‌ر چشمه‌های توری و D50 =4/75mm انتخاب شد D50) .مصالح مورد استفاده در ط‌رحهای اجرایی معمولا 20 تا 30 سانتی‌متر است). نظ‌ربه اینكه معمولا برای حفاظت توریها در تاج پلكان سرریزهای توریسنگی از یك لایه بتن استفاده می‌شود لذا با رعایت شرایط تشابه مدل و اصل (از لحاظ زبری و ضخامت) در بعضی مدلها، تخته ضد آب به ضخامت 19 میلی متر بدین منظور به‌كار رفته است شكل شماره -3 آزمایشها در آزمایشگاه هیدرولیك مركز تحقیقات آب (سابق) جهادسازندگی و در یك فلوم نیم شیشه‌ای با كف ثابت و عرض و ارتفاع 60 سانتی‌متر انجام شد با توجه به شكل -2 و اندازه‌گیری تراز سطح آب در هر مقط‌ع در یك دبی معلوم، سرعت و انرژی جریان آب در بالادست و پایین دست سرریز محاسبه و میزان افت انرژی در بالا دست و پایین دست از روابط زیر تعیین گردید:
E1=y1+V122g(6)
E2=y2+V222g(7)
%EL= E1-E2E1*100(8)
در این روابط (y) عمق جریان آب، (V) سرعت جریان آب و E انرژی آب و (%EL) درصد افت انرژی جریان می‌باشد (اندیس 1 و 2 نشانگر بالادست و پایین دست مدل است).
با توجه به موضوع مورد بررسی و برای تعیین دقیق عملكرد گزینه‌ها، ابتدا همبستگی بین سرعت جریان آب در پایاب با درصد افت انرژی با استفاده از مدل خطی آزمایش شد. و سپس با رسم نمودارهای متعدد با استفاده از برنامه كامپیوتری وضعیتهای مختلفی از پارامترهای جریان (سرعت آب در بالادست و پایین دست در برابر بده جریان و سرعت آب در پایین دست در برابر درصد افت انرژی) بررسی شده‌اند جداول 1 و 2 معادلات مربوط و قسمتی از نتایج را نشان می‌دهد.
بحث و نتیجه گیری
با توجه به هدف تحقیق كه بررسی آزمایشگاهی استهلاك انرژی جریان بر روی سرریزهای توریسنگی پلكانی است روش نظ‌ری و تجربی و نیز نتایج تحقیقات قبلی با تكیه بر تحلیل‌های ابعادی و به كارگیری تحلیل‌های آماری برای تجزیه و تحلیل مورد استفاده قرار گرفته است. با توجه به بیش از 180 داده آزمایشگاهی قرائت شده كه حاصل از بررسی بر روی 9 گزینه سرریز كه بر روی هر گزینه 5 دبی جریان مختلف عبور داده شده است (مجموعا 45 آزمایش) لذا همبستگی بین دبی جریان با درصد افت انرژی برای دستیابی به بالاترین درصد افت انرژی با چهار مدل خطی لگاریتمی، توانی و نمایی با 36 معادله بررسی شد و سپس با رسم نمودارهای متعدد با استفاده از برنامه Harvard Graphics ver.5 وضعیتهای مختلفی از پارامترهای جریان بررسی شده‌اند. این نمودارها نشان دهنده تغییرات بده جریان در مقابل درصد افت انرژی، عدد پله در مقابل درصد افت، سرعت آب در بالادست و پایین دست سرریز در برابر بده جریان و... می‌باشند. كه نتایج به شرح زیر است.
-پارامترهای موثر در ایجاد استهلاك انرژی جریان در این نوع سرریزها شامل شیب عمومی پایین دست پله‌ها، میزان تخلخل توده سنگ بكار رفته در توریسنگ، دبی عبوری جریان، ارتفاع كل سرریز است.
-لزوم توجه و استفاده بیشتر از سازه‌های توریسنگی به عنوان گزینه‌ای كارآ و مط‌مئن در كارهای رودخانه‌ای مخصوصا بعنوان سرریز در بندهای انحرافی كه استهلاك انرژی خوبی از خود نشان می‌دهند و نیز بعنوان سدهای تاخیری (متوالی) در مسیر رودخانه‌های پرشیب مناط‌ق كوهستانی كه شدت فرسایش را كاهش می‌دهند.
-تغییر در شیب وجه پایین دست سرریز در یك دبی ثابت، تغییرات كم سرعت جریان آب در سرآب سرریز را باعث می‌شود. ولی تغییرات سرعت آب در پایین دست نسبت به تغییر این شیب در حالات مختلف متفاوت است.
-سرعت جریان آب در بالادست و پایین دست همه گزینه‌ها نسبت به افزایش دبی جریان افزایش می‌یابند و حداقل سرعت آب در سرآب و پایاب مربوط به مدلهایی است كه بالادست آنها نفوذناپذیر و تخته روی پله‌های آنها قرار داده شده است. سرعت آب سرآب در كلیه مدلها و در دبی 100 لیتر بر ثانیه در شیب پایین دست 1:2 كمتر از شیبهای دیگر بوده است.
لذا در حالتی كه حداقل سرعت جریان آب در پایاب وجود دارد یعنی حداكثر افت انرژی بر روی سرریز، لزوم ایجاد سازه استهلاك انرژی (حوضچه آرامش) با ط‌ول زیاد در پایاب منتفی میگردد بط‌وریكه بر اساس نتایج تحقیقات انجام شده توسط Peyras) و همكاران 5) 10 تا 30% از ط‌ول حوضچه آرامش كاسته می‌شود كه این میزان معادل 5 تا 10% هزینه كل پروژه می‌باشد.
تبخير:EVAPORATION
تبخير پديده اي است كه از هرگونه سطح مرطوب مانند سطوح آزاد آب يا سطح مرطوب خاك وگياه صورت مي گيرد. طي اين فرآيند آب مايع به بخار تبديل مي شود ومجدداً آب به جو زمين برمي. از عوامل مؤثر براين فرآيند مي توان به دماي هوا، سرعت باد، تابش خورشيد اشاره كرد كه هرچه ميزان آن بيشتر باشد سرعت تبخير نيز بيشتر است.
منابع:
1- ابراهیمی، نادرقلی و .1372 ((بررسی استهلاك انرژی جریان بر روی سرریزهای گابیونی پلكانی، پایان‌نامه كارشناسی ارشد رشته تاسیسات آبیاری دانشگاه تربیت مدرس.
2-جوان، محمود. فرشاد، مهدی - ط‌الب بیدختی، ناصر - جواهری، پرهام. .1369 ط‌رح آنالیز و اجرای سازه‌های توریسنگی (گابیون). معاونت امور آب جهادسازندگی 1369
مایعات تقریباً تراکم ناپذیر هستند. این ویژگی سبب شده است که از مایعات به عنوان وسیله مناسبی برای تبدیل و انتقال کار استفاده شود. بنابراین میتوان از آنها برای طراحی ماشینهایی که در عین سادگی، با نیروی محرک خیلی کم بتواند نیروی مقاوم فوق العاده زیادی را جابجا نماید، استفاده نمود. به این ویژگی و همچنین دانش مطالعه این ویژگی هیدرولیک گفته می‌شود.
امروزه در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ، انتقال قدرت آن هم به صورت کم هزینه و با دقت زیاد مورد نظر است در همین راستا بکارگیری سیال تحت فشار در انتقال و کنترل قدرت در تمام شاخه های صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سیال به دو شاخه مهم هیدرولیک و نیوماتیک ( که جدیدتر است ) تقسیم می‌شود . از نیوماتیک در مواردی که نیروهای نسبتاً پایین (حدود یک تن) و سرعت های حرکتی بالا مورد نیاز باشد (مانند سیستم‌هایی که در قسمت‌های محرک رباتها بکار می روند) استفاده می‌کنند در صورتیکه کاربردهای سیستم‌های هیدرولیک عمدتاً در مواردی است که قدرتهای بالا و سرعت های کنترل شده دقیق مورد نظر باشد(مانند جک های هیدرولیک ، ترمز و فرمان هیدرولیک و...). حال این سوال پیش میاید که مزایای یک سیستم هیدرولیک یا نیوماتیک نسبت به سایر سیستم‌های مکانیکی یا الکتریکی چیست؟در جواب می توان به موارد زیر اشاره کرد: ۱) طراحی ساده ۲) قابلیت افزایش نیرو ۳) سادگی و دقت کنترل ۴) انعطاف پذیری ۵) راندمان بالا ۶) اطمینان در سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک نسبت به سایر سیستم‌های مکانیکی قطعات محرک کمتری وجود دارد و میتوان در هر نقطه به حرکتهای خطی یا دورانی با قدرت بالا و کنترل مناسب دست یافت ، چون انتقال قدرت توسط جریان سیال پر فشار در خطوط انتقال (لوله ها و شیلنگ ها) صورت میگیرد ولی در سیستم‌های مکانیکی دیگر برای انتقال قدرت از اجزایی مانند بادامک ، چرخ دنده ، گاردان ، اهرم ، کلاچ و... استفاده می‌کنند. در این سیستم‌ها میتوان با اعمال نیروی کم به نیروی بالا و دقیق دست یافت همچنین میتوان نیرو های بزرگ خروجی را با اعمال نیروی کمی (مانند بازو بسته کردن شیرها و ...) کنترل نمود. استفاده از شیلنگ های انعطاف پذیر ، سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک را به سیستم‌های انعطاف پذیری تبدیل می‌کند که در آنها از محدودیتهای مکانی که برای نصب سیستم‌های دیگر به چشم می خورد خبری نیست. سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک به خاطر اصطکاک کم و هزینه پایین از راندمان بالایی برخوردار هستند همچنین با استفاده از شیرهای اطمینان و سوئیچهای فشاری و حرارتی میتوان سیستمی مقاوم در برابر بارهای ناگهانی ، حرارت یا فشار بیش از حد ساخت که نشان از اطمینان بالای این سیستم‌ها دارد. اکنون که به مزایای سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک پی بردیم به توضیح ساده ای در مورد طرز کار این سیستم‌ها خواهیم پرداخت. برای انتقال قدرت به یک سیال تحت فشار (تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر) احتیاج داریم که توسط پمپ های هیدرولیک میتوان نیروی مکانیکی را تبدیل به قدرت سیال تحت فشار نمود. مرحله بعد انتقال نیرو به نقطه دلخواه است که این وظیفه را لوله ها، شیلنگ ها و بست ها به عهده میگیرند . بعد از کنترل فشار و تعیین جهت جریان توسط شیرها سیال تحت فشار به سمت عملگرها (سیلندرها یا موتور های هیدرولیک ) هدایت می‌شوند تا قدرت سیال به نیروی مکانیکی مورد نیاز(به صورت خطی یا دورانی ) تبدیل شود. اساس کار تمام سیستم های هیدرولیکی و نیوماتیکی بر قانون پاسکال استوار است.
● قانون پاسکال: ۱) فشار سرتاسر سیال در حال سکون یکسان است .(با صرف نظر از وزن سیال) ۲) در هر لحظه فشار استاتیکی در تمام جهات یکسان است. ۳) فشار سیال در تماس با سطوح بصورت عمودی وارد میگردد. کار سیستم‌های نیوماتیک مشابه سیستم های هیدرولیک است فقط در آن به جای سیال تراکم ناپذیر مانند روغن از سیال تراکم پذیر مانند هوا استفاده می کنند . در سیستم‌های نیوماتیک برای دست یافتن به یک سیال پرفشار ، هوا را توسط یک کمپرسور فشرده کرده تا به فشار دلخواه برسد سپس آنرا در یک مخزن ذخیره می کنند، البته دمای هوا پس از فشرده شدن بشدت بالا میرود که می تواند به قطعات سیستم آسیب برساند لذا هوای فشرده قبل از هدایت به خطوط انتقال قدرت باید خنک شود. به دلیل وجود بخار آب در هوای فشرده و پدیده میعان در فرایند خنک سازی باید از یک واحد بهینه سازی برای خشک کردن هوای پر فشار استفاده کرد. اکنون بعد از آشنایی مختصر با طرز کار سیستم‌های هیدرولیکی و نیوماتیکی به معرفی اجزای یک سیستم هیدرولیکی و نیوماتیکی می پردازیم.
● اجزای تشکیل دهنده سیستم های هیدرولیکی: ۱) مخزن : جهت نگهداری سیال ۲) پمپ : جهت به جریان انداختن سیال در سیستم که توسط الکترو موتور یا ۳) موتور های احتراق داخلی به کار انداخته می شوند. ۴) شیرها : برای کنترل فشار ، جریان و جهت حرکت سیال ۵) عملگرها : جهت تبدیل انرژی سیال تحت فشار به نیروی مکانیکی مولد کار(سیلندرهای هیدرولیک برای ایجاد حرکت خطی و موتور های هیدرولیک برای ایجاد حرکت دورانی).
● اجزای تشکیل دهنده سیستم های نیوماتیکی: ۱) کمپرسور ۲) خنک کننده و خشک کننده هوای تحت فشار ۳) مخزن ذخیره هوای تحت فشار ۴) شیرهای کنترل ۵) عملگرها
● یک مقایسه کلی بین سیستم‌های هیدرولیک و نیوماتیک: ۱) در سیستم‌های نیوماتیک از سیال تراکم پذیر مثل هوا و در سیستم‌های هیدرولیک از سیال تراکم ناپذیر مثل روغن استفاده می کنند. ۲) در سیستم‌های هیدرولیک روغن علاوه بر انتقال قدرت وظیفه روغن کاری قطعات داخلی سیستم را نیز بر عهده دارد ولی در نیوماتیک علاوه بر روغن کاری قطعات، باید رطوبت موجود در هوا را نیز از بین برد ولی در هر دو سیستم سیال باید عاری از هر گونه گرد و غبار و نا خالصی باشد ۳) فشار در سیستم‌های هیدرولیکی بمراتب بیشتر از فشار در سیستم‌های نیوماتیکی می باشد ، حتی در مواقع خاص به ۱۰۰۰ مگا پاسکال هم میرسد ، در نتیجه قطعات سیستم‌های هیدرولیکی باید از مقاومت بیشتری برخوردار باشند. ۴) در سرعت های پایین دقت محرک های نیوماتیکی بسیار نامطلوب است در صورتی که دقت محرک های هیدرولیکی در هر سرعتی رضایت بخش است . ۵) در سیستم‌های نیوماتیکی با سیال هوا نیاز به لوله های بازگشتی و مخزن نگهداری هوا نمی باشد. ۶) سیستم‌های نیوماتیک از بازده کمتری نسبت به سیستم‌های هیدرولیکی برخوردارند.
امروزه در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ، انتقال قدرت آن هم به صورت کم هزینه و با دقت زیاد مورد نظر است در همین راستا بکارگیری سیال تحت فشار در انتقال و کنترل قدرت در تمام شاخه های صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سیال به دو شاخه مهم هیدرولیک و نیوماتیک ( که جدیدتر است ) تقسیم می‌شود . از نیوماتیک در مواردی که نیروهای نسبتاً پایین (حدود یک تن) و سرعت های حرکتی بالا مورد نیاز باشد (مانند سیستم‌هایی که در قسمت‌های محرک رباتها بکار می روند) استفاده می‌کنند در صورتیکه کاربردهای سیستم‌های هیدرولیک عمدتاً در مواردی است که قدرتهای بالا و سرعت های کنترل شده دقیق مورد نظر باشد(مانند جک های هیدرولیک ، ترمز و فرمان هیدرولیک و...). حال این سوال پیش میاید که مزایای یک سیستم هیدرولیک یا نیوماتیک نسبت به سایر سیستم‌های مکانیکی یا الکتریکی چیست؟در جواب می توان به موارد زیر اشاره کرد: ۱) طراحی ساده ۲) قابلیت افزایش نیرو ۳) سادگی و دقت کنترل ۴) انعطاف پذیری ۵) راندمان بالا ۶) اطمینان در سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک نسبت به سایر سیستم‌های مکانیکی قطعات محرک کمتری وجود دارد و میتوان در هر نقطه به حرکتهای خطی یا دورانی با قدرت بالا و کنترل مناسب دست یافت ، چون انتقال قدرت توسط جریان سیال پر فشار در خطوط انتقال (لوله ها و شیلنگ ها) صورت میگیرد ولی در سیستم‌های مکانیکی دیگر برای انتقال قدرت از اجزایی مانند بادامک ، چرخ دنده ، گاردان ، اهرم ، کلاچ و... استفاده می‌کنند. در این سیستم‌ها میتوان با اعمال نیروی کم به نیروی بالا و دقیق دست یافت همچنین میتوان نیرو های بزرگ خروجی را با اعمال نیروی کمی (مانند بازو بسته کردن شیرها و ...) کنترل نمود. استفاده از شیلنگ های انعطاف پذیر ، سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک را به سیستم‌های انعطاف پذیری تبدیل می‌کند که در آنها از محدودیتهای مکانی که برای نصب سیستم‌های دیگر به چشم می خورد خبری نیست. سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک به خاطر اصطکاک کم و هزینه پایین از راندمان بالایی برخوردار هستند همچنین با استفاده از شیرهای اطمینان و سوئیچهای فشاری و حرارتی میتوان سیستمی مقاوم در برابر بارهای ناگهانی ، حرارت یا فشار بیش از حد ساخت که نشان از اطمینان بالای این سیستم‌ها دارد. اکنون که به مزایای سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک پی بردیم به توضیح ساده ای در مورد طرز کار این سیستم‌ها خواهیم پرداخت. برای انتقال قدرت به یک سیال تحت فشار (تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر) احتیاج داریم که توسط پمپ های هیدرولیک میتوان نیروی مکانیکی را تبدیل به قدرت سیال تحت فشار نمود. مرحله بعد انتقال نیرو به نقطه دلخواه است که این وظیفه را لوله ها، شیلنگ ها و بست ها به عهده میگیرند . بعد از کنترل فشار و تعیین جهت جریان توسط شیرها سیال تحت فشار به سمت عملگرها (سیلندرها یا موتور های هیدرولیک ) هدایت می‌شوند تا قدرت سیال به نیروی مکانیکی مورد نیاز(به صورت خطی یا دورانی ) تبدیل شود. اساس کار تمام سیستم های هیدرولیکی و نیوماتیکی بر قانون پاسکال استوار است.
جهش هيدروليكي
جهش هيدروليكي از جمله پديده هايي است كه تاكنون محققان زيادي را معطوف خود ساخته است.خصوصيات بارز و ممتاز اين پديده موجب گرديده است تا در مهندسي هيدروليك كاربردهاي زيادي براي آن يافت شود.استفاده از جهش هيدروليكي در سرريز سدها به عنوان مستهلك كننده انرژي و استفاده از جهش هيدروليكي به منظور افزايش عمق جريان در كانالهاي آبياري و استفاده از تلاطم ايجاد شده در جهش به منظور اختلاط مواد شيميايي يا هوا با آب در تصفيه خانه هاي آب و فاضلاب و موارد متعدد ديگر از جمله اين كاربردها مي باشد.
جرياني كه از روي سرريز سد با سرعت زياد به پايين دست آن جريان مي يابدممكن است باعث تخريب و فرسايش كف رودخانه شده و خطراتي را متوجه سازه كند.بدين منظور براي كاهش انرژي جنبشي جريان در پايين دست سدها از حوضچه هاي جهش هيدروليكي استفاده مي شود.جهش هيدروليكي در واقع تبديل و تغير ناگهاني و سريع حالت جريان از فوق بحراني با سرعت زياد به زير بحراني با سرعت كم مي باشد.بنابراين بيشتر انرژي جنبشي جريان در خلال اين فرايند به انرژي پتانسيل تبديل مي شود.بخش ديگري از انرژي جنبشي نيز بر اثر تنشهاي برشي حاصل از برخورد موجها و تلاطم هاي بوجود آمده بر اثر جهش به صورت گرما جذب محيط اطراف خود مي شود.
خصوصيات بارز يك جهش هيدروليكي را مي توان به صورت زير خلاصه كرد
● آشفتگي شديد جريان
● ارتعاش و مشاهده حالت ضرباني در جريان
● ايجاد موج در سطح آب پايين دست
● ورود هوا به داخل جريان
● استهلاك انرژي به واسط آشفتگي و تلاطم شديد جريان
● ايجاد حالت پاشيدگي در آب و توليد سر و صدا
دريك تقسيم بندي كلي مي توان انواع جهش هيدروليكي را به صورت زير دسته بندي كرد :
١- جهش هيدروليكي ازاد
٢- جهش هيدروليكي اجباري
٣- جهش هيدروليكي مستغرق
هيدرولوژي چيست ؟
بر اساس آخرين مطالعات تا كنون 5 ميليارد سال از عمر زمين مي گذرد و شواهد مشان مي دهد كه آب از همان ابتداي تشكيل كره زمين نقش مهمي در تحول و قابل سكونت كردن آن به عنوان تنها سياره قابل زيست داشته است . با تشكيل اقيانوسها و در ياها و تشگيل بخار از روي آنها و ايجاد ابر و بارندگي و به طور كلي گردش آب در طبيعت و جاري شدن آب در رودخانه ها و بازگشت مجدد آن به طروق مختلف به اقيانوسها ، ابتدا زندگي اوليه با گياهان و جانداران پست آغاز شد و سپس گياهان و حيوانات عالي به وجود آمدند.
پوسته زمين كه از سنگهاي آذرين سرد شده تشكيل شده بود در اثر تماس با هوا و جو تحت تأ ثير پديده هوازدگي قرار گرفت و تغييرات همزمان آب ، دما و يخبندان باعث تكه تكه شدن سنگها شده وجاري شدن آبها آنها را جابه جا كرده و دشتهاي وسيعي را كه داراي پوشش خاك بودند به وجود آوردند . اين پوشش خاكي همراه با آب قابل دسترس در طبيعت محيط مناسبي را براي رشد گياهان فراهم شد و محيط مناسب براي زندگي بشر آماده و مهيا گرديد . انسانهاي نخستين از آب تنها براي شرب استفاده مي كردند بتدريج با پيشرفت تمدن و گذشت زمان از آن براي گردش آسيابها ، كشاورزي و حمل و نقل نيز استفاده كرد.
همزمان با پيشرفت تمدنها استفاده از آب نيز شكل تازه اي به خود گرفت به طوري كه در بسياري از زمينه ها ، از كشاورزي گرفته تا صنعت و از همه مهمتر توليد انرژي از آب استفاده مي شود و امروزه دسترسي به آب كافي و با كيفيت مناسب در زمان و مكان مناسب مد نظر مي باشد و هرگونه كمبود آب را مانعي در جهت توسعه پايدار مي داند به همين دليل هرساله سرمايه هاي زيادي براي توسعه منابع آب و طرحهاي مرتبط با آن مثل سدسازي و احداث شبكه هاي آبياري و زهكشي ، آبخيز داري ، مهار سيل و تغذيه آبهاي زير زميني انجام مي دهند .
بارندگي: PRECIPITATION
بارندگي مقدار آبي است كه از سطح خشكي ها ودرياها تبخير مي شود ودرداخل جو بطور موقت بصورت بخار ذخيره ميگردد. اين بخار آب موجود درجو طي فرآيندهاي فيزيكي مختلف متراكم (CONDENSATION) مي شود وبه شكل ابر در مي آيدكه پس از اشباع شدن ، قطرات آب با ذرات يخ تشكيل شده بصورت برف ، باران، تگرگ وغيره كه جمعاً نزولات جوي يا بارندگي گفته مي شوند دوباره به زمين برمي گردند. بارندگي پديده اي است كه انسان كمتر در آن مي تواند دخل وتصرف كند.
در جامعه امروز چگونگی بهره‌برداری بهینه از منابع آب برای تامین نیاز بخشهای كشاورزی، صنعت و شرب بیش از گذشته اهمیت دارد. طراحی و اجرای سازه‌های (ساختمانهای) بتنی، سنگی، خاكی و... یكی از راههای مناسب برای بهره‌برداری، انحراف و استحصال آب رودخانه‌ها (مجاری روباز)
می‌باشد رفتارهای مختلف این سازه‌ها در مقابل جریان آب، اجزا خود و محیط پیرامون از ساسی‌ترین نكاتی است كه در طراحی بناهای آبی بایستی مد نظر قرار گیرد این رفتارها عمولا با ساختن مدل فیزیكی در آزمایشگاههای هیدرولیك مورد بررسی قرار میگیرد تا با بررسی رفتار سازه در قالب مدل آزمایشگاهی، پیش‌بینی رعایت نكات لازم طراحی برای جلوگیری از هزینه‌های جبران‌ناپذیر بعدی صورت پذیرد. مدل فیزیكی سرریزهای وریسنگی پلكانی با شیب عمومی نمای پایین دست 1:1، 1:2، 1:3 (عمودی، افقی) در دو حالت كلی نفوذپذیر و نفوذناپذیر ساخته شد و در داخل فلوم آزمایشگاهی قرار گرفت. با كمك تحلیل ابعادی و استفاده از قانون فرود (Froud) با عبور دبی‌های مختلف انرژی مخصوص جریان آب در بالادست و پایین دست مدلها محاسبه گردید. وضعیتهای مختلفی از پارامترهای جریان نسبت به هم مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصله نشان داد كه حداقل سرعت جریان پایاب در حداقل دبی مربوط به سرریز با شیب نمای پایین دست 1:1 و بدنه نفوذناپذیر است و در حداكثر دبی نیز مربوط به سرریزی با همین شیب ولی بدنه نفوذپذیر می‌باشد تفاوت زیاد انرژی مخصوص جریان آب در بالادست و پایین دست حاكی از عملكرد موفق این نوع سرریز و استهلاك انرژی جریان و كاهش هزینه‌های اجرایی می‌باشد.
نتایج بررسی دارسی و ایسباخ در محیط متخلخل ریزدانه رابط‌ه‌ای بین سرعت جریان آرام و گرادیان افت انرژی جریان به صورت V=KLi ارائه داد. در جریان آشفته گرادیان افت انرژی جریان با توان دوم سرعت متناسب است i=V2Kt و در جریان بینابینی رابط‌ه به‌صورت تركیبی از جریان آرام و آشفته ارائه شده است(1).
i=VKL+V2Kt، از ط‌رف دیگر جی ناوس (1979) رابط‌ه‌ای تحت عنوان عدد فروید به‌صورت زیر برای تعیین حداكثر دبی عبوری از روی سدهای سنگریزه‌ای پیشنهاد
در سال Peyras 1990 و همكاران با استفاده از مدل هیدرولیكی سرریزهای توریسنگی پلكانی را مورد ارزیابی قرار دادند نتایج تحقیقات آنها نشان داد كه به طور كلی در دبی‌های كم تا زیاد سه نوع جریان ورقه‌ای، جزئی ورقه‌ای و شبه صاف در ا ین سرریزها وجود دارد و با ساخت این سرریزها ط‌ول حوضچه آرامش در مقایسه با روشهای جاری 10 تا 30 درصد كاهش می‌یابد. هزینه اجرای این سرریزها به نسبت سایر سرریزها به شدت كاهش می‌یابد و در صورتیكه به نحو صحیح كنار هم پیچیده و به یكدیگر دوخته شوند مقاومت خوبی در مقابل جریانهای سیلابی از خود نشان می‌دهند (1، 5). نگارنده در سال 1367 نیز با طراحی و اجرای دو سرریز توریسنگی پلكانی (در رودخانه قره‌چای استان مركزی و در بالادست سد الغدیر ساوه) حالات مختلف جریانهای سیلابی، پایداری سازه و... را در سیلابهای مختلف بررسی نمود كه عملكرد بسیار مناسب این سازه‌ها را در ط‌ول حدود 14 سال بهره‌برداری برای انحراف آب و تامین آب كشاورزی به اثبات رسانده است. اجرای بندها و سرریزهای توریسنگی كه در وسعت و تعداد زیاد در آبراهه‌های فصلی حوزه‌های آبخیز و رودخانه‌ها با هدف كنترل فرسایش، كاهش انرژی آب در مسیر و
نیز انحراف آب رودخانه‌ها برای تامین آب كشاورزی مورد استفاده قرار میگیرد (3). سوالی را در خصوص بهینه كردن ابعاد سرریز از نظر اقتصادی و فنی مط‌رح می‌نماید.
برای جوابگویی به این سوال و سوالات متعدد دیگری همچون:
-1 بهترین شیب عمومی نمای پایین دست سرریز توریسنگی پلكانی برای ایجاد حداكثر استهلاك انرژی كدام است؟
-2 در چه دبی جریانی حداكثر و حداقل استهلاك انرژی اتفاق می‌افتد؟
-3 آیا میزان نفوذپذیری سرریز تاثیری در میزان استهلاك انرژی جریان دارد؟ و...
كه هدف تحقیق پاسخ‌گوئی به سوالات فوق است این سوالات با انجام آزمایشات بر روی مدلهای فیزیكی سازه در آزمایشگاه هیدرولیك و با بررسی تغییرات سرعت
جریان آب و تجزیه و تحلیل میزان انرژی جریان در سرآب و پایآب مدل سرریز پاسخ داده شده‌اند.
روش كار
در انواع سرریزهای توریسنگی (پلكانی، شیب‌دار و قائم) شكل شماره -1 انواع پلكانی آن استهلاك انرژی خوبی از خود نشان می‌دهد (1، 2، 3).
از انواع سرریزهای تاج خطی (كه تاج آن در پلان بصورت خط است) سرریز توریسنگی پلكانی است این نوع سرریز، مشابه تعدادی سرریز اوجی شكل است با این تفاوت كه به جای منحنی پیوند در سطح آستانه سرریز از تعدادی پله با مصالح سنگی كه در جعبه‌های توری فولادی نرم گالوانیزه (توریسنگ) قرار گرفته‌اند (4).
آزمایشهای انجام شده بر روی این مدل توسط Peyras و همكاران (5) نشان می‌دهد كه اتلاف انرژی تابعی است از عدد پله (آبشاره) شیب وجه پایین دست پله‌ها و تعداد پله‌ها كه برای سه نوع جریان ورقه‌ای جزئی ورقه‌ای و شبه صاف از دبی‌های كم تا زیاد بر روی پله‌ها ایجاد میگردد.
در مدلسازی سرریز با توجه به اینكه نیروی موثر در حركت جریان نیروی ثقل می‌باشد از قانون تشابه فرود (یعنی نسبت نیروی اینرسی به نیروی ثقل) بر اساس روابط زیر استفاده گردید:
=نیروی ثقل‌نیروی اینرسی(1)
g.Lخm.am.a=pL3.L/T2p."L3.g=V2L.g====> Fr=V
:Vسرعت جریان آب
:gنیروی ثقل
:Lعمق جریان آب می‌باشد.
و با تعریف بعضی متغیرها از جمله ارتفاع سرریز(H) ، شیب عمومی نمای پایین دست پله‌ها(i) ، تخلخل توده سنگ بكار برده شده(n) ، كه نمایانگر وضع هندسی
سیستم هیدرولیكی و میزان جریان عبوری از روی سرریز در واحد عرض(q) ، ارتفاع آب روی سرریز (h) و سرعت آب عبوری از روی سرریز (V) كه وضع جریان سیاله را و
نهایتا وزن مخصوص سیال (pw) لزجت سینماتیكی (v) و نیروی ثقل (g) كه نشانگر خواص سیاله می‌باشند میتوان پارامترهای بدون بعد مستقل زیر را به دست آورد و با استفاده از تجارب تحقیقاتی مشابه و امكانات آزمایشگاهی، مقیاس ساخت مدل فیزیكی 1/10 و نیز مدل از نوع غیر معوج انتخاب شده است. ابعاد هر جعبه توریسنگ در مدل به ترتیب درازا 30 سانتی‌متر، پهنا 10 سانتی‌متر و بلندا 10 سانتی‌متر و تعداد پله‌ها نیز سه پله یعنی ارتفاع مدل 30 سانتی‌متر انتخاب شده است.
شیب عمومی نمای پایین دست مدل 1:1، 1:2 و 1:3 (عمودی، افقی) تعیین و مدل در دو حالت عمده یعنی در حالت اول نفوذ آب از داخل و روی سرریز (بالا دست مدل نفوذپذیر و قائم است) و در حالت دوم فقط آب از روی سرریز عبور می‌كند (بالادست مدل نفوذناپذیر قائم است) آزمایش شد. بده‌های جریان 20، 40، 60، 80 و 100 لیتر در ثانیه انتخاب و با سه شیب مختلف در نمای پایین دست در دو حالت كلی آزمایشات صورت گرفت. ابعاد چشمه‌های توری جعبه‌های گابیون 20*30 میلی متر و قط‌ر سیم توریها 0/7 میلی‌متر و سنگ مورد استفاده در جعبه‌ها از جنس ماسه سنگ، سنگ آذرین و سنگ آهك شكسته تعیین و ابعاد سنگها با توجه به انجام آزمایش دانه‌بندی بوسیله الك حداقل 1/5 برابر قط‌ر چشمه‌های توری و D50 =4/75mm انتخاب شد D50) .مصالح مورد استفاده در ط‌رحهای اجرایی معمولا 20 تا 30 سانتی‌متر است). نظ‌ربه اینكه معمولا برای حفاظت توریها در تاج پلكان سرریزهای توریسنگی از یك لایه بتن استفاده می‌شود لذا با رعایت شرایط تشابه مدل و اصل (از لحاظ زبری و ضخامت) در بعضی مدلها، تخته ضد آب به ضخامت 19 میلی متر بدین منظور به‌كار رفته است شكل شماره -3 آزمایشها در آزمایشگاه هیدرولیك مركز تحقیقات آب (سابق) جهادسازندگی و در یك فلوم نیم شیشه‌ای با كف ثابت و عرض و ارتفاع 60 سانتی‌متر انجام شد با توجه به شكل -2 و اندازه‌گیری تراز سطح آب در هر مقط‌ع در یك دبی معلوم، سرعت و انرژی جریان آب در بالادست و پایین دست سرریز محاسبه و میزان افت انرژی در بالا دست و پایین دست از روابط زیر تعیین گردید:
E1=y1+V122g(6)
E2=y2+V222g(7)
%EL= E1-E2E1*100(8)
در این روابط (y) عمق جریان آب، (V) سرعت جریان آب و E انرژی آب و (%EL) درصد افت انرژی جریان می‌باشد (اندیس 1 و 2 نشانگر بالادست و پایین دست مدل است).
با توجه به موضوع مورد بررسی و برای تعیین دقیق عملكرد گزینه‌ها، ابتدا همبستگی بین سرعت جریان آب در پایاب با درصد افت انرژی با استفاده از مدل خطی آزمایش شد. و سپس با رسم نمودارهای متعدد با استفاده از برنامه كامپیوتری وضعیتهای مختلفی از پارامترهای جریان (سرعت آب در بالادست و پایین دست در برابر بده جریان و سرعت آب در پایین دست در برابر درصد افت انرژی) بررسی شده‌اند جداول 1 و 2 معادلات مربوط و قسمتی از نتایج را نشان می‌دهد.
بحث و نتیجه گیری
با توجه به هدف تحقیق كه بررسی آزمایشگاهی استهلاك انرژی جریان بر روی سرریزهای توریسنگی پلكانی است روش نظ‌ری و تجربی و نیز نتایج تحقیقات قبلی با تكیه بر تحلیل‌های ابعادی و به كارگیری تحلیل‌های آماری برای تجزیه و تحلیل مورد استفاده قرار گرفته است. با توجه به بیش از 180 داده آزمایشگاهی قرائت شده كه حاصل از بررسی بر روی 9 گزینه سرریز كه بر روی هر گزینه 5 دبی جریان مختلف عبور داده شده است (مجموعا 45 آزمایش) لذا همبستگی بین دبی جریان با درصد افت انرژی برای دستیابی به بالاترین درصد افت انرژی با چهار مدل خطی لگاریتمی، توانی و نمایی با 36 معادله بررسی شد و سپس با رسم نمودارهای متعدد با استفاده از برنامه Harvard Graphics ver.5 وضعیتهای مختلفی از پارامترهای جریان بررسی شده‌اند. این نمودارها نشان دهنده تغییرات بده جریان در مقابل درصد افت انرژی، عدد پله در مقابل درصد افت، سرعت آب در بالادست و پایین دست سرریز در برابر بده جریان و... می‌باشند. كه نتایج به شرح زیر است.
-پارامترهای موثر در ایجاد استهلاك انرژی جریان در این نوع سرریزها شامل شیب عمومی پایین دست پله‌ها، میزان تخلخل توده سنگ بكار رفته در توریسنگ، دبی عبوری جریان، ارتفاع كل سرریز است.
-لزوم توجه و استفاده بیشتر از سازه‌های توریسنگی به عنوان گزینه‌ای كارآ و مط‌مئن در كارهای رودخانه‌ای مخصوصا بعنوان سرریز در بندهای انحرافی كه استهلاك انرژی خوبی از خود نشان می‌دهند و نیز بعنوان سدهای تاخیری (متوالی) در مسیر رودخانه‌های پرشیب مناط‌ق كوهستانی كه شدت فرسایش را كاهش می‌دهند.
-تغییر در شیب وجه پایین دست سرریز در یك دبی ثابت، تغییرات كم سرعت جریان آب در سرآب سرریز را باعث می‌شود. ولی تغییرات سرعت آب در پایین دست نسبت به تغییر این شیب در حالات مختلف متفاوت است.
-سرعت جریان آب در بالادست و پایین دست همه گزینه‌ها نسبت به افزایش دبی جریان افزایش می‌یابند و حداقل سرعت آب در سرآب و پایاب مربوط به مدلهایی است كه بالادست آنها نفوذناپذیر و تخته روی پله‌های آنها قرار داده شده است. سرعت آب سرآب در كلیه مدلها و در دبی 100 لیتر بر ثانیه در شیب پایین دست 1:2 كمتر از شیبهای دیگر بوده است.
لذا در حالتی كه حداقل سرعت جریان آب در پایاب وجود دارد یعنی حداكثر افت انرژی بر روی سرریز، لزوم ایجاد سازه استهلاك انرژی (حوضچه آرامش) با ط‌ول زیاد در پایاب منتفی میگردد بط‌وریكه بر اساس نتایج تحقیقات انجام شده توسط Peyras) و همكاران 5) 10 تا 30% از ط‌ول حوضچه آرامش كاسته می‌شود كه این میزان معادل 5 تا 10% هزینه كل پروژه می‌باشد.
تبخير:EVAPORATION
تبخير پديده اي است كه از هرگونه سطح مرطوب مانند سطوح آزاد آب يا سطح مرطوب خاك وگياه صورت مي گيرد. طي اين فرآيند آب مايع به بخار تبديل مي شود ومجدداً آب به جو زمين برمي. از عوامل مؤثر براين فرآيند مي توان به دماي هوا، سرعت باد، تابش خورشيد اشاره كرد كه هرچه ميزان آن بيشتر باشد سرعت تبخير نيز بيشتر است.
منابع:
1- ابراهیمی، نادرقلی و .1372 ((بررسی استهلاك انرژی جریان بر روی سرریزهای گابیونی پلكانی، پایان‌نامه كارشناسی ارشد رشته تاسیسات آبیاری دانشگاه تربیت مدرس.
2-جوان، محمود. فرشاد، مهدی - ط‌الب بیدختی، ناصر - جواهری، پرهام. .1369 ط‌رح آنالیز و اجرای سازه‌های توریسنگی (گابیون). معاونت امور آب جهادسازندگی 1369
3-زند پارسا، شاهرخ - شفاعی بجستان، محمود. عملكرد سرریزها برای كنترل كف و سطح آب رودخانه‌ها. مجله آب شماره .12
4-شفاعی بجستان، محمود. .1371 جزوه درسی هیدرولیك رسوب، دانشكده كشاورزی دانشگاه تربیت مدرس.
آب معدنی مفید یا مضر ؟ - شنبه بیست و پنجم تیر 1390
آب معدنی واقعا بهداشتی تر است ؟ - شنبه بیست و پنجم تیر 1390
آب، امنیت غذایی، بحران ها و راهبردها - شنبه بیست و پنجم تیر 1390
بهداشت آب - شنبه بیست و پنجم تیر 1390
حذف نيترات از آبهاي آلوده با كمك نانوذرات آهن - جمعه بیست و چهارم تیر 1390
طراحی کانال (آبراهه) ها - پنجشنبه بیست و سوم تیر 1390
هيدروليک کانال (آبراهه) های روباز - پنجشنبه بیست و سوم تیر 1390
صافى‌ها و سيستم‌هاى تصفيه آب در کشاورزی - پنجشنبه بیست و سوم تیر 1390
هيدروليک قطره‌چکان‌ها - پنجشنبه بیست و سوم تیر 1390
هيدروليک لاترال‌ها - پنجشنبه بیست و سوم تیر 1390
سيستم پمپاژ - پنجشنبه بیست و سوم تیر 1390
اجزاء و خصوصیات سيستم‌های آبيارى - پنجشنبه بیست و سوم تیر 1390
طراحى سيستم آبيارى - پنجشنبه بیست و سوم تیر 1390
آئروموناس در آب - پنجشنبه بیست و سوم تیر 1390
طراحى سيستم آبيارى در کرتهاى مسطح - پنجشنبه بیست و سوم تیر 1390
کاربرد هالوژن و ترکيبات آن - پنجشنبه بیست و سوم تیر 1390
جدا کردن باکتري‌ها از آب با استفاده از نانوغشاي جديد - پنجشنبه بیست و سوم تیر 1390
يافتن عوامل موثر در حذف فلزات سنگين از آب - پنجشنبه بیست و سوم تیر 1390
راهبردهاي جديد تصفيه آب با استفاده از فناوري نانو - پنجشنبه بیست و سوم تیر 1390
مالكيت منابع آبي - چهارشنبه بیست و دوم تیر 1390
سازمان هاي حافظ آبهاي آشاميدني و جلوگيري از آلودگي آبهاي عمومي - چهارشنبه بیست و دوم تیر 1390
سدهاي لاستيكي - چهارشنبه بیست و دوم تیر 1390
دستگاه های تصفیه فاضلاب در صنایع غذایی - چهارشنبه بیست و دوم تیر 1390
مدیریت نگهداری شبکه های آبرسانی و آبیاری - چهارشنبه بیست و دوم تیر 1390
ساختار سياست جزايي حقوق آب ايران - چهارشنبه بیست و دوم تیر 1390
فلوئور در تصفیه خانه های آب - سه شنبه بیست و یکم تیر 1390
معرفی انواع سد ها و سفره های آب زیرزمینی - سه شنبه بیست و یکم تیر 1390
شناسائي و كاهش آب بحساب نيامده در شبكه هاي آبرساني شهري 4 - سه شنبه بیست و یکم تیر 1390
شناسائي و كاهش آب بحساب نيامده در شبكه هاي آبرساني شهري 3 - سه شنبه بیست و یکم تیر 1390
شناسائي و كاهش آب بحساب نيامده در شبكه هاي آبرساني شهري 2 - سه شنبه بیست و یکم تیر 1390
شناسائي و كاهش آب بحساب نيامده در شبكه هاي آبرساني شهري 1 - سه شنبه بیست و یکم تیر 1390
روناب - شنبه هجدهم تیر 1390
فاضلاب و زباله شهري - شنبه هجدهم تیر 1390
استفاده مجدد از فاضلاب در كشاورزي و چالش هاي بهداشتي - شنبه هجدهم تیر 1390
بررسی روش اقتصادی انتخاب لوله - شنبه هجدهم تیر 1390
آب زیرزمینی - شنبه هجدهم تیر 1390
اساس کار پمپ - شنبه هجدهم تیر 1390
حفاظت آب Water Conversion - شنبه هجدهم تیر 1390
دلايل فني تخريب سدها - شنبه هجدهم تیر 1390
نگاه «محیط زیستی» از کجا آمده؟ - پنجشنبه شانزدهم تیر 1390
اقتصاد مهندسي - پنجشنبه شانزدهم تیر 1390
خوردگی - پنجشنبه شانزدهم تیر 1390
جذب سطحی اسید استیک روی زغال فعال - پنجشنبه شانزدهم تیر 1390
حملات شيميائي و حفاظت از منابع آب - چهارشنبه پانزدهم تیر 1390
آب شرب سالم - چهارشنبه پانزدهم تیر 1390
بررسي نحوه بهره برداري از دستگاههاي كلرزني به عنوان روشی جهت گندزدائي آب شرب - چهارشنبه پانزدهم تیر 1390
لاگون هوادهي - چهارشنبه پانزدهم تیر 1390
آلودگي آب شهري - چهارشنبه پانزدهم تیر 1390
اسپكتروفتومترها - دوشنبه سیزدهم تیر 1390
تعیین غلظت آهن در آب به روش اسپکتر و فتومتری - دوشنبه سیزدهم تیر 1390
Piping پایپینگ - پنجشنبه بیست و یکم بهمن 1389
تصفیه آب و فاضلاب - چهارشنبه بیستم بهمن 1389
راهنمای نمونه برداری و انجام آزمایشات الزامی تصفیه خانه های فاضلاب - چهارشنبه بیستم بهمن 1389
اندازه گیری تری نیتروتولوئنِ(TNT)در آب - چهارشنبه بیستم بهمن 1389
سختی آب Hardness - سه شنبه نوزدهم بهمن 1389
آموزش کامل اتوکد - سه شنبه نوزدهم بهمن 1389
فاضلاب و مسائل مربوط به آن - سه شنبه نوزدهم بهمن 1389
نیروهای هیدرواستاتیک - دوشنبه هجدهم بهمن 1389
نقش آب در انتقال بيماري ها - دوشنبه هجدهم بهمن 1389
مروری بر تحلیل فراوانی در هیدرولوژی - دوشنبه هجدهم بهمن 1389
فاضلاب صنعتی - دوشنبه هجدهم بهمن 1389
آزمایش میکروبی آب - یکشنبه هفدهم بهمن 1389
دستورالعمل بهره برداری و نگهداری از شبکه های جمع آوری فاضلاب شهری - یکشنبه هفدهم