مرجع تخصصی آب و فاضلاب

نگاهی به جریان سیال در لوله ها سيالات موادي هستند كه شكل ظرفي را كه درون آنها قرار دارند، به خود مي‌گيرند و لذا براي انتقال آنها، به محيطي واسطه نياز داريم. بشر از ديرگاه براي انتقال سيال بصورت پيوسته از لوله استفاده مي‌نمود. لوله ها در طولها، اشكال و اندازه‌هاي مختلف بكار ميروند . آيا تا به حال به شكل لوله ها توجه كرده‌ايد ؟ زياد شدن طول لوله يا قطر لوله ها چه اثري بر روي انتقال سيال و ميزان مصرف انرژي خواهد گذاشت؟ چرا لوله ها را به صورت مستقيم استفاده مي‌كنند؟ اگر لوله ها را خم كنند يا حتي بپيچانندچه تغييري در جريان مشاهده مي‌كنيم؟
گاهي از اوقات لوله حاوي سيال را گرم و يا سرد مي‌كنند و با اين عمل ، از لوله يك مبادله گر حرارتي ميسازند. با توجه به اين موضوع به سوالات بالا چنين پاسخ مي‌دهيم.
لوله در اينجا مجرايي است كه سيال در داخل آن جريان مييابد و همزمان گرم يا سرد نيز مي‌شود. هنگامي كه سيال لزجي وارد مجرايي ميشود ، لايه مرزي، در طول ديواره تشكيل خواهد شد. لايه مرزي بتدريج در كل سطح مقطع مجرا توسعه مييابد و از آن به بعد به جريان، كاملا توسعه يافته (فراگير ) گفته مي‌شود. معمولا اگر طول لوله بلندتر از 10 برابر قطر لوله باشد آنگاه جريان توسعه يافته شده است.
اگر ديواره مجرا گرم يا سرد شود، لايه مرزي گرمايي نيز در طول ديواره مجرا توسعه خواهد يافت.
اگر گرمايش يا سرمايش، از ورودي مجرا شروع شود ، هم نمودار توزيع سرعت و هم نمودار توزيع دما بصورت همزمان توسعه مي‌يابند. مسأله انتقال گرما در اين شرايط ، به مسأله طول ورودي هيدرو ديناميكي و گرمايي تبديل مي‌شود كه در بر گيرنده چهاذ حالت مختلف است و به اينكه هر كدام از دو لايه مرزي سرعت و دما در چه وضعيتي بسر مي‌برند(( كاملا توسعه يافته و يا در حال توسعه)) بستگي دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

مطالعه سیالات درگیر

حدود چند دهه ای است که استفاده از تکنیک مطالعاتی سیالات درگیریا فلوئید اینکلوژن در علوم مرتبط با زمین شناسی به خوبی رواج یافته است. فلوئید اینکلوژن ها، واکوئل های پرشده از سیال هستند که در اغلب موارد در زمان تشکیل بلور به دام می افتند. ساده ترین حالتی که می توان برای به وجود آمدن آنها درنظر گرفت تشکیل آنها درون نقص های بلوری است که به علت رشد ناقص کریستال ها به وجود می آیند. به طور معمول فلوئید اینکلوژن ها در همه کانی ها وجود دارند، اما به علت یک سری شرایط خاص، مطالعه آنها معمولاً به کانی های شفاف و نیمه شفاف محدود می گردد. فلوئید اینکلوژن ها از نظر منشأ به سه گروه اولیه، ثانویه و ثانویه کاذب تقسیم می گردند. انواع اولیه معمولاً در امتداد زون های رشد و یا در محل نقص بلوری که در هنگام رشد بلور به وجود می آید تشکیل گردیده و انواع ثانویه در امتداد شکستگی های بسیار ریزی که بعد از رشد بلور به وجود می آیند، به دام می افتند. فلوئید اینکلوژن های ثانویه کاذب مشابه انواع ثانویه تشکیل گردیده با این تفاوت که ایجاد شکستگی و پر شدن آن هم زمان با رشد بلور صورت می گیرد. به طور کلی مطالعه فلوئید اینکلوژن ها در دو مبحث عمده پتروگرافی و میکروترمومتری خلاصه می گردد. در مبحث پتروگرافی، اندازه، شکل و مورفولوژی محتویات درون فلوئید اینکلوژن ، منشأ و نسبت فاز مایع به بخار مورد بررسی قرار می گیرد. در مبحث میکروترمومتری، سیالات درگیر تحت تأثیر مراحل گرمایش و سرمایش قرار گرفته (196ــ تا 600+) و با توجه به تغییر رفتار فازهای درون آنها، پارامترهای لازمه برداشت می گردد.

از مهم ترین این پارامترها اندازه گیری دمای همگن شدن درجه ذوب اولیه و درجه ذوب نهایی می باشد که با استفاده از تعبیر و تفسیر و پردازش این داده ها توسط نرم افزار های مربوطه، اطلاعات بسیار ارزشمندی درباره دما، ترکیب و میزان شوری سیال اولیه به دست می آید. در یک سیکل حرارتی، ابتدا فلوئید اینکلوژن را سرد کرده به طوری که کامل یخ ببندد و سپس دما رفته رفته افزایش می دهیم. دمایی که اولین بلور یخ ذوب گردد تحت عنوان نقطه یوتکتیک ( (e t گفته می شود که با توجه به آن می توان به طور کیفی ترکیب نمک های درون سیال را از روی جداول استاندارد تعیین نمود. سپس دما را افزایش داده تاجایی که تمام یخ ذوب گردد. دمایی که بلور یخ به طور کامل ذوب شدتحت عنوان درجه ذوب نهایی Tmice اندازه گیری شده و با توجه به دیاگرام فازی هر سیال، درصد شوری آن بر حسب درصد وزنی NaCl محاسبه می گردد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

در علم مکانیک سیالات استفاده از نتایج تجربی آزمایش ها امری متداول است ولی اغلب نمایش اطلاعات به دست آمده  به شکل َقابل خواندن ، دشوار است . گاهی حتی تفسیر نمودار ها نیز چندان ساده نیست . آنالیز دیمانسیونی روشی است برای درک ارتباط میان اطلاعات به دست امده و نحوه تشکیل انها .از آنالیز دیمانسیونی در تمامی زمینه های تجربی (مبتنی بر علم مهندسی ) می توان استفاده کرد .اگر بتوانیم عوامل و پارامتر های تاثیر گزار در وقایع و موقعیت های فیزیکی را تشخیص دهیم ، آنالیز دیمانسیونی ارتباط میان این پارامتر ها را به ما نشان می دهد .هر چند آنالیز دیمانسیونی در نگاه اول روش دقیقی به نظر نمی رسد اما با تبدیل نتایج کیفی به کمی می توان پارامترهای ناشناخته از تجزیه و تحلیل های تجربی را کاملا شناخت .

هر پدیده یا موقعیت فیزیکی  را می توان میتوان توسط چند پارامتر شناخته شده فیزیکی موسوم به بعد یا دیمانسیون تعریف کرد .از میان پارامتر های شناخته شده می توان به طول، مساحت، زمان  ، سرعت .... اشاره کرد .

(ابعاد) پارامترها قابل اندازه گیری می باشد که بدون تعریف (واحد های استاندارد ) معنی پیدا نمی کند .
( واحد ) استاندارد اندازه گیری و مقایسه ابعاد است.در انالیز دیمانسیونی بحث کیفی پارامترها مد نظر ماست و مقدار کمی انها مطرح نمی باشد

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

جرم حجمی  :

جرم حجمی هر سیال نسبت جرم آن سیال به حجم آن است .

واحد جرم حجمی در دستگاه M.K.S عبارتست از کیلوگرم برمتر مکعب

واحد جرم حجمی در دستگاه C.G.S  عبارتست از گرم بر سانتی متر مکعب

واحد جرم حجمی در دستگاه انگلیسی عبارتست از پوند بر فوت مکعب

جرم حجمی آب :

در دستگاه    1000M.K.Sکیلوگرم بر متر مکعب ، در دستگاهC.G.S  یک گرم بر سانتیمتر مکعب و در دستگاه انگلیسی 94/1 پوند بر فوت مکعب است .

چگالی نسبی RD : عبارتست از چگالی یک سیال نسبت به چگالی سیال دیگر . معمولاً چگالی نسبی سیالات نسبت به آب تعریف می شود . چگالی آب در سیستم C.G.S تقریباً معادل یک گرم بر سانتیمتر مکعب و در سیستم M.K.S برابر 1000 کیلوگرم بر متر مکعب می باشد .

rآب/rجسم=RD

چگالی نسبی فاقد واحد و بعد می باشد .

عدد رینولدز : عبارتست از نسبت نیروهای اینرسی به نیروهای ویسکوزیته . این عدد نمایانگر نوع جریان در لوله ها ، جریان در لایه مرزی و جریان در اطراف اجسام موجود در مسیر سیال می باشد . عدد رینولدز با قطر لوله و سرعت رابطه مستقیم و با ویسکوزیته رابطه عکس دارد. بنابراین افزایش لزجت موجب کاهش عدد رینولدز و افزایش قطر لوله و سرعت موجب افزایش عدد رینولدز می گردد .

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

وقتی که یک سیال درون یک مسیر بسته در حال جریان باشد و کندشدن و یا تسریع سرعت جریان به وجود اید پدیده ضربه قوچ مشاهده خواهد شد. نظیر مواقعی که در مسیر لوله شیری قرار گرفته باشد و به وسیله آن تغییری در سطح خروجی جریان ایجاد می شود. اگر این تغییرات تدریجی باشد می توان محاسبات را با توجه به اینکه مایع تراکم ناپذیر و جداره های مسیر عبور سخت هستند. به روش مشابه با تموج انجام داد. وقتی یک شیر را در مسیر خط لوله و جریان به سرعت می بندیم جریان درون شیر کاسته می شود. این عمل افزایش هد در سمت ورودی شیر را به دنبال خواهد داشت و ضربه ای ناشی از فشار زیاد را ایجاد می کند که در بالا دست جریان با سرعت موج صوتی تقویت می شود. نتیجه این ضربه فشاری کاهش سرعت جریان می باشد. در سمت دیگر شیر فشار کاهش خواهد یافت و موج فشار کاسته شده با سرعت موج به طرف پایین دست جریان حرکت می کند که این نیز کاهش سرعت را به همراه دارد. اگر سرعت بسته شدن به اندازه کافی سریع و و فشار حالت پایدار به مقدار کافی کم باشد حبابهائی از بخار در سمت پایین دست شیر شکل می گیرد و به این ترتیب خلاء حاصله در نهایت از میان خواهد رفت و موج ناشی از فشار زیاد ایجاد می شود.
قبل از بدست آوردن معادلات لازم جمربوط به ضربه قوچ وقایع و حوادث متوالی که پس از بسته شدن ناگهانی شیر در پائین دست جریان درون لوله که جریان آن از یک مخزن تامین می گردد به وقوع می پیوندد را بررسی می کنیم.
در این حالت از اصطکاک صرفه نظر می کنیم. فرض کنیم که شیر در لحظه بسته شدن در زمان صفر و سیال مجاور شیر متراکم و متوقف می شود. در نتیجه جداره های لوله کشیده می شوند. به محض اینکه اولین لایه متراکم شود. همین فرآیند برای لایه بعدی صورت خواهد گرفت سیال در بالا دست شیر به حرکت خود به طرف پایین دست جریان با سرعتی که کم نشده است ادامه می دهد تا اینکه لایه ها یکی پس از دیگری متراکم شوند و این عمل تا منبع تامین جریان ادامه می یابد. فشار ایجاد شده به صورت موج به بالا دست جریان منتقل می شود و سیال در حال جریان را متوقف و متراکم می سازد و سبب انبساط لوله می شود. وقتی که موج حاصله به بالادست جریان در لوله می رسد تمام سیال تحت هد اضافی قرار می گیرد و تمامی اندازه حرکت از میان می رود و در نتیجه انرژی جنبشی کلا به انرژی کشسانی تبدیل می شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

1-رابطه شزی معمولاً به طور مستقیم مورد استفاده قرار نمیگیرد ولی اساس روابط دیگری مانند مانینگ میباشد.

2-رابطه هیزن ویلیامز: که خیلی اوقات در سیستم های تحت فشار مورد استفاده قرار میگیرد (آبرسانی شهری و فاضلاب).

K ثابت (85/0 برای سیستم SI،

32/1 برای سیستم آمریکایی)

 

3-رابطه دارسی ویسباخ: این رابطه به دلیل غیرتجربی (منتقی) بودنش از دید مهندسان به عنوان دقیق ترین روش برای تعیین اصطکاک به حساب  می آید.

که اینجا رابطه را برای Q نوشتیم. در مقاطعی که دایروی نیستند از D=4R  استفاده کنید. چون که میدونید قطر لوله 4 برابر شعاع هیدرولیکی است.

4-رابطه کول بروک وایت: برای بدست آوردن f  ضریب اصطکاک در رابطه دارسی-ویسباخ روابط زیادی ارائه شد که این رابطه هم به همین مناسبت ارائه شد که این معادله ضمنی است. یعنی باید سعی و خطا کنی تا f دست بیاد. البته این رابطه برای جریان آشفته انتقالی ارائه شد که در این قسمت جریان، f هم به ضریب رینولدز Re و هم به زبری نسبی e/D بستگی دارد. که آقایان کارمن- پرانتل هم رابطه ای ضمنی در باب جریان آشفته زبر دارند  که فعلاً نیازی به بیانش نیست.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

در ۷۰۰ سال قبل از میلاد مسیح کشور پارس(پرشیا) اقدام به حفر قنات و انتقال آب کرد که الان اون منطقه ارمنستان حالاست.

حالا برمیگردیم عقب تر ۱۵۰۰ سال قبل از میلاد مسیح برای اولین بار در کریت (crete) سیستم های لوله کشی آب مورد استفاده قرار گرفت

در سال ۲۵۰ قبل از میلاد ارشمیدس قانون معروف خودش را ارائه کرد. حتماْ داستان قشنگشو هم میدونین. که قبلا نوشتم دیگه الان نمیارم. توضیح اینکه آقای ارشمیدس همان مبدع عدد پی در ریاضیات است.

سال ۱۰۰ بعد از میلاد رومی ها برای انتقال آب از کانال استفاده کردند.

ساخت اولین لوله چدنی سال ۱۴۵۵

۱۶۵۲ لوله کشی آب در بوستون آمریکا که از رودخانه ها آب رو توسط لوله به محل شهر میبردند.

۱۶۴۴- پادشاه لوییس پانزدهم فرمان کشیدن خط لوله  چدنی ۱۵ مایلی از مارلی-اُن-سین به قصر ورسایی را داد.  در آن زمان بزرگترین خط لوله آبرسانی بود.

۱۷۳۲- آقای پیتو لوله پیتو را برای اندازه گیری سرعت ابداع کرد. لوله پیتو L شکله.

۱۷۳۸- برنولی هیدرو دینامیکا را چاپ کرد: برنولی با تلفیق روابط نیتوتن و لایبنیتز به مباحث سیالات مبحث هیدرودینامیک و شروع کرد که بسیاری از مباحث سیالات و هیدرولیک از هیدرودینامیک کمک میگیرند، و همچنین وسایلی مثل ونتوری متر از این قوانین تبعیت میکنند، در سال ۱۷۵۲ همکار آقای برنولی یعنی اولر (لئونارد اولر) روابط انرژی را نوشت.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

در سیستم بخار آبی ضربه قوچ معمولا هنگامی اتفاق ما افتد که مقداری از بخار آب در ناحیه افقی لوله میعان شود.متعاقبا بخار با فشار بر آب جمع شده و رساندن آن به یک سرعت بالا میتواند یک ضربه قوچ شدید با صدای مهیب ایجاد کند.این شرایط معمولا هنگامی رخ میدهد که آبریزگاه مناسب برای خروج آب در لوله بخار آب وجود نداشته باشد.نیروگاه های برق آبی باید با دقت فراوان طراحی شوند چون ضربه قوچ ممکن است موجب انفجار آنها شود. یکی از اولین افراد موفق در رسیدگی به ضربه قوچ مهندس ایتالیایی به نام لرنزو آلیویه بود.(Lorenzo Allievi)

دلایل احتمالی ایجاد ضربه قوچ:

1_آزاد شدن ناگهانی هوا(شیر آتش نشانی یا آزاد شدن هوا)

2_تریپ پمپ یا شروع به کار آن

3_شیر های یک طرفه که به مشخصه دینامیکی شیر یک طرفه و جرم آب موجود بین شیر و تانک دارد.

4_ناگهانی باز بسته شدن آب

5_رزونانس دستگاههای فرعی خصوصا پمپ اگر با فرکانس طبیعی لوله یکسان شود باعث ایجاد ضربات شدید در لوله ها می شود

نرم افزاها:

اکثر بسته های نرم افزاری ضربه قوچ از روش اجزا محدود استفاده می کند.این روش هنگامی اثر بخش خواهد بود که سرعت در طول زمان تغییر نکند و هوا وارد لوله ها نشود.تعداد زیادی از نرم افزارهای تجاری و غیر تجاری هم اکنون موجود می باشد.بسته های نرم افزاری در پیچیدگی حل با یکدیگر تفاوت دارند که به روش تحلیل آنها بستگی دارد بسته های حرفه ای ممکن است دارای گزینه های زیر باشد.

1-امکان چند فازه بودن سیال

2-یک الگوریتم مناسب برای خلا سازی در لوله

3-اصطکاک متغیر- فشار موج وقتی جریان توربولنت تولید می شود

4-تغییر برخی از ضرایب در فشار های بالا که باعث میشود آب کمتر تراکم پذیر شود

5-ساختار فعل و انفعالی سیال که خود آن باعث ایجاد فشار های مختلف در لوله شده و باعث ایجاد موج ضربه ای می شود.

روش های پیشگیرانه از ضربه قوچ:

خسارت های ناشی از ضربه قوچ باعث ایجاد خرابی ها ئی میشود ولی معمولا از حد شکستگی لوله ها فراتر نمیرود.یک مهندس باید بتواند حداقل مقدار ریسک ضربه قوچ لوله های پشت سر هم را تخمین بزند.لوله هائی که در معرض خطر قرار دارند باید به آنها رسیدگی بیشتری شود.1-سرعت پایین آب 2-لوله هائی با تحمل فشار بالای آب (گران)3-اتصالات مناسب (در باز و بسته شدن شیرهای آب)4-برج های آبی (که در سیستم های آب آشامیدنی استفاده میشود) و به نگهداری حالت دائم سیال کمک میکنند و فشار ناشی از ضربه قوچ را کاهش می دهد.5-ups یک منبع تغذیه برق که برای دمپ کردن فشار ناشی از کار افتادن ناگهانی پمپ روشن شده تا چند دقیقه پمپ به کار خود ادمه می دهد.6-نصب flywheel یا چرخ طیار در پمپ ها

7-گذرگاه فرعی برای پمپ ها

موارد کاربردی

1-از اصول ضربه قوچ برای ایجاد یک پمپ به نام هیدرولیک رم استفاده شده است2-در شناسایی سوراخ هایی احتمالی در لوله ها از ضربه قوچ استفاده می شود.3-شناسایی بسته های هوائی اضافه شده به لوله4-نیروی دریائی آمریکا در حال آزمایشی روشی است که در خنثی کردن مین ها از ضربه قوچ آب استفاده می کنند.

ضربه قوچ از ترجمه واژه فرانسوي Coup DE Belier گرفته شده است و مترادف اصطلاح انگليسي Water Hammer‌ (چكش آبي) مي باشد، ضربه قوچ در اثر يك تغيير (يا قطع ناگهاني) در سرعت جريان سيال در يك مجرا (شبكه) به وجود مي آيد، به عبارت ديگر انرژي سينتيك (Kinetic Energy) به انرژي الاستيسيته(Elasticity Energy) تبديل مي گردد. در موقع قطع برق موتور پمپ هاي دوراني يا سانتريفوژ (قطع ناگهاني برق يا خاموش كردن ناگهاني پمپ)، نيروي محركه دوران دهنده پروانه پمپ سريع قطع مي گردد، به همين دليل سرعت جريان سيال بطور ناگهاني تغيير مي يابد و انرژي سينتيك از حالت فشار به مكش در خروجي پمپ تبديل مي شود. در اين تغيير، امواج فشاري شديدي در امتداد لوله خروجي پمپ پيش مي رود و اين امواج در اثر برخورد با مانع (منبع آب) منعكس و برگشت مي كند، موج برگشتي جهت جريان سيال را در پمپ عوض كرده و دبي ماكزيممي در جهت عكس، از پمپ جريان مي يابد و پمپ به صورت توربين در جهت عكس چرخش اوليه خود شروع به چرخش مي نمايد و براي مدت كوتاهي پمپ همانند توربين آبي عمل مي نمايد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب