سرفصل های درس هیدرولیک آب های زیر زمینی

نام بسته : هیدرولیک

———————————————————————————–

فهرست

فصل اول : کلیات

فصل دوم: هیدرواستاتیک

فصل سوم : آنالیز ابعادی و شبیه سازی

فصل چهارم :قوانین اساسی حرکت سیالات، خطوط جریان در مجاری تحت فشار

فصل پنجم : سیستم هیدرولیکی لوله ها و مجاری تحت فشار

آزمون خودسنجی با پاسخ

بخش هایی از بسته درسی هیدرولیک اب های پیشرفته

فصل اول : کلیات

هیدرولیک

هیدرولیک : علم جریان آب

جریان آب در یک مجرا : 1- تحت فشار            2- جریان آزاد

هیدرولیک مجاری :

1- هیدرولیک مجاری تحت فشار        2- هیدرولیک کانالهای باز

جریان تحت فشار یا جریان در مجرای بسته:

1- تمامی مایع محصور در یک مرز جامد

2- مرزهای مایع در تماس با جدار جامد

مثال ← جریان در لوله های آبرسانی شهری، شبکه های توزیع آب شهری، لوله کشی ساختمانها

جریان درکانال های باز:

تمامی مرزهای مایع در تماس با جدار جامد نبوده و یکی از مرزها در تمامی مسیر در معرض فشار اتمسفر می باشد.

مثال ← حرکت آب در آبراهه های طبیعی (رودخانه ها، نهرها، ….)، آبراهه های مصنوعی
(کانال های آبرسانی و کانال های آبیاری و زهکشی)، شبکه های جمع آوری فاضلاب و …

نکته :

جریان در یک مجرای بسته نیز می تواند به صورت کانال باز عمل کند و این در صورتی است که تعریف عمومی کانال باز را ارضا نموده و سطح آزاد آن در تماس با یک فشار ثابت قرار داشته باشد.

انرژی مکانیکی با انرژی در دسترس در هر مقطع از جریان:

H : انرژی مکانیکی کل

Z : انرژی پتانسیل ذرات آب

 : کار نیروی فشاری

 : انرژی جنبشی

H : انرژی مکانیکی یا انرژی در دسترس

 : ارتفاع معادل فشار

 : ارتفاع از مبنا

 : ارتفاع معادل سرعت

انرژی کل در هر مقطع از جریان در واحد وزن بیان می شود (N.m /N) و دارای بعد طول است.

مقایسه جریان در مجاری تحت فشار و جریان در کانال های باز:

1- کانال های باز محدوده وسیع تری از جریان آب را شامل می شوند لذا دامنه تغییرات مشخصات هندسی مانند سطح مقطع و مشخصات دیگر مانند زبری در کانال های باز بیشتر است.زیرا جریان در رودی به بزرگی رود نیل تا جریان در یک نهر کوچک و حتی جریان ورقه ای ناشی از رواناب بارندگی از قوانین عمومی کانال های باز پیروی می کنند.

2- جریان در کانال های باز درجه آزادی بیشتری نسبت به جریان در مجاری تحت فشار دارد و آن قابلیت تغییر عمق می باشد.

با تغییر در شیب کانال ها و یا ایجاد موانع و تغییرات در مسیر جریان نیروی ثقل تغییر نموده و در نتیجه موقعیت سطح آزاد آب و به دنبال آن سایر مشخصات جریان تغییر خواهد نمود.

3- در کانال های باز وابستگی بیشتری بین پارامترهای هیدرولیکی مشاهده می شود.

در یک جریان تحت فشار، سرعت هنگامی تغییر می کند که مقطع جریان تغییر کند ولی سرعت در کانال باز، بستگی به شیب طولی کانال، زبری جدار مقطع، مساحت مقطع، شکل مقطع و سایر پارامترهای هیدرولیکی جریان دارد.

4- اطلاعات تجربی و آزمایشگاهی از جریان درمجاری تحت فشار بیش از کانال های باز می باشد.

انواع مقاطع کانال های باز:

مقطع ذوزنقه: معمول ترین شکل کانال های آبیاری و کانال هایی که درمصالح خاکی که از جنس سخت نیستند ساخته می شود.

مقطع مثلثی: حالت خاصی از مقطع ذوزنقه است،برای انتقال دبی های کم و بیشتر در
آزمایشگاه ها

مقطع مستطیلی: حالت خاصی از مقطع ذوزنقه ای است. در مصالح سنگی یا مصالح از جنس سخت.

مقطع دایره ای: معمول برای جمع آوری و انتقال آب و فاضلاب، به صورت پیش ساخته.

مقطع سهمی شکل: به عنوان تقریبی از کانال های طبیعی استفاده می شود.

مقطع نعل اسبی و تخم مرغی شکل: برای جمع آوری آب و فاضلاب.

مشخصات هندسی مقاطع کانال های باز:

عمق جریان (y ): در یک مقطع از کانال فاصله قائم پایین ترین نقطه کف کانال تا سطح آزاد آب.

d = y. cosӨ

تراز: در یک مقطع از کانال فاصله قائم سطح آزاد نسبت به یک سطح مبنای دلخواه (در
اندازه گیری دبی رودخانه ها کاربرد دارد.)

سطح مقطع جریان (A) : در یک محل مساحت مقطع جریان در صفحه عمود بر جهت عمومی جریان.

عرض سطح آزاد (T) : به طولی از مقطع جریان گفته می شود که با هوای آزاد در تماس باشد.

پیرامون مرطوب (P) : اگر از محیط مقطع جریان عرض سطح آزاد را کم کنیم، پیرامون مرطوب بدست می آید.

شعاع هیدرولیکی (R) : نسبت سطح مقطع جریان را به پیرامون مرطوب شعاع هیدرولیکی گویند.

( D = قطر لوله)

عمق هیدرولیکی (D) : نسبت سطح مقطع جریان را به عرض سطح آزاد آب عمق هیدرولیکی گویند.

فاکتور سطح (Z) : این فاکتور در محاسبه عمق بحرانی بکار می رود.

نامگذاری مختلف کانال های مصنوعی:

کانال: آبراهه طولانی با شیب ملایم که در زمین حفر می شود.

کانال پایه دار (فلوم): جهت انتقال آب از یک سوی دره به سوی دیگر آن.

تند آبراه (شوت): به کانال دارای شیب کف تند که آب را از ارتفاع نسبتا زیادی به ارتفاع پایین تر برساند (اختلاف ارتفاع بیش از 4/5 متر.)

شیب شکن (دراپ): شبیه تند آبراه می باشد لیکن برای اختلاف ارتفاع کم کاربرد دارد. (اختلاف ارتفاع 9/0 الی 4/5 متر)

آبرو (کالورت): جهت عبور دادن آب از زیر جاده و یا راه آهن بکار می رود.

تبدیل: هرگونه تغییر در جهت و یا سطح مقطع جریان که در فاصله کوتاهی از مسیر کانال صورت گیرد.

طبقه بندی و تشخیص انواع جریان:

1- جریان دائمی و غیردائمی: در این طبقه بندی تغییر در مشخصات جریان در واحد زمان معیار قرار می گیرد.

هر گاه در یک مقطع ثابت از جریان آب، عمق جریان با زمان تغییر نکند جریان دائمی و در صورت تغییر جریان را غیردائمی گویند.

در هر مقطع مشخصی از جریان :

جریان دائمی

جریان غیر دائمی

V = سرعت متوسط

2- جریان یکنواخت و غیریکنواخت (متغیر): در این طبقه بندی تغییر در مشخصات جریان بر حسب مکان معیار قرار می گیرد.

اگر در هر لحظه زمانی ثابت در مقاطع مختلف و در راستای طولی جریان، عمق جریان تغییر نکند جریان یکنواخت و در صورت تغییر جریان را غیریکنواخت گویند.

3- جریان های ارتعاشی:

وقتی شیب یک کانال خیلی تند باشد، جریان فوق بحرانی که با عمق یکنواخت در کانال حرکت می کند به یک رشته از موجها یا برآمدگیهای کوچک در سطح آب تبدیل می گردد که این موجها یا ضربه های متحرک را به عنوان جریان ارتعاشی (Pulsating flow) می نامند. یک چنین جریانهای غیردائمی در حالتهای متفاوتی اتفاق می افتد که در هر موقعیت اهمیت خاص خود را دارد. وقتی که این جریان در یک فلوم با سطح شیب دار یا یک سرریز (Spillway) اتفاق می افتد، افزایش عمق جریان لزوما عمق آزاد (Freeboard) بیشتری را ایجاب می نماید تا از لب ریز شدن کانال جلوگیری شود. از طرفی دیگر مجتمع توده پیش موج باعث می شود که ضریب اطمینان بیشتری در طرح ساختمان کانال به منظور تحمل فشار و تنش در نظر گرفته شود.

جریان غیریکنواخت یا متغیر:

الف) جریان متغیر تدریجی: هرگاه تغییرات عمق جریان در فاصله طولانی از مسیر کانال صورت گیرد. انحناء سطح آب قابل ملاحظه نیست.

از نظر فیزیکی مولفه شتاب عمود بر خط جریان  ناچیز می باشد.

ب) جریان متغیر سریع: هرگاه تغییرات شدید عمق جریان در فاصله کوتاهی از مسیر کانال صورت گیرد. انحناء سطح آب قابل ملاحظه است.

پدیده ای موضعی است و مولفه شتاب عمود بر خط جریان  قابل صرف نظر کردن نمی باشد.

ج) جریان متغیر مکانی: هرگاه مقداری از جریان از کانال اصلی گرفته و یا به آن اضافه گردد.

وضعیت جریان در کانال های باز:

نیروهای موثر بر عناصر جریان:

1- نیروی ثقل

2- نیروی کشش سطحی

3- نیروی لزجت

4- نیروی شتاب دهنده

تاثیر نیروی لزجت: تحت تاثیر نیروی لزجت به نیروی شتاب دهنده سه حالت متفاوت جریان در کانال ها مشاهده می گردد.

جریان آرام (لایه ای) :

1- نیروی لزجت قوت بیشتری نسبت به نیروی شتاب دهنده دارد.

2- ذرات آب در راستای اصلی حرکت به آرامی بر روی یکدیگر می لغزند.

3- حرکات پراکنده مولکول ها و نیز نیروهای بین مولکولی سبب بروز خاصیت لزجت در آب
می گردد.

جریان آشفته (متلاطم) :

1- نیروی شتاب دهنده قوت بیشتری نسبت به نیروی لزجت دارد.

2- ذرات آب از مسیر اصلی خود خارج شده و دارای حرکات پراکنده، غیرمشخص و نامنظم در عرض نیز می باشند.

3- علاوه بر لزجت مطلق حرکات پراکنده مولکول ها سبب بروز خاصیتی از جریان تحت عنوان لزجت گردابه ای می گردد.

نکته: جریان آشفته به دلیل نوسانات سرعت نسبت به زمان در یک نقطه از نوع غیردائمی است.

ولیکن از نظر تحلیلی به جریان آشفته از دیدگاه ماکروسکوپی نگاه می شود بنابراین در صورتی که سرعت متوسط جریان در یک نقطه (صرف نظر از نوسانات) برحسب زمان ثابت باشد جریان دائمی و در غیر این صورت غیردائمی در نظر گرفته می شود.

جریان انتقالی:

1- حالت حد وسط جریان آشفته و جریان آرام می باشد.

2- جریان به راحتی از آشفته به آرام و بالعکس تبدیل می گردد.

معیار طبقه بندی و تشخیص:

 معیار طبقه بندی و تشخیص این سه حالت پارامتر بدون بعدی به نام رینولدز می باشد که متناسب با نسبت نیروی شتاب دهنده به نیروی لزجت است.

= جرم مخصوص آب

 = لزجت دینامیکی آب

V = سرعت مشخصه در کانال (معمولا سرعت متوسط)

= طول مشخصه جریان (در کانال ها شعاع هیدرولیکی)

جریان آرام

جریان انتقالی

جریان آشفته

تاثیر نیروی ثقل: تحت تاثیر نیروی ثقل به نیروی شتاب دهنده سه حالت متفاوت جریان در
کانال ها مشاهده می گردد.

معیار طبقه بندی و تشخیص: تاثیر نیروی ثقل در قالب پارامتر بدون بعدی به نام عدد فرود بررسی می گردد.

 = شتاب ثقل

 = سرعت مشخصه در کانال (معمولا سرعت متوسط)

 = طول مشخصه جریان (در کانال ها عمق هیدرولیکی)

C = سرعت موج سطحی

در شرایط Fr > 1 جریان در حالتهای زیر می باشد.

1- جریان فوق بحرانی

2- به ازای یک دبی ثابت عمق جریان کم و سرعت زیاد وجود دارد.

3- به دلیل بیشتر بودن سرعت جریان از سرعت موج سطحی، ارتباط هیدرولیکی بین پایین دست و بالادست مشاهده نگردیده و موج حاصله قابلیت انتقال به بالادست را ندارد.

در شرایط Fr < 1 جریان در حالتهای زیر می باشد:

1- جریان زیربحرانی

2- به ازای یک دبی ثابت عمق جریان زیاد و سرعت کم وجود دارد.

3- به دلیل کمتر بودن سرعت جریان از سرعت موج سطحی، موج حاصله قابلیت انتقال به بالادست را دارد و رفتار بالادست از پایین دست جریان تاثیر می پذیرد.

در شرایط Fr = 1 جریان در حالتهای زیر می باشد.

1- جریان بحرانی می باشد.

نکته: 1- تغییر ناچیز لزجت (مثلا تحت تاثیر درجه حرارت) به دلیل آنکه اصولا جریان آب در
کانال ها درمحدوده آشفته می باشد، تاثیر چندانی در وضعیت جریان ندارد.

2- به دلیل آنکه جریان آب در کانال ها دارای سطح آزاد می باشد به نیروی ثقل حساسیت زیادی داشته و با تغییر در شیب (تغییر در نیروی ثقل) وضعیت جریان سریعا تغییر می کند.

بنابراین تاثیر نیروی ثقل (عدد فرود) نقش مهمی در مطالعه جریان آب در کانال ها دارد.

رژیم جریان: تاثیر مشترک نیروی ثقل و نیروی لزجت.

توزیع سرعت در کانال ها :

به دلیل تاثیر لزجت آب، وجود جداره ها و زبری آنها، وجود سطح آزاد آب و نامنظمی مقاطع، توزیع سرعت در کانال ها پیچیده و سه بعدی است.

بنابراین فرض ثابت بودن سرعت در مقطع جریان درست نبوده و بایستی منحنی های هم سرعت در مقاطع رسم گردد.

فرض هایی جهت رسم منحنی های هم سرعت:

1- مقدار سرعت در جداره ها صفر و با فاصله گیری از جداره ها افزایش می یابد.

2- گرادیان سرعت در مجاورت مرزها شدیدتر می باشد.

3- سرعت ماکزیمم در هر مقطع قائم، در نزدیکی سطح آب و در فاصله 05/0 تا 25/0 عمق جریان از سطح آزاد آب اتفاق می افتد.

علت وقوع سرعت ماکزیمم در نزدیکی سطح آزاد پیش می آید :

1- تنش برشی ناشی از مقاومت هوا.

2- تاثیر جریانهای ثانویه ضعیف. این جریانات در صفحه مقطع جریان و یا حول محوری عمود بر صفحه مقطع جریان بوجود می آید. علت پیدایش آن در کانال های بدون انحناء به دلیل زبری جدار و نامنظمی سطح مقطع.

آزمون خودسنجی با پاسخ :

1. در مورد کدامیک از مقاطع ذیل برای بهترین سطح مقطع هیدرولیکی عرض سطح آزاد آب دو برابر عمق نمی باشد؟

(گزینه 1 صحیح است)

2. بهترین مقطع هیدرولیکی، مقطعی است که :

1- با یک شعاع هیدرولیکی مثلث، دبی آن ماکزیمم باشد.

2- با یک مساحت مقطع ثابت A، پیرامون تر شده (P) آن ماکزیمم باشد.

3- با یک شعاع هیدرولیکی ثابت، مساحت مقطع A، ماکزیمم باشد.

4- با یک مساحت مقطع ثابت، شعاع هیدرولیکی آن ماکزیمم باشد.

(گزینه 4 صحیح است)

3. فاکتور اصطکاک (f) در لوله های صاف چگونه است؟

1)صفر است                           2)بی نهایت است

3)تابع عدد رینولدز است           4)مستقل از عدد رینولدز است

(گزینه 3 صحیح است)

برای مشاوره اینجا بزنید