پایان نامه بررسی عددی و آزمایشگاهی وقوع پدیده کاویتاسیون در مجاری تخلیه کننده تحتانی

پایان نامه تحصیلی برای دریافت درجه کارشناسی ارشد رشته مهندسی عمران

گرایش سازه های هیدرولیکی

چکیده:

بدیهی است منابع آب برای حیات موجودات زنده و بخصوص زندگی بشر امری ضروری است.. تخلیه کننده‌ها مجموعه‌ای از سازه‌ ها هستند که برای انتقال آب از دریاچه سد به نقطه تخلیه در پایین دست به‌کار می‌روند. از اینرو به دلیل اهمیت موضوع این بخش از سد، تحلیل عملکرد تخلیه کننده شامل مجرا، دریچه‌ها و خروجی آن از حساسیت خاصی برخوردار است. وجود جریان تحت فشار در بالادست دریچه تخلیه کننده، وجود افت انرژی جریان به علت عوامل مختلف و همچنین مقادیر بسیار کم نسبت باز شدگی دریچه به هد آب روی دریچه تخلیه کننده، سبب می‌شود استفاده از روابط و نتایج به دست آمده از روش‌های تئوری باعث خطاهای چشمگیری در تعیین پارامترهای مختلف مربوط به تخلیه کننده‌ها از جمله مقادیر افت فشار دریچه‌ها و ظرفیت آب‌گذری آن شود. پایان نامه حاضر، با هدف بررسی توزیع فشار در نقاط مختلف مجرای تخلیه‌کننده، تعیین ظرفیت آب‌گذری دریچه و محاسبه ضریب آبگذری آن، بررسی امکان رخداد کاویتاسیون، مقایسه حالت های ارائه شده برای هوادهی بعد از دریچه سرویس و پس از دریچه اضطراری در صورت عملکرد توام دو دریچه، همچنین تعیین ضرایب افتهای اصلی در مجرا شامل؛ افت اصطکاکی، افت ناشی از تبدیل و افت دریچه، با استفاده از داده‌های به دست آمده از مدل فیزیکی تخلیه کننده تحتانی سد نرماشیر، صورت گرفته است. بر این اساس از مدل فیزیکی مجرا و دریچه ها (سرویس و اضطراری) که در آزمایشگاه مرکز تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری ساخته شده استفاده شد وآزمایشات لازم انجام پذیرفت. مقادیر هد فشار در نقاط مختلف و میزان آبگذری دریچه درسه  تراز  ماکزیمم و نرمال و مینیمم مخزن اندازه­گیری و نتایج آن در جداول و نمودارهای مربوطه ارائه شدند همچنین با استفاده از نرم افزار Flow 3D  مدل عددی تخلیه کننده در این هد و در سه بازشدگی 60 ،80 و100 درصد شبیه سازی شد تا هم مقایسه ای بین نتایج آزمایشگاهی و عددی شده باشد و هم نتایج های پیشین در این پایان نامه مورد مقایسه قرار گیرد. در ادامه خواهیم دید در هردو صورت عملکرد تک دریچه و در صورت عملکرد توام اندیس کاویتاسیون در نواحی بحرانی مثل شیار دریچه ها و بین دریچه ها درحالت تک دریچه در محدوده مجاز قرار داشته و عملا خطر وجود کاویتاسیون را  منتفی می سازد اما در حالت عملکرد توام در بعضی بازشدگی ها فشارها منفی گشته و احتمال وقوع کاویتاسیون را می دهد .

فصل اول

مقدمه و کلیات

1-1-مقدمه

سال‌ها است که مصرف آب توسط انسانها در موارد مختلف، کشاورزی، مشروب، صنعت و تولید برق شروع شده است.در واقع آب یکی از عوامل مهم پیشرفت جوامع مختلف دنیا به حساب آمده و انتقال آن به صورت صحیح چه از نظر تکنیکی و چه از نظر اقتصادی تعیین کننده است.نیاز انسانها به آب با سرعت در حال افزایش است و باید شرایطی را ایجاد کرد که طراحی پروژه های عظیم انتقال آب با شرایط آسان و مناسب صورت پذیرد.

باوجود آنکه محققین زیادی همواره در مورد سیستم های مختلف انتقال آب تحقیق می کنند و هرروزه نتایج گرانبهایی را از تحقیقات محلی ، آزمایشگاهی وعددی  خود بدست می آورند ولی بنظر می رسد که هنوز در بعضی موارد مسائلی غیر منتظره باعث می شود که دیدهای متفاوتی از هر عملکرد نمایان شود

.

1-2-روش تحقیق

علیرغم مطالعات فراوان در این زمینه ملزم بر آن گردید تا در این پایان نامه که با تعریف جامع و کاملی از تخلیه کننده های تحتانی با بررسی میدان جریان و تحلیل مکانیزم کاویتاسیون در این سازه ها به پارامترهای موثر بر این وقایع و لزوم تحقیق در این زمینه پرداخته شود.

1-2-1-تعریف تخلیه کننده تحتانی

در مواردی که عمق آب در مخزن سد زیاد است ،برای مصارف آب در پایین دست و همچنین برای تخلیه سد در مواقع اضطراری ودر بعضی موارد برای تخلیه رسوبات انباشته شده در مخزن سد از تخلیه کننده های تحتانی استفاده می شود .اجزاء معمول تخلیه کننده‌ها عبارتند از: کانال ورودی آبگیر[1] یا ساختمان آبگیر، مجرای آب بر، آبراه یا تونل[2]، اتاق دریچه پایین‌دست، شوت یا سرسره[3]، انرژی گیر و مجرای خروجی.یک تخلیه کننده ممکن است شامل همه و یا تعدادی از اجزاء مذکور باشد (ابریشمی، حسینی 1387). از تخلیه کننده‌ها اغلب برای انحراف آب در زمان ساخت نیز استفاده می‌شود و ممکن است در صورت داشتن قابلیت اطمینان زیاد، برای کمک به تخلیه سیلاب طرح نیز استفاده شوند. این سازه­ها در سدهای قوسی یا وزنی نسبتاً کوچکتر ولی در سدهای خاکی بزرگ هستند(جانسن، 1988). برای کاهش طول قسمت تحت فشار، یک تخلیه کننده بزرگ معمولاً به دو قسمت تحت فشار(که با یک دریچه با هد زیاد کنترل می­شود) و تونل خروجی(که جریان زیر بحرانی را به اتمسفر انتقال می­دهد) تقسیم می­شود(ویسچر و هاگر، 1998).

به طور کلی تخلیه‌کننده‌ ها به صورت زیر طبقه بندی می­شوند:

 - بر اساس باز یا بسته بودن مجاری تخلیه کننده؛ تخلیه کننده بازو تخلیه کننده تحت فشار

- بر اساس نوع بهره برداری هیدرولیکی از آن؛ تخلیه کننده دریچه دار و بدون دریچه

- بر اساس محل قرارگیری تخلیه کننده؛ تخلیه کننده تحتانی و تخلیه کننده سطحی

- بر اساس اینکه تخلیه­کننده به کجا  منتهی می شود، تخلیه کننده کانالی(تخلیه کننده­ای که به داخل کانال می ریزد) و تخلیه کننده رودخانه­­ای(تخلیه کننده­ای که به داخل رودخانه می­ریزد) (اسمیت،1990).  

- به منظور تنظیم میزان آب­گذری مجرای تخلیه­کننده

بدین ترتیب خروجی های تحتانی در راستای اهدافی به شرح زیر ساخته می شوند:

-  پر کردن مخزن

-  پایین آوردن سطح آب در مخزن و شستشوی رسوبات

-  انحراف سیلاب و دبی پسماند

باتوجه به اینکه سرعت در خروجی تخلیه کننده تحتانی زیاد است، یعنی  از فرمول توریسلی V= (2gH)تبعیت می نماید، لذا خلا زایی[4]، سایش[5] ، و جریان هوا و آب [6]  از مسائل خاص هیدرولیکی در این سازه ها محسوب می شوند.در رابطه توریسلی H عبارت است از بار روی خروجی و g شتاب ثقل می باشد.

معمولاً دو دریچه برای تخلیه­کننده پیش بینی می­شود(لوین، 1995):

- دریچه سرویس[7] یا دریچه تنظیم کننده[8]  با بازشدگی متغیر

- دریچه ایمنی[9] یا دریچه اضطراری[10] معمولا یا کاملا باز یا  کاملابسته

طبقه بندی انواع دریچه ها:

الف) دریچه گوه ای[11]: این دریچه به طور عمودی حرکت می کند و فقط وقتی در شرایط آب بندی کامل قرار می گیردکه بطور کامل بسته باشد.

ب) دریچه کشویی[12] : این نوع دریچه به عنوان دریچه معمولی خروجی تحتانی بکار می رود.در محل هایی که بار آب روی آنها زیاد است از دریچه کشویی قرقره ای یا چرخی[13] استفاده  می شود و معروف است  که این دریچه ها  قابلیت کمتری نسبت به ارتعاش دارند.

ج) دریچه های شعاعی[14] :این دریچه ها فاقد شیار بوده و آببندی آنها ساده است.نیروهای وارد بر دریچه روی بازوها یا اهرم های آن متمرکز می گردند وتکیه گاه ها تحت فشار زیاد قرار می گیرند.این نوع دریچه ها در واقع یکی از مناسب ترین انواع دریچه های خروجی تحتانی می باشند و بطورکلی در هر نوع بهره برداری که دبی جریان در آنها زیاد باشد نیز دارای کاربرد هستند.

د) شیر فلکه جت توخالی [15] :شبیه به شیر فلکه حلقه ای می باشند ولی دارای یک نوع وسیله هوادهی برای جلوگیری از تراکم جت خروجی است.

ه) شیر فلکه حلقه ای[16] : این شیر فلکه تحت عنوان یک جزء تلقی می گرددو می تواندبه طور محوری جابجا شود و به علاوه عملکرد هیدرولیکی آن بسیار عالی است. از طرفی می توان آن را به عنوان نوعی گسترش تلقی کرد، که قادر است به طور محوری جابجا شود. به این ترتیب جت حلقه ای با افت های کم  ناشی از حفظ جریان توسعه می یابد.شیر فلکه مذکور را می توان  در قالب یک وسیله تنظیمی و یا یک وسیله ایمنی بدون بروز هیچگونه مشکلی از نظر نشت، برای فشار های زیاد بکاربرد.شیر فلکه حلقه ای به عنوان یک سازه انتهایی در خروجی تحتانی مناسب است.

و) شیر فلکه مخروطی[17] :این شیر فلکه یک وسیله ساده و بسیار موثر همراه با یک جزء جابجایی است.جت توخالی بنحو کاملا مطلوب در هوا پراکنده می شودو مشکلات خلاء زایی به علت تهویه مناسب از بین می رود.با توجه به این که تمام قطعات این شیر فلکه در خروجی تخلیه کننده تحتانی قرار دارند لذا تعمیر و نگهداری آنها ساده است.در چنین شرایطی نیاز به حوضچه آرامش نخواهد بود، ولی خروجی باید به خاطر جلوگیری از عمل پاشش پوشانده شود.

1-2-2-میدان جریان در تخلیه کننده

طراحی تخلیه‌کننده‌ های عمقی یکی از مسائل مهم طراحان سدها می‌باشد که اطمینان کافی از ظرفیت آبگیری و عملکرد مناسب مجرا و تأسیسات هیدرولیکی وابسته از جمله دریچه‌ها و تأسیسات هیدرومکانیک را طلب می‌نماید. بر این اساس در پایان­نامه حاضر، جهت بررسی عملکرد هیدرولیکی مجرای تخلیه کننده تحتانی سد­ها، مدل تخلیه‌کننده سد نرماشیر در آزمایشگاه مرکز تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری ساخته و مورد آزمایش قرار گرفت و تمامی پارامترهای موثر در میدان جریان اعم ازضریب آبگذری،عدد فرود، سرعت آب،دبی،سرعت هوا و... مورد بررسی قرار گرفت.

در تخلیه­کننده تحتانی ، یک مجرای تحت فشار دریچه­دار با دو دریچه کشوئی اضطراری و سرویس می­باشد. در اشکال(1-1) و (1-2) به ترتیب نمونه­ای از این تخلیه کننده در یک سد خاکی و همچنین دریچه کشوئی قائم نصب شده در آن، نشان داده شده است.

مکانیزم کاویتاسیون در تخلیه کننده ها

در تخلیه کننده­ های تحتانی، جریان دو فازی آب و هوا با سرعت بالایی منتقل می­شود. در اثر جدائی جریان و تبدیل ناگهانی آن از حالت تحت فشار به حالت آزاد، افت شدیدی در مقادیر فشار پائین دست دریچه رخ می­دهد.

نحوه حداقل کردن فشارهای منفی ایجاد شده در پائین دست دریچه از مسائل مهمی است که در مورد دریچه­ها مطرح است. فشارهای منفی ایجاد شده در نهایت منجر به وارد شدن صدماتی به پائین دست سازه و خود دریچه خواهند شد. کاویتاسیون یکی از ناخوشایندترین پدیده های هیدرودینامیکی است که در اثر چنین فشار منفی ایجاد شده در پائین دست دریچه رخ می دهد. معمولاً برای کنترل این پدیده از تزریق هوا توسط لوله هواده استفاده می­شود(سیرلی و هاگر، 2000).

اصولاً در جریان آب، حباب از بخار آب تشکیل می­شود و هر گاه آب حرارت داده شود، درجه حرارت آن بالا می­رود تا جائی که بخار آب تشکیل شود. جوشیدن آب زمانی روی می­دهد که فشار بخار آب برابر با فشار موضعی شود. درجه حرارت جوشیدن، تابعی از فشار هواست و کاهش آن موجب می­شود که آب در درجه حرارت پائین­تری به جوش آید(گروه آموزشی داخلی آمریکا، 1987).

جوشیدن، فرایند تبدیل سیال به بخار در اثر افزایش درجه حرارت است، در حالی که کاویتاسیون ناشی از کاهش فشار موضعی در درجه حرارت ثابت است. کاهش فشار موضعی در جریان سیال ناشی از عواملی مانند کاهش انرژی کل به افزایش در تراز، افزایش سرعت موضعی، تشکیل گرداب یا جداشدگی زیاد جریان می­تواند باشد. آبی که در سازه­های هیدرولیکی جاری است حاوی حباب­های هوا با ابعاد مختلف و ناخالصی­های متفاوتی است. این شرایط مورد نیاز برای آغاز کاویتاسیون و تعیین امکان خسارت و تولید سر و صداست.

با کاهش پیوسته فشار در جریان سیال و به علت افزایش سرعت به شرایط بحرانی رسیده و کاویتاسیون آغاز می­شود که به آن آستانه کاویتاسیون (ویسچر و هاگر،1998) ،گفته می­شود .طبق تعریف فوق موارد زیر را در مورد کاویتاسیون می توان عنوان کرد:

کاویتاسیون فرایندی مایع است و در شرایط معمول در هیچ یک از فازهای جامد و گاز رخ نمی­دهد.

کاویتاسیون نتیجه کاهش فشار سیال است و بنابراین می توان با کنترل مقدار کاهش و یا به عبارت بهتر فشار مطلق مینیمم آن را کنترل کرد.

کاویتاسیون فرایندی دینامیکی است که رشد و انفجار حباب­ها را مورد بررسی قرار می­دهد.

هیچ گونه شاخصی که نشان دهد سیال ساکن است یا در حال حرکت وجود ندارد. بنابراین کاویتاسیون می­تواند در هر دو حالت روی دهد (نیپ، 1970).

سرعت از پارامترهای مهمی است که علاوه بر تعیین الگوی جریان پائین دست، در بررسی وقوع کاویتاسیون و ارتعاش نقش اساسی دارد. با توجه به سرعت زیاد جریان در مجرا و زیر دریچه، معمولاً عدد رینولدز جریان بیشتر از می باشد که معرف یک جریان کاملاً آشفته است. بر اساس مطالعات انجام شده در صورتی که سرعت جریان در تونل تخلیه کننده بیش از 10 متر بر ثانیه شود، جهت جلوگیری از کاویتاسیون ، جریان باید هوادهی شود(کاویانپور و خسروجردی، 2001).

نقش حبابهای هوا در این جریان­ها، پیشگیری از وقوع کاویتاسیون در داخل مجرا می­باشد. هوا رسان­ها معمولاً در بالادست ناحیه­ای که اندیس کاویتاسیون زیر مقدار بحرانی قرار می­گیرد، تعبیه می­شوند تا باعث کاهش سرعت سیال و در نتیجه کاهش فرایند انفجار حفره­های کاویتاسیونی شوند. همچنین وجود هوا رسان­ها در سقف مجرا باعث تبدیل جریان تحت فشار به جریان سطح آزاد شده و به علت تماس جریان با اتمسفر منجر به کاهش مقادیر فشارهای منفی ایجاد شده در پشت دریچه می­شود(ویگرت،1972).

جریان در مجرای تخلیه کننده تحتانی به شدت به پارامترهای هندسی مجرا حساسیت دارد و تغییر اندک آن باعث تغییر نتایج خواهد شد(فالوی،1980).

مناطقی که بیشتر در معرض خطر کاویتاسیون می­باشند، در قسمت پائین دریچه سرویس و  بین دو دریچه سرویس و اضطراری (در صورت عملکرد توأم دو دریچه) واقع هستند. همچنین شیارهای دریچه که یک سطح ناهموار در مقابل جریان ایجاد می­کنند نیز پتانسیل وقوع کاویتاسیون را دارند. جریان عبوری از زیر دریچه، در پائین دست آن جریان چرخشی به وجود می­آورد که مشخصه اصلی آن افت شدید فشار است. افت ایجاد شده تابعی از میزان باز شدگی دریچه، هد آب پشت دریچه و هندسه مجرا می­باشد. از طرف دیگر نوسانات شدید فشار باعث کاهش فشار موضعی در آن ناحیه شده و با توجه به سرعت زیاد جریان، پتانسیل وقوع کاویتاسیون افزایش می­یابد(فالوی،1980).

متغیرهای اساسی در مجاری تحت فشار شامل پارامترهای هندسی(طول، عرض، ارتفاع، شیب) و پارامترهای هیدرولیکی(سرعت، دبی عبوری، هد بالادست و فشار) می­باشند. در هر حالت از قرار گیری دریچه، به دلیل مومنتم و سرعت زیاد جریان سیال، فشار در امتداد سطح زیرین دریچه و پشت آن کاهش می­یابد در حالی که فشار در بالادست دریچه تغییرات کمی دارد.

در تحلیل مسأله کاویتاسیون شایسته است شاخصی که شرایط جریان را نسبت به وجود کاویتاسیون، شروع و یا گسترش مراحل مختلف آن توصیف نماید، تعریف شود(یانگ، 1989).

برای تعریف شاخص کاویتاسیون، ، جریان سیال در یک لوله ونتوری را مطابق شکل (1-3) در نظر می­گیریم. اختلاف فشار بین دو نقطه یکی روی جسم و دیگری در سیال دست نخورده بالادست به فاصله­ای از نقطه اول متناسب با توان دوم سرعت نسبی است که می­توان آن را به صورت ضریب فشار بالادست منفی نوشت:

Abstract

It’s clearly that water resources are important for creature and human life. So, many activities are used to keeps advantage and remove disadvantage of water resources. Outlets are the set of instruments which is used to conduct dam reservoir to outlet point in downstream. So, because of the importance this part of dam, the outlet operation analysis like channel, gates and outlet are most important.  Because of the under pressure flow in upper part of outlet gates and also decrease the flow energy in formed by many reasons and low quantities are comprised with the gate opening and it’s against to water head on the outlet gates which is caused the use of relations. The results which are approached in theory ways make unique errors for determining various parameters which is relevance to outlets like gates in low pressure and conductivity capacity. In this paper, with the viewpoint is study the distribute pressure in various point of outlet channel, determining of gate conductivity capacity and calculated their coefficient, occurrence cavitation study, the comparison many forms for conductivity after serviceGates and after emergency gates  while the operation of two gates together, also determine major decrees coefficient  in channel  like friction decrease, the gates transform decrease are formed by using approached data from the physical model of lower outlet Narmashir dam.  Thus the gates and channel physical model which have been used in watershed management.  The amount of pressure head in various points and conductivity in gate in three levels maximum, minimum and normal in reservoir are measured and shown in tables and diagrams. Also, by using of  Flow3D software in this head, which is stimulated in three (100, 80 and 60) opening and comprised to each other in case of experimental and mathematical condition.  The application gate in form of coincide (index and cavitation) in crucial points like gates groove and between them in gate are located in normal limited and physically declined the caviation but in case of synchronic operation  in some opening the pressure are negative and probably occurred the cavitation.