مقالات عمران با فرمت DOC صفحات 102
جریان مایع در یک مجرا ممکن است به دو صورت تحت فشار و یا جریان آزاد صورت پذیرد و از این نظر می توان هیدرولیک مجاری را به هیدرولیک مجاری
تحت فشار و هیدرولیک کانال های باز تقسیم بندی نمود .
در جریان تحت فشار که می توان آن را جریان در مجرای بسته نیز نامید ، تمام مایع ، درون یک مرز جامد محصور شده است ، مرزهای حرکت مایع در تماس با جدار جامد می باشد ولی در کانال باز مایع در حرکت ، در تمام مرزها با تماس با جدار جامد نمی باشد بلکه یک مرز جریان در تمام مسیر در معرض فشار اتمسفر قرار دارد و لایه جدایی محیط مایع با فضای اطراف در تعادل با این فشار ثابت عمل می کند .
البته این نکته نباید از نظر دور بماند که یک مجرای بسته نیز می تواند به صورت کانال باز عمل کند و این امر مستلزم این است که جریان تعریف عمومی کانال باز را ارضاء نموده و سطح آزاد آن در معرض یک فشار ثابت قرار داشته باشد .
در مهندسی عمران جریان تحت فشار عمدتا شامل جریان آب در لوله های آبرسانی شهری ، شبکه های توزیع آب شهری و لوله کشی ساختمان ها می باشد ولی جریان در کانال های باز ، حرکت آب در آبراهه های طبیعی ( نظیر رودخانه ها و نهرها ) آبراهه های مصنوعی ( نظیر کانال های آبرسانی و کانال های آبیاری و زهکشی ) ،
شبکه های جمع آوری و انتقال فاضلاب ، جریان در آبروهای جاده ها و یا حاشیه
خیابان ها را شامل می گردد .
چنانکه دیده می شود در کانال های باز جریان در سطح بالایی خود آزاد بوده و در این مرز جریان همواره با فشار ثابت اتمسفر روبرو می باشد . رفتار عمومی جریان در کانال های باز را می توان در مقایسه با جریان در مجاری تحت فشار در شکل مقابل که این مقایسه را در قالب دو تعریف هیدرولیک تحت عنوان خط تراز انرژی و خط تراز هیدرولیکی نشان می دهد ، دریافت .
شکل الف جریان آب در یک لوله را نشان می دهد . جریان در این لوله
تحت فشار بوده و چنانچه یک پیزومتر در بدنه این لوله نصب گردد ، آب در درون این پیزومتر بالا خواهد رفت .
با توجه به علائم نشان داده شده انرژی مکانیکی ( یا دردسترس ) در هر مقطع از جریان عبارت از جمع ارتفاع معادل سرعت ، ارتفاع معادل فشار و ارتفاع از مبناء (Z) خواهد بود . انرژی کل در هر مقطع از جریان که در واحد وزن بیان می شود دارای بعد طول می باشد و از رابطه زیر به دست می آید :
عبارات رابطه به ترتیب بیانگر انرژی جنبشی ، کار نیروی فشاری و انرژی پتانسیل ذرات آب می باشند . در مسیر حرکت آب در لوله قدری از انرژی صرف گرم کردن آب می شود و یا به صورت گرما از محیط خارج می گردد که افت انرژی در مسیر حرکت نامیده می شود . خط پیوسته ای که مقدار انرژی را در مقاطع مختلف جریان نشان می دهد خط تراز انرژی ( Energy Grade Line ) نامیده می شود و قاعدتا به دلیل کاهش انرژی در دسترس ، در مسیر حرکت دارای شیب منفی ( کاهش یابنده )
می باشد . خط تراز هیدرولیکی ( Hydraulic Grade Line ) یا خط پیزومتری به مقدار ارتفاع معادل سرعت از خط انرژی فاصله دارد و فقط جمع دو عبارت و Z را شامل می شود .
در شکل الف ، خطوط تراز انرژی و هیدرولیکی در مورد جریان در لوله ترسیم گردیده اند و مقدار افت انرژی نیز نمایش داده شده است .
شکل ب ، خط تراز انرژی و خط تراز هیدرولیکی مربوط به جریان آب در یک کانال باز را نشان می دهد . در این حالت سطح پیزومتری در کنال منطبق بر سطح آزاد آب بوده و اگر مقدار ارتفاع معادل سرعت به فاصله سطح آزاد آب تا سطح مبناء دلخواه افزوده شود خط تراز انرژی به دست خواهد آمد .
در ترسیم این خطوط انحناء جریان و شیب کانال ناچیز فرض شده اند و ارتفاع معادل سرعت بر مبنای سرعت متوسط تعریف شده است که این فرضیات بعدا مورد بررسی بیشتری قرار خواهند گرفت .
**********************
شکل – مقایسه جریان در لوله های تحت فشار و کانال های باز
علیرغم این که جریان در مجاری تحت فشار و جریان در کانال های باز از اصول اساسی حاکم بر حرکت سیالات تبعیت می کنند ولی نکاتی چند سبب می شود تا جریان در کانال های باز از پیچیدگی های بیشتری برخوردار باشد و مطالعه این گونه جریان ها تحقیقات تجربی و آزمایشگاهی بیشتری را طلب کند . در زیر به پاره از این نکات اشاره می گردد :
- کانال های باز محدوده وسیع تری از جریان آب را شامل می شوند 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 . لذا در کانال های باز دامنة تغییرات مشخصات هندسی
( نظیر سطح مقطع ) و مشخصات دیگر ( نظیر زبری ) بیشتر می باشد . - جریان در کانال های باز درجه آزاد بیشتری نسبت به جریان در مجاری تحت فشار دارد و این درجه آزادی قابلیت تغییر عمل می باشد ، لذا با تغییر در شیب کانال ها و با 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 .
- در کانال های باز وابستگی بیشتری بین پارامترهای هیدرولیکی مشاهده می شود . به عنوان مثال در یک جریان تحت فشار ، سرعت هنگامی تغییر می کند که مقطع 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 .
- اطلاعات تجربی و آزمایشگاهی در دسترس محققین از جریان در مجاری تحت فشار بیش از جریان در کانال های باز می باشد .
- کانال های باز و مشخصات هندسی مقاطع آنها
- تقسیم بندی کانال ها
کانال ها را می توان از دیدگاه های گوناگون تقسیم بندی نمود و در این
طبقه بندی معیارهای متفاوتی را مبنا قرار داد .
ساده ترین تقسیم بندی بر مبنای مصنوعی یا طبیعی بودن کانال می باشد :
- کانال های طبیعی ، این کانال ها به صورت طبیعی در سطح زمین ایجاد گردیده ، نقش بشر در شکل گیری آنها ناچیز می باشد . رودخانه هایی که در خط القعر یک حوضه آبریز جریان داشته و وظیفه هدایت و انتقال آب را به سمت نقطه تمرکز دارا می باشند . مثال مشخصی از این کانالها هستند . مشخصات این کانال ها با زمان و مکان تغییر می کند .
- کانال های مصنوعی ، این کانال ها توسط بشر و به منظور و مقاصد مختلف آبرسانی ، آبیاری ، جمع آوری و انتقال فاضلاب ها یا آبهای سطحی
ساخته می شوند .
تقسیم بندی دیگر کانال ها می تواند بر مبنای تغییرات در سطح مقطع کانال ها صورت پذیرد :
- کانال های منشوری ، کانال هایی هستند که در مسیرشان دارای سطح مقطع و شیب ثابت می باشند . کانال های مصنوعی عمدتا منشوری بوده که براساس طراحی مقاطع آنها اشکال هندسی متفاوتی به خود می گیرند .
- کانال های غیر منشوری ، کانال هایی هستند که در مسیر آنها سطح مقطع و یا شیب کانال تغییر می کند . کانال های طبیعی حالت غیرمنشوری داشته و در مسیر جریان سطح مقطع و شیب کانال دستخوش تغییرات می شوند .
مقایسه جریان در کانال های باز و مجاری تحت فشار
