مقاله کامل آب و فاضلاب

كليات و مفاهيم اوليه
مقايسه جريان در كانال هاي باز و مجاري تحت فشار
جريان مايع در يك مجرا ممكن است به دو صورت تحت فشار و يا جريان آزاد صورت پذيرد و از اين نظر مي توان هيدروليك مجاري را به هيدروليك مجاري تحت فشار و هيدروليك كانال هاي باز تقسيم بندي نمود .
در جريان تحت فشار كه مي توان آن را جريان در مجراي بسته نيز ناميد ، تمام مايع ، درون يك مرز جامد محصور شده است ، مرزهاي حركت مايع در تماس با جدار جامد مي باشد ولي در كانال باز مايع در حركت ، در تمام مرزها با تماس با جدار جامد نمي باشد بلكه يك مرز جريان در تمام مسير در معرض فشار اتمسفر قرار دارد و لايه جدايي محيط مايع با فضاي اطراف در تعادل با اين فشار ثابت عمل مي كند .
البته اين نكته نبايد از نظر دور بماند كه يك مجراي بسته نيز مي تواند به صورت كانال باز عمل كند و اين امر مستلزم اين است كه جريان تعريف عمومي كانال باز را ارضاء نموده و سطح آزاد آن در معرض يك فشار ثابت قرار داشته باشد .
در مهندسي عمران جريان تحت فشار عمدتا شامل جريان آب در لوله هاي آبرساني شهري ، شبكه هاي توزيع آب شهري و لوله كشي ساختمان ها مي باشد ولي جريان در كانال هاي باز ، حركت آب در آبراهه هاي طبيعي ( نظير رودخانه ها و نهرها )
آبراهه هاي مصنوعي ( نظير كانال هاي آبرساني و كانال هاي آبياري و زهكشي ) ، شبكه هاي جمع آوري و انتقال فاضلاب ، جريان در آبروهاي جاده ها و يا حاشيه خيابان ها را شامل مي گردد .
چنانكه ديده مي شود در كانال هاي باز جريان در سطح بالايي خود آزاد بوده و در اين مرز جريان همواره با فشار ثابت اتمسفر روبرو مي باشد . رفتار عمومي جريان در كانال هاي باز را مي توان در مقايسه با جريان در مجاري تحت فشار در شكل مقابل كه اين مقايسه را در قالب دو تعريف هيدروليك تحت عنوان خط تراز انرژي و خط تراز هيدروليكي نشان مي دهد ، دريافت .
شكل الف جريان آب در يك لوله را نشان مي دهد . جريان در اين لوله تحت فشار بوده و چنانچه يك پيزومتر در بدنه اين لوله نصب گردد ، آب در درون اين پيزومتر بالا خواهد رفت .
با توجه به علائم نشان داده شده انرژي مكانيكي ( يا دردسترس ) در هر مقطع از جريان عبارت از جمع ارتفاع معادل سرعت ، ارتفاع معادل فشار و ارتفاع از مبناء (Z) خواهد بود . انرژي كل در هر مقطع از جريان كه در واحد وزن بيان مي شود داراي بعد طول مي باشد و از رابطه زير به دست مي آيد :
عبارات رابطه به ترتيب بيانگر انرژي جنبشي ، كار نيروي فشاري و انرژي پتانسيل
ذرات آب مي باشند . در مسير حركت آب در لوله قدري از انرژي صرف گرم كردن آب مي شود و يا به صورت گرما از محيط خارج مي گردد كه افت انرژي در مسير حركت ناميده مي شود . خط پيوسته اي كه مقدار انرژي را در مقاطع مختلف جريان نشان مي دهد خط تراز انرژي ( Energy Grade Line ) ناميده مي شود و قاعدتا به دليل كاهش انرژي در دسترس ، در مسير حركت داراي شيب منفي ( كاهش يابنده ) مي باشد . خط تراز هيدروليكي ( Hydraulic Grade Line ) يا خط پيزومتري به مقدار ارتفاع معادل سرعت از خط انرژي فاصله دارد و فقط جمع دو عبارت و Z را شامل مي شود .
در شكل الف ، خطوط تراز انرژي و هيدروليكي در مورد جريان در لوله ترسيم گرديده اند و مقدار افت انرژي نيز نمايش داده شده است .
شكل ب ، خط تراز انرژي و خط تراز هيدروليكي مربوط به جريان آب در يك كانال باز را نشان مي دهد . در اين حالت سطح پيزومتري در كنال 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 انرژي به دست خواهد آمد .
در ترسيم اين خطوط انحناء جريان و شيب كانال ناچيز فرض شده اند و ارتفاع معادل سرعت بر مبناي سرعت متوسط تعريف شده است كه اين فرضيات بعدا مورد بررسي بيشتري قرار خواهند گرفت .
**********************
شكل – مقايسه جريان در لوله هاي تحت فشار و كانال هاي باز
عليرغم اين كه جريان در مجاري تحت فشار و جريان در كانال هاي باز از اصول اساسي حاكم بر حركت سيالات تبعيت مي كنند ولي نكاتي چند سبب مي شود تا جريان در كانال هاي باز از پيچيدگي هاي بيشتري برخوردار باشد و مطالعه اين گونه جريان ها تحقيقات تجربي و آزمايشگاهي بيشتري را طلب كند . در زير به پاره از اين نكات اشاره مي گردد :
كانال هاي باز محدوده وسيع تري از جريان آب را شامل مي شوند زيرا جريان در رودي به بزرگي رود نيل تا جريان در يك نهر كوچك و حتي جريان ورقه اي ناشي از رواناب بارندگي از قوانين عمومي كانال هاي باز پيروي مي كنند . لذا در كانال هاي باز دامنة تغييرات مشخصات هندسي ( نظير سطح مقطع ) و مشخصات ديگر ( نظير زبري ) بيشتر مي باشد .
جريان در كانال هاي باز درجه آزاد بيشتري نسبت به جريان در مجاري تحت فشار دارد و اين درجه آزادي قابليت تغيير عمل مي باشد ، لذا با تغيير در شيب كانال ها و با ايجاد موانع و تغييرات در مسير جريان نيروي
ثقل تغيير نموده و در نتيجه موقعيت سطح آزاد آب و به دنبال آن ساير مشخصات جريان تغيير خواهد نمود .
در كانال هاي باز وابستگي بيشتري بين پارامترهاي هيدروليكي مشاهده مي شود . به عنوان مثال در يك جريان تحت فشار ، سرعت هنگامي تغيير مي كند كه مقطع تغيير كند ولي سرعت در كانال باز ، بستگي به شيب طولي كانال ، زبري جدار مقطع ، مساحت مقطع ، شكل مقطع و ساير پارامترهاي هيدروليكي جريان دارد .
اطلاعات تجربي و آزمايشگاهي در دسترس محققين از جريان در مجاري تحت فشار بيش از جريان در كانال هاي باز مي باشد .
كانال هاي باز و مشخصات هندسي مقاطع آنها
تقسيم بندي كانال ها
كانال ها را مي توان از ديدگاه هاي گوناگون تقسيم بندي نمود و در اين طبقه بندي معيارهاي متفاوتي را مبنا قرار داد .
ساده ترين تقسيم بندي بر مبناي مصنوعي يا طبيعي بودن كانال مي باشد :
كانال هاي طبيعي ، اين كانال ها به صورت طبيعي در سطح زمين ايجاد گرديده ، نقش بشر در شكل گيري آنها ناچيز مي باشد . رودخانه هايي كه در خط القعر يك حوضه آبريز جريان داشته و وظيفه هدايت و انتقال آب را به سمت نقطه تمركز دارا مي باشند . مثال مشخصي از اين كانالها هستند . مشخصات اين كانال ها با زمان و مكان تغيير مي كند .
كانال هاي مصنوعي ، اين كانال ها توسط بشر و به منظور و مقاصد مختلف آبرساني ، آبياري ، جمع آوري و انتقال فاضلاب ها يا آبهاي سطحي ساخته مي شوند .
تقسيم بندي ديگر كانال ها مي تواند بر مبناي تغييرات در سطح مقطع كانال ها صورت پذيرد :
كانال هاي منشوري ، كانال هايي هستند كه در مسيرشان داراي سطح مقطع و شيب ثابت مي باشند . كانال هاي مصنوعي عمدتا منشوري بوده كه براساس طراحي مقاطع آنها اشكال هندسي متفاوتي به خود مي گيرند .
كانال هاي غير منشوري ، كانال هايي هستند كه در مسير آنها سطح مقطع و يا شيب كانال تغيير مي كند . كانال هاي طبيعي حالت غيرمنشوري داشته و در مسير جريان سطح مقطع و شيب كانال دستخوش تغييرات مي شوند .
همچنين مي توان كانال ها را براساس پايداري مصالح جدارة آنها در مقابل فرسايش نيز طبقه بندي نمود :
كانال هاي با جداره ثابت ، كانال هايي هستند كه مصالح جداره آنها ثابت و غيرمتحرك مي باشد . اين كانال ها از مصالح سخت نظير بتن چوب ، فلز ويا مصالح بنايي ساخته مي شوند . در اين كانال ها پلان عمومي مسير و نيز زبري جدار مقطع تابعي از مشخصات جريان نبوده و نسبتا ثابت مي باشد . اين كانال ها فقط داراي يك درجه آزادي مي باشند چرا كه براي يك مسير جريان ثابت ، فقط عمق است كه مي تواند برحسب نوع جريان با زمان و مكان تغيير كند .
كانالهاي با جدارة متحرك ، در مقايسه باكانال هاي باجداره ثابت مي توان كانال هاي مصنوعي و يا طبيعي را در نظر گرفت كه در تشكيلات آبرفتي جريان دارند و در نتيجه جداره اين كانال ها از ذرات رسوبي تشكيل يافته است و ذرات اين قابليت را دارند تا تحت تاثير جريان آب به حركت درآيند . با توجه به اين كه جداره اين كانال ها در معرض فرسايش و رسوب گذاري مستمر جريان آب قرار دارد ، لذا چنين كانال هايي مي توانند علاوه بر بر آب ، رسوباتي نيز به صورت معلق و يا در كف منتقل نمايند .

فایل : 103 صفحه

فرمت : Word