پدیده ضربه‌ قوچ در سیستم های خطوط انتقال آب

پدیده ضربه‌ قوچ در سیستم های خطوط انتقال آب

در سیستم‌های هیدرولیکی تحت فشار، نظیر خطوط انتقال آب، نفت یا شبکه‌های توزیع و لوله‌های آب منتهی به توربین‌ها، تونل‌های آبی، سیستم‌های پمپاژ و جریان‌های ثقلی امکان بروز جریان ناپایدار وجود دارد که با ایجاد موج‌های سریع و زودگذر و میرا، موجب خطرات گوناگونی نظیر خرابی و شکسته شدن شیرها، دریچه‌های کنترل، پمپ‌ها، خطوط لوله و … می‌شود که به آن در اصطلاح ضربه‌ قوچ می‌گویند.

ضربه‌ قوچ پدیده‌ای است که می‌توان اثرات آن را در سیستم‌های تحت فشار به موج‌های الکتریکی و مکانیکی تشبیه نمود و از این رو می‌توان آن را با استفاده از قوانین مشترک مشابه‌سازی و تحلیل نمود.

مکانیزم ضربه قوچ :

در واقع مکانیزم ضربه‌ قوچ‌‌، حساسیت یک سیستم انتقال سیال را در مقابل هر نوع تغییر وضعیت دبی، سرعت و فشار جریان نشان می‌دهد.

ضربه‌قوچ که در نتیجه تغییرات دبی یا سرعت رخ می‌دهد، مقدار معینی نیرو ایجاد می‌کند که به صورت موج با سرعت ثابت در خط لوله جریان، به طرف بالادست یا پایین‌دست حرکت می‌نماید (تحلیل ضربه قوچ بر اساس اصل بقاء مومنتوم صورت می‌پذیرد).

این موج در مسیر حرکت خود به تدریج مستهلک شده و پس از مدتی که از رفت و برگشت موج سپری گشت این سیستم ناپایدار یا زودگذر به حالت پایدار دیگری می‌رسد که قابل پیش‌بینی می‌باشد (نجمایی, 1374).

تاریخچه مطالعات و تحقیقات در زمینه ضربه‌ قوچ

با جستجو در منابع و کتب قدیمی در رابطه با ضربه‌ قوچ مشاهده می‌شود که شناخت و بررسی این فرآیند از سال‌ها قبل نظر محققان را به خود جلب نموده است.

با نگاهی اجمالی به گذشته، چنین استنباط می‌شود که از صد سال پیش پدیده ضربه‌ قوچ در طرح‌های انتقال آب، پروژه‌های مربوط به نیروگاه‌های آبی و سیستم‌های انتقال تحت فشار مایعات دیگر، مورد توجه خاص قرار گرفته است.

پژوهش در زمینه هیدرولیک جریان‌های میرا از قرن هفدهم میلادی با مطالعه حرکت موجی طناب، سرعت صوت، تعیین معادلات منطبق بر این حرکات، کوشش در مورد حل این معادلات توسط ریاضی‌دان‌های نامی آن زمان نظیر اولر[1]، لاگرانژ[2] و دالامبر[3] آغاز گردیده است (Wood, 1970).

مطالعه جدی در مورد چگونگی حرکت مایع در مجاری بسته که به طور ناگهانی با تغییر سرعت مواجه می‌گردند در دهه آخر قرن نوزدهم توسط یک دانشمند روسی به نام ژوکوفسکی[4]  پی‌گیری شد (Wood, 1970).

از سال 1930 بررسی و مطالعه در زمینه ضربه‌ قوچ و جریان‌های میرا با شتاب بی‌سابقه‌ای  به سمت تکامل دنبال گردید.

اولین کتاب مدون در این زمینه متعلق به «پارماکیان[5]»  است که در سال 1955 انتشار یافت (Wood, 1970).

با ورود رایانه به عرصه علوم و توانایی انجام محاسبات پیچیده مهندسی و همزمان با ابداع «روش مشخصه[6]» در حل معادلات دیفرانسیل جرم و انرژی، علاوه بر حل کلیه حالات و شرایط موجود و بعضاً لاینحل در مسائل ضربه‌ قوچ، محققین به دقیقترین راه‌حل‌ها دست یافتند.

از پیشگامان این فصل از اعتلای مطالعات ضربه‌ قوچ استریتر[7]، لای[8]، کاپلان[9] و وایلی[10] بوده‌اند.

این طراحان سرشناس پس از طرح و اجرای خطوط انتقال عظیم نتایج محاسبات و آزمایشات پس از اجرا را با یکدیگر مقایسه و تحلیل نمودند.

این بررسی‌ها نشان داد که عموما‍‍‍ً تفاوت محاسبه و ارقام ناشی از آزمایش پس از اجرا کمتر از 1٪ بوده است (آشفته, و غیره, 1369).

با وجود اینکه در حال حاضر مکانیزم تشکیل ضربه‌قوچ تا حد زیادی شناخته شده است اما به علت وسعت و گستردگی ابعاد مسأله و وجود شرایط گوناگون مکانی و زمانی و تأثیر فاکتورهای متعدد بر آن و لزوم فرض محدوده‌های کنترلی در تحلیل آن در روش‌های مختلف، دامنه تحقیقات در این زمینه ادامه داشته و هنوز دنیای وسیعی از مجهولات و مشکلات ناشی از ضربه‌ قوچ در برابر محققین قرار دارد که کوشش برای حل و فصل آنها می‌تواند زمینه مناسبی را برای تحقیقات ایجاد نماید.

[1] -L. Euler

[2] -J. L. Lagrange

^[3] -J. R. d’Alembert

^[4] -N. N. Zhukovsky

^[5] -J. Parmakian

^[6] – Method of Characteristics

^[7] -V. L. Streeter

^[8] -C. Lai

^[9] -V. Kaplan

^[10] -B. Wylie

نظریه‌های مربوط به ضربه‌ قوچ :

جهت مطالعه و بررسی پدیده ضربه قوچ لازم است به نظریه‌ها و دیدگاه‌های متفاوتی که در مورد چگونگی تجزیه و تحلیل این پدیده بیان شده است، اشاره گردد.

به طور معمول در سیستم‌های انتقال سیال، فرایند ضربه قوچ را می‌توان به دو روش زیر مورد بررسی قرار داد.

نظریه رفتار صلب ستون آب

با فرض اینکه جدار لوله جریان کاملاً صلب است و سیال غیر قابل تراکم عمل می‌کند، نظریه رفتار صلب ستون آب[1]  ارائه گردیده است.

^[1] – Rigid Column

این نظریه بر اساس یک سری فرضیاتی بنا شده که از نقطه نظر فیزیکی قابل توجیه نمی‌باشد، اما کاربرد این نظریه در حل بعضی از مسائل ضربه‌ قوچ، به علت سهولت و سادگی روش، معمول و متداول و از نقطه نظر مهندسی معتبر است.

 نظریه رفتار کشسانی

در نظریه رفتار کشسانی[1] پدیده ضربه قوچ به شکل جامع‌تری بررسی می‌گردد.

در این حالت که به واقعیت امر نیز نزدیکتر است، سیال را قابل تراکم در نظر گرفته و جدار لوله جریان نیز کرنش‌پذیر بوده و با افزایش و کاهش فشار ضربه‌ قوچ، در جهت طول و قطر لوله انبساط و انقباض اتفاق می‌افتد (نجمایی, 1374).

فرمولها و معادلاتی که بر اساس این نظریه جهت تجزیه و تحلیل مسائل ضربه‌ قوچ ارائه گردیده بسیار متنوع بوده و به طور وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرد و تقریباً می‌توان کلیه مسائل ضربه‌قوچ را بر اساس این نظریه حل و فصل نمود.

برای شناخت پدیده ضربه‌ قوچ در رفتار الاستیک، بر واقعیت‌هایی که موجب ایجاد ضربه‌ قوچ می‌شود تأکید می‌گردد

^[1] -Elastic Column

استفاده از انرژی حاصل از ضربه‌ قوچ :

انرژی آزاد شده (ایجاد شده) در فرآیند ضربه‌قوچ عموماً یا خودبخود به محیط تخلیه می‌گردد (اصطکاکی) و یا اینکه به صورت مخرب موجب آسیب دیدن تأسیسات مربوطه می‌گردد.

غالباً در مطالعات و طراحی مهندسی سعی می‌شود که بروز جریان ناپایدار همچون ضربه‌ قوچ کنترل شده و کم‌اثر گردد.

نرم‌ افزارهای موجود در زمینه تحلیل ضربه‌ قوچ :

همزمان با توسعه نرم‌افزارهای کامپیوتری در شاخه‌های مختلف علوم (بویژه مهندسی)‌، در زمینه تحلیل مسائل مربوط به ضربه‌ قوچ نیز نرم‌افزارهای متعددی ارائه گردیده است.

در این میان نرم‌افزارهای AFT Impulse ، Hytran و HAMMER از پرکاربردترین آنها به شمار می‌روند.

تاریخچه پمپ ضربه قوچی :

در سال 1772 میلادی J. Whitehurst  از انگلستان موفق به اختراع پمپ ضربه‌ قوچی گردید.

پمپی که او اختراع کرده بود به صورت خودکار عمل نکرده و قطع و وصل شیر به وسیله دست انجام می‌گرفت (Teferi, 1998).

اولین پمپ ضربه‌ قوچی خودکار در سال 1796 میلادی توسط دانشمند فرانسویJ. M. Montgolfier (مخترع اولین بالون[1]) ابداع شد.

این پمپ که ساز و کاری شبیه پمپ‌های امروزی داشت نیاز به هیچ‌گونه انرژی خارجی نداشته و تنها با استفاده از انرژی هیدرولیکی جریان در لوله عمل می‌نمود.

به مدت حدود یک قرن پمپ­های فوق مورد توجه قرار داشته است.

در اواخر قرن نوزدهم با اختراع انرژی الکتریکی و توسعه پمپ­های برقی علاقه در استفاده از پمپ­های ضربه‌قوچی کاهش یافت.

حدود یکصد سال بعد (اواخر قرن بیستم میلادی) به دنبال توجه روز افزون به استفاده از انرژی­های ارزان‌قیمت در صنعت، کشورهای در حال توسعه به استفاده از پمپ­ های ضربه­ قوچی روی آوردند (Jeffery, 1992).

تاکنون در ایران گزارشی از استفاده از پمپ ضربه‌ قوچی مشاهده نشده است.

از دلایل عدم استفاده از این نوع پمپ در ایران می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• عدم شناخت کافی نسبت به این نوع پمپ
• وجود کارخانه‌های تولید کننده پمپ‌های دیزلی و برقی در داخل که نیاز داخلی را به نحو مطلوبی پاسخگو می‌باشند.
• عدم تحقیق و مطالعه در خصوص امکان‌سنجی استفاده از این نوع پمپ تاکنون

[1] -Hot Air Baloon

مکانیزم پمپ ضربه‌ قوچی :

شکل‌های 2-3 و 2-4  اجزای تشکیل­دهنده پمپ ضربه­قوچی را نشان می­دهند. در شکل شماره 2-5 نیز تصاویری از انواع مختلف پمپ ضربه‌قوچی که در نقاط مختلف دنیا تولید می‌گردد ارائه شده است.

همانطور که در اشکال مذکور دیده می‌شود، به طور کلی پمپ ضربه‌قوچی که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرد دارای ساز و کار ساده‌ای بوده و متشکل از اجزایی شامل محفظه هوا[1] ، شیر قطع و وصل[2] ، شیر یکطرفه[3]، لوله ورودی (تغذیه) [4] و لوله خروجی (پمپاژ) [5] می‌باشد (Alaban, 2007; Browne, 2009).

[1] -Air Chamber

[2] -Impulse Valve

[3] -Delivery Valve

[4] -Drive Pipe

[5] -Delivery Pipe

شکل 2-3 اجزای تشکیل دهنده پمپ ضربه‌ قوچ (Alaban, 2007)

شکل ‏4-2- نمونه‌ای از تولید پمپ ضربه‌ قوچی و اجزای آن (Browne, 2009)

شکل ‏5-2- تصاویری از انواع مختلف پمپ ضربه‌ قوچ تولید شده (Browne, 2009)

در شکل 2-6 شمای کلی انتقال آب توسط پمپ ضربه‌قوچی نشان داده شده است. این پمپ با استفاده از انرژی ناشی از اختلاف ارتفاع (هد) موجود [1]، عمل پمپاژ آب را به میزان هد[2] و دبی مورد نیاز انجام می‌دهد.

دبی پمپاژ توسط پمپ ضربه‌قوچی کمتر از دبی ورودی به پمپ و هد پمپاژ آن بیشتر از هد موجود است.

به بیان دیگر پمپ ضربه‌قوچی قادر نیست تمامی دبی ورودی را پمپاژ نماید (مقداری تلفات دبی دارد) و هد پمپاژ توسط این نوع پمپ از هد موجود در ورودی پمپ بیشتر است. (Alaban, 2007).

[1] -Drive Head (Fall)

[2] -Delivery Head (Lift)

شکل ‏2 6- نحوه انتقال آب بوسیله پمپ ضربه‌ قوچی (Alaban, 2007)

منبع : گروه تحقیقات مهندسی دانلود