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 دامنه 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 .
همچنین می توان کانال ها را براساس پایداری مصالح جداره آنها در مقابل فرسایش نیز طبقه بندی نمود :
کانال های با جداره ثابت ، کانال هایی هستند که مصالح جداره آنها ثابت و غیرمتحرک می باشد . این کانال ها از مصالح سخت نظیر بتن چوب ، فلز ویا مصالح بنایی ساخته می شوند . در این کانال ها پلان عمومی مسیر و نیز زبری جدار مقطع تابعی از مشخصات جریان نبوده و نسبتا ثابت می باشد . این کانال ها فقط دارای یک درجه آزادی می باشند چرا که برای یک مسیر جریان ثابت ، فقط عمق است که می تواند برحسب نوع جریان با زمان و مکان تغییر کند .
کانالهای با جداره متحرک ، در مقایسه باکانال های باجداره ثابت
می توان کانال های مصنوعی و یا طبیعی را در نظر گرفت که در تشکیلات آبرفتی جریان دارند و در نتیجه جداره این کانال ها از ذرات رسوبی تشکیل یافته است و ذرات این قابلیت را دارند تا تحت تاثیر جریان آب به حرکت درآیند . با توجه به این که جداره این کانال ها در معرض فرسایش و رسوب گذاری مستمر جریان آب قرار دارد ، لذا چنین کانال هایی می توانند علاوه بر بر آب ، رسوباتی نیز به صورت معلق و یا در کف منتقل نمایند .
در یک نگاه کلی می توان گفت که این کانال ها دارای چهار درجه آزادی هستند ، زیرا نه تنها عمق جریان بلکه عرض مقطع جریان ، شیب طول و پلان عمومی مسیر جریان نیز با زمان و مکان تغییر می کنند .
بررسی آستانه حرکت ذرات رسوبی به صورت چسبنده و یا دانه ای و تعیین بار رسوب به صورت معلق و در کف از مسایل مورد بررسی درحرکت آب در این مجاری می باشد . لذا مطالعه جریان در این کانال ها دارای پیچیدگی بیشتری بوده و در مباحث هیدرولیک رسوبات و مهندسی رودخانه به صورت کامل مورد بررسی قرار می گیرند .
انواع مقاطع کانال های باز
در طراحی کانال های باز مصنوعی برای مقاصد مختلف سعی می شود تا این کانال ها دارای اشکال هندسی منظمی بوده و نکات مورد لزوم طرح را ارضاء نمایند . جدول ذیل انواع مقاطع معمول در طراحی کانال های باز را نشان می دهد . در انتخاب این مقاطع علاوه بر نکات هیدرولیکی ، عواملی دیگر چون مصالح در دسترس ، امکانات اجرائی ، شرایط محلی و نکات سازه ای ( از نقطه نظر باربری عناصر سازه ای کانال ) دخالت دارند . در این جدول مشخصات هندسی مقطع در صفحه ای عمود بر جهت عمومی جریان نیز آمده است . در زیر اشاره ای مختصر به خصوصیات انواع مقاطع کانال ها صورت می گیرد :
مقطع ذوزنقه ای : این مقطع معمول ترین شکل برای کانال های آبیاری بوده و در کانال هایی که در مصالح خاکی حفر گردیده و دارای پوششی از جنس مصالح سخت نمی باشند کاربرد دارند . شیب کناره ها پایداری عمومی آنها را در مقابل لغزش تامین می کند .
مقاطع مستطیلی و مثلثی حالت خاصی از مقطع ذوزنقه ای می باشند . مقطع مستطیلی می تواند در مصالح سنگی حفر گردد و یا دارای پوششی از جنس مصالح سخت باشد در حالی که کانال های مثلثی در دبی های کم ، در آبروی حاشیه خیابان ها و جاده ها و یا در کارهای آزمایشگاهی مورد استفاده
قرار می گیرند .
مقطع دایره ای : این مقطع از مقاطع معمول در سیستم های جمع آوری و انتقال فاضلاب می باشد . کانال های دایروی می توانند به شکل پیش ساخته (لوله ) تولید شده و به صورت مدفون در خاک قرار گیرند . در آبروهای زیر جاده با دبی کم نیز از این مقطع استفاده می شود .
مقطع سهمی شکل : مقطع سهمی شکل می توانند به عنوان یک تقریب برای کانال های طبیعی با اندازه کوچک و متوسط به کار روند .
مقاطع دیگری که می توان از آنها نام برد مقاطع نعل اسبی و تخم مرغی هستند که معمولا در تأسیسات جمع آوری و انتقال فاضلاب کاربرد دارند . این مقاطع علاوه بر خواص سازه ای ( باربری مقطع در حالت مدفون با استفاده از رفتار قوسی ) نکات هیدرولیکی طرح را نیز ارضاء می نمایند . جهت آشنایی بیشتر با خواص این مقاطع
می توان به کتب معتبر آب و فاضلاب مراجعه نمود .
لازم به توضیح است که کانال های طبیعی خصوصا در ابعاد کوچک را می توان با یکی از مقاطع ذکر شده تقریب زد و در این حالت مقطع را مقطع مجرد (واحد ) نامگذاری نمود ، ولی در حالت سیلابی که آب از کانال اصلی لبریز شده و در بسترهای سیلابی اطراف جاری می گردد شکل مقطع کانال با مقاطع استاندارد معرفی شده قابل تطبیق نبوده این گونه مقاطع ، مقاطع مرکب نامیده می شوند . توضیح رفتار هیدرولیکی مقاطع مرکب در مبحث جریان یکنواخت ارائه خواهد شد .
**********************
جدول مشخصات هندسی مقاطع کانال ها
وضعیت جریان در کانال های باز
در جریان آب در کانال های باز ، نیروهای مختلفی نظیر نیروهای ثقل ، لزجت ، شتاب دهنده و کشش سطحی بر روی عناصر سیال اثر می کنند که در این میان از تأثیر نیروی کشش سطحی در مسائل علمی مهندسی به علت ناچیز بودن آن صرف نظر
می گردد .
با توجه به اثرات نسبی نیروهای لزجت و نیروی ثقل نسبت به نیروهای اینرسی وضعیت های متفاوتی از جریان در کانال های باز مشاهده می شوند .
تاثیر نیروی لزجت
تحت تأثیر نیروی لزجت نسبت به نیروی شتاب دهنده سه حالت متفاوت جریان در کانال های باز مشاهده می شوند .
الف ) جریان آرام ( لایه ای ) :
در این حالت نیروی لزجت قوت بیشتری نسبت به نیروی شتاب دهنده داشته و ذرات آب در راستای اصلی حرکت به آرامی بر روی یکدیگر می لغزند . در جریان آرام ، حرکات پراکنده ملکولها و نیز نیروهای بین ملکولی سبب بروز خاصیت لزجت در آب و مقاومت آن در مقابل تغییر شکل برشی می شود . در این جریان گرادیان سرعت و تنش برشی توسط قانون لزجت نیوتن به یکدیگر
مرتبط می گردند .