مقدمة
في الفصل السابق، تبين أنه يمكن بسهولة الحصول على المعادلات الرياضية الدقيقة للقوى التي تُؤثر بها السوائل الساكنة. ويعود ذلك إلى أن قوى الضغط البسيطة هي العامل الوحيد المؤثر في الديناميكا الهيدروستاتيكية. أما عند دراسة سائل متحرك، فتصبح مسألة التحليل أكثر تعقيدًا. إذ لا يقتصر الأمر على مراعاة مقدار واتجاه سرعة الجسيمات، بل يشمل أيضًا التأثير المعقد للزوجة الذي يُسبب إجهاد القص أو الاحتكاك بين جسيمات السائل المتحركة وعلى الحدود المحيطة بها. وتؤدي الحركة النسبية الممكنة بين عناصر جسم السائل المختلفة إلى تباين كبير في الضغط وإجهاد القص من نقطة إلى أخرى تبعًا لظروف التدفق. ونظرًا للتعقيدات المرتبطة بظاهرة التدفق، فإن التحليل الرياضي الدقيق لا يكون ممكنًا إلا في حالات قليلة، وهي حالات غير عملية إلى حد ما من وجهة نظر هندسية. لذلك، من الضروري حل مسائل التدفق إما بالتجربة، أو بوضع بعض الافتراضات المبسطة الكافية للوصول إلى حل نظري. ولا يتعارض هذان النهجان، إذ أن القوانين الأساسية للميكانيكا تبقى سارية دائمًا، مما يسمح باعتماد أساليب نظرية جزئية في العديد من الحالات المهمة. ومن المهم أيضاً التحقق تجريبياً من مدى الانحراف عن الظروف الحقيقية الناجمة عن التحليل المبسط.
الافتراض التبسيطي الأكثر شيوعًا هو أن المائع مثالي أو كامل، مما يُلغي تأثيرات اللزوجة المُعقدة. هذا هو أساس الديناميكا المائية الكلاسيكية، وهو فرع من الرياضيات التطبيقية حظي باهتمام علماء بارزين مثل ستوكس ورايلي ورانكين وكلفن ولامب. توجد قيود جوهرية خطيرة في النظرية الكلاسيكية، ولكن نظرًا لأن لزوجة الماء منخفضة نسبيًا، فإنه يتصرف كمائع حقيقي في كثير من الحالات. لهذا السبب، يمكن اعتبار الديناميكا المائية الكلاسيكية خلفية قيّمة لدراسة خصائص حركة الموائع. يتناول هذا الفصل الديناميكا الأساسية لحركة الموائع، ويُقدّم مدخلًا أساسيًا للفصول اللاحقة التي تتناول المشكلات الأكثر تحديدًا التي تُصادف في هندسة الهيدروليكا المدنية. يتم اشتقاق المعادلات الأساسية الثلاث المهمة لحركة الموائع، وهي: معادلة الاستمرارية، ومعادلة برنولي، ومعادلة الزخم، وشرح أهميتها. لاحقًا، يتم النظر في قيود النظرية الكلاسيكية ووصف سلوك المائع الحقيقي. يُفترض في هذا الفصل أن المائع غير قابل للانضغاط.
أنواع التدفق
يمكن تصنيف أنواع حركة السوائل المختلفة على النحو التالي:
1. مضطرب وصفائحي
2. الدوراني وغير الدوراني
3. ثابت وغير ثابت
4. منتظم وغير منتظم.
تُعدّ مضخات التدفق المحوري من سلسلة MVS ومضخات التدفق المختلط من سلسلة AVS (مضخات غاطسة رأسية محورية ومضخات غاطسة للصرف الصحي ذات تدفق مختلط) منتجات حديثة صُممت بنجاح باستخدام أحدث التقنيات الأجنبية. تتميز هذه المضخات الجديدة بسعة أكبر بنسبة 20% من المضخات القديمة، وكفاءة أعلى بنسبة تتراوح بين 3 و5%.
التدفق المضطرب والتدفق الصفائحي.
تصف هذه المصطلحات الطبيعة الفيزيائية للتدفق.
في التدفق المضطرب، يكون تقدم جزيئات السائل غير منتظم، ويحدث تبادل عشوائي ظاهري للمواقع. تخضع الجزيئات الفردية لسرعات عرضية متذبذبة، مما يجعل الحركة دوامية ومتعرجة وليست مستقيمة. إذا تم حقن صبغة عند نقطة معينة، فإنها ستنتشر بسرعة في جميع أنحاء مجرى التدفق. في حالة التدفق المضطرب في أنبوب، على سبيل المثال، سيكشف التسجيل اللحظي للسرعة عند مقطع معين عن توزيع تقريبي كما هو موضح في الشكل 1(أ). تُشير الخطوط المنقطة إلى السرعة الثابتة، كما تُسجلها أجهزة القياس العادية، ومن الواضح أن التدفق المضطرب يتميز بسرعة متذبذبة غير مستقرة متراكبة على متوسط ثابت زمنيًا.
الشكل 1 (أ) التدفق المضطرب
الشكل 1 (ب) التدفق الصفائحي
في التدفق الصفائحي، تتحرك جميع جزيئات المائع على مسارات متوازية، ولا يوجد مركبة عرضية للسرعة. ويكون التدرج المنتظم بحيث يتبع كل جزيء مسار الجزيء الذي يسبقه تمامًا دون أي انحراف. وهكذا، يبقى خيط رفيع من الصبغة على حاله دون انتشار. ويوجد تدرج أكبر بكثير في السرعة العرضية في التدفق الصفائحي (الشكل 1ب) مقارنةً بالتدفق المضطرب. فعلى سبيل المثال، بالنسبة لأنبوب، تبلغ نسبة متوسط السرعة V إلى أقصى سرعة Vmax 0.5 في التدفق المضطرب، و0.05 في التدفق الصفائحي.
يرتبط التدفق الصفائحي بالسرعات المنخفضة والسوائل اللزجة بطيئة الحركة. في أنظمة الأنابيب والقنوات المفتوحة، تكون السرعات عالية بما يكفي لضمان التدفق المضطرب، على الرغم من وجود طبقة صفائحية رقيقة بالقرب من الحدود الصلبة. قوانين التدفق الصفائحي مفهومة تمامًا، ويمكن تحليل توزيع السرعة رياضيًا في ظل شروط حدودية بسيطة. أما التدفق المضطرب، نظرًا لطبيعته النبضية غير المنتظمة، فقد استعصى على المعالجة الرياضية الدقيقة، ولحل المشكلات العملية، من الضروري الاعتماد بشكل كبير على العلاقات التجريبية أو شبه التجريبية.
رقم الموديل: XBC-VTP
تُعدّ مضخات مكافحة الحرائق العمودية ذات العمود الطويل من سلسلة XBC-VTP سلسلة من مضخات التوزيع أحادية ومتعددة المراحل، مُصنّعة وفقًا لأحدث معيار وطني GB6245-2006. وقد تمّ تحسين التصميم بالاستناد إلى معيار جمعية الحماية من الحرائق الأمريكية. تُستخدم هذه المضخات بشكل أساسي لتزويد مياه مكافحة الحرائق في قطاعات البتروكيماويات، والغاز الطبيعي، ومحطات توليد الطاقة، والنسيج القطني، والأرصفة البحرية، والطيران، والمستودعات، والمباني الشاهقة، وغيرها. كما يُمكن استخدامها في السفن، وخزانات المياه، وسفن مكافحة الحرائق، وغيرها من تطبيقات التزويد.
التدفق الدوراني وغير الدوراني.
يقال إن التدفق دوراني إذا كانت لكل جسيم من جسيمات السائل سرعة زاوية حول مركز كتلته.
يوضح الشكل 2أ توزيع السرعة النموذجي المرتبط بالتدفق المضطرب حول حد مستقيم. نتيجةً لتوزيع السرعة غير المنتظم، تتعرض الجسيمات التي يكون محوراها متعامدين في الأصل لتشوه مع دوران طفيف. في الشكل 2أ، التدفق في شكل دائري
يُصوَّر المسار، حيث تتناسب السرعة طرديًا مع نصف القطر. يدور محورا الجسيم في نفس الاتجاه، مما يجعل التدفق دورانيًا مرة أخرى.
الشكل 2 (أ) التدفق الدوراني
لكي يكون التدفق غير دوراني، يجب أن يكون توزيع السرعة المجاور للحدود المستقيمة منتظمًا (الشكل 2ب). في حالة التدفق في مسار دائري، يمكن إثبات أن التدفق غير الدوراني لا يتحقق إلا إذا كانت السرعة تتناسب عكسيًا مع نصف القطر. للوهلة الأولى، يبدو هذا غير صحيح عند النظر إلى الشكل 3، لكن التدقيق يكشف أن المحورين يدوران في اتجاهين متعاكسين، مما يُحدث تأثيرًا تعويضيًا ينتج عنه اتجاه متوسط للمحورين لا يتغير عن الحالة الابتدائية.
الشكل 2 (ب) التدفق غير الدوراني
نظرًا لأن جميع السوائل تتمتع باللزوجة، فإن تدفق السائل الحقيقي لا يكون دورانيًا بالمعنى الدقيق، والتدفق الصفائحي هو تدفق دوراني للغاية بطبيعة الحال. لذا، يُعد التدفق غير الدوراني حالة افتراضية ذات أهمية أكاديمية فقط، لولا أن الخصائص الدورانية في العديد من حالات التدفق المضطرب ضئيلة لدرجة يمكن معها إهمالها. وهذا مفيد لأنه من الممكن تحليل التدفق غير الدوراني باستخدام المفاهيم الرياضية للديناميكا المائية الكلاسيكية المشار إليها سابقًا.
مضخة طرد مركزي لوجهة مياه البحر
رقم الموديل: ASN ASNV
تُعد مضخات طراز ASN و ASNV مضخات طرد مركزي أحادية المرحلة ذات غلاف حلزوني مزدوج الشفط، وتستخدم لنقل السوائل في أعمال المياه، وتدوير تكييف الهواء، والمباني، والري، ومحطات ضخ الصرف، ومحطات الطاقة الكهربائية، وأنظمة إمداد المياه الصناعية، وأنظمة مكافحة الحرائق، والسفن، والمباني، وما إلى ذلك.
التدفق المستمر وغير المستمر.
يُقال إن التدفق مستقر عندما تكون الظروف عند أي نقطة ثابتة مع مرور الوقت. سيؤدي التفسير الحرفي لهذا التعريف إلى استنتاج مفاده أن التدفق المضطرب لم يكن مستقرًا أبدًا. مع ذلك، ولأغراض هذه الدراسة، من الأنسب اعتبار حركة المائع العامة هي المعيار، والتقلبات العشوائية المصاحبة للاضطراب مجرد تأثير ثانوي. ومن الأمثلة الواضحة على التدفق المستقر التدفق الثابت في قناة أو مجرى مفتوح.
وكنتيجة طبيعية لذلك، يكون التدفق غير مستقر عندما تتغير الظروف مع مرور الوقت. ومن أمثلة التدفق غير المستقر تغير معدل التدفق في قناة أو مجرى مفتوح؛ وعادةً ما تكون هذه ظاهرة عابرة، إذ تلي أو تلي معدل تدفق مستقر. ومن الأمثلة الأخرى المألوفة على التدفق غير المستقر: تغير معدل التدفق في قناة أو مجرى مفتوح؛ وعادةً ما تكون هذه ظاهرة عابرة، إذ تلي أو تلي معدل تدفق مستقر.
ومن الأمثلة على الطبيعة الدورية حركة الأمواج والحركة الدورية للكتل المائية الكبيرة في تدفق المد والجزر.
تُعنى معظم المشكلات العملية في الهندسة الهيدروليكية بالتدفق المستقر. وهذا أمرٌ مُفيد، إذ أن متغير الزمن في التدفق غير المستقر يُعقّد التحليل بشكلٍ كبير. وعليه، سيقتصر تناول التدفق غير المستقر في هذا الفصل على عددٍ قليل من الحالات البسيطة نسبيًا. مع ذلك، من المهم التذكير بأن العديد من الحالات الشائعة للتدفق غير المستقر يُمكن اختزالها إلى حالة مستقرة بفضل مبدأ الحركة النسبية.
وبالتالي، يمكن إعادة صياغة مسألة تتعلق بسفينة تتحرك في مياه ساكنة بحيث تكون السفينة ثابتة والماء متحركًا؛ والمعيار الوحيد لتشابه سلوك السوائل هو أن تكون السرعة النسبية متساوية. كذلك، يمكن اختزال حركة الأمواج في المياه العميقة إلى
حالة الاستقرار بافتراض أن المراقب يتحرك مع الموجات بنفس السرعة.
مضخة تصريف مياه تعمل بمحرك ديزل، توربينية رأسية متعددة المراحل، طرد مركزي، ذات عمود خطي. يُستخدم هذا النوع من مضخات التصريف الرأسية بشكل أساسي لضخ مياه الصرف الصحي أو مياه الصرف الصحي التي لا تحتوي على مواد قابلة للتآكل، ودرجة حرارة أقل من 60 درجة مئوية، ومحتوى مواد صلبة عالقة (باستثناء الألياف والحصى) أقل من 150 ملغم/لتر. تُصنف مضخة التصريف الرأسية من نوع VTP ضمن مضخات المياه الرأسية من نوع VTP، وتعتمد على زيادة في الارتفاع وتركيب طوق، ويتم تزييت الأنابيب بالماء. يمكنها العمل عند درجة حرارة أقل من 60 درجة مئوية، وضخ مياه الصرف الصحي أو مياه الصرف الصحي التي تحتوي على حبيبات صلبة معينة (مثل خردة الحديد والرمل الناعم والفحم، إلخ).
التدفق المنتظم وغير المنتظم.
يُقال إن التدفق منتظم عندما لا يوجد أي اختلاف في مقدار واتجاه متجه السرعة من نقطة إلى أخرى على طول مسار التدفق. ولتحقيق هذا التعريف، يجب أن تكون مساحة التدفق والسرعة متساويتين عند كل مقطع عرضي. أما التدفق غير المنتظم فيحدث عندما يتغير متجه السرعة بتغير الموقع، ومن الأمثلة الشائعة على ذلك التدفق بين حدود متقاربة أو متباعدة.
يُعدّ كلا هذين الشرطين البديلين للتدفق شائعين في هيدروليكا القنوات المفتوحة، مع العلم أنه، من الناحية الدقيقة، وبما أن التدفق المنتظم يُقترب منه دائمًا بشكل تقاربي، فهو حالة مثالية لا تُتحقق فعليًا، بل تُقارب فقط. تجدر الإشارة إلى أن هذه الشروط تتعلق بالمكان لا بالزمان، وبالتالي، في حالات التدفق المغلق (مثل الأنابيب تحت الضغط)، فهي مستقلة تمامًا عن طبيعة التدفق، سواء كان مستقرًا أم لا.
تاريخ النشر: 29 مارس 2024