وصف عام
يتميز السائل، كما يوحي اسمه، بقدرته على التدفق. ويختلف عن المادة الصلبة في أنه يتعرض للتشوه نتيجة إجهاد القص، مهما كان هذا الإجهاد ضئيلاً. والمعيار الوحيد لحدوث التشوه هو مرور وقت كافٍ. وبهذا المعنى، يكون السائل عديم الشكل.
يمكن تقسيم الموائع إلى سوائل وغازات. السائل قابل للانضغاط بشكل طفيف، وله سطح حر عند وضعه في وعاء مفتوح. أما الغاز، فيتمدد دائمًا ليملأ الوعاء الذي يحتويه. والبخار هو غاز قريب من الحالة السائلة.
السائل الذي يهتم به المهندس بشكل أساسي هو الماء. قد يحتوي على ما يصل إلى ثلاثة بالمائة من الهواء المذاب، والذي يميل إلى الانطلاق عند الضغوط المنخفضة. يجب مراعاة ذلك عند تصميم المضخات والصمامات وخطوط الأنابيب، وما إلى ذلك.
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).
تُوصَف الخصائص الفيزيائية الرئيسية للسوائل على النحو التالي:
الكثافة (ρ)
كثافة السائل هي كتلته لكل وحدة حجم. في النظام الدولي للوحدات، تُعبر عنها بوحدة كجم/م³3.
تبلغ كثافة الماء أقصى قيمة لها وهي 1000 كجم/م³3عند درجة حرارة 4 درجات مئوية. هناك انخفاض طفيف في الكثافة مع ارتفاع درجة الحرارة، ولكن لأغراض عملية، تبلغ كثافة الماء 1000 كجم/م³3.
الكثافة النسبية هي نسبة كثافة السائل إلى كثافة الماء.
الكتلة النوعية (w)
الكتلة النوعية للسائل هي كتلته لكل وحدة حجم. في النظام الدولي للوحدات (SI)، تُقاس بوحدة نيوتن/متر مكعب (N/m³).3عند درجات الحرارة العادية، تكون قيمة w هي 9810 نيوتن/متر3أو 9.81 كيلو نيوتن/متر3(حوالي 10 كيلو نيوتن/متر)3 (لتسهيل الحساب).
الكثافة النوعية (SG)
الكثافة النوعية للسائل هي نسبة كتلة حجم معين من السائل إلى كتلة نفس الحجم من الماء. وبالتالي، فهي أيضاً نسبة كثافة السائل إلى كثافة الماء النقي، وعادةً ما تكون جميعها عند درجة حرارة 15 درجة مئوية.
رقم الموديل: TWP
مضخات المياه ذاتية التحضير من سلسلة TWP، التي تعمل بمحرك ديزل متحرك، مصممة خصيصًا لحالات الطوارئ، وهي مضخات مياه فورية تعمل في الآبار. تم تصميم هذه السلسلة بالتعاون بين شركة DRAKOS PUMP السنغافورية وشركة REEOFLO الألمانية. تستطيع هذه المضخات نقل جميع أنواع السوائل النظيفة، المحايدة، والمسببة للتآكل والتي تحتوي على جزيئات. كما أنها تعالج العديد من أعطال المضخات التقليدية ذاتية التحضير. يتميز هذا النوع من المضخات ببنية تشغيل فريدة تسمح بالتشغيل التلقائي دون الحاجة إلى سائل في البداية، حيث يصل ارتفاع الشفط إلى أكثر من 9 أمتار. يضمن التصميم الهيدروليكي الممتاز والبنية الفريدة كفاءة عالية تتجاوز 75%. كما تتوفر خيارات تركيب مختلفة.
معامل الحجم (k)
لأغراض عملية، يمكن اعتبار السوائل غير قابلة للانضغاط. مع ذلك، توجد حالات معينة، مثل التدفق غير المستقر في الأنابيب، حيث يجب مراعاة قابلية الانضغاط. يُعطى معامل المرونة الحجمي، k، بالعلاقة التالية:
حيث يمثل p الزيادة في الضغط التي، عند تطبيقها على حجم V، تؤدي إلى انخفاض في الحجم AV. وبما أن انخفاض الحجم يجب أن يرتبط بزيادة متناسبة في الكثافة، فيمكن التعبير عن المعادلة 1 على النحو التالي:
بالنسبة للماء، فإن معامل الانضغاط (k) يبلغ حوالي 2150 ميجا باسكال عند درجات الحرارة والضغوط العادية. وبناءً على ذلك، فإن الماء أكثر قابلية للانضغاط بحوالي 100 مرة من الفولاذ.
المائع المثالي
المائع المثالي هو المائع الذي لا توجد فيه إجهادات مماسية أو قصية بين جزيئاته. وتؤثر القوى فيه عموديًا على المقطع العرضي، وتقتصر على قوى الضغط والتسارع. لا يوجد مائع حقيقي يطابق هذا المفهوم تمامًا، فجميع الموائع المتحركة تتعرض لإجهادات مماسية تُخفف من حركتها. مع ذلك، تقترب بعض السوائل، بما فيها الماء، من المائع المثالي، وهذا الافتراض المبسط يُتيح استخدام الطرق الرياضية أو البيانية في حل بعض مسائل التدفق.
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.
اللزوجة
لزوجة السائل هي مقياس لمقاومته للإجهاد المماسي أو القصي. وتنشأ من تفاعل جزيئات السائل وتماسكها. جميع السوائل الحقيقية تمتلك لزوجة، وإن بدرجات متفاوتة. يتناسب إجهاد القص في المواد الصلبة طرديًا مع الانفعال، بينما يتناسب إجهاد القص في السوائل طرديًا مع معدل انفعال القص. وبناءً على ذلك، لا يمكن أن يوجد إجهاد قص في سائل ساكن.
الشكل 1. التشوه اللزج
لنفترض وجود سائل محصور بين لوحين يفصل بينهما مسافة قصيرة جدًا y (الشكل 1). اللوح السفلي ثابت بينما يتحرك اللوح العلوي بسرعة v. يُفترض أن حركة السائل تتم في سلسلة من الطبقات الرقيقة جدًا، أو الصفائح، التي تنزلق بحرية فوق بعضها البعض. لا يوجد تدفق عرضي أو اضطراب. الطبقة المجاورة للوح الثابت ساكنة بينما الطبقة المجاورة للوح المتحرك تتحرك بسرعة v. معدل إجهاد القص أو تدرج السرعة هو dv/dy. اللزوجة الديناميكية، أو ببساطة اللزوجة μ، تُعطى بالعلاقة التالية:
لهذا السبب:
افترض نيوتن هذا التعبير عن الإجهاد اللزج لأول مرة، وهو ما يُعرف بمعادلة نيوتن للزوجة. تتميز معظم السوائل بمعامل تناسب ثابت، وتُسمى بالسوائل النيوتونية.
الشكل 2. العلاقة بين إجهاد القص ومعدل انفعال القص.
الشكل 2 هو تمثيل بياني للمعادلة 3 ويوضح السلوكيات المختلفة للمواد الصلبة والسائلة تحت تأثير إجهاد القص.
تُعبّر اللزوجة عن نفسها بوحدة سنتيبواز (باسكال.ثانية أو نيوتن.ثانية/متر).2).
في العديد من المشاكل المتعلقة بحركة السوائل، تظهر اللزوجة مع الكثافة في شكل μ/p (مستقلة عن القوة) ومن الملائم استخدام مصطلح واحد v، المعروف باسم اللزوجة الحركية.
قد تصل قيمة ν للزيت الثقيل إلى 900 × 10-6m2/s، بينما تبلغ لزوجة الماء، ذي اللزوجة المنخفضة نسبيًا، 1.14 × 10⁻⁵ م²/ث عند 15 درجة مئوية. تتناقص اللزوجة الحركية للسائل مع ارتفاع درجة الحرارة. عند درجة حرارة الغرفة، تبلغ اللزوجة الحركية للهواء حوالي 13 ضعف لزوجة الماء.
التوتر السطحي والخاصية الشعرية
ملحوظة:
التماسك هو التجاذب الذي تنشأ بين الجزيئات المتشابهة.
الالتصاق هو قوة التجاذب التي تنشأ بين الجزيئات المختلفة.
التوتر السطحي هو الخاصية الفيزيائية التي تُمكّن قطرة الماء من البقاء معلقة عند الصنبور، أو وعاءً من أن يُملأ بسائل حتى حافته دون أن ينسكب، أو إبرة من أن تطفو على سطح سائل. تعود كل هذه الظواهر إلى التماسك بين جزيئات السائل على سطحه، والذي يلامس سائلاً أو غازاً آخر غير قابل للامتزاج. يبدو الأمر كما لو أن السطح يتكون من غشاء مرن، يتعرض لإجهاد منتظم، ويميل دائماً إلى تقليص مساحته السطحية. وهكذا نجد أن فقاعات الغاز في السائل وقطرات الرطوبة في الغلاف الجوي كروية الشكل تقريباً.
تتناسب قوة التوتر السطحي عبر أي خط وهمي على سطح حر طرديًا مع طول الخط، وتؤثر في اتجاه عمودي عليه. يُقاس التوتر السطحي لكل وحدة طول بوحدة ملي نيوتن/متر (mN/m). مقداره صغير جدًا، إذ يبلغ حوالي 73 ملي نيوتن/متر للماء الملامس للهواء عند درجة حرارة الغرفة. ويلاحظ انخفاض طفيف في التوتر السطحي.iمع ارتفاع درجة الحرارة.
في معظم تطبيقات الهيدروليكا، لا يُعتدّ بالتوتر السطحي نظرًا لأن القوى المصاحبة له ضئيلة عمومًا مقارنةً بالقوى الهيدروستاتيكية والديناميكية. ويبرز التوتر السطحي كعامل مهم فقط في حالة وجود سطح حر وأبعاد حدودية صغيرة. لذا، في حالة النماذج الهيدروليكية، قد تؤثر تأثيرات التوتر السطحي، التي لا تُؤخذ في الحسبان في النموذج الأصلي، على سلوك التدفق في النموذج، ويجب أخذ هذا المصدر للخطأ في المحاكاة بعين الاعتبار عند تفسير النتائج.
تكون تأثيرات التوتر السطحي واضحة للغاية في حالة الأنابيب ذات القطر الصغير المفتوحة على الهواء. وقد تتخذ هذه الأنابيب شكل أنابيب المانومتر في المختبر أو المسامات المفتوحة في التربة. فعلى سبيل المثال، عند غمر أنبوب زجاجي صغير في الماء، سيرتفع الماء داخل الأنبوب، كما هو موضح في الشكل 3.
يكون سطح الماء داخل الأنبوب، أو ما يُسمى بالهلالة، مُقعّرًا للأعلى. تُعرف هذه الظاهرة بالخاصية الشعرية، ويشير التماس المماسي بين الماء والزجاج إلى أن التماسك الداخلي للماء أقل من قوة الالتصاق بين الماء والزجاج. ويكون ضغط الماء داخل الأنبوب، بالقرب من السطح الحر، أقل من الضغط الجوي.
الشكل 3. الخاصية الشعرية
يتصرف الزئبق بشكل مختلف تمامًا، كما هو موضح في الشكل 3(ب). ولأن قوى التماسك أكبر من قوى الالتصاق، فإن زاوية التلامس تكون أكبر، ويكون سطح التلامس محدبًا باتجاه الغلاف الجوي ومنخفضًا. ويكون الضغط المجاور للسطح الحر أكبر من الضغط الجوي.
يمكن تجنب تأثيرات الخاصية الشعرية في أجهزة قياس الضغط وأنابيب القياس الزجاجية باستخدام أنابيب لا يقل قطرها عن 10 مم.
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.
ضغط البخار
تُقذف جزيئات السائل التي تمتلك طاقة حركية كافية من سطح السائل الحر وتتحول إلى بخار. يُعرف الضغط الذي يُمارسه هذا البخار بضغط البخار (P). يرتبط ارتفاع درجة الحرارة بزيادة حركة الجزيئات، وبالتالي زيادة ضغط البخار. عندما يتساوى ضغط البخار مع ضغط الغاز فوقه، يغلي السائل. يبلغ ضغط بخار الماء عند 15 درجة مئوية 1.72 كيلو باسكال (1.72 كيلو نيوتن/متر مكعب).2).
الضغط الجوي
يُقاس ضغط الغلاف الجوي على سطح الأرض بواسطة البارومتر. عند مستوى سطح البحر، يبلغ متوسط الضغط الجوي 101 كيلو باسكال، ويُعتمد هذا القياس. ينخفض الضغط الجوي مع الارتفاع؛ فعلى سبيل المثال، ينخفض إلى 88 كيلو باسكال عند ارتفاع 1500 متر. يبلغ ارتفاع عمود الماء المكافئ 10.3 متر عند مستوى سطح البحر، ويُشار إليه غالبًا باسم بارومتر الماء. هذا الارتفاع افتراضي، لأن ضغط بخار الماء يمنع الوصول إلى فراغ تام. يُعد الزئبق سائلًا بارومتريًا أفضل بكثير، نظرًا لانخفاض ضغط بخاره إلى حد كبير. كما أن كثافته العالية تُنتج عمودًا بارتفاع معقول - حوالي 0.75 متر عند مستوى سطح البحر.
بما أن معظم الضغوط التي تُصادف في علم الهيدروليكا أعلى من الضغط الجوي، ويتم قياسها بأجهزة تسجل القيم النسبية، فمن الملائم اعتبار الضغط الجوي هو المرجع، أي الصفر. ويُشار إلى الضغوط حينها بضغوط القياس عندما تكون أعلى من الضغط الجوي، وبضغوط الفراغ عندما تكون أدنى منه. وإذا اعتُبر ضغط الصفر الحقيقي مرجعًا، يُقال إن الضغوط مطلقة. في الفصل الخامس، حيث يُناقش صافي الضغط الإيجابي عند مستوى سطح البحر (NPSH)، تُعبّر جميع الأرقام بوحدات الضغط الجوي المطلق، حيث مستوى سطح البحر = 0 بار، ضغط القياس = 1 بار، الضغط المطلق = 101 كيلو باسكال = 10.3 متر من الماء.
تاريخ النشر: 20 مارس 2024