بررسي آزمايشگاهي نوسانات فشار در مقطع مجاري آب‌بر حاوي جريان ناپايدار آب و هوا

Experimental Results of Pressure Fluctuations in a Water Conduit Section Due to Formation of Unstable Two-Phase Air-Water Flow

بررسي ويژگيهاي هيدروليكي جريانهاي دو فازي، يكي از موضوعات مهم و اساسي در مهندسي هيدروليك است. اين نوع جريان در سازه‌هايي نظير تونلهاي تحت فشار، كالورتها، مجاري انتقال فاضلاب و اتصالات رخ مي‌دهد. جريانهاي دو فازي بر حسب شرايط هندسي و مشخصات فيزيكي سيالات و مشخصات هيدروليكي جريان نظير دبي‌هاي هوا و آب و شيب مجرا، به گروههاي مختلفي نظير حبابي، لايه نازك و يا توده‌اي تقسيم‌بندي مي‌شوند. الگوي جريان چگونگي توزيع هر فاز جريان در برابر فاز ديگر است. از مهمترين الگوهاي محتمل جريان آب و هوا در مجاري تحت‌فشار نظير تونلهاي آب‌بر مي‌توان به الگوهاي لخته‌اي، موجي و چينه‌اي اشاره كرد. ورود هوا به داخل آب و تشكيل جريان دو‌ فازي واكنشهاي شديد بين دو فاز و نوسانات شديد فشار را به همراه دارد و در نتيجه مي‌تواند خسارتهاي قابل ملاحظه‌اي در سازه تونل و تأسيسات جانبي ايجاد كند. در اين مقاله نتايج آزمايشات انجام شده روي مدل آزمايشگاهي تونل تحت‌فشار كه حاوي جريان همزمان آب و هواست، ارائه مي‌شود. تحليل نتايج نشان مي‌دهد، با ورود هوا به تونل و شكل‌گيري جريان دو‌ فازي، نوسانات شديد فشار در مجرا به وجود آمده و بسته به مشخصات هندسي مجرا و هيدروليكي جريان، فشار ماكزيمم وارد بر مجرا مي‌تواند تا 10 برابر فشار هيدرواستاتيكي افزايش يابد. نتايج ارائه شده منحنيها و روابطي‌اند كه نوسانات فشار (مقادير فشار ماكزيمم و مي‌نيمم) وارده بر مجرا و مرز‌بنديهاي جريان و مشخصات هيدروليكي ناپايداري را بر حسب متغيرهاي هندسي مجرا و هيدروليكي جريان نشان مي‌دهند.

The study of two-phase fluid flow behavior in hydraulic structures such as pressurized flow tunnels, culverts, sewer pipes, junctions and other similar conduits is of great importance. A two-phase mixture flowing in a pipe can exhibit several interfacial geometries such as bubbles, slugs or films, depending on the fluid and hydrodynamic properties of flow. The main variables, giving rise to a variety of flow patterns, include relative discharge rate of fluids and the pipe slope. The flow patterns mostly attainable with air and water include stratified include and slug patterns. In this paper, the experimental results of pressurized water tunnel model are presented. The results include pressure transient and its variations for different hydraulic and geometric properties. It is shown that trapped and released air can cause tremendous pressure surges in the system and, eventually, may cause failure in systems (e.g. the maximum pressure inside the pipe would reach up to 10 times of upstream hydrostatic pressure). Finally, relations for forecasting maximum and minimum pressure in these situations are presented as a function of mean pressure, flow characteristics and pipe geometry.