امروزه ضربه قوچ یکی از مسائل و مشکلات مهم در بهره برداري از شبکه هاي توزیع و انتقال آب می باشد. در سایر سیستم هاي دیگر نیز نظیر خطوط انتقال نفت و یا شبکه هاي توزیع و لوله ها ي آب بر منتهی به توربین ها، تونل هاي آبی، پدیده ضربه قوچ سبب ایجاد موج هاي سریع، زودگذر و میرا می شود. گاهی اوقات قدرت تخریبی این موج هاي فشار به حدي است که نتایج وخیمی به بار می آورد. ترکیدن خطوط لوله در سیستم هاي انتقال و شبکه هاي توزیع، خرابی و شکسته شدن شیرها، دریچه هاي کنترل و پمپ ها از نمونه هاي بارز تأثیر این پدیده می باشد.
از این گونه حوادث که در طرحهاي آبی موجب تخریب میگردد فراوان مشاهده میشود و همه ساله خسارات زیادي را بر سیستم هاي جریان تحت فشار تحمیل مینماید. البته در بعضی از پروژهها شدت تخریب ضربه قوچ به حدي نیست که به یکباره سیستم انتقال را فلج نماید، اما در همین سیستم ها نیز با تکرار این حادثه در هنگام بهرهبرداري، موجب میشود تا از کارایی سیستم کاسته شده و نهایتا به خطوط لوله، شیرآلات و دریچهها، پمپ ها و توربینها و سازههاي اطراف سیستم هیدرولیکی و یا تأسیسات مکانیکی مجاور صدمه وارد آید.
ضربه قوچ که در بعضی از متون فارسی از آن بعنوان »چکش آبی« نیز یاد شده که از ترجمه واژه ""Water Hammering آمده است. این پدیده در خطوط لوله جریان تحت فشار و مجاري باز اتفاق میافتد و بر قوانین فشار، تغییرات دبی یا تغییرات سرعت جریان و شرایط زمانی و مکانی حرکت سیال استوار است.
ضربه قوچ پدیدهاي است که میتوان اثرات آن را در سیستمهاي تحت فشار به موجهاي الکتریکی و مکانیکی تشبیه نمود و از اینرو گاهی اوقات از این واقعه به عنوان یک پدیده زودگذر یا میرا نام میبرند. این حالت یا وضعیت یک نوع آشفتگی موقتی است که در بین دو حالت یا دو وضعیت پایدار جریان اتفاق میافتد. در واقع مکانیزم ضربه قوچ، حساسیت یک سیستم انتقال سیال را در مقابل هر نوع تغییر وضعیت دبی، سرعت و فشار جریان نشان میدهد و چون پدیده ضربه قوچ یک حالت زودگذر و موقتی است، لذا پس از آن که این موج مستهلک گردید، دوباره به حالت پایدار و دائمی دیگري که متفاوت از حالت پایدار اولیه است میرسد.
عمر مطالعات مربوط به ضربه قوچ در حدود یک قرن بوده و در مقایسه با سایر علوم نظري و کاربردي، علم مربوط به مطالعه ضربه قوچ بسیار جوان میباشد. اما ظهور ماشینهاي حسابگر الکترونیکی، عصر جدیدي از تجزیه و تحلیل مسایل ضربه قوچی را پدید آورده و کاربردهاي وسیعی در طرحهاي انتقال سیال یافتهاند.
با وجود این که در حال حاضر مکانیزم تشکیل ضربه قوچ کاملاٌ شناخته شده، اما به علت وسعت و گستردگی ابعاد مسئله ضربه قوچ و وجود شرایط گوناگون مکانی و زمانی در این فرآیند، دامنه تحقیقات در این زمینه ادامه داشته و هنوز دنیاي وسیعی از مجهولات و مشکلات ناشی از ضربه قوچ در برابر محققین قرار دارد که کوشش براي حل و فصل آنها میتواند زمینه مناسبی را براي تحقیقات ایجاد نماید.
بر اساس اظهارنظر ،Woodدر سال 1850میلادي ،Wilhem Weberاثر کشسانی " "Elasticityدیواره یا جدار لوله ها را بر روي سرعت موج حاصل از ضربه قوچ مطالعه نمود. در سال Marey 1875به نتایج آزمایشگاهی دست یافت و چنین بیان داشت که "سرعت انتشار موج فشار ضربه قوچ در تحت یک شرایط معین، ثابت میباشد". Jules Michaudنیز به مطالعه اثر محفظه فشار در استهلاك موج فشار ضربه قوچ پرداخت. ،Nicolai Joukowskiدر سال 1898اولین شخصی بود که نشان داد علت بالا رفتن فشار در مسیر خطوط لوله انتقال در نتیجه تغییر سرعت و جرم مخصوص سیال است. ایشان فرمولی را براي تعیین و محاسبه سرعت انتشار موج فشار ناشی از ضربه قوچ ارائه نمود. با توجه به تلاش و کوشش پرثمر آقاي ژوکوفسکی در بررسی پدیده ضربه قوچ و نتایج سودمند این تحقیقات، بدون شک عنوان بانی و پدر علم ضربه قوچ شایسته و برازنده ایشان است.

ادامه این تحقیقات در طول قرن بیستم ادامه یافت و در حدود سالهاي Lorenzo Allievi 1913و همکارانش به تجزیه و تحلیل جدیدي از فرآیند ضربه قوچ رسیدند و دامنه مطالعاتی قبلی را به صورت گستردهاي بسط و توسعه دادند. ایشان روش ریاضی و ترسیمی را براي تعیین فشار ضربه قوچ ابداع و ارائه نمود و در مدت 50سال کار خود به نتایج مهمی در این زمینه دست یافت. با دستیابی به نتایج ارزنده پیشینیان، عده زیادي از محققین مطالعات و بررسیهاي همه جانبهاي را در زمینههاي مختلف پدیده ضربه قوچ دنبال نموده اند، از جمله آنان میتوان از اشخاصی چون Angus ،Bergeron ،Shnyderو Luptonنام برد. با گذشت ایام و جمعآوري اطلاعات، گزارشها و نتایج تحقیقاتی و از طرف دیگر اجراي پروژههاي سیستم انتقال، کتابهاي مستقلی در مورد ضربه قوچ به چاپ رسید. بجا است که از مؤلفین و محققانی نظیر Streeter ،Paramakian ،Goden ،Calameو Sharpنیز که در پیشرفت و توسعه نظري و عملی فرآیند ضربه قوچ سهم بسزایی دارند یاد شود. گرچه پیشرفت این علم در اوایل قرن بیستم به کندي پیش میرفت، اما از سالهاي 1930به بعد دامنه این گونه مطالعات شتاب بیشتري پیدا نمود و در سال 1933در کنفرانس بینالمللی مربوط به جریانهاي میرا یا زودگذر که در شیکاگو بر پا گردید مقالات مهمی در این زمینه ایراد گردید.
با نگاهی اجمالی به گذشته، چنین استنباط میشود که از 90سال پیش پدیده ضربه قوچ در طرحهاي انتقال آب، پروژه هاي مربوط به نیروگاههاي آبی و سیستمهاي انتقال تحت فشار سیالات دیگر مورد توجه خاص قرار گرفته است و از سال 1950به بعد مطالعات مربوط به ضربه قوچ ابعاد وسیعی پیدا نموده و بصورت گستردهاي در طرحها مطرح گردیده است.

آنتون برگانت درسال 1998پدیده ضربه قوچ را بررسی نموده و دریافت که جدا شدن ستون آب در یک لوله پر باعث می شود فشار در نقطه هایی به فشار بخار آب رسیده و این نقاط موجب ایجاد خلا گردیده و دو ستون آب از دو طرف اگر به طرف آن خلا حرکت کرده و برخورد کنند ناگهان باعث افزایش فشار در آن نقطه شده و این افزایش فشار توسعه یافته شروع به حرکت می کند و ممکن است به تجهیزات و یا تکیه گاه ها ضربه زده خط لوله را گسیخته نماید.

محمد سعید قیدایی و همکاران در سال 2005در مقاله اي پیرامون ناپایداري هاي هیدرولیکی، معادلات جرم و مومنتوم را در جریان هاي یک بعدي و دوبعدي بررسی و راه حل هایی عددي براي سرعت موج و تنش برشی در دیواره ارائه کرده اند. همچنین با استفاده از نرم افزار هاي مربوطه و تحلیل شرایط مرزي، نیازهاي پژوهشی آینده در مورد چکش آبی را تشخیص داده اند. یکی از راهکارهاي مناسب براي محاسبه ضربه قوچ در یک سیستم انتقال مایع و بررسی اثرات آن، استفاده از نرم افزارهاي رایج و مرتبط می باشد. این امر با توجه به اینکه معادلات حاکم بر پدیده ضربه قوچ پیچیده و وابسته به زمان بوده و شرایط خاص پروفیل خط انتقال می تواند آنرا مشکل تر سازد، باعث اهمیت بیشتر و روزافزون استفاده از نرم افزارهاي محاسباتی می گردد. ازآنجا که در این تحقیق عملکرد خط انتقال در ضربه قوچ مدل می شود، نرم افزار مورد استفاده باید علاوه بر دقت نتایج محاسباتی، توانایی شبیه سازي کلیه تجهیزات سیستم انتقال از جمله شیرآلات، پمپ ها، خطوط لوله و مخازن و همچنین گزینه هاي حفاظتی ضربه قوچ را داشته باشد.
 

مواد و روش ها

هر چند امکان طراحی و تطبیق وضعیت موجود به صورت مستقل در محیط نرم افزار HAMMERوجـود دارد ولـی اسـتفاده از نرم افزار WATER GEMSبا توجه به ویژگی هاي آن جهت تحلیل وضعیت موجود در حالت پایدار و لینک آن به محیط نرم افـزار HAMMERراهکار ساده تري خواهد بود. لذا با اجراي سیستم WATER GEMSاین اطلاعات به نرم افزار HAMMERمنتقـل و نیاز به هیچگونه ورود اطلاعات مربوط به پمپ ها، لوله ها و محل گره ها در حالت پایدار نمی باشد. بحرانی ترین شرایط ناماندگار در سیستم در حالت قطع ناگهانی برق و خاموش شدن پمپ ها رخ خواهد داد. لذا نحـوه خـاموش شدن پمپ ها و مشخصه آن ها و اطلاعات تأسیسات مرتبط با کنترل ضربه قوچ از مهمترین داده هاي لازم جهت اعمال آن در نـرم افزار HAMMERمی باشد. عمده اطلاعات دیگر مورد درخواست نرم افزار نحوه گزارش دهی و ارائه نتایج مورد نیاز است.
 

مطالعه موردي

طراحی و مدلسازي خط انتقال 1000میلیمتري فـولادي آب شـهر اسلامشـهر در محـیط HAMMERاجـرا گردیـده اسـت. از ویژگیهاي این قسمت ایزوله بودن، وسعت کم منطقه و وجود اطلاعات کافی آن، دارا بودن برخی شرایط خـاص از قبیـل توپـوگرافی منطقه )نقشه ها( و غیره است که این منطقه را براي مطالعه موردي شاخص نموده است. منبع اصلی تأمین آب این منطقـه از خـط هزار میلیمتري و چاه هاي موجود در شهر است.که داراي چهارباب مخزن به ظرفیت 50000متـر مکعـب کـه توسـط منـابع فـوق تامین می گردد.
 

استفاده از لوله هاي فولادي
در این حالت از لوله هاي فولادي در اقطار 900تا 1100میلیمتر استفاده شده است. دبی آب انتقال یافته 1385لیتر بر ثانیه بوده ضخامت لوله ها 9.6میلیمتر در نظر گرفته شده است. به منظور ثابت نگاه داشتن دبی خط انتقال در هر سه گزینه ، در قطر 900 میلیمتر تراز مخزن 1196متر و در سایر اقطار 1151متر منظور شده است. براي کنترل دبی در زمان استفاده از قطر 1100 میلیمتر از شیر کنترل دبی در انتهاي خط استفاده گردیده است. در تمام حالات ارتفاع مخزن پایین دست 1079متر در نظر گرفته شده است. )مدول الاستیستیه فولاد 207Gpو ضریب پواسون 0.3در نظر گرفته شده است.

استفاده از لوله هاي فایبرگلاس در این حالت از لولههاي GRPدر اقطار 900تا 1100میلیمتر استفاده شده است. دبی آب انتقال یافته 1385لیتر بر ثانیه بوده ضخامت لوله ها 13.3میلیمتر در نظر گرفته شده است. به منظور ثابت نگاه داشتن دبی خط انتقال در هر سه گزینه ، در قطر 900 میلیمتر تراز مخزن 1196متر و در سایر اقطار 1151متر منظور شده است. براي کنترل دبی در زمان استفاده از قطر 1100 میلیمتر از شیر کنترل دبی در انتهاي خط استفاده گردیده است. در تمام حالات ارتفاع مخزن پایین دست 1079متر در نظر گرفته شده است.مدول الاستیستیه فایبر گلاس 30Gpو ضریب پواسون 0.45در نظر گرفته شده است.

استفاده از لوله هاي پلی اتیلن در این حالت از لوله هاي پلی اتیلن در اقطار 900تا 1100میلیمتر استفاده شده است. دبی آب انتقال یافته 1385لیتر بر ثانیه بوده ضخامت لوله ها 13.3میلیمتر در نظر گرفته شده است. به منظور ثابت نگاه داشتن دبی خط انتقال در هر سه گزینه ، در قطر 900میلیمتر تراز مخزن 1196متر و در سایر اقطار 1151متر منظور شده است. براي کنترل دبی در زمان استفاده از قطر 1100 میلیمتر از شیر کنترل دبی در انتهاي خط استفاده گردیده است. در تمام حالات ارتفاع مخزن پایین دست 1079متر در نظر گرفته شده است.مدول الاستیستیه پلی اتیلن 0.8Gpو ضریب پواسون 0.45در نظر گرفته شده است.

 

نتیجه گیري
 

در مورد فشار هاي مثبت نکات زیر قابل توجه است:

با افزایش قطر لوله و کاهش سرعت از مقدار فشار مثبت حداکثر در هر سه حالت استفاده از لوله هاي با جنس فولاد، پلی اتیلن و فایبر گلاس کاسته می شود بدین صورت که در لوله هاي فولادي فشار حداکثر در لوله 900به ترتیب 1/38و 1/74برابر لوله هاي 1000و 1100میلیمتري از همین جنس است.
در لوله هاي فایبرگلاس فشار حداکثر در لوله 900به ترتیب 1/56و 1/61برابر لوله هاي 1000و 1100میلیمتري از همین جنس است.
در لوله هاي پلی اتیلن فشار حداکثر در لوله 900نسبت به لوله هاي 1000و 1100میلیمتري از همین جنس 1/52برابر است. لازم به ذکر است فشارهاي حداکثر و حداقل در این لوله براي قطر 1000و 1100میلیمتري تقریبا یکسان است.

حداکثر فشار در لوله 1000میلیمتر فولادي 1/86برابر لوله هاي پلی اتیلنی و 1/41برابر لوله هاي فایبرگلاس است.

در مورد حداقل فشار نکات زیر قابل توجه است:

از آنجا که بازاي قطر 1000میلیمتر، دبی خط انتقال کاهش می یافت به منظور افزایش هد سیستم در مدل مورد مطالعه ارتفاع مخزن ابتداي خط در این گزینه در تمام حالات اضافه گردید، اما این موضوع در میزان فشار هاي منفی خط انتقال اثر گذاشته و فشارهاي حداقل را افزایش داده است. لذا امکان مقایسه قطر 900میلیمتر با سایر اقطار در حالت وقوع فشار حداقل میسر نمی باشد.
در خصوص لوله هاي پلی اتیلنی میزان فشار هاي حداقل با افزایش قطر لوله کاهش یافته به طوري که حداقل فشار در قطر 1000میلیمتر برابر با 3/2متر، در قطر 1100میلیمتر برابر با 3/8متر بوده است و در هیچ نقطه اي در هر دو قطر مورد بررسی مشکل فشار منفی وجود ندارد.
در خصوص لوله هاي فایبرگلاس میزان فشارهاي حداقل با افزایش قطر لوله کاهش یافته به طوري که متوسط حداقل فشار در قطر 1000میلیمتر برابر با -5/6متر و در قطر 1100میلیمتر برابر با 3/6متر بوده است. در قطر 1000میلیمتر فشار منفی شده ولی پدیده جدایی ستون آب رخ نخواهد داد.
در خصوص لوله هاي فولادي میزان فشار هاي حداقل با افزایش قطر لوله کاهش یافته به طوري که متوسط حداقل فشار در قطر 1000میلیمتر برابر با -9/1متر و در قطر 1100میلیمتر برابر با 3/6متر بوده است. براي قطر 1000میلیمتر فشار منفی شده و وقوع پدیده جدایی ستون آب محتمل خواهد بود.