זרימה בעלת דמיות עצמית בצינור ארוך

ד"ר אריה פיסטינר / ממונה מניעת זיהום מדלקים במשרד להגנת הסביבה

הקדמה

הלם מים בצנרת הוא תופעה של היווצרות תנודות לחץ חיוביות ושליליות בצנרת, עקב שינוי פתאומי במהירות וכיוון הזרימה בצנרת, שנגרם מאירועים כמו סגירה או פתיחה מהירה של מגוף הפסקת משאבה, הפעלת משאבה, ואירועים דומים. תנודות בלחץ דועכות עם הזמן עקב הפסדי חיכוך אשר נוצרים בין דופן הצינור לבין הנוזל הזורם בו. תנודות לחץ גבוהות ומהירות עלולות לגרום לשבר עד כדי קריסת הצנרת. תנודות לחץ חלשות יותר עלולות לגרום לצנרת סדקים ושברים זעירים שאינם נראים.

אבל לכל הפגעים והרעות החולות האלה יש פתרון – כאשר הצינור ארוך וזורם בו נוזל, יש לסגור את המגוף באטיות כדי למנוע את תופעת הלם המים והתוצאות ההרסניות שלה. מנתונים פיזיקליים בסיסיים של הנוזל שזורם בצינור וכן מנתוני הצינור עצמו, ניתן לחשב את משך הזמן הקריטי שבו סגירה או פתיחת מגוף יגרמו להיווצרותו של גל לחץ. כמו כן, ניתן לחשב גם את אורך המשרעת ואת קצב התקדמותו של גל הלחץ בצינור.

ככלל, חישובי הזמן הקריטיים הללו מבוצעים באמצעות פתרון גרפי – אנליטי מקורב או פתרון נומרי, לרוב בעזרת מחשב. שני המאמרים, שפרסמתי ב-2020 וב-2021 בכתב העת המדעי  Pressure Vessels and Piping International Journal of, מתווים דרך, שמבוססת על פתרון אנליטי מדויק לחישוב קצב סגירת המגוף וכן את ההשפעה על ההתפלגות המשתנה בזמן ובמקום של הלחצים בצינור.

במאמר סקרתי את הבעיה הקלאסית של זרימת נוזל בצינור ארוך, שנגרמת מסגירת מגוף בקצבים (flow rates) שונים. כל זאת תוך שימוש בפתרון הלא תמידי של משוואת הלם המים Water Hammer Equation . באמצעות הפתרון המוצג במאמרים אלו (ראו מראי מקום [1] ו [2]) , מבוצע ניתוח של התופעות השולטות בזרימה בתוך צינור וזאת בצורה מדויקת מבלי לבצע קרובים מתמטיים כלשהם.