دراسة تصميم نافورة عائمة

دراسة تصميم نافورة عائمة

الطفو والاستقرار والتدعيم والتسهيلات في البحيرات والمناطق المائية

تتيح النافورة العائمة نشر معدات العرض في المناطق التي يصعب فيها تنفيذ قاعدة ثابتة أو التي يتغير فيها منسوب المياه. في هذا النظام، يتم تحريك مجموعة الفوهات والمعدات مع مستوى الماء؛ ولكن يجب التحكم في الوضع الأفقي وتوازن الهيكل وارتباطه بالشاطئ.

يتطلب تصميم مثل هذا المجمع، بالإضافة إلى حسابات النافورة، معرفة سلوك الهيكل العائم. يمكن أن تؤثر زيادة وزن المصباح أو تغيير موقع المضخة أو تقصير المسار الحر للكابل على أداء المجموعة بأكملها.

يتناول هذا الفصل مثالا افتراضيا لتوضيح الحسابات الأساسية. الأرقام ليست مواصفات GSO فعلية لمنتج أو مشروع ويجب استكمالها برسومات المعدات وظروف مستجمعات المياه والحسابات المتخصصة للاختيار التنفيذي.

47–1. اختيار النظام العائم وحدود تطبيقه

يجب أن يتم الاختيار بين الهياكل الثابتة والعائمة على أساس عمق المياه وتغيرات المستوى ومواد السرير وإمكانية تنفيذ الأساس وطريقة الإصلاح.

في النظام العائم، يعد الوضع الثابت التقريبي للفوهة بالنسبة لسطح الماء ميزة مهمة؛ خاصة بالنسبة للفوهات التي تعتمد جودة رشها على عمق التركيب. على العكس من ذلك، يمكن للرياح والأمواج وشد الحزام وتحويل الحمل أن تغير محاذاة الفوهات أو اتجاهها.

وفي التعريف بالطرود العائمة يذكر موقع GSO استخداماتها في المناطق العميقة مع تغير المستوى. كما تم في نفس الصفحة التعريف بالخدمات المقدمة لنافورة حديقة ملة، بما في ذلك تجديد المعدات الميكانيكية والكهربائية ومعدات التحكم والإضاءة. الباقات والمشاريع العائمة GSO ^[310]

لاتخاذ قرار مبدئي، يجب أن تكون أربعة أشياء واضحة:

• النطاق المسموح به لحركة المجموعة على الماء.

• أدنى وأعلى رصيد تشغيلي.

• إمدادات الطاقة ومسار التحكم.

• طريقة نقل المجموعة إلى مكان التصليح.

47–2. معلومات الموقع ومواصفات العينة

يقع المشروع الافتراضي لهذا الفصل في بحيرة حضرية صناعية مع إمكانية الوصول للخدمة من الشاطئ. لا يُتوقع وصول الجمهور إلى هيكل النافورة.

لا تحدد أبعاد الإطار مساحة السطح القابل للعبور. إذا كان وجود فني في المجمع ضروريا، فيجب تصميم مستوى الوصول وقدرته بشكل منفصل.

قبل الوضع النهائي، من الضروري أخذ العمق، والتحقق من الرواسب، وتحديد المرافق تحت الماء، وحالة غطاء ختم السرير والمسارات المحتملة للقارب.

ملاحظة الشكل في مخطوط الكتاب

الشكل 1-47: المخطط المفاهيمي للنظام العائم

يتم عرض إطار بطول أربعة أمتار وأربع غرف للطفو ومجموعات الفوهات وموقع المضخة ونقاط توصيل الحزام المقترحة ومسار الكابل. ويجب أيضًا أن يكون نطاق الحركة المسموح به للمجموعة وطريق نقلها إلى الشاطئ واضحًا. العنوان الفرعي: "المكياج التعليمي؛ يعتمد عدد القيود وموقعها على تصميم المكان.

47–3. إعداد جدول الجريمة

يجب أن يبدأ حساب الطفو بقائمة كتلة جميع المكونات التي يتم نقل حمولتها إلى العوامات.

الحمل المؤقت البالغ 200 كجم هو افتراض التحليل ولا يعتبر بمثابة إذن بوجود أشخاص في الهيكل.

وفي النسخة النهائية من الجدول، يجب أيضًا تسجيل إحداثيات مركز كتلة كل مكون. قد يكون لمجموعتين متساويتين في الكتلة ثبات مختلف تمامًا إذا كان موقع الجهاز مختلفًا.

وينبغي أيضًا فحص شد الكابلات وأحزمة الأمان والقوى الهيدروديناميكية وتفاعل الرش في ظل أوضاع التحميل ذات الصلة؛ هذه القوى ليست مخفية في جدول الكتلة الثابتة.

47–4. الحساب الأساسي للطفو

يتم الحصول على قوة الطفو من العلاقة التالية:

$F_B=\rho g{V}_{displaced}$

لتحقيق التوازن الرأسي البسيط مع إهمال القوى الرأسية الأخرى:

$V_{required}=\frac{m}{\rho }$

عند الكتلة الثابتة:

$V_{required,normal}=\frac{1000}{1000}=1.00m^3$

في وضع الإصلاح الافتراضي مع إيقاف تشغيل المضخات:

$V_{required,service}=\frac{1200}{1000}=1.20m^3$

حجم الإزاحة الكامل لأربع حجرات:

$V_{float,total}=4\times 0.6=2.4m^3$

لذلك، في النموذج البسيط لوضع الإصلاح:

$\frac{V_{required}}{V_{float,total}}=\frac{1.2}{2.4}=0.50$

أي أن حجم الإزاحة المطلوب يعادل 50% من السعة الحجمية الكاملة للغرف.

هذه النتيجة لا تعني الغرق الدقيق لنصف ارتفاع العوامات؛ تعتمد العلاقة بين الحجم ومدخل الماء على شكلهما الهندسي. كما أن الحجم المتبقي وحده ليس معيارًا لقبول السلامة. يجب التحقق من مسافة النقاط الحساسة إلى سطح الماء والتوازن والموجة وحالة الضرر.

47–5. تأثير الاستقرار ونقل الحمل

يُظهر الطفو مدى جودة دعم التجميع لوزنه. يحدد الاستقرار ما إذا كان لديه ميل كافٍ للعودة إلى التوازن بعد الإمالة.

إن موضع مركز الكتلة وشكل العوامات وبعدها ومقطعها العرضي عند مستوى الماء كلها عوامل فعالة في هذا السلوك. تؤكد المبادئ التوجيهية لاستقرار السفن أيضًا على دور مركز الكتلة وقوة الطفو والمسافة الحرة إلى الماء؛ إن تطبيق هذه المبادئ لا يعني التطبيق التلقائي للوائح السفن البحرية على النافورة. دليل الاستدامة من المنظمة البحرية البريطانية ^[311]

لتوضيح تأثير إزاحة الحمل، لنفترض أنه تم نقل حمولة مؤقتة قدرها 200 كجم من المحور الأوسط إلى مسافة 1.5 متر:

$M_{heel}=mge$

$M_{heel}=200\times 9.81\times 1.5=2943Nm$

وينبغي مقارنة عزم الدوران هذا مع قوة استعادة الهيكل. وبدون هندسة العوامات ومركز الكتلة، لا يمكن الإعلان عن زاوية الميل أو مدى ملاءمة التصميم.

في التصميم التفصيلي، يتم فحص الأوضاع التالية على الأقل:

• التحميل المتماثل وغير المتماثل.

• نقل المعدات أثناء الإصلاح.

• النشاط غير المتماثل للمجموعات المائية.

• تأثير الرياح والأمواج وشد القيود.

• دخول الماء إلى الحجرة أو تراكم الماء على أجزاء من الهيكل.

ملاحظة الشكل في مخطوط الكتاب

الشكل 2-47: مقارنة الطفو والاستقرار

ارسم قسمين من مجموعة بنفس حجم الطفو: أحدهما مع الحمل في المنتصف والآخر مع الحمل المنقول إلى الجانب. تحديد مركز الكتلة ومستوى الماء واتجاه عزم الدوران. عرض زاوية الإمالة بشكل تخطيطي بدون قيمة رقمية.

47–6. تحقق من وجود ضرر في المقصورة

إذا فُقدت تمامًا، في فحص بسيط، قدرة الطفو لإحدى المقصورات الأربع، فإن سعة المقصورات الثلاث المتبقية تساوي:

$V_{remaining}=3\times 0.6=1.8m^3$

نسبة الحجم المطلوب لكتلة 1200 كجم إلى هذه السعة:

$\frac{1.2}{1.8}=0.667$

من حيث الحجم الإجمالي، لا تزال المقصورات الثلاث تتمتع بقدرة حمل أكبر من اللازم؛ لكن توزيع قوة الطفو أصبح غير متماثل. قد تنخفض الزاوية وقد تكون نقاط دخول المعدات أو المياه تحت السطح.

ولذلك، فإن هذا الحساب ليس بمثابة التحقق من التسامح مع الفشل في العلبة. يجب أن يأخذ تحليل الأضرار في الاعتبار الشكل الفعلي، وموقع الغرفة الفاشلة، ودخول الماء، والتغير في الاستقرار.

يجب تضمين استقلالية الغرف وإمكانية اكتشاف التسريبات والقدرة على استبدال كل جزء في مواصفات البناء.

47–7. حسابات الحقن وقوة المضخة

معدل التدفق لكل مجموعة من أربعة:

$Q_{group}=4\times 2.5=10m^3/h$

إجمالي التفريغ من ست مجموعات:

$Q_{total}=6\times 10=60m^3/h$

للتقدير التعليمي نفترض أن إجمالي رأس كل دائرة هو 14 مترًا وأن إجمالي كفاءة الكهرباء إلى الماء 0.60:

$P_{electric}=\frac{\rho gQH}{\eta }$

$P_{total}=\frac{1000\times 9.81\times (60/3600)\times 14}{0.60}=3815W$

ولذلك، فإن الطاقة المدخلة المقدرة للمضخات عند نقطة العمل الافتراضية:

$P_{total}\approx 3.82kW$

تعتمد هذه النتيجة على تشابه الرأس والكفاءة الافتراضية للمجموعات. يجب أن يتم الاختيار النهائي للمحرك والمضخة باستخدام المنحنى الفعلي وانخفاض النعومة والأنابيب ونطاق العمل.

عند تحديد الرأس، لا ينبغي إضافة عمق البحيرة تلقائيًا إلى ارتفاع النافورة. يجب أن يتم حساب الطاقة باستخدام المرجع الصحيح لمستوى المياه الحرة ومسار التدفق الفعلي.

47–8. حصاد المياه والرواسب والحد الأدنى من العمق

يجب أن يكون مدخل المضخة على مسافة مناسبة من السرير ومستوى الماء حتى في ظروف انخفاض المياه. يمكن أن يؤدي القرب من السرير إلى زيادة مدخلات الرواسب، وقد يؤدي انخفاض الغمر أيضًا إلى إضعاف جودة حصاد المياه.

عمق العمل المسموح به هو سمة من سمات النموذج المحدد. على سبيل المثال، ينص Otterbine على حد أدنى معين من العمق لمجموعة Mystic ويؤكد على أن المجموعة يجب أن تطفو. لا يمكن تعميم هذه القيمة على جميع النوافير العائمة. مواصفات وشروط تركيب ميستيك ^[312]

في هذا المشروع يجب تحديد ما يلي في الخريطة:

• محاذاة أدنى عنصر في المجموعة.

• بعده عن السرير عند أدنى مستوى للمياه .

• موقع المصافي وسطحها المفتوح .

• طريقة إزالة المصفاة للتنظيف.

• مساحة حرة حول مدخل المضخة.

المرشح الخشن له دور الحماية الميكانيكية. ووجودها لا يعني المعالجة الصحية للمياه أو إدارة جودة البحيرة بأكملها.

47–9. تستعد والقوى المؤثرة عليها

يجب أن يحافظ نظام الاحتواء على حركة المجموعة ضمن الحدود المسموح بها ويقبل أيضًا تغير منسوب المياه.

تشمل الأحمال الفعالة الرياح والتيار والموجة وقوى الرش غير المتماثلة وشد الكابل. قدرة الحزام لا تعتمد فقط على مقاومة الحبل أو سلك السحب؛ يجب أن تتمتع أيضًا الوصلة بالإطار والوصلات الوسيطة ومساند الشاطئ أو السرير بسعة كافية.

في ركيزة الغشاء الأرضي، يجب تنسيق وضع الوزن أو تنفيذ الحزام مع حماية الغطاء المضاد للماء. الوزن الأكبر للكتلة وحده لا يضمن قدرتها التخزينية؛ وينبغي التحقيق في سلوك الانزلاق والرفع والسرير.

يُظهر دليل تثبيت السلسلة الجزئية من Otterbine أمثلة على أحزمة الشاطئ والوزن ويؤكد على الخلوص المناسب للكابل. ولا تعتبر تفاصيل النموذج نفسه بديلاً عن حساب احتواء المجموعة في هذا الفصل. دليل تثبيت أوتربين ^[313]

47–10. تأثير تغير منسوب المياه على هندسة الاحتواء

لنفترض أن المسافة الأفقية لنقطة الاتصال على العوامة بالحزام الأفقي هي ثمانية أمتار. في الحالة الأولى، الفرق الرأسي يساوي ثلاثة أمتار.

المسافة الهندسية المستقيمة:

$L_1=\sqrt{8^2+3^2}=8.54m$

إذا ارتفع منسوب الماء مترين:

$L_2=\sqrt{8^2+5^2}=9.43m$

تغيير المسافة المستقيمة:

$\Delta L=9.43-8.54=0.89m$

يوضح هذا المثال أن تغيير مستوى الماء يمكن أن يغير بشكل كبير هندسة الاحتواء.

الرقم 8.54 أو 9.43 متر ليس الطول النهائي لخط الحزام. الترهل والمرونة والشد والحركة الأفقية وظروف الموجة غير موجودة في هذا الحساب البسيط. يمكن أن يؤدي تقصير الحزام إلى إنشاء قوة رأسية غير مرغوب فيها، كما أن تخفيفه أكثر من اللازم يمكن أن يؤدي إلى زيادة إزاحة التجميع.

ملاحظة الشكل في مخطوط الكتاب

الشكل 47-3: مقطع عرضي للمرسى عند مستويين للمياه

يجب عرض حزام الفراش الثابت والمسافة الأفقية البالغة ثمانية أمتار وفرق المستوى ثلاثة وخمسة أمتار. يتم تعريف الخطوط المستقيمة ببساطة على أنها "مسافة هندسية"؛ يتطلب المسار الفعلي لخط الاحتواء تحليلاً منفصلاً.

47–11. مثال على حساب الكابلات وانخفاض الجهد

في النافورة العائمة، يمكن للمسافة الطويلة إلى الشاطئ أن تحدد اختيار الكابل وموقع مصادر الطاقة.

لعدد 12 مصباح 18 واط:

$P_{lighting}=12\times 18=216W$

عند جهد 24 فولت، التيار الاسمي المحسوب:

$I=\frac{216}{24}=9A$

لنفترض أن الحمولة بأكملها يتم تغذيتها من مسار نحاسي بطول أحادي الاتجاه يبلغ 50 مترًا ومقطع عرضي يبلغ 6 ملليمترات مربعة. للتقريب الأولي، نعتبر المقاومة المحددة للنحاس هي $0.0175\Omega m{m}^2/m$:

$R_{loop}=\frac{2{\rho }_{e}L}{S}$

$R_{loop}=\frac{2\times 0.0175\times 50}{6}\approx 0.292\Omega$

انخفاض الجهد في التيار الافتراضي 9 أمبير:

$\Delta V=IR=9\times 0.292\approx 2.63V$

$\Delta V\%=\frac{2.63}{24}\times 100\approx 10.9\%$

ولا يأخذ هذا التقدير في الاعتبار مقاومة التوصيلات وزيادة المقاومة بسبب درجة الحرارة. قد يؤدي السلوك الفعلي لبرنامج تشغيل LED أيضًا إلى تغيير التيار. يجب التحقق من طريقة حساب انخفاض الجهد وظروف الحمل عند اختيار الدائرة. دليل حساب هبوط الجهد من شنايدر إلكتريك ^[314]

يعد تقسيم الحمل إلى عدة دوائر أو زيادة المقطع العرضي أو مراجعة موقع التغذية من الخيارات التي يجب أخذها في الاعتبار. يجب أن يغطي الاختيار النهائي نطاق الجهد للمعدات والمتطلبات الكهربائية بالقرب من الماء في نفس الوقت.

47–12. حماية الكابلات والتحكم في الظروف البيئية

لا ينبغي أن يلعب كابل الطاقة دور خط الحزام. ويجب أن يقبل مساره تغير سطح وحركة التجميع، دون الدخول إلى منطقة الشفط أو تحت نقاط التآكل أو في مسار القارب.

يجب اختيار التوصيلات والغدد والكابلات لظروف التثبيت الفعلية. لا يثبت عنوان IP68 لأحد المكونات السلامة الكاملة للنظام الكهربائي.

تقدم Otterbine في ملحقاتها حماية ميكانيكية للكابلات وأدوات تحكم في مستوى الرياح والمياه؛ تظهر هذه الحالات أن الظروف البيئية هي جزء من تصميم النظام. الأجهزة الطرفية وأدوات التحكم في Otterbine ^[315]

في المثال الحالي، يجب أن يغطي منطق التحكم المواقف التالية:

وينبغي الحصول على الحدود العددية لهذه المواقف من التصميم واختبار الموقع.

47–13. عرض نافورة وإدارة جودة البحيرة

لا تثبت حركة المياه ورذاذها وحدهما تلبية الطلب على الأكسجين أو جودة المياه في البحيرة بأكملها.

على سبيل المثال، عند تقديم Mystic، يوضح Otterbine أن هذا النموذج ليس مخصصًا لإدارة جودة المياه. وينبغي ملاحظة هذا الاختلاف في تعريف الغرض من الشراء. أعلن الصوفي المستخدم

إذا كان الغرض من المشروع هو تحسين جودة المياه بالإضافة إلى العرض التوضيحي، فيجب تحديد خصائصه المستقلة: حجم وعمق المنطقة، والظروف الموسمية، وحمل التلوث، والأكسجين المذاب والأداء المطلوب للمعدات.

كما يجب أن يراعي برنامج صيانة نافورة المياه نظافة المداخل وحالة الرواسب والطبقة الحيوية ومخاطر انتشار القطرات إلى منطقة المستخدمين. لا يمكن استقراء المواد الكيميائية من مستجمعات المياه في البرك إلى بحيرة بها حياة مائية أو ذات أهمية بيئية دون إجراء تحقيق.

47–14. التركيب والنقل والصيانة

ويجب معرفة طريقة إزالة المجمع من الماء قبل البناء. في هذا المثال، يعد النقل الخاضع للمراقبة إلى منشأة خدمة ساحلية هو الخيار الأساسي قيد النظر.

يجب أن تتضمن المستندات التنفيذية نقاط الرفع وكتلة الحمل وحالة تصريف المياه للمعدات وطريقة فصل التوصيلات. إن توصيل الرافعة بجزء من الإطار غير مصمم للرفع أمر غير مقبول.

يجب أن تغطي خطة الصيانة أيضًا ما يلي:

• زيارة الغرف وعلامات تغير المجرى المائي.

• تنظيف المرشحات والتحكم في أداء المضخة.

• فحص التآكل والوصلات المعدنية.

• فحص تآكل الأسلاك والكابلات.

• تسجيل موقف ورصيد التحصيل.

• العمل الموسمي المناسب للتجميد أو الفيضانات أو استنزاف المياه.

لن يُسمح بوجود الفني على النافورة إلا إذا تم توقع هذا المستخدم والموافقة عليه. وبخلاف ذلك، يجب إجراء الإصلاح من منصة وصول مناسبة أو بعد نقل الجهاز.

47–15. الاختبار والتسليم

يجب أن توثق مخرجات المشروع سلوك الطفو بالإضافة إلى شكل الرش.

لا ينبغي أن يتم اختبار الضرر أو الثبات عن طريق إدخال الماء في الأوعية أو عن طريق ارتجال نقل الأشخاص. يجب تحديد طريقة الاختبار وحدود التحميل والتوقف مسبقًا من قبل المصمم المسؤول.

ملاحظة الشكل في مخطوط الكتاب

الشكل 47-4: وثائق التثبيت أو الإصلاح من أرشيف GSO

اختر صورة للمجموعة على الشاطئ وصورة لحالة الطفو بعد التثبيت. يجب تحديد نقاط التثبيت ومسار الكابل والمقصورات العائمة في الصورة. يجب تضمين اسم ووصف خدمات المشروع الفعلية في العنوان الفرعي.

47–16. نتائج الدراسة والوثائق التكميلية

لاستكمال التصميم، يجب الانتهاء من حسابات الاستقرار السليم والتالف، والأحمال البيئية، وسعة الاحتواء والسرير، والتخطيط الكهربائي، وظروف الشفط، وطرق الإصلاح.

يجب أن يسجل ملف التشغيل بوضوح الكتلة والترتيب المسموح به للمعدات، ونطاق منسوب المياه، وظروف التوقف وطريقة النقل إلى الشاطئ. ويجب أيضًا تكييف أي تغييرات لاحقة في المعدات أو موقعها مع هذه المبادئ؛ لأنه في النافورة العائمة، يمكن أن يؤثر تغيير مكون واحد على العرض والتوازن والتدعيم في نفس الوقت.