بررسی آزمایشگاهی تاثیر عدد رینولدز، فواصل کارگذاري و قطرنسبی در پدیده جدایش جریان اطراف خطوط لوله با آرایش سوار بر هم
مهران مصاحبی محمدي1، حبیب حکیمزاده2*

١ کارشناس ارشد سازههاي دریایی، دانشگاه صنعتی سهند؛ [email protected] 2 استاد دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی سهند؛ [email protected]
سال یازدهم/ شماره22/ پاییز و زمستان 1394(109-117) نشریه مهندسی دریــا
26151849846056

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

در این مقاله الگوي جریان اطراف دو لوله با آرایش سوار بر هم به ازاي فواصل، نسبت قطرها و اعداد رینولدز متفاوت به صورت تجربی در حالت جریان دایمی مورد بررسی قرار گرفته است .تعدادي آزمایش شامل 6 آزمایش ارزیابی و 50 آزمایش اصلی در کانال آزمایشگاهی به طول 10متر، عرض 3/0متر و عمق 5/0متر و با استفاده از میله تفلون PTFE با قطرهاي مختلف انجام گردیده است. جهت آشکارسازي جدایش جریان از ذرات پلی استایرن با چگالی 05/1 گرم بر سانتیمترمکعب استفاده شده و از تمامی مراحل با دوربین دیجیتالی سرعت بالا فیلمبرداري شده است. نتایج نشان داد که با افزودن لوله فرعی چسبیده به لوله اصلی، شکل متقارن جدایش در پایین دست لوله منفرد از بین رفته و طول ناحیه جدایی تا حد 60% کاهش می یابد. همچنین با افزایش فاصله نسبی تا یک حد معین، طول ناحیه جدایش براي لوله اصلی افزایش و براي لوله فرعی کاهش می یابد، ولی پس از گذر از حد مذکور، الگوي جدایش در ناحیه دنباله به حالت متقارن درآمده و تاثیر دو لوله بر یکدیگر کمرنگ می شود. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 30/02/1394 تاریخ پذیرش مقاله: 02/12/1394

کلمات کلیدي:
خطوط لوله سوار بر هم جدایش جریان عدد رینولدز مدل آزمایشگاهی

Experimental Investigation on Impact of Reynolds Number, Fitting Distance and Relative Diameter on Flow Separation around Piggyback Pipelines

Mehran Mosahebi Mohammadi1, Habib Hakimzadeh2*

M.Sc. in Marine Structures, Sahand University of Technology; [email protected]
Professor, Faculty of Civil Eng., Sahand University of Technology; [email protected]

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Article History:
Received: 20 May. 2015
Accepted: 21 Feb. 2016
In this paper, flow separations at downstream of piggyback pipelines due to the steady current have experimentally been investigated for various Reynolds numbers, gap ratios and relative diameters of the two pipes. A number of experiments including 6 verification tests and 50 main tests were conducted in a channel with length of 10m,

Keywords:
Piggyback Pipelines
Flow Separation
Reynolds Number
Experimental Model

width of 0.3m and 0.5m depth using Teflon rods (PTFE) with different diameters. To visualize the separation pattern, the polystyrene particles with a density of 1.05gr/cm3 have been used and the whole processes of tests have been recorded using a digital camera. The experimental results have shown that with adding the secondary pipe stuck to the main pipe, the symmetrical separation pattern vanished and its length reduced up to 60%. Also, it was observed that with increasing the gap ratio to a certain extent, the separation lengths increased and decreased gradually for the main and secondary pipes, respectively. However, further increase in the gap ratio showed that the two pipes behaved separately and the separation or recirculation patterns became symmetrical and their effect to each other became negligible.
1 – مقدمه
در سالهاي اخیر استفاده از خطوط لوله دریایی جهت انتقال نفت و گاز از میدانهاي نفتی فراساحلی و انتقـال آب آشـامیدنی و دیگـر ملزومات از ناحیه ساحلی به محل سکو به دلیل مزایاي فراوان ایـ ن روش انتقال نسبت به سایر روشهاي مرسوم از جمله داشتن صـرفه اقتصادي، امکان انتقال در همهي شـرا یط جـو ي و داشـتن آسـ یب کمتر به محیط زیست، به طور گستردهاي توسعه یافته اسـت. ولـ ی در کنار مزایاي مذکور باید بدین نکته نیز توجه نمود که گسیختگی خطوط لوله دریایی ناشی از انتشار گردابه ها در پایین دسـت آنهـامیتواند پیامدهاي اقتصادي و زیست محیطی زیانباري را به همراه داشته باشد. از طرفی با توجه به کاربرد هـر کـدام از خطـوط لولـهبراي انتقال نفت و گاز و یا آّّب، این خطوط اغلب به صـورت مرکـبمورد استفاده قرار میگیرند. خطوط لولـه مرکـب مـیتواننـد در دوآرایش مختلف پشت سر هم و کنار همدیگر طراحی بشوند. هنگامی که بیش از یک خط لوله در مجاورت همدیگر بـر رو ي بسـتر در یـ ا اجرا میگردند، با توجه به عدد رینولدز جریان، تعداد خطوط لوله و فاصله آنها از همدیگر و بستر، الگوي جریان در اطراف آنها تغییر یافته و به تبع آن جدایی جریان نیز دستخوش تغییر خواهد بود. در ارتباط با بحث الگوي جریان و گردابه فکنی در پایین دست پایهها و خطوط لوله به ازاي اعداد رینولدز مختلف، تحقیقات بسـ یار زیـ ادي در دنیا انجام شده است که در این خصوص اثر سـومر و فردسـو درسال 1997 میتواند به عنوان یک مرجع کامل و ارزشمند در نظـرگرفته شود که در طی دو دهه اخیر انتشار یافته است[1]. ولـ ی در رابطه با تحقیقات انجام گرفته در مورد خطوط لوله مرکب میتـوانبه چند مـورد ز یـ ر اشـاره نمـود. بریکـا و لینویـ ل در سـال 1997 آزمایشاتی را بر روي خط لولهاي که در ناحیه دنباله اسـتوانه د یگـر قرار داشت، انجام داده و نوسانات ناشی از گردابه فکنـ ی را بررسـ ی کردند[2]. سومنر و همکاران در سال 1999 میدان جریان اطـرافدو و سه استوانه در کنار هم با قطرهاي برابـر در جر یـ ان دایمـ ی را توسط آشکار ساز جریان، سرعت سنج سیم داغ و سـرعت سـنج ی تصویر ذره (PIV) و براي فواصل نسبی 1 تا 6 و اعداد رینولدز 500 تا 3000 بررسی نمودند. مشاهدات آنها نشان داد که بـرا ي فواصـلنسبی کوچک، دو استوانه مانند یک جسم عمل مـ یکننـد و بـراي فواصل نسبی متوسط، جریان جهتدار با گردابـه فکنـی هماهنـگبوجود میآید و براي نسبتهاي بزرگ الگـو ي جریـ ان متقـارن ی بـاگردابه فکنـ ی هماهنـگ بوجـود مـیآیـ د[3]. همچنـ ین سـومنر وهمکاران در سال 2000 جریان اطراف دو استوانه با قطرهاي برابر و در آرایشهاي متفاوت را توسط آشکار سازهاي جریـ ان و سیسـتم PIV در فواصل نسبی 1 تا 5 و زوایـ اي 0 تـا 90 درجـه در اعـدادرینولدز 850 تا 1900 بررسی نمودند. در مجموع 9 الگوي جریـ ان شناسایی و فرآیند جدایی لایه برشی، جـدا یی جریـ ان، همـاهنگ ی جفت گردابهها و برخورد گردابـه هـا مشـاهده گردیـ د[4]. چنـگ وهمکـاران در سـال 2012 آزمایشـ ی بـر رو ي دو لولـه بـا قطرهـاي مختلف و با آرایش سوار بر هم تحت اثر امواج منظم و نامنظم انجام دادند. آزمایشات در کانالی به طول و عرض 50 و 3 متر و ارتفـاع 1 متر انجام شد. عمق آب در کانال 3/0 متر و قطر نسبی دو لوله 4/0 انتخاب شده بود، سیستم لولهها نیـ ز در وسـط کانـال قـرار گرفتـهبودند. در این تحقیق مقایسهاي بـ ین نیروهـا ي وارده بـر لولـههـا ي بزرگ و کوچک انجام گرفت[5]. زنـک و همکـاران در سـال 2012 گردابه فکنی و ارتعاش ناشی از آن را براي خطوط لوله سوار بر هـمدر رژیم جریان دایمی و زیربحرانی بررسی کردند. سیسـتم انـ دازه گیري PIV در این آزمایشـات مـورد اسـتفاده قـرار گرفـت. نتـایج آزمایش براي عدد رینولدز 22000 نشان داد که براي لولههاي سوار بر هم نزدیک بستر، مشخصههاي گردابه فکنی به نسـبت فاصـله ازبستر و نیز فاصله نسبی دو لوله بسـتگ ی دارد و چهـار نـوع الگـوي دنباله مشاهده گردید[6]. همچنین یانگ و همکاران در سال 2013 یک بررسی عددي بر روي جریان اطراف جفت خط لوله با قطرهاي متفاوت انجـام دادنـد و تـاثیر حضـور لولـه کـوچکتر بـر نیروهـا ي هیدرودینامیکی وارد بر لوله بزرگتر را تحت جریان نوسانی بررسـ ی نمودند[7]. سرانجام زنک و همکاران در سال 2013 گردابه فکنی از یک جفت لوله سوار بر هم نزدیـ ک بسـتر را در جر یـ ان دایمـ ی بـهصورت آزمایشگاهی بررسی کردند. در این آزمایشات نیز از دستگاه PIV جهت آشکار سازي جریان و مولفههـا ي آن اسـتفاده نمودنـد.ابتدا آزمایشات براي لوله منفرد و اعـداد ر ینولـدز مختلـف انجـام ونتایج حاصله با نتایج انتشار یافته سایر پژوهشـگران مـورد مقایسـه قرار گرفتند و سپس آزمایشات اصلی براي جفت لوله سوار بـر هـمدر ی ک ع دد رینول دز مشخص ی (30000) انج ام پــذیرفت[8].
همچنین با توجه به این که جریان یک سویه دایمی در مقایسـه بـاجریان رفت و برگشتی ناشی از موج می توانـد تهد یـد جـد يتـر ي براي پایداري سازه باشد[9] و نیـ ز بـه دلیـل ایـن کـه در منـاطقفراساحلی عملاً موج بستر دریـا را حـس نمـیکنـد از اینـرو لـزوممطالعه پدیده جدایش جریان اطراف خطوط لوله سـوار بـر هـم دراعداد رینولدز و آرایش مختلف در حالت جریان دایمـ ی محسـوسبوده و از اهمیت ویژه اي برخـوردار خواهـد بـود. همانگونـه کـه ازبررسی منابع مذکور بر میآید جهـت آشکارسـازي جریـ ان و ثبـتمسیرهاي آن در آزمایشات مختلف می توان از دسـتگاهPIV و یـ ا ذرات پلیاستایرین و دوربین دیجیتالی استفاده نمود که روش دوم نیز توسط بسیاري از پژوهشگران از جمله هاتیپ اوقلـو و آوکـی در سال 2003 براي خط لولهاي واقع بر بستر و نیـ ز بـه صـورت نیمـه مدفون مورد استفاده قرار گرفته است[10].

2- مطالعه آزمایشگاهی
در این پژوهش هدف از انجام آزمایشات بر روي مدلهاي فیزیکـ ی یافتن طول نواحی جدایی در پایین دست خطوط لوله سوار بر هـمبه ازاي اعداد رینولدز، فاصله و قطر نسـ بی متفـاوت و نیـ ز بررسـ ی تغییرات الگوي جریان مورد نظر بوده است. در این راستا تعداد 56 آزمایش در آزمایشگاه تحقیقاتی هیدرولیک ترتیب داده شد.

2- 1- مشخصات کانال و مدل هاي آزمایشگاهی
آزمایشها در کانالی آزمایشگاهی به طـول 10، عـرض 3/0 و عمـق5/0 متر( شکل1) و با اسـتفاده از م یلـه هـا یی از جـنس تفلـون بـاقطرهاي مختلف و در شرایط جریان دایمـ ی بـرا ي اعـداد ر ینولـدز مختلف انجام شده است. فاصله کارگذاري لوله اصلی از کـف کانـالبه اندازه همان قطر لوله اصلی بوده تا از اثرات کف جلوگیري شـود.با توجه به کارهاي پژوهشگران پیشین، ابعاد مدل فیزیکی بـه گونـهاي انتخاب شده است که بتوان نتایج بدست آمده را با نتـا یج سـا یر پژوهشگران مقایسه نمود. به منظور ثبـت مشـاهدات آزمایشـگاه ی، ابتدا کانال تا عمق مورد نظر پر شده و پس از تنظیم دبی و برقراري جریان دایمی، برداشـت هـا ي تصـو یري صـورت مـیگرفـت. طـرح شماتیکی از مدل آزمایشـگاه ی همـراه بـا علایـ م اختصـار ي مـورداستفاده در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل1- کانال آزمایشگاهی مورد استفاده

شکل2- طرح شماتیک مدل آزمایشگاهی مورد استفاده

در ابتدا تعداد 6 آزمایش جهت اطمینان از صحت انجام آزمایشـات براي 3 عدد رینولدز و دو قطر لولـه متفـاوت انجـام شـده و نتـایج حاصله این گروه از آزمایشها با نتایج متناظر سایر پژوهشگران مورد مقایسه قرار گرفتند. مشخصات آزمایشات انجام یافته در این مرحله از تحقیق در جدول 1 آورده شده است.

جدول 1 – مشخصات آزمایشات صحت سنجی

آزما
ی
ش

قطر

لوله

)
mm
(

عدد

ر
ی
نولدز

آزما
ی
ش

صحت

سنج
ی

1

50

10000

15000

20000

آزما
ی
ش

صحت

سنج
ی

2

60

10000

15000

20000

آزما

ی

ش



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید