بررسی رفتار آشفتگی جریان گذرا در لوله ها با حضور نشت

نوع مقاله: مقاله کامل

نویسندگان

1 مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه فسا، فسا، ایران

2 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی، تهران، ایران

چکیده

روشهای روندیابی نشت از راه دور در لولههای پرفشار، بر پایه تحلیل نوسانات فشاری ایجاد شده طی جریان گذرا میباشند. از این رو مطالعه و درک جریانهای گذرا میتواند منجر به بهبود کاربردهای عملی جریان گذرا به عنوان یک منبع اطلاعاتی و به طور همزمان کاهش اثرات مخرب این دسته از جریانها بر خط لوله و نیز تجهیزات متصل به آن شود. بدین منظور در مقاله حاضر تلاش شده است با مدل سازی جریان گذرا با وجود نشت به صورت دوبعدی، رفتار جریان و نیز پارامترهای آشفتگی در سیکلهای مختلف جریان گذرا تحلیل شوند. مدل عددی پیشنهادی برپایه طرح تفاضل محدود بوده و در آن برای از بین بردن پراکندگی عددی از روش انتقال شار تصحیح شده استفاده شده است. به منظور مطالعه رفتار آشفتگی در جریان و استهلاک انرژی ناشی از آن، مدل آشفتگی k-ω به مدل دوبعدی جریان گذرا کوپل شده و اثر نشت نیز به مدل دوبعدی جریان گذرا در دو قسمت ماندگار و ناماندگار مدل اضافه شده است. با حضور نشت در جریان گذرا، تغییر قابل توجهی در رفتار پروفیل سرعت و پارامترهای آشفتگی در سیکلهای رفت و برگشتی جریان مشاهده میشود. در سیکلهای اولیه جریان گذرا مقادیر پارامترهای مختلف در بالادست نشت به مرور کاهش و در پایین دست آن افزایش اندکی خواهد داشت تا زمانی که این دو جریان با هم به تعادل برسند از آن پس آشفتگی از کنارههای جداره شروع به گسترش در لایههای میانی کرده و با سپری شدن زمان، بزرگی آن کاهش مییابد.

کلیدواژه‌ها


Book, D. L., Boris, J. P. and Hain, K. (1975). “Flux-corrected transport II: Generalizations of the methodˮ. J. Computational Physics 18, pp. 248–283. https://doi.org/10.1016/0021-9991(75)90002-9

Brunone, B. and Berni, A. (2010). “Wall shear stress in transient turbulent pipe flow by local velocity measurementˮ. J. Hydraulic Eng. 136, pp. 716–726. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000234

Brunone, B., Karney, B. W., Mecarelli, M., and Ferrante, M. (2000). “Velocity profiles and unsteady pipe friction in transient flowˮ. J. Water Resources Planning and Management 126, pp. 236–244. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9496(2000)126:4(236)

Covas, D. and Ramos, H. (2010). “Case studies of leak detection and location in water pipe systems by inverse transient analysisˮ. J. Water Resources Planning and Management. 136, pp. 248–257. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9496(2010)136:2(248)

Covas, D., Stoianov, I., Mano, J. F., Ramos, H., Graham, N., Maksimovic, C., (2005). “The dynamic effect of pipe-wall viscoelasticity in hydraulic transients. Part II—model development, calibration and verificationˮ. J. Hydraulic Research 43, pp. 56–70. https://doi.org/10.1080/00221680509500111

Covas, D., Stoianov, I., Ramos, H., Graham, N. and  Maksimovic, C. (2004a). “The dynamic effect of pipe-wall viscoelasticity in hydraulic transients. Part I—experimental analysis and creep characterizationˮ. J. Hydraulic Research 42, pp. 517–532. https://doi.org/10.1080/00221686.2004.9641221

Covas, D., Stoianov, I., Ramos, H., Graham, N., Maksimović, Č., and Butler, D. (2004b). “Water hammer in pressurized polyethylene pipes: conceptual model and experimental analysisˮ. Urban Water Journal 1, 177–197. https://doi.org/10.1080/15730620412331289977

Duan, H. -F., Ghidaoui, M., Lee, P. J. and Tung, Y. -K. (2010). “Unsteady friction and visco-elasticity in pipe fluid transientsˮ. J. Hydraulic Research 48, pp. 354–362. https://doi.org/10.1080/00221681003726247

Fan, S., Lakshminarayana, B. and Barnett, M. (1993). “Low-Reynolds-number k-epsilon model for unsteady turbulent boundary-layer flowsˮ. AIAA Journal. 31, pp. 1777–1784.

https://doi.org/10.2514/3.11849

Ghidaoui, M. S., Zhao, M., McInnis, D. A. and Axworthy, D. H. (2005). “A review of water hammer theory and practiceˮ. Applied Mechanics Reviews 58, pp. 49–76.

https://doi.org/10.1115/1.1828050

Guney, M. (1983). “Water hammer in viscoelastic pipes where cross-section parameters are time dependentˮ. Presented at the 4th International Conference on Pressure Surges, BHRA Fluid Engineering, 1983, England.

Keramat, A., Kolahi, A. G. and Ahmadi, A. (2013). “Water hammer modelling of viscoelastic pipes with a time-dependent Poisson’s ratioˮ. J. Fluids and Structures. 43, pp. 164–178.

https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2013.08.013

Keramat, A., Tijsseling, A. S., Hou, Q. and Ahmadi, A. (2012). “Fluid–structure interaction with pipe-wall viscoelasticity during water hammerˮ. J. Fluids and Structures. 28, pp. 434–455. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2011.11.001

Mahdizadeh, H. (2018). “Numerical modelling of one- and two-dimensional water hammer problems using a modified wave propagation algorithm and turbulence modelˮ. J. Hydraulic Research. 0, pp. 1–12. https://doi.org/10.1080/00221686.2018.1459897

Mitra, A. K. and Rouleau, W. T. (1985). “Radial and axial variations in transient pressure waves transmitted through liquid transmission linesˮ. J. Fluids Engineering. 107, pp. 105–111. https://doi.org/10.1115/1.3242423

Pezzinga, G. (1999). “Quasi-2D model for unsteady flow in pipe networks ˮ. J. Hydraulic Eng. 125, pp. 676–685.

https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429 (1999) 125:7(676)

Pezzinga, G., Brunone, B., Cannizzaro, D., Ferrante, M., Meniconi, S. and Berni, A. (2014). “Two-dimensional features of viscoelastic models of pipe transientsˮ. J. Hydraulic Eng. 140, 04014036. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000891

Pezzinga, G., Brunone, B. and Meniconi, S. (2016). “Relevance of pipe period on kelvin-voigt viscoelastic parameters: 1D and 2D inverse transient analysisˮ. J. Hydraulic Eng. 142, 04016063. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY. 1943-7900.0001216

Riasi, A., Nourbakhsh, A. and Raisee, M. (2013). “Energy dissipation in unsteady turbulent pipe flows caused by water hammerˮ. Computers & Fluids. 73, pp. 124–133. https://doi.org/10.1016/ j.compfluid.2012.12.015

Riasi, A., Nourbakhsh, A. and Raisee, M. (2009a). “Unsteady velocity profiles in laminar and turbulent water hammer flowsˮ. J. Fluids Eng. 131, 121202-121202–8. https://doi.org/10.1115/1.4000557

Riasi, A., Nourbakhsh, P. A. and Raisee, M. (2009b). “Unsteady turbulent pipe flow due to water hammer using k–θ turbulence modelˮ. J. Hydraulic Research. 47, pp. 429–437.

https://doi.org/10.1080/00221686.2009.9522018

Saemi, S., Raisee, M., Cervantes, M. J. and Nourbakhsh, A. (2018). “Computation of two- and three-dimensional water hammer flowsˮ. J. Hydraulic Research. 0, pp. 1–19.

https://doi.org/10.1080/00221686.2018.1459892

Shamloo, H. and Mousavifard, M. (2015). “Numerical simulation of turbulent pipe flow for water hammerˮ. J. Fluids Eng. 137, 111203-111203–10. https://doi.org/10.1115/1.4030806

Silva-Araya, W. F. and Chaudhry, M. H. (1997). “Computation of energy dissipation in transient flowˮ. J. Hydraulic Eng 123, pp. 108–115.
https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1997)123:2(108)

Soares, A. K., Covas, D. I. and Reis, L. F. (2008). “Analysis of PVC pipe-wall viscoelasticity during water hammerˮ. J. Hydraulic Eng. 134, pp. 1389–1394. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429 (2008)134:9(1389)

Vardy, A. E., Hwang, K. -L. (1991). “A characteristics model of transient friction in pipesˮ. J. Hydraulic Research. 29, pp. 669–684.

https://doi.org/10.1080/00221689109498983

Wahba, E. M. (2009). “Turbulence modeling for two-dimensional water hammer simulations in the low Reynolds number rangeˮ. Computers & Fluids. 38, pp. 1763–1770. https://doi.org/10.1016/j. compfluid.2009.03.007

Wilcox, D. C. (1994). Turbulence modeling for CFD. La Canada, CA: DCW Industries.

Workman, L. (1988). Characteristics of PVC pipe. Philips Industries, Inc.

Zhao, M. and Ghidaoui, M. S. (2006). “Investigation of turbulence behavior in pipe transient using a k–∊ modelˮ. J. Hydraulic Research 44, pp. 682–692. https://doi.org/10.1080/ 00221686.2006.9521717

Zhao, M. and Ghidaoui, M. S. (2003). “Efficient quasi-two-dimensional model for water hammer problemsˮ. J. Hydraulic Eng. 129, pp. 1007–1013. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2003) 129:12(1007)