بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي ارتعاشات ناشي از پيدايش گردابه در رايزرهاي دريايي
چکيده
در اين مقاله ارتعاشات ناشي از پيدايش گردابه در رايزرهاي دريايي بررسي شده است . يکي از مهمترين عوامل ايجاد ارتعاشات رايزرها، پيدايش گردابه است که مي تواند موجب خستگي سازه اي در رايزرها گردد. تطابق فرکانس پيدايش گردابه با فرکانس هاي طبيعي رايزر مي تواند موجب تشديد و افزايش دامنه ارتعاشات و در نهايت خستگي گردد. نحوه تعيين فرکانس هاي طبيعي و شکل مودهاي رايزر و همچنين مقدار دامنه ارتعاشات در مقاله ارائه شده است و مقادير آن براي يک نمونه رايزر محاسبه گرديده است . در ادامه برخي از روش هاي عملي متداول جهت جلوگيري و يا کاهش ارتعاشات رايزر نيز بررسي شده است .
کلمات کليدي : رايزر، ارتعاشات ، پيدايش گردابه ، قفل شدگي
١- مقدمه
رايزرها لوله هايي هستند که در صنايع فراساحلي جهت انتقال مايعات ، نفت و گاز از بستر دريا به سکو و يا بالعکس بکار مي روند. شکل (١) نشان دهنده يک رايزر مي باشد. رايزرها اساساً بصورت سازه هايي نازک و انعطاف پذير ساخته مي شوند تا اينکه بتوانند در برابر نيروهاي هيدروديناميکي و همچنين حرکات سکو مقاومت نمايند. طول رايزرهاي دريايي گاهي تا ٢٠٠ متر نيز مي رسد و نسبت طول به قطر آنها بسيار زياد مي باشد [١ و ٢].
در سال هاي اخير، بهره برداري از ميادين نفتي درياچه خزر مورد توجه زيادي قرار گرفته است . باتوجه به عمق نسبتاً زياد درياچه خزر و لزوم بکارگيري رايرز هايي طويل ، مسئله ارتعاشات در اين رايزرها از جمله پارامترهاي مهمي است که بايد مدنظر قرار گيرد و در طراحي و نگهداري آنها در نظرگرفته شود.
شکل ١- يک نمونه رايزر دريايي
نيرهاي اصلي وارد بر رايزرها عبارتند از:
١- نيروي ناشي از امواج
٢- تغيير مکان و جابجايي سکو بر اثر موج ، باد و جريان هاي دريايي
٣- نيروي ناشي از جريان
٤- نيروي ناشي از پيدايش گردابه
در ميان عوامل فوق ، نيروهاي ناشي از پيدايش گردابه در شکل گيري ارتعاشات داراي اهميت بيشتري مي باشد.
نيروهاي ايجادشده مي توانند سبب ايجاد ارتعاشات رايزرها گرديده و پس از مدتي موجب ايجاد خستگي گردند.
تحقيقات گسترده اي در زمينه ارتعاشات ناشي از پيدايش گردابه در رايزرها توسط محققين مختلف صورت گرفته است . Ferrari با ارائه يک مدل سه بعدي از رايزر، پاسخ رايزر به ارتعاشات ناشي از پيدايش گردابه را پيش بيني نمود [٣]. مدل ارائه شده شامل بررسي اثرات متقابل سازه و جريان و اثر کوپل شدگي ميان حرکت رايزر و پروفيل جريان بود. در نهايت با محاسبه نيروي هيدروديناميکي ناشي از پيدايش گردابه ارتعاشات رايزر برررسي شده است . در مدل ديگري که توسط Yamamotto بررسي شده است ، حل عددي ارتعاشات ناشي از پيدايش گردابه براي رايزر صورت گرفته است [٤]. بدين ترتيب که ابتدا ماتريس هاي سختي و جرم محاسبه شده است و با در نظر گرفتن نيروهاي هيدروديناميکي وارد بر رايزر، معادلات استاتيکي رايزر براي تعيين حالت تعادل رايزر حل شده است . سپس با در نظر گرفتن تحريک ناشي از پيدايش گردابه ، پاسخ ديناميکي رايزر تعيين شده است که بصورت ارتعاشات حول حالت تعادل آن مي باشد. تحقيقات LeCurff شامل بررسي عددي و همچنين آزمايشگاهي ارتعاشات ناشي از پيدايش گردابه رايزرها مي باشد که در آن با استفاده از روش هاي حل مودال و حل جريان ، ارتعاشات رايزر بصورت تئوريک بررسي شده است و با ارائه يک مدل آزمايشگاهي به تحليل نتايج بدست آمده ، پرداخته شده است [٥].
ديگر تحقيقات صورت گرفته در اين زمينه بيشتر شامل حل CFD براي بررسي رفتار جريان [٦]، استفاده از حل مودال سازه جهت پيش بيني وقوع رزونانس [٧و٨] و همچنين حل معادلات سيستم با استفاده از روش اجزاي محدود مي باشد [٩]. در ادامه اين مقاله مکانيزم پيدايش گردابه و ارتعاشات رايزرها و نحوه جلوگيري از آن بررسي شده است .
٢- مکانيزم پيدايش گردابه
هنگامي که جريان به يک جسم Bluff برخورد مي کند، فشار ناشي از جريان ، در محل برخورد برابر با فشار سکون مي گردد. در ادامه با عبور جريان از اطراف جسم ، يک لايه مرزي در اطراف جسم شکل مي گيرد و سپس با توجه به عدد رينولدز جريان ، جدايش لايه هاي برشي از جسم رخ مي دهد. سرعت قسمتي از لايه برشي که در تماس با جسم است ، کمتر از سرعت لايه برشي در تماس با جريان است . اين امر موجب مي شود که دو لايه برشي با يکديگر ادغام گردند و ورتکس هايي مجزا تشکيل گردد [١٠].
ورتکس هاي تشکيل شده سبب اعمال نيرو بر جسم مي گردند که مي تواند باعث ارتعاش جسم شود (شکل ٢).
فرکانس نيروي اعمالي بر جسم در جهت عمود بر جريان برابر با فرکانس تشکيل گردابه ها، fs، و در جهت جريان برابر با fs٢ است . همچنين تحقيقات صورت گرفته نشان دهنده آن است که نيروي وارده در جهت عمود بر جريان ، بيشتر از نيروي اعمالي در جهت جريان است . به همين دليل ارتعاشات ناشي از پيدايش گردابه در جهت عمود بر جريان ، خطرناکتر از ارتعاشات جسم در جهت جريان است .
ارتعاشات در جهت عمود بر جريان
شکل ٢- ارتعاشات ناشي از پيدايش گردابه
يکي از پارامترهاي موثر در شکل گيري ورتکس ها، عدد رينولدز مي باشد. با تغيير عدد رينولدز، نحوه جدايش لايه هاي برشي از جسم و در نتيجه شکل گيري گردابه ها متفاوت خواهد بود. چگونگي پيدايش گردابه ها به ازاي مقادير مختلف رينولدز در شکل (٣) نشان داده شده است .
پارامتر مهم ديگري که در ارتعاشات ناشي از گردابه مطرح است ، عدد بي بعد استروهال مي باشد که ارتباط ميان فرکانس شکل گيري گردابه ها و سرعت جريان را بصورت ذيل بيان مي کند.
مطالعات انجام شده در اين زمينه نشان دهنده وابستگي عدد استروهال و عدد رينولدز جريان است . شکل (٤) رابطه عدد استروهال و رينولدز جريان را در يک استوانه نشان مي دهد. همچنين زبري سطح نيز مي تواند برعدد استروهال تأثير گذارد. در کاربردهاي مهندسي عدد استروهال دربازه وسيعي از عدد رينولدز، برابر با 0.2 فرض مي گردد.
شکل ٣- نحوه شکل گيري گردابه با توجه به عدد رينولدز
شکل ٤- رابطه عدد رينولدزو عدد استروهال
البته بايد توجه داشت که شکل گيري گردابه ها همواره با يک فرکانس خاص صورت نمي گيرد. با افزايش عدد رينولدز از يک مقدار معين ، شکل گيري گردابه ها با فرکانس هاي مختلفي صورت مي گيرد. در اين حالت ارتعاشات ايجاد شده ، داراي باند فرکانسي گسترده خواهد بود و منحصر به يک بازه محدود فرکانسي نمي باشد.
حرکت جسم نيز تأثير زيادي بر شکل گيري گردابه ها دارد. ارتعاشات جسم باعث مي گردد که فرکانس شکل گيري گردابه ها در محدوده فرکانس ارتعاش جسم قرار گيرد، اين حالت شکل خطرناکي از ارتعاش جسم را ايجاد مي کند که اصطلاحاً قفل شدگي (in –Lock ) ناميده مي شود [١٢].
در حالت قفل شدگي با عبور فرکانس ارتعاش جسم از fs(فرکانس پيدايش گردابه ها در حالت سکون جسم )،يک اختلاف فاز ١٨٠ بين حرکت جسم و شکل گيري گردابه ها، رخ مي دهد. زيرا هنگامي که فرکانس ارتعاش جسم کمتر از fs مي باشد، با حرکت جسم به يک سمت ، گردابه ها از سمت مخالف شکل مي گيرند و درحالتي که فرکانس ارتعاش بيشتر از fs است ، روند فوق معکوس گشته و با حرکت جسم به يک سمت ، گردابه ها از همان سمت تشکيل مي شوند. اين امر سبب اعمال يک نيروي متغير مي گردد که مي تواند باعث ايجاد ارتعاش و خستگي در جسم گردد.
ايجاد پدپده Lock-in علاوه بر فرکانس ارتعاشات جسم ، به دامنه ارتعاشات جسم نيز وابسته است . شکل (٢) ناحيه قفل شدگي را مشخص مي کند که از دو پارامتر دامنه و فرکانس ارتعاشات جسم تاثير مي پذيرد. با توجه به اين شکل ، با افزايش دامنه ارتعاش جسم ، احتمال وقوع قفل شدگي نيز افزايش مي يابد و قفل شدگي در بازه فرکانسي وسيعتري رخ مي دهد.
