whatsapp call admin

مقاله بررسی ارتعاشات ناشی از پیدایش گردابه در رایزرهای دریایی

word قابل ویرایش
13 صفحه
10700 تومان
107,000 ریال – خرید و دانلود

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

بررسی ارتعاشات ناشی از پیدایش گردابه در رایزرهای دریایی
چکیده
در این مقاله ارتعاشات ناشی از پیدایش گردابه در رایزرهای دریایی بررسی شده است . یکی از مهمترین عوامل ایجاد ارتعاشات رایزرها، پیدایش گردابه است که می تواند موجب خستگی سازه ای در رایزرها گردد. تطابق فرکانس پیدایش گردابه با فرکانس های طبیعی رایزر می تواند موجب تشدید و افزایش دامنه ارتعاشات و در نهایت خستگی گردد. نحوه تعیین فرکانس های طبیعی و شکل مودهای رایزر و همچنین مقدار دامنه ارتعاشات در مقاله ارائه شده است و مقادیر آن برای یک نمونه رایزر محاسبه گردیده است . در ادامه برخی از روش های عملی متداول جهت جلوگیری و یا کاهش ارتعاشات رایزر نیز بررسی شده است .
کلمات کلیدی : رایزر، ارتعاشات ، پیدایش گردابه ، قفل شدگی

١- مقدمه
رایزرها لوله هایی هستند که در صنایع فراساحلی جهت انتقال مایعات ، نفت و گاز از بستر دریا به سکو و یا بالعکس بکار می روند. شکل (١) نشان دهنده یک رایزر می باشد. رایزرها اساساً بصورت سازه هایی نازک و انعطاف پذیر ساخته می شوند تا اینکه بتوانند در برابر نیروهای هیدرودینامیکی و همچنین حرکات سکو مقاومت نمایند. طول رایزرهای دریایی گاهی تا ٢٠٠ متر نیز می رسد و نسبت طول به قطر آنها بسیار زیاد می باشد [١ و ٢].
در سال های اخیر، بهره برداری از میادین نفتی دریاچه خزر مورد توجه زیادی قرار گرفته است . باتوجه به عمق نسبتاً زیاد دریاچه خزر و لزوم بکارگیری رایرز هایی طویل ، مسئله ارتعاشات در این رایزرها از جمله پارامترهای مهمی است که باید مدنظر قرار گیرد و در طراحی و نگهداری آنها در نظرگرفته شود.

شکل ١- یک نمونه رایزر دریایی
نیرهای اصلی وارد بر رایزرها عبارتند از:
١- نیروی ناشی از امواج
٢- تغییر مکان و جابجایی سکو بر اثر موج ، باد و جریان های دریایی
٣- نیروی ناشی از جریان
۴- نیروی ناشی از پیدایش گردابه
در میان عوامل فوق ، نیروهای ناشی از پیدایش گردابه در شکل گیری ارتعاشات دارای اهمیت بیشتری می باشد.
نیروهای ایجادشده می توانند سبب ایجاد ارتعاشات رایزرها گردیده و پس از مدتی موجب ایجاد خستگی گردند.
تحقیقات گسترده ای در زمینه ارتعاشات ناشی از پیدایش گردابه در رایزرها توسط محققین مختلف صورت گرفته است . Ferrari با ارائه یک مدل سه بعدی از رایزر، پاسخ رایزر به ارتعاشات ناشی از پیدایش گردابه را پیش بینی نمود [٣]. مدل ارائه شده شامل بررسی اثرات متقابل سازه و جریان و اثر کوپل شدگی میان حرکت رایزر و پروفیل جریان بود. در نهایت با محاسبه نیروی هیدرودینامیکی ناشی از پیدایش گردابه ارتعاشات رایزر برررسی شده است . در مدل دیگری که توسط Yamamotto بررسی شده است ، حل عددی ارتعاشات ناشی از پیدایش گردابه برای رایزر صورت گرفته است [۴]. بدین ترتیب که ابتدا ماتریس های سختی و جرم محاسبه شده است و با در نظر گرفتن نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر رایزر، معادلات استاتیکی رایزر برای تعیین حالت تعادل رایزر حل شده است . سپس با در نظر گرفتن تحریک ناشی از پیدایش گردابه ، پاسخ دینامیکی رایزر تعیین شده است که بصورت ارتعاشات حول حالت تعادل آن می باشد. تحقیقات LeCurff شامل بررسی عددی و همچنین آزمایشگاهی ارتعاشات ناشی از پیدایش گردابه رایزرها می باشد که در آن با استفاده از روش های حل مودال و حل جریان ، ارتعاشات رایزر بصورت تئوریک بررسی شده است و با ارائه یک مدل آزمایشگاهی به تحلیل نتایج بدست آمده ، پرداخته شده است [۵].
دیگر تحقیقات صورت گرفته در این زمینه بیشتر شامل حل CFD برای بررسی رفتار جریان [۶]، استفاده از حل مودال سازه جهت پیش بینی وقوع رزونانس [٧و٨] و همچنین حل معادلات سیستم با استفاده از روش اجزای محدود می باشد [٩]. در ادامه این مقاله مکانیزم پیدایش گردابه و ارتعاشات رایزرها و نحوه جلوگیری از آن بررسی شده است .
٢- مکانیزم پیدایش گردابه
هنگامی که جریان به یک جسم Bluff برخورد می کند، فشار ناشی از جریان ، در محل برخورد برابر با فشار سکون می گردد. در ادامه با عبور جریان از اطراف جسم ، یک لایه مرزی در اطراف جسم شکل می گیرد و سپس با توجه به عدد رینولدز جریان ، جدایش لایه های برشی از جسم رخ می دهد. سرعت قسمتی از لایه برشی که در تماس با جسم است ، کمتر از سرعت لایه برشی در تماس با جریان است . این امر موجب می شود که دو لایه برشی با یکدیگر ادغام گردند و ورتکس هایی مجزا تشکیل گردد [١٠].
ورتکس های تشکیل شده سبب اعمال نیرو بر جسم می گردند که می تواند باعث ارتعاش جسم شود (شکل ٢).
فرکانس نیروی اعمالی بر جسم در جهت عمود بر جریان برابر با فرکانس تشکیل گردابه ها، fs، و در جهت جریان برابر با fs٢ است . همچنین تحقیقات صورت گرفته نشان دهنده آن است که نیروی وارده در جهت عمود بر جریان ، بیشتر از نیروی اعمالی در جهت جریان است . به همین دلیل ارتعاشات ناشی از پیدایش گردابه در جهت عمود بر جریان ، خطرناکتر از ارتعاشات جسم در جهت جریان است .
ارتعاشات در جهت عمود بر جریان

شکل ٢- ارتعاشات ناشی از پیدایش گردابه
یکی از پارامترهای موثر در شکل گیری ورتکس ها، عدد رینولدز می باشد. با تغییر عدد رینولدز، نحوه جدایش لایه های برشی از جسم و در نتیجه شکل گیری گردابه ها متفاوت خواهد بود. چگونگی پیدایش گردابه ها به ازای مقادیر مختلف رینولدز در شکل (٣) نشان داده شده است .
پارامتر مهم دیگری که در ارتعاشات ناشی از گردابه مطرح است ، عدد بی بعد استروهال می باشد که ارتباط میان فرکانس شکل گیری گردابه ها و سرعت جریان را بصورت ذیل بیان می کند.

مطالعات انجام شده در این زمینه نشان دهنده وابستگی عدد استروهال و عدد رینولدز جریان است . شکل (۴) رابطه عدد استروهال و رینولدز جریان را در یک استوانه نشان می دهد. همچنین زبری سطح نیز می تواند برعدد استروهال تأثیر گذارد. در کاربردهای مهندسی عدد استروهال دربازه وسیعی از عدد رینولدز، برابر با ۰٫۲ فرض می گردد.

شکل ٣- نحوه شکل گیری گردابه با توجه به عدد رینولدز

شکل ۴- رابطه عدد رینولدزو عدد استروهال
البته باید توجه داشت که شکل گیری گردابه ها همواره با یک فرکانس خاص صورت نمی گیرد. با افزایش عدد رینولدز از یک مقدار معین ، شکل گیری گردابه ها با فرکانس های مختلفی صورت می گیرد. در این حالت ارتعاشات ایجاد شده ، دارای باند فرکانسی گسترده خواهد بود و منحصر به یک بازه محدود فرکانسی نمی باشد.
حرکت جسم نیز تأثیر زیادی بر شکل گیری گردابه ها دارد. ارتعاشات جسم باعث می گردد که فرکانس شکل گیری گردابه ها در محدوده فرکانس ارتعاش جسم قرار گیرد، این حالت شکل خطرناکی از ارتعاش جسم را ایجاد می کند که اصطلاحاً قفل شدگی (in –Lock ) نامیده می شود [١٢].
در حالت قفل شدگی با عبور فرکانس ارتعاش جسم از fs(فرکانس پیدایش گردابه ها در حالت سکون جسم )،یک اختلاف فاز ١٨٠ بین حرکت جسم و شکل گیری گردابه ها، رخ می دهد. زیرا هنگامی که فرکانس ارتعاش جسم کمتر از fs می باشد، با حرکت جسم به یک سمت ، گردابه ها از سمت مخالف شکل می گیرند و درحالتی که فرکانس ارتعاش بیشتر از fs است ، روند فوق معکوس گشته و با حرکت جسم به یک سمت ، گردابه ها از همان سمت تشکیل می شوند. این امر سبب اعمال یک نیروی متغیر می گردد که می تواند باعث ایجاد ارتعاش و خستگی در جسم گردد.
ایجاد پدپده Lock-in علاوه بر فرکانس ارتعاشات جسم ، به دامنه ارتعاشات جسم نیز وابسته است . شکل (٢) ناحیه قفل شدگی را مشخص می کند که از دو پارامتر دامنه و فرکانس ارتعاشات جسم تاثیر می پذیرد. با توجه به این شکل ، با افزایش دامنه ارتعاش جسم ، احتمال وقوع قفل شدگی نیز افزایش می یابد و قفل شدگی در بازه فرکانسی وسیعتری رخ می دهد.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 10700 تومان در 13 صفحه
107,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد