بخشی از مقاله
چکیده:
امروزه لولههای دریایی برای انتقال نفت و گاز و دسترسی بهتر به منابع مورد توجه قرار گرفتهاند. در این میان پایداری لولههای دریایی از اهمیت بسیار برخوردار است و باید در طراحی آنها مورد توجه قرار گیرد. آبشستگی اطراف لوله از پدیدههای بسیار مهم است که پایداری لوله را تحت تاثیر قرار میدهد. Spoiler از جمله سازههایی است که می تواند بر روی آب شستگی خط لوله اثر بگذارد.
در این تحقیق، مطالعهای عددی بر روی آبشستگی زیر لوله و تاثیر حضور spoiler بر آن با استفاده از نرمافزار ANSYS CFX انجام شده است و اثر Spoiler بر روی الگوی آبشستگی بستر زیر لوله مشخص میگردد. مدل جریان اویلری دو فازه برای مشخصات جریان و ذرات ماسهی بستر دریا بر پایهی معادلات رینولدز متوسطگیری شده ناویر استوکس - RANS - به کار گرفته شده است. همچنین مدل k- به عنوان مدل آشفتگی مورد استفاده قرار گرفته است. در آخر، نتایج تحلیل عددی و نتایج آزمایشگاهی با هم مقایسه شده، و مشخص گردیده است که Spoiler به دلیل تقلیل اثر گردابهها تاثیر مناسبی بر روی کاهش آبشستگی بستر دارد.
-1 مقدمه:
لولههای دریایی نقش مهمی را در صنعت نفت وگاز ایفا میکنند و باعث تسریع در عمل انتقال نفت و گاز از سکو به ساحل میگردند. پایداری لولههای دریایی در هنگام طراحی و اجرا و بهرهبرداری از اهمیت بسیار برخوردار است، زیرا خرابی آنها باعث ضرر و زیان اقتصادی و محیط زیستی میگردد. آبشستگی اطراف لوله از پدیدههای بسیار مهم است که پایداری لوله را تحت تاثیر قرار میدهد، و باید در فرآیند طراحی و بهرهبرداری در نظر گرفته شود. در دهههای گذشته موضوع آبشستگی خط لوله توسط محققان متعددی مورد بررسی قرار گرفته است که این نشان از اهمیت این پدیده در صنعت نفت و گاز است.
شروع آبشستگی مستقیماً1 با شدت جریانی که از زیر لوله میگذرد در ارتباط است و این جریان به علت اختلاف فشار در بالادست و پاییندست لوله به وجود میآید. زمانی که سرعت جریان به تدریج افزایش مییابد، این افزایش سرعت جریان نفوذی، افزایش اختلاف فشار را به بستر تحمیل میکند و در نهایت سطح ماسه در پاییندست لوله بالا آمده و اختلاط آب و ماسه روی میدهد، و در زیر لوله نیز همین شرایط وجود دارد. این پدیده را پایپینگ 2 مینامند.
شروع آبشستگی توسط مائو تحت جریان یکنواخت مورد بررسی قرار گرفت. مائو نقش جداشدگی گردابه را که در جلو و پشت لوله شکل میگیرد در فرآیند شروع آبشستگی مورد بررسی قرار داده است. همچنین او ارتباط جریان نفوذی با شروع آبشستگی را مورد بررسی قرار داده است .[1] چییو هم شروع آب شستگی را با پدیدهی پایپینگ در ارتباط دانست و مورد بررسی قرار داد
در مورد امواج، شرایط پایپینگ در زیر لوله مانند جریان یکنواخت به وجود میآید. اگرچه در این حالت شرایط بحرانی به دلیل جریانات رفت و برگشتی با حالت جریان یکنواخت متفاوت است. در شرایط وجود امواج نیز جداشدگی گردابه در به وجود آمدن آبشستگی نقش مهمی را ایفا میکند. سامر و فردسو، شروع آبشستگی تحت امواج را با عدد 3 kc در ارتباط میدانند و این عدد بیبعد را به عنوان پارامتر مهمی در بررسی آبشستگی زیر لوله مورد بررسی قرار میدهند
در این تحقیق الگوی آبشستگی بستر زیر لوله و اثر Spoiler بر آن در نرم افزار CFX بررسی شده است و ملاحظه میگردد که حضور Spoiler تاثیر مناسبی در کاهش آبشستگی زیر لوله، به سبب کاهش اثرات گردابهها در پشت لوله، خواهد داشت.
-2 بررسی عددی تاثیر spoiler بر الگوی آبشستگی زیر لوله: 1-2 تنظیم پارامترهای مدل به روش حجم محدود:
تحلیل جریان در CFX بر پایهی روش حجم محدود انجام میشود که یک روش مناسب در حل مسائل دینامیک محاسباتی سیالات است. CFX با حل معادلات ناویر-استوکس که شامل معادلهی پیوستگی - 1 - و اندازهحرکت - 2 - است به تحلیل جریان حول لوله میپردازد. همچنین نرم افزار برای بررسی شرایط دو فاز مسئله، آب و ماسه، معادلهی کسر حجمی - 3 - را برای المانهای ناحیهی محاسباتی حل میکند.
در تحقیق حاضر نتایج مدلسازی عددی با نتایج کار آزمایشگاهی سامر و فردسو [3] مقایسه خواهد شد. آنها آزمایشات خود را در فلومی به طول 28 متر، عرض 4 متر و ارتفاع 1 متر انجام دادند. اما برای کم کردن تعداد مشها و در نتیجه زمان لازم برای انجام تحلیل در حالت 2 بعدی، کانالی به طول 3 متر و ارتفاع 0/39 متر در نظر گرفته شد و بستر ماسهای به طول 0/5 متر و ارتفاع 0/25 متر در زیر لوله قرار داده شد و لولهای به قطر 0/07 متر در فاصلهی 1/25 متری مرز ورودی در نظر گرفته شد.
اندازه ی ذرات ماسه d50=0.16mm در نظر گرفته شده است و چگالی آن 2500 در نرم افزار وارد شده است. شبکهبندی این مدل توسط نرمافزار پیشپردازنده ICEM CFD 2015 انجام شده و ناحیه محاسباتی توسط آن شبکهبندی شده است. به جهت تحلیل دقیق الگوی جریانات، مطابق شکل 1، مشها در سه موقعیت اطراف دیواره، اطراف لوله و سطح مشترک آب و ماسه، ریزتر شده است. لازم به ذکر است که مدلسازی عددی در این تحقیق به صورت در نظر گرفتن دو فاز آب و ماسه بوده و نتیجهگیریهای لازم با استفاده از خروجیهای تغییرات الگوی بستر زیر لوله وتغییرات کسر حجمی است، و سپس نتایج آن با کار آزمایشگاهی مقایسه شده است.
مسئله با تعداد مش های 8000 و 10000 و 12000 مورد تحلیل قرار گرفت و مشخص شد که پس از ریز کردن مشها از مقدار 10000 به بعد مقدار ماکزیمم عمق آبشستگی تغییر قابل توجهی نمیکند - کمتر از 1 درصد تغییر -
شکل: 1 مشبندی ناحیهی محسباتی اطراف لوله
برای محافظت از لوله در مقابل آبشستگی از یک Spoiler مستطیلی هممرکز با لوله به طول D - 0/5D قطر لوله است - و ضخامت 0/5 سانتیمتر استفاده شده است. با اضافه شدن آن به مدل مطابق شکل 2، مشها در اطراف spoiler نیز ریزتر شدهاند.
در نرم افزار CFX، مسئلهی مورد نظر به صورت یک سیستم دو فازه تعریف میشود که شامل یک فاز جریان با در نظر گرفتن اثرات موج روی آن، و فاز ماسه است. مدلسازی بر اساس مدل اویلری نرمافزار انجام شده و مدل آشفتگی k- استاندارد در نظر گرفته شده است و مدل حلگر نیز pressure based coupled در نظر گرفته شده است.
روشهای گسسته سازی معادلات با توجه به راهنمای نرمافزار و همچنین شرایط مسئله در منوی solution به شکل زیر تعریف گردیده است: ؛ اندازهی حرکت: second order upwind ؛ ؛ و معادلات آشفتگی: .second order upwind لازم به ذکر است که به منظور رسیدن به جوابهای دقیق، معیار همگرایی در تمام معادلات عدد 10-4 در نظر گرفته شده است.
شکل:2هندسهی لوله محافظت شده توسطSpoiler
