بخشی از مقاله
چکیده: در این تحقیق به بررسی عددی جریان سیال حول دسته لوله های مبدل حرارتی و بررسی ارتعاشات ناشی از جریان پرداخته شده است. برای نه چیدمان مختلف لولهها در مبدل حرارتی، ارتعاشات لوله در نظر گرفته شد و تاثیر فواصل طولی و عرضی لوله ها بر دامنه و فرکانس ارتعاشات مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور معادلات پیوستگی و مومنتوم در فضای محاسباتی گسسته شده و به صورت عددی حل و با مطالعات پیشین مورد مقایسه قرار گرفت.
نتایج بدست آمده از شبیه سازی جریان سیال درون دسته لوله نشان میدهد که از دید ارتعاشاتی بهترین حالت برای جلوگیری از نوسانات لوله ها کاهش فاصله عرضی و افزایش فاصله طولی میباشد که با این کار هم دامنه و هم فرکانس غالب ارتعاشات کاهش یابد. اما از دیدگاه انتقال حرارت، کاهش بیش از حد فواصل عرضی منجر به افزایش افت فشار شده و افزایش بیش از حد فواصل طولی نیز منجر به افزایش ابعاد مبدل حرارتی می گردد و هزینه های ساخت را بالا می برد.
.1 مقدمه1
در تمامی سازه های الاستیکی که در مسیر حرکت یک جریان پایا قرار دارند، پدیده ورتکس شدینگ می تواند منجر به ارتعاشات با دامنه بسیار بالایی گردد. در صورتی که ورتکس های ایجاد شده در سازه مورد نظر به شدت افزایش یابد و یا ارتعاشات فرکانسی نزدیک به فرکانس طبیعی سازه تشکیل شوند در اینصورت با ایجاد فرآیند تشدید، دامنه ارتعاشات سازهها به شدت افزایش مییابد2]؛.[1 به عنوان مثال، سکوهای نفتی یکی از مهمترین سازه های مورد استفاده در استخراج نفت از بستر دریا میباشد که مهمترین بخش آن، رایزرهایی میباشد که نفت استخراج شده از چاه موجود در بستر دریا به وسیله آن به سطح آب منتقل می شود.
عبور جریانهای اقیانوسی از روی رایزر، منجر به تشکیل ورتکس در اطراف رایزر شده و در نتیجه، ارتعاش رایزر را به همراه دارد که در پاره ای از مواقع نیز با تخریب آن صدمات جبران ناپذیر زیادی را به بار آورده است. سازه پرکاربرد دیگر صنایع نفت و گاز و پتروشیمی که همواره در معرض ارتعاش ناشی از جریان سیال می باشد، مبدلهای حرارتی هستند. در دهههای اخیر با توجه به لزوم طراحی بهینه مبدلهای حرارتی و همچنین طراحی مبدلهای حرارتی با نرخ انتقال حرارت بالا و همچنین ابعاد بزرگتر، مساله ارتعاش لولههای مبدل حرارتی که ناشی از جریان سیال در پوسته مبدل میباشد، به امری بسیار مهم و دردسرساز تبدیل شده است که می بایستی در محاسبات مربوط به طراحی این مبدلها در نظر گرفته شود.
در واقع وقوع چنین ارتعاشاتی ناشی از تلاشهای انجام شده توسط مهندسین برای افزایش ظرفیت و کارایی مبدل با افزایش دبی سیال عبوری از آن میباشد. استفاده از آلیاژهایی با استحکام بالا با قطر لولههای کوچکتر، منجر به کاهش صلبیت سازه شده و احتمال تخریب ناشی از ارتعاش لولههای مبدل را افزایش میدهد. در مطالعه حاضر ارتعاشات لوله-های قرار گرفته در داخل مبدل حرارتی پوسته و لولهای مورد بررسی قرار میگیرد.
.2 مروری بر کارهای گذشته یکی از معتبرترین آزمایشات انجام شده بر روی ارتعاشات ناشی از جریان سیال بر روی لوله استوانهای توسط بلوینز و کوگران[3]1 در اواخر سال 2009 انجام شده است. در این پژوهش برای سرعتهای مختلف جریان سیال که در این آزمایش آب در نظر گرفته شده است و همچنین برای ضرایب میرایی و نسبت جرمیهای مختلف ارتعاشات در راستای طولی، عرضی و طولی عرضی مورد بررسی قرار گرفت . نتایج حاصل از کار آنها برای نسبت میراییهای مختلف در شرایطی که لوله تنها قادر به ارتعاشات در راستای عرضی میباشد نشان میدهد که در محدودهای از سرعتهای کاهیده دامنه نوسانات ماکزیمم میباشد که مربوط به نوسانات ناشی از ورتکس شدینگ میباشد.
توضیحات مربوط به پارامترهای مختلف مورد استفاده در این مباحث در فصل بعدی آورده شده است. در حقیقت بررسیهای انجام شده توسط محققین نشان دهنده اهمیت پایین ارتعاشات در راستای طولی در مقایسه با ارتعاشات عرضی ناشی از ورتکس شدینگ میباشد9]؛.[3 از جمله مهمترین کارهای عددی دیگر انجام شده برای مدلسازی ارتعاش ناشی از جریان سیال در جریان پیرامون یک استوانه میتوان به کار گیلمینیو و کوتی[4]2 در سال 2004 اشاره کرد. آنها با توجه به اهمیت ارتعاشات عرضی، تنها به بررسی ارتعاشات استوانه در همین راستا پرداخته و از ارتعاشات طولی استوانه صرف نظر کردند.
در سال 2012 چن و ژو[10] 3 به بررسی ارتعاشات ناشی از جریان سیال برای یک استوانه مشخص در جریان باد پرداختند. آنها برای اعتبارسنجی نتایج عددی خود از آزمایش ارتعاشات لوله در تونل باد استفاده کردند. کارهای انجام شده در این زمینه نشان از اهمیت بالای پدیده ارتعاشات ناشی از جریان سیال دارد. بدین منظور در تحقیق حاضر به بررسی تاثیر فواصل طولی و عرضی لولههای مبدل حرارتی در دامنه ارتعاشات ایجاد شده ناشی از جریان سیال پرداخته میشود.
با توجه به توضیحات ارائه شده برای صرفه جویی در زمان محاسبات از ارتعاشات در راستای طولی صرف نظر می شود. در تحقیقات گذشته [3] نشان داده شده است که زمانیکه سرعت کاهیده - Ur=U/fnD - در محدوده 5 تا 7 قرار دارد این فرض صادق است؛ یعنی از ارتعاشات طولی لولهها می توان صرف نظر کرد. نتایج حاصل از این کار نشان دهنده خطایی کمتر از %10 در صورت انجام چنین فرضی میباشد.
.3 معادلات حاکم بر جریان سیال
.1-3 پارامترهای موثر بر ارتعاش با توجه به توضیحات ارائه شده در بخش قبلی پارامترهای موثر در ارتعاش ناشی از جریان سیال در جریان حول یک استوانه را میتوان در موارد زیر خلاصه کرد15]؛:[11
· پارامترهای هندسی - - L/D
· نسبت جرمی - - m*
· عدد رینولدز - - Re
· سرعت کاهیده - - Vr
· نسبت میرایی - - 2؛.3 معادلات حاکم
.4 نتایج و بحث
1؛.4 ارتعاشات تک لوله در جریان سیال با توجه به اینکه در کارهای آزمایشگاهی مختلفی ارتعاشات تک لوله در جریان سیال مورد بررسی قرار گرفته است، در کار حاضر به منظور صحت سنجی نتایج حاصل از مدلسازی عددی در ابتدا ارتعاشات ناشی از جریان سیال برای لوله منفرد مورد بررسی قرار میگیرد. یکی از مهمترین کارهای انجام شده در رابطه با ارتعاش یک بعدی لولهها توسط بلوینز و کوگران [3] انجام شده است. در کار حاضر نیز نتایج عددی به دست آمده برای ارتعاشات یک بعدی تک لوله در مسیر جریان سیال با نتایج ارائه شده توسط بلوینز و کوگران [3] مقایسه خواهد شد.
