بخشی از مقاله
چکیده
بطور کلی خطوط لوله انتقال نفت و گاز از بستر دریا و رودخانه، به دلیل قرار گرفتن در معرض جریانات مختلف، تاثیر امواج و اندر کنش جریان-لوله و بستر فرسایش پذیر ، همواره تحت تاثیر آبشستگی قرار دارند. در این مقاله به کمک نرم افزار Flow-3D ، الگوی جریان و آبشستگی بستر پیرامون دو لوله بقطر 4 سانتیمتر، که بصورت موازی در فاصله مرکز به مرکز 8 سانتیمتر از یکدیگر تحت زوایای صفر ، 5 ، 10 ، 15 ، 20 ، 30 ، 45 درجه نسبت به هم قرار گرفته اند، شبیه سازی شده است.
برای مدل سازی آشفتگی جریان از مدل k- استاندارد استفاده شده است. مقایسه نتایج با داده های آزمایشگاهی ، نشان دادند که نرم افزار به کار رفته توانایی شبیه سازی این پدیده را دارد و مشخص شد که با افزایش زاویه بین دو مرکز لوله با افق، حفره آبشستگی افزایش پیدا میکند.
-1 مقدمه
به طور معمول احداث خطوط لوله مورد استفاده جهت انتقال نفت و گاز از سکوهای نفتی فراساحلی ، به صورت مستغرق انجام میپذیرد. وقتی این لوله ها در معرض جریان های یکنواخت یا غیر یکنواخت قرار بگیرد و از طرفی بستر فرسایش پذیر باشد، در اطراف لوله فرسایش رخ میدهد. این امر باعث به وجود آمدن دهانه آزاد در زیر لوله میگردد. در این حالت امکان دارد که خط لوله در طول دهانه آزاد خود به داخل گودال ایجاد شده شکم دهد یا اینکه به طور مستقیم پایدار بماند. در صورتی که خط لوله شکم دهد ممکن است تا مرحله ای تغییر شکل پیدا کند که به کف گودال آبشستگی برسد و در صورت انتقال رسوبات و خاکریزی روی لوله در نهایت خط لوله خود به خود دفن گردد. واضح است برای آنکه آبشستگی تا مقدار نهایی آن ادامه نماید باید مدت زمان مشخصی سپری شود.
به طور کلی مراحل آبشتگی را میتوان به سه مرحله تقسیم بندی کرد.
-1 مرحله رگاب - piping -
-2 مرحله فرسایش تونلی
-3 مرحله فرسایش Lee-wake
-2 سابقه مطالعات
در زمینه آبشستگی خط لوله تحقیقات آزمایشگاهی زیادی انجام گرفته است، که kjeldsen و همکاران در سال 1974 اولین مطالعات منظم در این زمینه را با استفاده از فلوم آزمایشگاهی انجام دادند و در نهایت فرمولی برای عمق آبشستگی بیشینه در اثر جریان یکنواخت به دست آوردند. در ادامه این فرمول توسط Bijkar و Leeuwestein در سال 1984 با در نظر گرفتن اثر قطر متوسط رسوبات اصلاح گردید. این تحقیقات اولیه، به عنوان پایه مطالعات محققانی چون - 1984 - Lucassen ، - 1990 - Fredsoe&sumer، - 1986 - Mao و - 1991 - Chiew قرار گرفت.
- 1990 - Fredsoe&Sumer در مورد آبشستگی در اثر موج به طور آزمایشگاهی مطالعات جامعی را انجام دادند .
در کل آزمایشهای فیزیکی زیادی در مورد آبشستگی اطراف سیلندر وجود دارد، اما تحقیقات عددی در این زمینه نسبتا کم میباشد . این مطالعات را میتوان به دو دسته طبقه بندی نمود. مدلهای پتانسیل جریان و مدلهای آشفتگی. - 1972 - Cho&Henssey، - 1986 - Hansen، - 1999 - Chang&Li از جمله محققانی میباشند که این مدل سازی را با استفاده از روش پتانسیل جریان انجام داده اند، همچنین - 1990 - Leeuwestein، - 1999 - Brors و - 1998 - Sumer از جمله محققان اصلی در زمینه مدل های آشفتگی میباشند.
-3 مدل سازی
هدف از مطالعه و ساخت مدلهای فیزیکی وعددی، تعیین دقیق پارامترهای هیدرولیکی در یک مدل هیدرولیکی می باشد. در این پروژه به منظور انجام مدل سازی، از مدل عددی استفاده میشود. نرم افزار مورد استفاده جهت انجام مدل سازی عددی در این پایان نامه نرم افزار FLOW-3D میباشد. این نرم افزار توسط شرکت Flow Science توسعه یافته است. اساس این نرمافزار بر پایهی حل کامل معادلات ناویراستوکس مینماید. با کاربرد روزافزون این نرم افزار توسط شرکت ها و موسسات تحقیقاتی، میتوان گفت که این نرم افزار قادر یکی از بهترین ها جهت مدلسازی مسایل پیچیدهی هیدرولیکی به خصوص مسایل با سطح آزاد میباشد. گواه این امر رشد روزافزون مقالاتی است که در آنها از این نرم افزار به عنوان ابزار استفاده شده است.
به طور کلی مزایای استفاده از مدلهای عددی را میتوان به صورت زیر دسته بندی کرد:
-1 با توجه به قابلیت مدلسازی با مقیاس واقعی، خطاهای مربوط به تبدیل مقیاس از بین میرود.
-2 به لحاظ هزینه بسیار مقرون به صرفه میباشد.
-3 باعث صرفهجویی در زمان میگردد.
معادلات اساسی مورد استفاده در این پروژه عبارتند از :
الف: معدله پیوستگی یا بقا جرم
ب: معادله مومنتم
معادله ممنتم یکی از مهمترین معادلات مورد استفاده در تحلیلهای عددی جریان میباشد. با اعمال قانون دوم نیوتن در مورد سیالی که از یک حجم کنترل مشخص عبور میکند، معدله ممنتم به صورت رابطه زیر معرفی میگردد.
ج: مدل سازی توربولانس
جریان های توربولانت توسط نوسان های موجود در میدان های سرعت مشخص میشوند. این نوسانات بر روی پارامترهای مختلفی نظیر ممنتم، انرژی و خواص دیگر تاثیر گذاشته و سبب تغییر این پارامتر ها میشوند. هنگامیکه این نوسانات در اندازه کوچک و فرکانس بالا باشند، شبیه سازی آنها در محاسبات مهندسی، زمان بر و پر هزینه میباشند. بنابر این با متوسط گیری از این مقادیر در معادلات مورد استفاده و به دست آوردن معادلات جدید اصلاح شده میتوان به یک حل سریع و ارزان تر دسترسی پیدا کرد. معادلات جدید اصلاحشده دارای تعدادی متغیر مجهول میباشند و برای محاسبه این متغیر ها نیاز به استفاده از مدلهای توربولانسی میباشد.
به دلیل مشکلات محاسباتی متعدد در روش های حل مستقیم فرم کامل معادلات آشفتگی ناویر استوکس تقریبا تمام روشهای رایج در مدلسازی آشفتگی به نوعی از روشهای متوسط گیری استفاده میکنند. از رایج ترین مدلهای متوسط گیری زمانی معادلات ناویر استوکس میتوان به مدل صفر معادلهای، یک معادلهای اسپالارت، دو معادله ای standard K-e ،K-e RNG، Realizable K-e و مدلی متفاوت با مدلهای نام برده به نام LES اشاره نمود.
-4 اعتبار سنجی
به منظور بررسی صحت نتایج به دست آمده در این مقاله ضروری است تا نسبت به اعتبارسنجی آن اقدام نماییم. بدین منظور مدل آزمایشگاهی مورد استفاده در مقاله پژوهشی آقایان Subhasish Dey و Navneet Singh در نرم افزار مورد استفاده در این پایاننامه - Flow3D - مدل سازی شده و نتایج به دست آمده از تحلیل عددی نرم افزار با نتایج مدل آزمایشگاهی مقایسه شده است. در شکل 1 و جدول 1 شرایط مدل آزمایشگاهی و تعریف پارامترهای آن آورده شده است.
شکل -1 معرفی پارامترهای مدل آزمایشگاهی
بر این اساس در این پایان نامه مدل مورد استفاده با توجه به پارامترهای مشخص شده در کادر جدول زیر ساخته شده است. البته با توجه به اینکه برای مدل کردن فرسایش اولیه - تونلی - نیاز به مشبندی بسیار ریز میباشد
