بخشی از مقاله
خلاصه
ضربه قوچ یکی از پدیدههای مخرب هیدرولیکی است که در جریانهای تحت فشار سیستمهایی از قبیل ایستگاههای پمپاژ، خطوط انتقال آب و نفت، تأسیسات برقآبی و... به صورت امواج فشاری میرا ایجاد میشود. نظر به اهمیت بررسی دقیق ضربه قوچ در شبکههای لوله کشی و خطوط انتقال مایعات، در تحقیق حاضر این پدیده با استفاده از مدل آزمایشگاهی و مدل عددی برای دو حالت با استفاده از لوله موجگیر و بدون آن مورد بررسی قرار گرفت. دادههای جمع آوری شده از مدل آزمایشگاهی به ازای دبیهای مختلف و بازههای زمانی دلخواه با نتایج حاصل از نرم افزار Fluent مقایسه گردید. در نهایت با استفاده از پارامترهای آماری R2، RMSE و RE نتایج حاصل از مدل عددی با مدل آزمایشگاهی مقایسه گردید. نتایج بدست آمده نشان میدهد نرم افزار Fluent در شبیه سازی پدیده ضربه قوچ از قابلیت بالایی برخوردار بوده و میتوان از آن به عنوان ابزاری مناسب جهت محاسبه مقادیر فشارهای حداکثر و حداقل بهره برد.
کلمات کلیدی: ضربه قوچ، لوله موجگیر، مدل آشفتگی، مدل حجم سیال، .Fluent
1. مقدمه
مطالعه جریانهای ناپایدار در پروژههای مهندسی خط لوله و ایستگاههای پمپاژ از اهمیت خاصی برخوردار میباشد. یک نوع خاص از جریانهای میرا ضربه قوچ میباشد که در اثر تغییر ناگهانی سرعت جریان سیال درون مجاری تحت فشار ایجاد میشود. از عواملی که باعث بروز این پدیده میشوند می توان به خاموش شدن ناگهانی پمپ، باز وبسته شدن آنی شیر فلکه و به طورکلی هر عاملی که باعث تغییر میزان و جهت سرعت سیال در خط لوله می-شود، اشاره کرد. وقوع این پدیده باعث ایجاد فشارهای غیر عادی، بروز پدیده کاویتاسیون و درنهایت ترکیدن لولهها و خرابی کل سیستم انتقال سیال میشود. بنابراین بررسی دقیق آن به عنوان یک امر لازم، جزء مراحل اولیه و اصلی طراحی بوده تا با شناخت کامل اثر آن، تأسیسات هیدرولیکی از خطرات این پدیده مصون بماند.
برای حل تحلیلی معادلات ضربه قوچ تک بعدی که یک معادله دیفرانسیل هذلولی است، روش خاصی وجود ندارد. بهترین روش برای حل اینگونه معادلات روشهای عددی میباشد. اولین بار روش مشخصه1 یا MOC توسط لیستر در سال 1960 برای حل معادلات دیفرانسیل هذلولی به کار برده شد که شرط رعایت عدد کورانت جهت پایداری عددی این روش امری اجتناب ناپذیر به شمار میآید - نجمایی، . - 1374قیداو و کارنی - 1998 - به بررسی پدیده ضربه قوچ به روش سرعت-موج اصلاح شده2 و مقایسه آن با روش خطوط مشخصه پرداختند که در نهایت روش آنها نتیجه بهتری داد. آنها همچنین خطاهای ناشی از استفاده روشهای عددی یا درونیابی را برای تحلیل سیستمهای ساده خطوط انتقال آب مورد مطالعه و بررسی قرار دادند.
استیفنسن - 2002 - بر اساس نتایج بدست آمده از مدل فیزیکی، لولههای هوا دهنده را ابزاری مناسب جهت محافظت از خط لوله در مقابل پدیده ضربه قوچ معرفی کرد. او با استفاده از آزمایشات خود نشان داد که استفاده از لوله هوا میتواند خسارات ناشی از امواج به وجود آمده در سیستم خط انتقال در اثر قطع ناگهانی پمپ، حرکات سریع شیر فلکه و... را تا حدود زیادی کنترل نماید.جانگ و کارنی - 2006 - از مدلهای GA1 و PSO2 برای بهینه سازی خطوط انتقال آب و کاهش خسارات ناشی از ضربه قوچ استفاده کردند. آنها با تعیین موقعیت بهینه تجهیزات کنترل سیستم انتقال آب و همچنین انتخاب قطر، جنس و ضخامت مناسب برای لولهها به توابع هدف سیستم که عبارت بودند از حداقل کردن فشار مثبت، حداکثر نمودن فشار منفی و حداقل کردن اختلاف میان حداقل و حداکثر بار موجود در سیستم خط لوله، دست پیدا کردند.
در نهایت مدل GA نسبت به PSO نتیجه بهتری داد.کیم - 2008 - با کاربرد ماتریسهای امپدانس ارتباط شرایط جریان از حالت ورقهای به آشفته و برعکس را شبیه سازی نمود. با استفاده از این روش که اصطلاحاً روش پاسخ ضربهای - IRM - 3 نامیده میشود، می توان موقعیت نصب و هندسه ابزارهای هیدرولیکی محافظ خطوط انتقال آب را با دقت بالا طراحی و پیاده نمود. مثالهای کاربردی نشان میدهد که شبیه سازیهای صورت گرفته توسط روش IRM با نتایج بدست آمده از روش 4MOC مطابقت دارد.علیرغم تحقیقات وسیع صورت گرفته در زمینه وقوع پدیده ضربه قوچ و راههای کنترل آن، از مدل عددی 5CFD هم میتوان به عنوان روشی جدید جهت شبیه سازی این پدیده استفاده کرد. با توجه به کارآیی نرم افزار Fluent در شبیه سازی حرکت سیالات و اندرکنش آب و سازه، در تحقیق حاضر پدیده مذکور در حالت خاص قطع ناگهانی شیر فلکه به روش حجم محدود با استفاده از مدل حجم سیال6 شبیه سازی گردید.
2. مواد و روشها
مدل آزمایشگاهی
تحقیق بر روی دستگاهی که در آزمایشگاه منابع آب گروه مهندسی آب دانشگاه تبریز واقع شده است، انجام گرفت. مشخصات هندسی دستگاه به شرح زیر می باشد:دستگاه دارای 2 مخزن یکسان به ابعاد 90×90×90 cm میباشد که به صورت 2 طبقه روی شاسی دستگاه نصب شدهاند. مخزن بالایی به یک لوله تغذیه 20 میلی متری متصل است. تغذیه مخزن توسط یک پمپ که دبی و هد پمپاژ آن به ترتیب 15-70 lit/min و 12.5-21m میباشد، صورت میگیرد. دبی پمپاژ توسط یک روتامتر واقع در مسیر لوله و در محدوده - 5-50 lit/min - قابل اندازه گیری میباشد. مخزن دوم نیز از مخزن بالایی آبگیری میکند. لولهای از جنس PVC به طول 4 متر و قطر 40 میلیمتر از مخزن دوم آبگیری میکند. در انتهای لوله انتقال آب، 2 عدد شیر فلکه کار گذاشته شده است. شیر فلکه اول که به لوله موج گیر7 نزدیکتر است به منظور قطع ناگهانی جریان به کار گرفته میشود.
شیر فلکه دوم که قابلیت باز و بسته شدن با دور بالا را دارا میباشد، به عنوان شیر تنظیم دبی خروجی دستگاه به کار گرفته شده است. برای برقراری جریان ماندگار در دستگاه باید دبی ورودی با خروجی یکسان باشد که مدتی پس از باز نمودن شیر فلکه دوم این تعادل برقرار میشود. به منظور مستهلک کردن امواج فشاری ناشی از پدیده ضربه قوچ لوله موجگیر پلاستیکی به طول 2/38 متر و قطر داخلی 63 میلیمتر در فاصله 23 سانتیمتری شیر اول نصب شده است. در محل کار گذاری لوله مبدلی8 جهت ثبت تغییرات فشار هیدرواستاتیکی آب تعبیه شده است. لازم به توضیح است که مقادیر ثبت شده توسط مبدل فشار به کامپیوتر منتقل شده و به صورت فایل Excel قابل مشاهده است. آزمایشات در دو دسته مجزا، با استفاده از لوله موجگیر و بدون آن به ازای دبیهای بین 20-50 lit/min انجام گرفتند.
مدل عددی
در تحقیق حاضر با استفاده از نرمافزار Fluent بر اساس معادلات پیوستگی و مومنتوم، و کاربرد مدلهای آَشفتگی برای جریان چندفازی1 و با استفاده از تکنیک حل عددی حجم محدود2 و الگوریتمهای حل همزمان سرعت-فشار - 3Simple و - 4PISO پدیده ضربه قوچ در حالت بستن ناگهانی شیر فلکه شبیهسازی گردید. برای شبیهسازی جریان چند فازی از مدل حجم سیال5 و برای شبیهسازی جریان آشفته از مدل آشفتگی k-ε که خود شامل سه مدل Standard، 6 RNG ، Realizable می شود و همچنین مدل 7 RSM استفاده گردید.
Fluent
Fluent یکی از کاملترین و کاربردیترین مدلهای CFD در دنیا میباشد که به زبان C نوشته شده است و معادلات حاکم را با روش احجام محدود به معادلات جبری تبدیل کرده و آنها را حل می کند. این نرم افزار قابلیت حل مسائل دو بعدی و سه بعدی را دارد و با استفاده از مدلهای پیشرفته آشفتگی و روشهای مدلسازی متنوع، تقریبا امکان مدلسازی هر گونه جریان و پدیدهای مانند جریانهای تحت فشار، جریان-های با سطح آزاد و لایهای، جریانهای حاوی ذرات رسوبی و حباب، معروف به جریانهای چند فازی و پدیدههایی مانند کاویتاسیون را فراهم کرده است.
مراحل انجام کار در مدل عددی
ابتدا توسط نرم افزار Gambit هندسه مدل شبیهسازی و شبکهبندی گردید. به منظور مستقل از شبکهکردن سازه، 4 مدل با تعداد شبکههای مختلف به ازای یک دبی و شرایط هیدرولیکی ثابت برای هر دو حالت مورد ارزیابی قرار گرفت. تعداد کل المانهای بهینه در حالت با لوله موج گیر 12000 و در حالت بدون آن 9180 عدد در نظر گرفته شد. برای شبکه بندی زانوها از المانهای مثلثی - Tri - نوع Pave و در بقیه موارد از المانهای مربعی - Quad - نوع Map استفاده گردید. در مرحله بعد نوع شرایط مرزی موجود در مدل تعریف شدند. شرایط مرزی مورد استفاده با توجه به شکل 1 به شرح زیر میباشند:
