کارایی ادوات کاهنده ارتعاشات ناشی از گردابه در لوله‌ها و رایزرهای مایل در معرض جریان ثابت

دانشکده مهندسی عمران
پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد
گرایش سازه‌های دریایی
کارایی ادوات کاهنده ارتعاشات ناشی از گردابه در لوله‌ها و رایزرهای مایل در معرض جریان ثابت
استاد راهنما:
دکتر مصطفی زین‌الدینی
نگارش:
عارف فرهنگ مهر
9106964
268795537719000زمستان 1393
تأییدیّه هیات داوران
اعضای هیئت داوران، نسخه نهائی پایان نامه خانم / آقای:
را با عنوان:
از نظر فرم و محتوی بررسی نموده و پذیرش آن را برای تکمیل درجه کارشناسی/ کارشناسی ارشد تأیید می‌کند.
اعضای هیئت داوران نام و نام خانوادگی رتبه علمی امضاء
استاد راهنما استاد مشاور استاد مشاور استاد ممتحن استاد ممتحن نماینده تحصیلات تکمیلی
تقدیم
به پدرم که سخت‌کوشی…
و
مادرم که صبر را به من آموختند.
تشکر و قدردانی
نخستین سپاس و ستایش از آن خداوندی است که بنده کوچکش را در دریای بیکران اندیشه، قطره‌ای ساخت تا وسعت آن را از دریچه اندیشه‌های ناب آموزگارانی بزرگ به تماشا نشیند. لذا اکنون که در سایه‌سار بنده‌نوازی هایش پایان‌نامه حاضر به انجام رسیده است، بر خود لازم می‌دانم تا مراتب سپاس را از بزرگوارانی به جا آورم که اگر دست یاریگرشان نبود، هرگز این پایان‌نامه به انجام نمی‌رسید.
ابتدا از استاد گرانقدرم جناب آقای دکتر مصطفی زین‌الدینی که زحمت راهنمایی این پایان‌نامه را بر عهده داشتند، کمال سپاس را دارم.
بر خود لازم می‌دانم از مشاوره‌های دکتر محمد سعید سیف به منظور در اختیار قرار دادن تجهیزات آزمایشگاهی و نیز همکاری استاد ارجمند جناب آقای مهندس امیرپیمان زندی در فراهم نمودن دستگاه ثبت داده و همچنین مشاوره‌های جناب آقای مهندس آرش بختیاری و وحید تمیمی در انجام این تحقیق تشکر کنم.
و همچنین از زحمات بی‌شائبه دوستانم آقایان مهرداد عروقی و میثم بیاتی که در انجام آزمایش‌ها به من یاری رساندند سپاسگزارم.
در پایان از شرکت پایانه‌های نفتی به منظور حمایت‌های مالی پایان‌نامه تشکر و قدردانی می‌کنم. و امیدوارم گرهی از مشکلات مهندسی مرتبط با صنایع نفتی و فراساحل را باز کرده باشم.
چکیده
زمانی که یک جسم غیر خط جریانی در معرض جریان سیال قرار می‌گیرد گردابه‌هایی در پایین‌دست جسم تشکیل می‌شوند. هنگامی که پریود تشکیل گردابه به پریود ارتعاش طبیعی جسم نزدیک شود نوسانات شدیدی در سازه به وجود می‌آورد. اگر این ارتعاشات مهار نشود می‌تواند سبب آسیب رساندن به سازه و یا حتی تخریب آن گردد. این مسئله به خصوص در لوله‌ و رایزرهای نفتی که در اعماق دریاها با صرف هزینه‌های گزاف نصب می‌گردند بیشتر مورد توجه است، لذا کاهش دامنه این‌گونه ارتعاشات امری ضروری میباشد. احتمالاً پر کاربردترین روش در حذف نوسانات ناشی از گردابه استفاده از تیغه‌های حلزونی می‌باشد، زیرا علاوه بر آنکه نظم الگوی جریان پشت استوانه را به هم می‌زند در طول لوله نیز همبستگی گردابه‌ها را از بین می‌برد (Lamb, 1991) .
تحقیقات زیادی در مورد نوسان ناشی از تشکیل گردابه در استوانه‌های صلب قائم منفرد، سوار بر یک فنر ارتجاعی انجام شده است. اما در کاربردهای مهندسی برخی سازه‌ها یا عناصر سازه‌هایی هم‌چون کابل‌های نگاه‌دارنده‌ی پل، سیستم‌های مهار سازه‌های شناور و لوله‌ها و رایزر‌ها بعضاً در راستای قائم قرار نداشته یا اینکه اگر راستای آن‌ها قائم است جریان عمود بر راستای آن برخورد نمی‌کند. به صورت ساده شده‌ای بعضاً فرض می‌شود که تشکیل گردابه‌ها روی اعضای مایل مانند اعضای قائم است به شرطی که فقط مؤلفه‌ای از جریان که عمود بر محور عضو است در نظر گرفته شود. به این موضوع اصل غیر هم‌بستگی می‌گویند.
بدیهی است ارزیابی نوسانات یک عضو مایل در اثر تشکیل گردابه در عمل بسیار پیچیده‌تر از آن است که توسط اصل غیر هم‌بستگی بیان شود. لذا در تحقیق سعی شده است پاسخ استوانه‌های ساده و دارای تیغه‌ی حلزونی با زاویه تمایل 0، 20 و 45 درجه مورد بررسی قرار گیرد.
در مطالعه حاضر موضوع ارتعاشات ناشی از گردابه در یک استوانه مایل، با زوایای میل مختلف، با ضریب جرم- میرایی پایین 0345/0 در یک مخزن کشش، در محدوده اعداد رینولدز 4,000 تا 42,000 و در راستای جریان به صورت تجربی مورد مطالعه قرار گرفته است. دامنه پاسخ‌های نوسان استوانه، فرکانس نسبی (نسبت فرکانس نوسان به فرکانس طبیعی سازه در آب) و ضریب نیروی برآیی بر حسب سرعت اصلاح‌شده اندازه‌گیری، گزارش و بحث شده است.
کلیدواژه: نوسان ناشی از تشکیل گردابه، استوانه قائم، استوانه مایل، مطالعات آزمایشگاهی، تیغه حلزونی، تحلیل هیلبرت
E-mail: aref.farhangmehr@gmail.com
فهرست مطالب
عنوانصفحه
TOC \o “1-3” \h \z \u فهرست جدول‌ها PAGEREF _Toc420190722 \h ‌یفهرست شکل‌‌ها PAGEREF _Toc420190723 \h ‌کفهرست علائم و نشانه‌ها PAGEREF _Toc420190724 \h ‌ففصل 1-مقدمه… PAGEREF _Toc420190725 \h 11-1-مقدمه….. PAGEREF _Toc420190726 \h 21-2-هدف از این تحقیق PAGEREF _Toc420190727 \h 21-3-ساختار تحقیق PAGEREF _Toc420190728 \h 2فصل 2-تعاریف و مبانی نظری PAGEREF _Toc420190729 \h 42-1-مقدمه….. PAGEREF _Toc420190730 \h 52-2-تشکیل گردابه PAGEREF _Toc420190731 \h 52-3-تأثیر عدد رینولدز بر روند تشکیل گردابه‌ها PAGEREF _Toc420190732 \h 62-4-نوسان ناشی از گردابه PAGEREF _Toc420190733 \h 82-5-تقویت اندرکنش سازه و سیال PAGEREF _Toc420190734 \h 112-5-1-پدیده همزمانی گردابه‌ها PAGEREF _Toc420190735 \h 112-5-2-پدیده قفل شدگی PAGEREF _Toc420190736 \h 122-6-استفاده از ادوات حذف کننده ارتعاش PAGEREF _Toc420190737 \h 122-7-تیغه‌های حلزونی PAGEREF _Toc420190738 \h 162-7-1-عملکرد………………………………………………………………………………………………………………………………………. PAGEREF _Toc420190739 \h 172-7-2-پیکربندی ………. PAGEREF _Toc420190740 \h 18فصل 3-مروری مختصر بر ادبیات فنی PAGEREF _Toc420190741 \h 173-1-مقدمه …. PAGEREF _Toc420190742 \h 183-2-مطالعات انجام شده پیرامون نوسانات ناشی از گردابه در استوانه ساده PAGEREF _Toc420190743 \h 183-2-1-سیستم با نسبت میرایی- جرم بالا PAGEREF _Toc420190744 \h 183-2-2-سیستم با نسبت جرم- میرایی پایین PAGEREF _Toc420190745 \h 203-3-مطالعات انجام شده پیرامون نوسانات ناشی از گردابه در استوانه ساده مایل PAGEREF _Toc420190746 \h 263-3-1-مطالعات انجام‌شده پیرامون استوانه مایل PAGEREF _Toc420190747 \h 263-3-2-دامنه و فرکانس پاسخ استوانه مایل سوار شده بر فنر ارتجاعی PAGEREF _Toc420190748 \h 323-4-مطالعات انجام شده پیرامون چینش پشت‌هم استوانه‌ها PAGEREF _Toc420190749 \h 34فصل 4-برپایی مدل آزمایشگاهی PAGEREF _Toc420190750 \h 394-1-مقدمه … PAGEREF _Toc420190751 \h 404-2-حوضچه یدک PAGEREF _Toc420190752 \h 404-3-نمونه‏های مورد آزمایش PAGEREF _Toc420190753 \h 414-4-سیستم نگهدارنده استوانه‏ها PAGEREF _Toc420190754 \h 434-5-حس‌گر‏ها و دستگاه ثبت داده PAGEREF _Toc420190755 \h 454-6-تجهیزات مورد استفاده جهت تعیین مشخصات سازه‏ای سیستم ارتجاعی PAGEREF _Toc420190756 \h 474-7-ضرایب کالیبراسیون، میرایی و سختی سیستم ارتجاعی PAGEREF _Toc420190757 \h 494-8-سیستم‏های ارتجاعی مورد بررسی به همراه فرکانس طبیعی آن‌ها در آب PAGEREF _Toc420190758 \h 514-9-نحوه محاسبه دامنه نوسان PAGEREF _Toc420190759 \h 544-10-نحوه محاسبه فرکانس PAGEREF _Toc420190760 \h 55فصل 5-بحث و بررسی مدل آزمایشگاهی استوانه منفرد PAGEREF _Toc420190761 \h 585-1-مقدمه … PAGEREF _Toc420190762 \h 595-2-صحت‌سنجی و مقایسه با کارهای دیگر محققین PAGEREF _Toc420190763 \h 595-3-نتایج مربوط به استوانه قائم PAGEREF _Toc420190764 \h 615-4-نتایج مربوط به استوانه‌های مایل PAGEREF _Toc420190765 \h 635-4-1-استوانه ساده PAGEREF _Toc420190766 \h 635-4-2-استوانه‌های مایل درای تیغه حلزونی PAGEREF _Toc420190767 \h 675-5-اعتبار اصل استقلال در استوانه‌های مایل PAGEREF _Toc420190768 \h 695-6-مقایسه‌ی زوایای تمایل مثبت و منفی PAGEREF _Toc420190769 \h 725-7-محاسبه ضریب نیروی برآیی PAGEREF _Toc420190770 \h 745-8-استفاده از تبدیل هیلبرت در تحلیل نوسانات PAGEREF _Toc420190771 \h 77فصل 6-بحث و بررسی مدل آزمایشگاهی استوانه پشت‌هم PAGEREF _Toc420190772 \h 836-1-مقدمه … PAGEREF _Toc420190773 \h 846-2-نتایج مربوط به استوانه‌های ساده قائم پشت‌هم PAGEREF _Toc420190774 \h 846-3-نتایج مربوط به مایل با زاویه ○20 پشت‌هم PAGEREF _Toc420190775 \h 906-4-نتایج مربوط به مایل با زاویه ○45 پشت‌هم PAGEREF _Toc420190776 \h 96فصل 7-نتیجه گیری و پیشنهادهایی برای مطالعات آتی PAGEREF _Toc420190777 \h 1027-1-نتیجه گیری PAGEREF _Toc420190778 \h 1037-2-پیشنهاد برای مطالعات آتی PAGEREF _Toc420190779 \h 106فهرست مراجع PAGEREF _Toc420190780 \h 107واژه‌نامه فارسی به انگلیسی PAGEREF _Toc420190781 \h 109واژه نامه انگلیسی به فارسی PAGEREF _Toc420190782 \h 110

فهرست جدول‌هاعنوانصفحه
TOC \h \z \c “جدول” جدول ‏11: پارامترهای بکار رفته در این تحقیق PAGEREF _Toc397740007 \h 10جدول ‏31: مشخصات حوضچه یدک PAGEREF _Toc397740008 \h 40جدول ‏32: مشخصات نمونه‌ی استوانه ساده PAGEREF _Toc397740009 \h 42جدول ‏33: مشخصات نمونه‌ی استوانه‌ای دارای تیغه‌ی حلزونی PAGEREF _Toc397740010 \h 42جدول ‏34: مشخصات ورق انتهایی PAGEREF _Toc397740011 \h 43جدول ‏35: مشخصات ورق فنری PAGEREF _Toc397740012 \h 44جدول ‏36: شیب نمودار کرنش- نیرو (N) PAGEREF _Toc397740013 \h 49جدول ‏37: شیب نمودار کرنش – جابجایی (cm) PAGEREF _Toc397740014 \h 50جدول ‏38: تعیین سختی سازه PAGEREF _Toc397740015 \h 50جدول ‏39: میرایی نسبی سازه در هوا با استفاده از رابطه 3-1 PAGEREF _Toc397740016 \h 51جدول ‏310: مشخصات نهایی سیستم‌های سازه‌ای منفرد PAGEREF _Toc397740017 \h 53جدول ‏311: مشخصات نهایی سیستم‌های سازه‌ای پشت‌هم PAGEREF _Toc397740018 \h 54
فهرست شکل‌‌هاعنوانصفحه
TOC \h \z \c “شکل” شکل ‏11: شکل‌گیری لایه مرزی بر روی یک استوانه، جداشدگی آن و تشکیل چرخابه در ناحیه پشت استوانه PAGEREF _Toc408484236 \h 5شکل ‏12: تشکیل گردابه در ناحیه پشت یک استوانه (Ger–, 1966) PAGEREF _Toc408484237 \h 6شکل ‏13: الگوی جریان در اطراف مقطع یک استوانه قائم ساکن در ازای تغییر در عدد رینولدز (LEAP Australia CFD team ) PAGEREF _Toc408484238 \h 7شکل ‏14: استوانه صلب سوار بر یک سیستم فنر-میراگر در جریان آزاد (Jain and Modares-Sadeghi, 2011) PAGEREF _Toc408484239 \h 8شکل ‏15:نمایش سه شاخه اصلی در پاسخ به تشکیل گردابه‌ها و محدوده هم‌زمانی در گردابه‌ها (Lucor et al., 2005) PAGEREF _Toc408484240 \h 12شکل ‏16: استفاده از تیغه‌های فلزی در دودکش به منظور حذف نوسانات ناشی از گردابه PAGEREF _Toc408484241 \h 13شکل ‏17: تجهیزات متفاوت به منظور حذف نوسانات ناشی از گردابه PAGEREF _Toc408484242 \h 13شکل ‏18: الگوی جریان پشت استوانه ساده PAGEREF _Toc408484243 \h 15شکل ‏19: الگوی جریان پشت استوانه دارای نوار PAGEREF _Toc408484244 \h 15شکل ‏110: تیغه‌های حلزونی PAGEREF _Toc408484245 \h 17شکل ‏111: استفاده از تیغه حلزونی به منظور کنترل تولید گردابه PAGEREF _Toc408484246 \h 17شکل ‏112: پارامترهای هندسی تیغه حلزونی ( DNV، 2010) PAGEREF _Toc408484247 \h 18شکل ‏113: نمونه‌ای از تیغه‌های حلزونی با 3 تیغه (Allen et al., 2008) PAGEREF _Toc408484248 \h 19شکل ‏21: مشخصه‌های نوسان استوانه در آزمایش تونل باد با 36/0 (Feng, 1986) PAGEREF _Toc408484249 \h 20شکل ‏22: دامنه پاسخ استوانه. (▪) مشاهدات Khalak and Williamson (1997b) با 013/0در آب و (◊) مشاهدات Feng (1986) با 36/0 در هوا. (Khalak and Williamson, 1997b) PAGEREF _Toc408484250 \h 21شکل ‏23: دامنه پاسخ. (●) برای 0014/0؛ (○) برای 0032/0 (Govardhan and Williamson, 2000) و (●= نقطه قرمز) برای 00016/0 (Brankovic and Bearman, 2006). (Brankovic and Bearman, 2006) PAGEREF _Toc408484251 \h 22شکل ‏24: دامنه بیشینه شاخه بالایی و پایینی در های متفاوت. (▪) دامنه بیشینه شاخه بالایی (Khalak andWilliamson, 1997a)؛ (∆) دامنه بیشینه شاخه پایینی (Khalak and Williamson, 1997a)؛ (○) دامنه بیشینه PAGEREF _Toc408484252 \h 22شکل ‏25: فرکانس بی‌بعد شده بر اساس سرعت اصلاح‌شده در 013/0 (Khalak and Williamson, 1997a). PAGEREF _Toc408484253 \h 23شکل ‏26: پدیده قفل شدگی مشاهده شده در نسبت جرم‌های متفاوت: (017/0)3/10 و (019/0)6/20 (Khalak and Williamson, 1997a). PAGEREF _Toc408484254 \h 24شکل ‏27: ضرایب نیروی پسایی و برآیی بر حسب سرعت اصلاح‌شده، برای (013/0) 1/10 (Khalak and Williamson, 1997b). PAGEREF _Toc408484255 \h 25شکل ‏28: استوانه مایل در معرض جریان افقی و مؤلفه‌های عمود و در راستای محور استوانه سرعت جریان (Jain and Modarres-Sadeghi, 2014). PAGEREF _Toc408484256 \h 26شکل ‏29: عدد استروهال عمود برای استوانه ثابت در زوایای تمایل متفاوت (Surry and surry, 1967). PAGEREF _Toc408484257 \h 26شکل ‏210: مشاهده جریان در پشت استوانه‌ ثابت مایل در تونل باد (Rember, 1983). PAGEREF _Toc408484258 \h 27شکل ‏211: دامنه حداکثر و r.m.s دامنه بر حسب سرعت اصلاح‌شده. در این تصویر A* با η نمایش داده شده است (Lucor and Karniadakis, 2003). PAGEREF _Toc408484259 \h 28شکل ‏212: ضریب نیروی پسایی (CD(mean)) بر حسب سرعت اصلاح‌شده(Lucor and Karnadiakis, 2003). PAGEREF _Toc408484260 \h 29شکل ‏213: ضریب نیروی برآیی (CL(r.m.s)) بر حسب سرعت اصلاح‌شده(Lucor and Karnadiakis, 2003). PAGEREF _Toc408484261 \h 30شکل ‏214: گردابه‌های پشت استوانه‌‌ای که در مخزن آب کشیده می‌شوند. (a)0° ، (b)30° و (c)60° (Thakur et al., 2004). PAGEREF _Toc408484262 \h 31شکل ‏215: تأثیر زاویه تمایل بر: (a) عدد استروهال، (b) ضریب نیروی پسایی، (c) ضریب نیروی برآیی؛ (d)، (e) و (f) نسبت ضرایب بی‌بعد شده بعد از اعتبار IP به مقدار واقعی آن‌ها. (Willden and Guerbi, 2010) PAGEREF _Toc408484263 \h 32شکل ‏216: ترسیم دامنه بی‌بعد شده بر حسب سرعت اصلاح‌شده برای ○0 (●) ، ○20 (∆) و ○45 (∎) برای 0125/0 (Jain and Modarres-Sadeghi, 2012 بر اساس داده‌های Franzini et al., 2009). PAGEREF _Toc408484264 \h 33شکل ‏217: ترسیم فرکانس بی‌بعد شده بر حسب سرعت اصلاح‌شده برای ○0 (●) ، ○20 (∆) و ○45 (∎) برای 0125/0 (Jain and Modarres-Sadeghi, 2012 بر اساس داده‌های Franzini et al., 2009). PAGEREF _Toc408484265 \h 34شکل ‏218: نقشه محدوده‌های تداخل دو استوانه (Zdarvkivich 1988) PAGEREF _Toc408484266 \h 35شکل ‏219: دامنه پاسخ‌های عمود بر جهت جریان برای استوانه پایین‌دست در سرعت‌های اصلاح‌شده (Bearman, 2011) PAGEREF _Toc408484267 \h 36شکل ‏220: اثر فاصله مرکز به مرکز و سرعت اصلاح‌شده بر دامنه ارتعاشات (Bearman, 2011) PAGEREF _Toc408484268 \h 37شکل ‏221: اثر ناحیه سایه پایدار بر ارتعاشات عمود بر جهت جریان در استوانه‌های پشت‌هم (Bearman, 2011) PAGEREF _Toc408484269 \h 37شکل ‏222: نحوه ایجاد نیروهای عرضی ناپایدار بر استوانه پایین‌دست برای سرعت‌های اصلاح‌شده بالاتر از تشدید (Assi et al., 2010). PAGEREF _Toc408484270 \h 38شکل ‏31: حوضچه یدک آزمایشگاه مهندسی دریای دانشگاه شریف PAGEREF _Toc408484271 \h 41شکل ‏32: سیستم تعیین و کنترل سرعت حوضچه یدک PAGEREF _Toc408484272 \h 41شکل ‏33: تصویر شماتیک از لوله‌ی دارای تیغه‌ی حلزونی PAGEREF _Toc408484273 \h 42شکل ‏34: نمونه‌های مورد آزمایش PAGEREF _Toc408484274 \h 43شکل ‏36: نمایش زوایای مختلف تمایل. (الف) زاویه تمایل منفی . (ب) زاویه تمایل مثبت PAGEREF _Toc408484276 \h 44شکل ‏37: سیستم ارتجاعی به همراه سیستم صلب فلزی در بالادست PAGEREF _Toc408484277 \h 45شکل ‏38: نحوه قرارگیری کرنش‌سنج‌ها بر روی ورق‌های فنری PAGEREF _Toc408484278 \h 45شکل ‏39: کرنش سنج نصب شده بر روی قسمت انتهای بالایی استوانه به منظور محاسبه نیروی سیال PAGEREF _Toc408484279 \h 46شکل ‏310: دستگاه ثبت کرنش مورد استفاده (با تشکر از شرکت طازند) PAGEREF _Toc408484280 \h 46شکل ‏311: قاب صلب جهت تعیین سختی و میرایی سیستم ارتجاعی PAGEREF _Toc408484281 \h 47شکل ‏312: نمودار کرنش- نیرو جهت کالیبره نمودن کرنش‌سنج‌ها برای بارگذاری اول PAGEREF _Toc408484282 \h 48شکل ‏313: نمودار کرنش- جابجایی جهت کالیبره نمودن کرنش‌سنج‌ها برای بارگذاری اول PAGEREF _Toc408484283 \h 48شکل ‏314: نمودار نیرو- جابجایی

جهت تعیین سختی سازه برای بارگذاری اول PAGEREF _Toc408484284 \h 49شکل ‏315: نمودار تاریخچه زمانی ارتعاش آزاد یا جابجایی اولیه 10 سانتی‌متر PAGEREF _Toc408484285 \h 50شکل ‏316: نمودار تاریخچه زمانی ارتعاش آزاد فرضی PAGEREF _Toc408484286 \h 51شکل ‏317: تاریخچه زمانی ارتعاش آزاد استوانه ساده به همراه ورق انتهایی در آب PAGEREF _Toc408484287 \h 52شکل ‏318: استفاده از تبدیل هیلبرت در تعیین دامنه جابجایی حداکثر PAGEREF _Toc408484288 \h 55شکل ‏319: تاریخچه زمانی ارتعاشات استوانه BC00 در راستای عمود بر جریان و PSD متناظر با آن PAGEREF _Toc408484289 \h 57شکل ‏41: نمودار دامنه‌ی بی بعد نوسان (A/D)در راستای عمود بر جریان بر حسب سرعت اصلاح‌شده برای استوانه (BC00) PAGEREF _Toc408484290 \h 60شکل ‏42: نمودار نسبت فرکانس (f*) بر حسب سرعت اصلاح‌شده برای استوانه ساده قائم (BC00) PAGEREF _Toc408484291 \h 61شکل ‏43: نمودار دامنه‌ی بی بعد نوسان (A/D) بر حسب سرعت اصلاح‌شده برای استوانه ساده قائم (BC00) و استوانه دارای تیغه‌ی حلزونی قائم (HC00) PAGEREF _Toc408484292 \h 62شکل ‏44: نمودار نسبت فرکانس (f*) بر حسب سرعت اصلاح‌شده برای استوانه ساده قائم (BC00) و استوانه دارای تیغه‌ی حلزونی قائم (HC00) PAGEREF _Toc408484293 \h 62شکل ‏45: (الف) دامنه‌ی بی بعد نوسان (A/D) بر حسب سرعت اصلاح‌شده برای استوانه ساده با زاویه تمایل ○20 (BC20). (ب) فرکانس نسبی (f*) بر حسب سرعت اصلاح‌شده برای استوانه ساده با زاویه تمایل ○20 (BC20). PAGEREF _Toc408484294 \h 64شکل ‏46: : (الف) دامنه‌ی بی بعد نوسان (A/D) بر حسب سرعت اصلاح‌شده برای استوانه ساده با زاویه تمایل ○45 (BC45). (ب) فرکانس نسبی (f*) بر حسب سرعت اصلاح‌شده برای استوانه ساده با زاویه تمایل ○45 (BC45). PAGEREF _Toc408484295 \h 65شکل ‏47: دامنه‌ی بی بعد نوسان (A/D) بر حسب سرعت اصلاح‌شده برای استوانه ساده با زوایای تمایل ○0 (BC00)، ○20 (BC20) و ○45 (BC45) PAGEREF _Toc408484296 \h 66شکل ‏48: فرکانس نسبی (f*) بر حسب سرعت اصلاح‌شده برای استوانه ساده با زوایای تمایل ○0 (BC00)، ○20 (BC20) و ○45 (BC45) PAGEREF _Toc408484297 \h 66شکل ‏49: (الف) دامنه‌ی بی بعد نوسان (A/D) بر حسب سرعت اصلاح‌شده برای استوانه ساده با زا وای تمایل ○0 (BC00) و ○20 (BC20) و استوانه با تیغه حلزونی با زاویه تمایل ○20 (HC20). (ب) فرکانس نسبی (f*) بر حسب سرعت اصلاح‌شده برای استوانه ساده با زوایای تمایل ○0 (BC00) و ○20 (BC20) و استوانه با تیغه حلزونی با زاویه تمایل ○20 (HC20). PAGEREF _Toc408484298 \h 68شکل ‏410: (الف) دامنه‌ی بی بعد نوسان (A/D) بر حسب سرعت اصلاح‌شده برای استوانه ساده با زا وای تمایل ○0 (BC00) و ○45 (BC45) و استوانه با تیغه حلزونی با زاویه تمایل ○45 (HC45). (ب) فرکانس نسبی (f*) بر حسب سرعت اصلاح‌شده برای استوانه ساده با زوایای تمایل ○0 (BC00) و ○45 (BC45) و استوانه با تیغه حلزونی با زاویه تمایل ○45 (HC45). PAGEREF _Toc408484299 \h 69شکل ‏411: (الف) دامنه‌ی بی بعد نوسان (A/D) بر حسب سرعت اصلاح‌شده‌ی قائم برای استوانه ساده با زا وای تمایل ○0 (BC00) ، ○20 (BC20) و ○45 (BC45). (ب) فرکانس نسبی (f*) بر حسب سرعت اصلاح‌شده‌ی قائم برای استوانه ساده با زا وای تمایل ○0 (BC00) ، ○20 (BC20) و ○45 (BC45). PAGEREF _Toc408484300 \h 70شکل ‏412: : (الف) دامنه‌ی بی بعد نوسان (A/D) بر حسب سرعت اصلاح‌شده‌ی قائم برای استوانه‌ی دارای تیغه‌ی حلزونی با زا وای تمایل ○0 (BH00) ، ○20 (BH20) و ○45 (BH45). (ب) فرکانس نسبی (f*) بر حسب سرعت اصلاح‌شده‌ی قائم برای استوانه ساده با زا وای تمایل ○0 (BH00) ، ○20 (BH20) و ○45 (BH45). PAGEREF _Toc408484301 \h 71شکل ‏413: دامنه بی‌بعد نوسان (A/D) بر حسب سرعت اصلاح‌شده (U*) برای استوانه ساده و استوانه‌ی دارای تیغه‌های حلزونی با زاویه تمایل ○20± PAGEREF _Toc408484302 \h 72شکل ‏414: فرکانس نسبی نوسان (f*) بر حسب سرعت اصلاح‌شده (U*) برای استوانه ساده و استوانه‌های دارای تیغه‌های حلزونی با زاویه تمایل ○20± PAGEREF _Toc408484303 \h 73شکل ‏415: دامنه بی‌بعد نوسان (A/D) بر حسب سرعت اصلاح‌شده (U*) برای استوانه ساده و استوانه‌ی دارای تیغه‌های حلزونی با زاویه تمایل ○45± PAGEREF _Toc408484304 \h 73شکل ‏416: فرکانس نسبی نوسان (f*) بر حسب سرعت اصلاح‌شده (U*) برای استوانه ساده و استوانه‌ی دارای تیغه‌های حلزونی با زاویه تمایل ○45± PAGEREF _Toc408484305 \h 74شکل ‏417: ضریب نیروی برآیی (CL(RMS)) بر حسب سرعت اصلاح‌شده (U*) برای استوانه ساده قائم (BC00) PAGEREF _Toc408484306 \h 74شکل ‏418: ضریب نیروی برآیی (CL(RMS)) بر حسب سرعت اصلاح‌شده (U*) را به ترتیب برای استوانه ساده با زاویه تمایل 20± PAGEREF _Toc408484307 \h 75شکل ‏419: ضریب نیروی برآیی (CL(RMS)) بر حسب سرعت اصلاح‌شده (U*) را به ترتیب برای استوانه ساده با زاویه تمایل 45± PAGEREF _Toc408484308 \h 75شکل ‏420: ، ضریب نیروی برآیی (CL(RMS)) بر حسب سرعت اصلاح‌شده قائم () برای زاویه تمایل ○0 (BC00)، زاویه تمایل ○20 (BC20) و زاویه تمایل ○45 (BC45) PAGEREF _Toc408484309 \h 76شکل ‏421: ضریب نیروی برآیی (CL(RMS)) بر حسب سرعت اصلاح‌شده قائم () برای استوانه ساده با زاویه 20 درجه (BC20) و استوانه حلزونی با زاویه 20 درجه (HC20) PAGEREF _Toc408484310 \h 76شکل ‏422: اختلاف فاز بین نیرو و جابجایی برای سرعت‌های اصلاح‌شده مختلف در استوانه ساده قائم PAGEREF _Toc408484311 \h 79شکل ‏423: ترسم تبدیل هیلبرت (صفحه فاز) تاریخچه زمانی نوسان برای سه شاخه اصلی PAGEREF _Toc408484312 \h 82شکل ‏51: پاسخ استوانه ساده منفرد (TBC00) PAGEREF _Toc408484313 \h 86شکل ‏52: پاسخ استوانه‌های قائم پشت‌هم با فاصله D2 برای حالت بالادست (TBC00-2D-F) و پایین‌دست (TBC00-2D-R) PAGEREF _Toc408484314 \h 87شکل ‏53: پاسخ استوانه‌های قائم پشت‌هم با فاصله D3 برای حالت بالادست (TBC00-3D-F) و پایین‌دست (TBC00-3D-R) PAGEREF _Toc408484315 \h 88شکل ‏54: پاسخ استوانه‌های قائم پشت‌هم با فاصله D4 برای حالت بالادست (TBC00-6D-F) و پایین‌دست (TBC00-6D-R) PAGEREF _Toc408484316 \h 89شکل ‏55:

پاسخ استوانه‌های قائم پشت‌هم با فاصله D6 برای حالت بالادست (TBC00-6D-F) و پایین‌دست (TBC00-6D-R) PAGEREF _Toc408484317 \h 90شکل ‏56: (الف) زاویه تمایل منفی (F). (ب) زاویه تمایل مثبت(R) PAGEREF _Toc408484318 \h 91شکل ‏57: پاسخ استوانه‌ی ○20 درجه تکی برای حالت بالادست (TBC20-F) و پایین‌دست (TBC20-R) PAGEREF _Toc408484319 \h 92شکل ‏58: پاسخ استوانه‌های ○20 پشت‌هم با فاصله D2 برای حالت بالادست (TBC20-2D-F) و پایین‌دست (TBC20-2D-R) PAGEREF _Toc408484320 \h 93شکل ‏59: پاسخ استوانه‌های ○20 پشت‌هم با فاصله D3 برای حالت بالادست (TBC20-3D-F) و پایین‌دست (TBC20-3D-R) PAGEREF _Toc408484321 \h 94شکل ‏510: پاسخ استوانه‌های ○20 پشت‌هم با فاصله D4 برای حالت بالادست (TBC20-4D-F) و پایین‌دست (TBC20-4D-R) PAGEREF _Toc408484322 \h 95شکل ‏511: پاسخ استوانه‌های ○20 پشت‌هم با فاصله D6 برای حالت بالادست (TBC20-6D-F) و پایین‌دست (TBC20-6D-R) PAGEREF _Toc408484323 \h 96شکل ‏512: پاسخ استوانه‌ی ○45 درجه تکی برای حالت بالادست (TB45-F) و پایین‌دست (TBC45-R) PAGEREF _Toc408484324 \h 98شکل ‏513: پاسخ استوانه‌های ○45 پشت‌هم با فاصله D2 برای حالت بالادست (TBC45-2D-F) و پایین‌دست (TBC45-2D-R) PAGEREF _Toc408484325 \h 99شکل ‏514: پاسخ استوانه‌های ○45 پشت‌هم با فاصله D3 برای حالت بالادست (TBC45-3D-F) و پایین‌دست (TBC45-3D-R) PAGEREF _Toc408484326 \h 100شکل ‏515: پاسخ استوانه‌های ○45 پشت‌هم با فاصله D4 برای حالت بالادست (TBC45-4D-F) و پایین‌دست (TBC45-4D-R) PAGEREF _Toc408484327 \h 101شکل ‏516: پاسخ استوانه‌های ○45 پشت‌هم با فاصله D6 برای حالت بالادست (TBC45-6D-F) و پایین‌دست (TBC45-6D-R) PAGEREF _Toc408484328 \h 102
فهرست علائم و نشانه‌هاعنوانعلامت اختصاری
نسبت میرایی
نسبت دامنهA*نسبت جرمیm*نسبت فرکانسf*فرکانس طبیعیfNعدد رینولدزReعدد استروهالStسرعت شروع تحریکUrسرعت اصلاح‌شدهU*سرعت اصلاح‌شده قائمUn*سرعت اصلاح‌شده بحرانیUCrit*ضریب نیروی برآCLضریب نیروی پساییCDضریب جرم اضافه بالقوهCEضریب جرم اضافه موثرCEAزاویه فاز∅oزاویه تمایلθoمقدمهمقدمه

مقدمهمطالعه و بررسی نوسانات ناشی از گردابه همواره موضوع جذاب و بحث بر انگیزی بین متخصصان علم مکانیک سیالات و صنایع مرتبط با آن از جمله صنعت فراساحل بوده است. با توجه به مخرب بودن این ارتعاشات تحقیقاتی پیرامون کاهش اثر این گونه نوسانات انجام شده است لذا مطالعه تأثیر ادوات کاهنده‌ی ارتعاش به عنوان یکی از راه‌های کاهش خرابی در سازه‌های دریایی ضروری می‌باشد.
هدف از این تحقیقبا توجه به افزایش روزافزون تقاضای فرآورده‌های هیدروکربنی و رو به پایان بودن منابع موجود در مناطق قاره‌ای و اقیانوسی کم عمق اکتشافات نفت و گاز به ناچار به مناطق عمیق‌تر کشیده شده است. سازه‌های دریایی از جمله رایزرهای بلند، خطوط مهار نیمه مستغرق‌ها و غیره تحت تأثیر نوسانات ناشی از عبور جریان سیال قرار دارند (Wu et al., 2012).
در کشورمان، ایران، منابع سرشار از انرژی فسیلی در دریای مازندران، حوزه‌ی نفتی خزر و دریای عمان وجود دارد ولی مسئله آن است که عمق آب در دریای مازندران و عمان حدوداً به 1000 متر می‌رسد بنابراین تجهیزات مهندسی به ناچار وارد آب‌های عمیق می‌شوند. با ورود تجهیزات مهندسی به آب‌های عمیق یکی از مشکلات نوسانات ناشی از تولید گردابه است که مشکلاتی همچون ارتعاشات زیاد سازه و در پی آن خستگی در اتصالات را موجب می‌شود. در تحقیق حاضر مطالعات آزمایشگاهی انجام‌شده در مورد نوسانات ناشی از تولید گردابه در اعضا قائم و مایل؛ و همچنین در پایان پیشنهاد‌هایی را برای محققین آینده برای تحقیق به منظور شناخت بهتر این پدیده ارائه شده است.
ساختار تحقیقاین مجلد مشتمل بر شش فصل است. فصل دوم این مجلد مفاهیم پایه تشکیل گردابه و نحوه عملکرد ادوات کاهنده ارتعاش را ارائه می‌دهد. فصل سوم مطالعات قبلی انجام شده پیرامون استوانه‌های قائم، مایل و پشت‌هم ارائه می‌شود.
فصل چهارم به تنظیمات مدل آزمایشگاهی تحقیق حاضر اختصاص داده شده است. مشخصات نمونه‏های ‏‏آزمایشگاهی، حوضچه یدک، سیستم ارتجاعی مورد استفاده و نحوه محاسبه دامنه و فرکانس نوسان از موارد مورد بحث در این فصل می‏‏باشد.
فصل پنجم از این مجلد نیز به ارائه نتایج اندازه‏گیری‏های تجربی انجام گرفته بر روی استوانه‏های ساده و دارای تیغه‌ی حلزونی منفرد پرداخته است. ارائه نمودارهای جابجایی- سرعت اصلاح‌شده، نسبت فرکانس- سرعت اصلاح‌شده و محاسبه نیروهای وارد بر استوانه‏‌ها و مقایسه و بحث و بررسی آن‌ها از موارد مورد بررسی در این فصل می‏‏باشد.
فصل ششم از این مجلد به ارائه نتایج اندازه‏گیری‏های تجربی انجام گرفته بر روی استوانه‏های قائم و مایل ساده پشت‌هم پرداخته است. ارائه نمودارهای جابجایی- سرعت اصلاح‌شده، نسبت فرکانس- سرعت اصلاح‌شده و محاسبه نیروهای وارد بر استوانه‏‌ها و مقایسه و بحث و بررسی آن‌ها از موارد مورد بررسی در این فصل می‏‏باشد.
در فصل هفتم و پایانی نتیجه‌گیری و پیشنهادهایی برای تحقیقات آینده اختصاص داده شده است.
Abstract
Vortices shed downstream of a bluff body that is placed in a fluid flow. When the frequency of vortex shedding gets close to the natural frequency of the structure, amplified oscillations are developed in the cylinder.
Effects of suppression devices on the VIV response of inclined cylinders appear not to have received previous due attentions. In the current paper the vortex induced cross-flow vibrations of bare and helically straked cylinders in vertical and inclined arrangements were investigated. Towing tank experiments were conducted in a uniform flow. Rigid cylinders were mounted on a single degree of freedom elastic support. The inclination angles examined were θ=0o, ±20o and ±45o. The Reynolds number ranged from 4,000 to 45,000 and the reduced velocity from 1 to 16. With all tests the mass parameters and the mass-damping parameters were kept constant.
Test results on “inclined bare” and “inclined helically straked” cylinders showed that the peak amplitude of the cross-flow oscillations decreased as the inclination angle increased. The suppression ratio remained almost the same in the vertical and inclined cylinders. The predictions obtained by the so called “Independence Principal” (IP) were also examined against the test data from the current study. With “inclined helically straked” cylinders the IP predictions were almost inconsistent with all test data. In addition, the up-and downstream effects on the VIV response of the inclined bare and helically straked cylinders were studies. Hilbert Transform of the VIV responses showed that it was able to efficiently discriminate signals belonging to the lock-in, initial and lower branches of the response
Keywords: Vortex-Induced Vibration (VIV), Inclined circular cylinder, Helical strakes, Experimental study and Hilbert transform

K. N. Toosi University of Technology
Faculty of Civil Engineering
Department of Marine Structure
Thesis Title:
[Performance of VIV Suppression Devices in Inclined Gas and Oil Pipeline and Risers under Steady Flow]
By:
[Aref Farhangmehr]
Supervisor:
[Dr. Mos– Zeinoddini]
Winter 2015


کارایی ادوات کاهنده ارتعاشات ناشی از گردابه در لوله‌ها و رایزرهای مایل در معرض جریان ثابت پایان نامه ها
قیمت: 11200 تومان

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *