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: [email protected]
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

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 *