ارزیابی افت اصطکاک غیرماندگار در جریان گذرا

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استاد دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز

2 گروه عمران، موسسه آموزش عالی جهاد دانشگاهی خوزستان، اهواز

3 گروه سازه‌های آبی دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران، اهواز، ایران

چکیده

جریان گذرا با کاهش آنی دبی جریان ناشی از بسته شدن سریع شیر یا از کار افتادن پمپ در شبکه­های آبرسانی ایجاد می­شود. جریان گذرا با ایجاد کردن موج­های فشاری زیاد و کم، ممکن است به خطوط لوله آسیب برساند. مقایسه نتایج آزمایشگاهی و عددی در مطالعات پیشین نشان می­دهد که مدل­های اصطکاک شبه­ماندگار با فرض یکنواخت و یک‌بعدی بودن پروفیل سرعت، قادر به پیش­بینی صحیح فرآیند اتلاف انرژی امواج فشاری نیستند. بنابراین، هدف از این تحقیق، بررسی پروفیل سرعت در مقطع انتهایی لوله برای رسیدن به درک صحیح از جریان گذرا می­باشد. به‌علاوه، این پژوهش با استفاده از روش خطوط مشخصه، توانایی مدل­های اصطکاک غیرماندگار بر پایه­ای شتاب لحظه­ای در پیش­بینی نمودن تاریخچه فشاری حاصل از جریان گذرا را ارزیابی می­کند. به‌منظور رسیدن به این اهداف، از یک خط لوله PVC با قطر داخلی 63 میلی­متر در دو طول مختلف 40 و 80 متر استفاده شده است. همچنین، یک شیر توپی برای ایجاد جریان گذرا در انتهای خط لوله نصب شده است. در مدت زمان عبور جریان گذرا از خط لوله، داده­های پروفیل سرعت و نوسانات فشار دینامیکی توسط دستگاه سرعت‌سنج الکتروسونیک داپلر و ترانسدیوسرهای فشار جمع‌آوری می­شدند. نتایج آزمایش­ها نشان از وجود جریان برگشتی در پروفیل سرعت و گرادیان بزرگ سرعت در نزدیکی جدار لوله می­باشد. به‌علاوه، نتایج نشان داد که مدل­­های تجربی با دو ضریب اصلاحی، تطابق بهتری با نتایج آزمایشگاهی ایجاد می­کند. ترم  در مدل­های اصطکاک غیرماندگار بر فاز زمانی امواج فشاری و ترم  بر میزان افت امواج مؤثر می­باشد. بعلاوه، ضریب ترم شتاب زمانی kt در محدوده 0037/0 تا 006/0 متغیر بوده درحالی­که مقدار ضریب ترم شتاب مکانی kx در محدوده 0325/0 تا 052/0 تغییر می­کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of Unsteady Friction in Transient Flow

نویسندگان [English]

  • Manoochehr Fathimoghadam 1
  • sadegh Haghighipour 2
  • Sajad Kiani 3
1 Professor of faculty of Water Science Engineering of Ahvaz Chamran University
2 Assistant Professor, Civil Engineering Department, Jahad Daneshgahi Academic Institute Of Ahwaz, Iran
3 M.Sc. Graduate, PhD Student at Department of Hydraulic Structures
چکیده [English]

Transient flow is generated by an instantaneous reduction in flow rate due to rapid valve closure or pump failure in a water network. Transient flow creates high and low pressure waves that it may be to damage pipelines. Comparison of experimental and numerical results in previous studies revealed that quasi-steady models with assumption of uniform and 1D velocity profile could not correctly predict the damping process of the pressure waves. So, the aims of this study are investigation of velocity profile at the downstream end section of pipeline to give a correct understanding of transient flow dynamics. Also, this paper evaluates the ability of the instantaneous acceleration–based (IAB) unsteady friction models to estimate pressure history in transient flow using the method of characteristics. To achieve this goal, a pipeline, made of PVC, with a nominal diameter of 63 mm in the two different lengths of 40 m and 80 m was used. In addition, a ball valve at the downstream end was installed to create transient flow. The data of velocity distribution and dynamic pressure oscillation during these transient events were collected by Ultrasonic Doppler Velocimetry and Pressure transducers. Results of experiments indicate existence of inflection points in the base flow velocity profile and the large velocity gradient near the pipe wall. Furthermore, the results show that two-coefficient models produce a better match with the experimental measurements. The terms and in unsteady friction models affect the phase shift and the damping of transient pressure waves, respectively. Moreover, the coefficients of acceleration terms vary from 0.0037 to 0.006 for kt and from 0.0325 to 0.052 for kx.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Keyword: Acceleration terms
  • Energy dissipation
  • Pressure waves
  • Velocity profile

­که مقدار ضریب تجربی ترم  در محدوده 0325/0 تا 052/0 تغییر می­کند.


منابع

کوچک­زاده، ص. و ع. پرورش­ریزی. 1392. مقدمه­ای بر هیدرولیک جریان ناپایدار. انتشارات دانشگاه تهران.

Bousso, S. and M. Fuamba. 2013. Numerical simulation of unsteady friction in transient two-phase flow with Godunov method. Journal of Water Resource and Protection, 5(11): 1048.

Brunone, B., U. M. Golia and M. Greco. 1991. Modelling of fast transients by numerical methods. In Proc. Int. Conf. on Hydraulic Transients with Water Column Separation, pp. 273-280.

Brunone, B., B. W. Karney, M. Mecarelli and M. Ferrante. 2000. Velocity profiles and unsteady pipe friction in transient flow. Journal of water resources planning and management, 126(4): 236-244.

Chaudhry, M. H. 2014. Applied Hydraulic Transients. Springer New York, pp. 503.

Daily, J. W., W. L. Hankey, R. W. Olive and J. M. Jordaan. 1956. Resistance Coefficients for Accelerated and Decelerated Flows through Smooth Tubes and Orifices. Trans. ASME, 78: 1071–1077.

Den Toonder, J. M. J. and F. T. M. Nieuwastadt. 1997. Reynolds effects in a turbulent pipe flow for low to moderate Re. Physics of Fluids, 9(11): 3398-3409.

Holmboe, E. L. and W. T. Rouleau. 1967. The effect of viscous shear on transients in liquid lines. Journal of Basic Engineering, 89(1): 174-180.

Karney, B. W. and D. McInnis. 1992. Efficient calculation of transient flow in simple pipe networks. Journal of hydraulic engineering, 118(7): 1014-1030.

Kim, S. H., A. Zecchin and L. Choi. 2014. Diagnosis of a pipeline system for transient flow in low Reynolds number with impedance method. Journal of Hydraulic Engineering, 140(12): p.04014063.

Loureiro, D. and H. Ramos. 2003. A modified formulation for estimating the dissipative effect of 1-D transient pipe flow. Proc., Conf. on Pumps, Electromechanical Devices and Systems Applied to Urban Water Management, Madrid, Spain, 755-763.

Mrokowska, M. M., P. M. Rowiński and M. B. Kalinowska. 2015. Evaluation of friction velocity in unsteady flow experiments. Journal of Hydraulic Research, 53(5): 659-669.

Nikuradse, J. 1932. Regularities of turbulent flow in smooth pipes. VDI-Forschungsheft, 356.

Ramos, H., D. Covas, A. Borga and D. Lourerio. 2004. Surge Damping Analysis in Pipe Systems: Modeling and Experiments. Journal of Hydraulic Research, 42(4): 413-425.

Reddy, H. P., W. F. Silva-Araya and M. H. Chaudhry. 2011. Estimation of Decay Coefficients for Unsteady Friction for Instantaneous, Acceleration-Based Models. Journal of Hydraulic Engineering, 138(3): 260-271.

Storli, P. T. and T. K. Nielsen. 2010. Transient friction in pressurized pipes. I: Investigation of Zielke’s model. Journal of Hydraulic Engineering, 137(5): 577-584.

Trikha, A. K. 1975. An efficient method for simulating frequency-dependent friction in transient liquid flow. Journal of Fluids Engineering, 97(1): 97-105.

Vardy, A. E. and J. M. B. Brown. 1995. Transient, turbulent, smooth pipe friction. Journal of Hydraulic Research, 33(4): 435–456.

Vardy, A. E., K. L. Hwang and J. M. B. Brown. 1993. A weighting function model of transient turbulent pipe friction. Journal of Hydraulics Research, 31: 533-544.

Vitkovsky, J. P., A. Bergant, A. R. Simpson and M. F. Lambert. 2006. Systematic Evaluation of One-dimensional Unsteady Friction Models in Simple Pipelines. Journal of Hydraulic Engineering, 132(7): 696-708.

 

 

Vitkovsky, J. P., M. F. Lambert, A. R. Simpson and A. Bergant. 2000. Advances in Unsteady Friction Modeling in Transient Pipe Flow. Proc., 8th Int. Conf. on Pressure Surges, BHR Group, Bedford, UK, pp. 471-482.

Wunderlich, T. and P. O. Brunn. 2000. A wall layer correction for ultrasound measurement in tube flow: comparison between theory and experiment. Flow Measurement and Instrumentation, 11(2): 63-69.

Zielke, W. 1968. Frequency-dependent friction in transient pipe flow. Journal of Fluids Engineering, 90(1): 109-115