بررسی نیروهای هیدرودینامیکی لحظه‌ای وارد بر خطوط لوله فراساحلی مرکب تحت جریان‌های دائمی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز

2 دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی عمران، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز

چکیده

در خطوط لوله انتقال نفتی، نیروهای وارده به لوله ­ها از پارامترهای مهم طراحی به ­شمار می ­روند. مقدار این نیروها بر حسب تغییر در نحوه قرارگیری لوله ­های مجاور نظیر فاصله بین لوله­ ها، نسبت ابعاد لوله ­ها و نیز آرایش قرارگیری آن­ها تحت تأثیر قرار می­ گیرد؛ از این رو در پژوهش حاضر، بررسی تغییرات نیروهای هیدرودینامیکی برای حالات مختلف قرارگیری لوله ها تحت شرایط هیدرودینامیکی مختلف مورد توجه قرار گرفته است. در این راستا، نیروهای هیدرودینامیکی لحظه‌ای وارد بر خطوط لوله فراساحلی مرکب تحت جریان‌های دائمی محاسبه و مورد تحلیل قرار گرفته ­اند. کلیه شبیه‌سازی‌ها به‌صورت سه ­بعدی و در محیط نرم‌افزار ANSYS FLUENT16.0 انجام شده است. با تغییر سرعت جریان سیال و قطر سیلندر اصلی، تأثیر تغییرات عدد رینولدز بر ضرایب نیروهای هیدرودینامیکی لحظه‌ای وارد بر خطوط لوله مرکب مورد بررسی قرار گرفت. پس از بررسی‌های اولیه، مدل آشفتگی گردابه‌های بزرگ (LES) و سلول‌بندی منظم انتخاب گردید. در ادامه تأثیر فاصله نسبی سیلندر اصلی تا بستر (e/D)، فاصله نسبی دو سیلندر از یکدیگر (G/D) و قطر نسبی (d/D) مورد پژوهش قرار گرفت. نتایج نشان داد با افزایش سرعت، مقادیر میانگین زمانی ضرایب پسا (Drag coefficient) و برآ (Lift coefficient) لوله‌‌ اصلی به ترتیب در حدود 15% و 30% کاهش می­ یابد. در مورد لوله‌‌ فرعی این کاهش برای میانگین زمانی ضرایب پسا و برآ به­ ترتیب در حدود 13% و 25% است. اما با افزودن لوله فرعی سوار بر لوله اصلی، مقادیر میانگین زمانی ضرایب نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر لوله‌‌ اصلی کاهش چشمگیری پیدا می ­کند به گونه ­ای که این مقادیر در مورد ضریب برآ کاهشی حدود 40% را نشان می ­دهد که این امر سبب کاهش آسیب جدی به خط لوله اصلی می‌گردد. همچنین با افزایش فاصله نسبی بین لوله‌های اصلی و فرعی تا مقدار 2/0، مقدار متوسط زمانی ضریب برآ در مورد لوله اصلی ابتدا افزایش یافته و سپس به مقدار ثابت (تغییرات نامحسوس) رسید. با افزایش فاصله نسبی بین لوله‌ها نیز، مقادیر متوسط زمانی ضریب پسا برای لوله فرعی افزایش یافت. سرانجام مشاهده گردید که با افزایش قطر سیلندر اصلی سطح برخورد سیال به سیلندرها افزایش یافته که این امر موجب افزایش دامنه نوسانات ضرایب نیروهای هیدرودینامیکی گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigating into the Temporal Hydrodynamic Forces Exerted on Offshore Piggyback Pipelines due to Steady Currents

نویسندگان [English]

  • Hamed Chehrehgosha 1
  • Habib Hakimzadeh 1
  • Nazila Kardan 2
1 Faculty of Civil Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran
2 Department of Civil Engineering, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
چکیده [English]

For the gas and oil pipelines in marine environment, the forces exerted on these structres are regarded to be of the important parameters in designing them. These pipelines are usually installed with twin arrangements as tandom or side by side. The diameters of the two pipelines may also be identical or different. Neverthless, a number of them may also be configured as piggyback, an special case of side by side arrangements when their diameters are not equal. The parameters around this special arrangement have already been studied both experimentally and numerically by a few number of researchers, namely, Zhao et al. (2007), Zang et al. (2012), Hakimzadeh and Mosahebi Mohammadi (2016), Kardan and Hakimzadeh (2018). However, for this research study, the momentary hydrodynamic forces acting on the piggyback pipelines due to steady currents have been investigated using numerical simulation. All simulations were performed in 3D using ANSYS FLUENT 16 software environment. First, the capability of the software for the current study was investigated. The number of cells and various turbulence models were considered to find the proper mesh size and model, respectively. Then, considering that for flows around a single pipe, the conventional turbulence models may not provide accurate results, therefore, by examining different cell types and turbulence models, an attempt was made to select the appropriate type that can provide more accurate results by spending a reasonable computational cost. Then, it was found that a structured cell formation together with LES turbulence model reproduced the flow patterns around the pipe with a reasonable accuracy when compared with the experimental data. For the numerical simulation results, first, the effects of the inlet flow velocity and main pipe diameter (i.e., the Reynolds number) variations on the coefficients of instantaneous hydrodynamic forces (i.e., drag and lift) exerted on piggyback pipelines were determined. Further, effects of the distance between pipes (G/D), the proximity to the bed (e/D) and the relative diameter (d/D) variations on the drag and lift coefficients were considered through computer simulations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Piggyback pipelines
  • Hydrodynamic forces
  • Numerical simulation
  • Turbulent flow
  • Fluent software
چهره ­گشا م، "بررسی نیروهای هیدرودینامیکی لحظه‌ای وارد بر خطوط لوله فراساحلی سوار بر هم تحت جریان‌های دائمی"، پایان­نامه مقطع کارشناسی ارشد، 1400، دانشگاه صنعتی سهند، دانشکده مهندسی عمران، تبریز.
زنگنه م، یگانه بختیاری ع، "مدل ­سازی عددی الگوی جریان اطراف لوله ­های فراساحل تحت اثر جریان یک ­طرفه"، نهمین کنفرانس هیدرولیک، 1389، تهران. https://civilica.com/doc/96221
Akoz MS, Sahin B, Akilli H, “Flow characteristic of the horizontal cylinder placed on the plane boundary”, Flow Measurement and Instrumentation, 2010, 21 (4), 476-487.
Asrari, S, Hakimzadeh H, Kardan N, “Investigation on the local scour beneath piggyback pipelines under clear-water conditions”, China Ocean Engineering, 2021, 35, 422-431. DOI: 10.1007/s13344-021-0039-7
Bearman PW, Zdravkovich MM, “Flow around a circular cylinder near a plane boundary”, Journal of Fluid Mechanics, 1978, 89 (1), 33-47.
DOI: 10.1017/S002211207800244X
Chen L, Hulshoff SJ, Wang Y, “2D residual-based LES of flow around a pipeline close to a flat seabed”, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2020, 363, 112788.
Cheng L, Chew LW, “Modelling of flow around a near-bed pipeline with a spoiler”, Ocean engineering, 2003, 30 (13), 1595-1611. DOI: 10.1016/S0029-8018(02)00148-8
E-Rong QI, Guo-ya LI, Wei LI, Jian WU, Xin ZHANG, “Study of vortex characteristics of the flow around a horizontal circular cylinder at various gap-ratios in the cross-flow”, Journal of Hydrodynamics, Ser. B, 2006, 18 (3), 334-340. DOI: 10.1016/S1001-6058(06)60013-9
Faruquee Z, Ting D, Fartaj A, Barron RM, Carriveau R, “The effects of axis ratio on laminar fluid flow around an elliptical cylinder”, International Journal of Heat and Fluid Flow, 2007, 28 (5), 1178-1189.
Grove AS, Shair FH, Petersen, EE, “An experimental investigation of the steady separated flow past a circular cylinder”, Journal of Fluid Mechanics, 1964, 19 (1), 60-80. DOI: 10.1017/S0022112064000544
Grass AJ, Raven PWJ, Stuart RJ, Bray JA, “The influence of boundary layer velocity gradients and bed proximity on vortex shedding from free spanning pipelines”, Journal of Energy Resources, 1984, 106 (1), 70-78. DOI: 10.1115/1.3231028
Hakimzadeh H, Mosahebi Mohammadi M, “Experimental investigation on impact of reynolds number, fitting distance and relative diameter on flow separation around piggyback pipelines“, Marine-Engineering, 2016, 11 (22), 109-117.
Hosseini N, Griffith MD, Leontini JS, “Flow-induced vibrations in long rows of cylinders and their links to convective instabilities”, International Journal of Heat and Fluid Flow, 2022, 94, 108922.
Kardan N, Hakimzadeh H, “Numerical investigation of the hydrodynamic forces on offshore piggyback pipelines in steady currents”, Marine-Engineering, 2018, 13 (26), 131-137.
Kawamura T, Takami H, Kuwahara K, “Computation of high Reynolds number flow around a circular cylinder with surface roughness”, Fluid Dynamics Research, 1986, 1 (2), 145-167.
DOI: 10.1016/0169-5983(86)90014-6
Kazeminezhad MH, Yeganeh-Bakhtiary A, Etemad-Shahidi A, “Numerical investigation of boundary layer effects on vortex shedding frequency and forces acting upon marine pipeline”, Applied Ocean Research, 2010, 32 (4), 460-470.
Lei C, Cheng L, Kavanagh K, “A finite difference solution of the shear flow over a circular cylinder”, Ocean Engineering, 2000, 27 (3), 271-290.
Lin WJ, Lin C, Hsieh SC, Dey S, “Flow characteristics around a circular cylinder placed horizontally above a plane boundary”, Journal of Engineering Mechanics, 2009, 135 (7), 697-716.
Liu MM, “The predominant frequency for viscous flow past two tandem circular cylinders of different diameters at low Reynolds number”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part M: Journal of Engineering for the Maritime Environment, 2020, 234 (2), 534-546.
Mysa RC, Kaboudian A, Jaiman RK, “On the origin of wake-induced vibration in two tandem circular cylinders at low Reynolds number”, Journal of Fluids and Structures, 2016, 61, 76-98.
DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2015.11.004
Oner AA, Kirkgoz MS, Akoz MS, “Interaction of a current with a circular cylinder near a rigid bed”, Ocean Engineering, 2008, 35 (14-15), 1492-1504.
Priced SJ, Sumnert D, Smith JG, Leong K, Paidoussis MP, “Flow visualization around a circular cylinder near to a plane wall”, Journal of Fluids and Structures, 2002, 16 (2), 175-191. DOI: 10.1006/jfls.2001.0413
Qin B, Alam M, Zhou Y, “Two tandem cylinders of different diameters in crossflow: flow-induced vibration”, Journal of Fluid Mechanics, 2017, 829, 621-658. DOI: 10.1017/jfm.2017.510
Serta CPV, Janocha MJ, Yin G, Ong MC, “Numerical simulations of flow-induced vibrations of two rigidly coupled cylinders with uneven diameters in the upper transition Reynolds number regime”, Journal of Fluids and Structures, 2022, 105, 103332.
DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2021.103332
Wu G, Xiaoqing Du, Wang Y, “LES of flow around two staggered circular cylinders at a high subcritical Reynolds number of 1.4× 105”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2020, 196, 104044. DOI: 10.1016/j.jweia.2019.104044
Zang Z, Gao F, Cui, J, “Vortex shedding and vortex-induced vibration of piggyback pipelines in steady currents”, International Offshore and Polar Engineering Conference, Rhodes, Greece, June 2012.
Zang ZP, Gao FP, Cui JS, “Physical modeling and swirling strength analysis of vortex shedding from near-bed piggyback pipelines”, Applied Ocean Research, 2013, 40, 50-59. DOI: 10.1016/j.apor.2013.01.001
Zhao M, Cheng  L, Teng B, Liang D, “Numerical simulation of viscous flow past two circular cylinders of different diameters”, Applied Ocean Research, 2005, 27 (1), 39-55.
DOI: 10.1016/j.apor.2004.10.002
Zhao M, Cheng L, Teng B, “Numerical modeling of flow and hydrodynamic forces around a piggyback pipeline near the seabed”, Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering“, 2007, 133 (4), 286-295.
DOI: 10.1061/(ASCE)0733-950X(2007)133:4(286)