ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В МОДЕЛЯХ ГОФРИРОВАННЫХ ОБОЛОЧЕК
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В МОДЕЛЯХ ГОФРИРОВАННЫХ ОБОЛОЧЕК
Аннотация
Гибкие металлические трубопроводы (ГМТ) широко используются в разных отраслях промышленности. Условия их эксплуатации часто связаны с повышенной температурой, агрессивной средой, колебаниями, возникающими при работе агрегатов. Предотвращение разрушения гибких металлических рукавов и продление сроков их работы является предметом данных исследований. В работе исследовано влияние геометрии гофрированных оболочек и скорости протекания жидкости на возникновение разных форм колебаний. Рассмотрено влияние всех этих факторов, в совокупности, на процесс разрушения ГМТ. На основании проведенных лабораторных исследований построены графические зависимости, позволяющие наглядно убедиться в правильности сделанных выводов.
1. Введение
Гибкие металлические трубопроводы (ГМТ) широко применяются в различных отраслях промышленности: нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, в машиностроении, в трубопроводных системах авиационной техники и т.д. При разрушении ГМТ происходит остановка работы всего агрегата, поэтому важно исследовать все негативные факторы, действующие на гофрированные оболочки, и учесть их еще на этапе проектирования ГМТ.
Работа гибких трубопроводов происходит в агрессивной среде, они подвергаются вибрациям, вызывающими колебания различных форм, на них действуют статические и динамические нагрузки. Через ГМТ могут перекачиваться криогенные жидкости, присутствует пульсация давления потока. Все это создает условия для преждевременного разрушения ГМТ и выхода из строя агрегата. Исследованиям всех этих факторов посвящены работы и научные исследования различных авторов. В данной работе исследовано течение жидкости в моделях гофрированной оболочки.
При эксплуатации гибких металлических рукавов было замечено, что гофрированная оболочка при некоторых скоростях потока жидкости испытывает значительные колебания, которые часто заканчиваются разрушением гибкого рукава , , .
Анализ литературы , , , по данному вопросу приводит к выводу, что причина такого явления кроется в высокочастотных резонансных продольных колебаниях гофрированной оболочки, которые вызывают ее усталостное разрушение. Резонансные колебания возникают при совпадении частоты пульсации давления с частотой собственных колебаний гофрированных оболочек. Пульсация давления образуется в результате периодических срывов вихрей с впадин гофров.
2. Методы и принципы исследования
Для изучения механизма возбуждения колебаний гофрированной оболочки использован метод гидравлической аналогии , , . Для проливки в гидролотке были изготовлены плоские модели гофрированной оболочки в увеличенном масштабе.
Для математического описания движения газа или жидкости используют число Струхаля и число Маха.
Число Струхаля:
где f – характерная частота образования вихрей,
L – характерный линейный размер течения,
v – характерная скорость потока.
Число Маха – это безразмерная величина скорости потока к локальной скорости звука:
где u – локальная скорость потока относительно границ внутренних или внешних,
с – скорость звука в среде.
Для наглядности процесса обтекания гофров потоком на поверхность жидкости наносилась алюминиевая пудра. Картины обтекания фотографировались. В гофрах, в зависимости от их геометрии, существуют стационарные вихри, которые при увеличении скорости потока медленно увеличивают свою интенсивность, оставаясь внутри гофра. Начиная с определенной скорости потока, с подветренной стороны впадины гофра начинают срываться мелкие вихри, вызывая при этом незначительные колебания уровня жидкости в полости гофра. Срыв вихря инициирует колебание давления в гофрированной оболочке. Такой режим периодического срыва вихрей с гофров сохраняется при дальнейшем увеличении скорости потока. Колебания уровня жидкости остаются незначительными.
3. Основные результаты
В процессе проливки всех образцов, моделирующих гибкую оболочку, в определенном диапазоне скоростей наблюдается особый режим, при котором возрастала амплитуда колебаний уровня жидкости в гофрах. Этот процесс периодический и устойчивый. Если в поток вносились возмущения, прекращающие колебания, то после их снятия картина восстанавливалась.
Было замечено существование двух форм колебаний уровня жидкости:
- с длиной волны, включающей четыре гофра;
- с длиной волны, включающей два гофра.
По мере роста скорости потока увеличивается скорость срыва вихрей в гребне гофра (fc), которая пропорциональна скорости потока. Процесс срыва вихрей приводит к колебанию уровня жидкости в полости гофра. Эти колебания происходят с частотой, определяемой геометрией полости (fs).
При определенном соотношении этих частот (fc/fs) колебания жидкости в гофре начинают вызывать преждевременный отрыв вихрей, то есть частота срывов вихрей подстраивается под частоту собственных колебаний полости и наступает резонанс. При этом режиме в полости гофра заметен только один нестационарный интенсивный вихрь, который периодически образуется и срывается. Этот процесс происходит в определенном диапазоне скорости течения жидкости, который можно назвать диапазоном «затягивания в синхронизм».
Исследование моделей гофрированных оболочек с различной геометрией гофров показала, что критическая скорость и диапазон «затягивания в синхронизм» зависит от шага гофрировки , . Это связано с тем, что с изменением шага изменяется и собственная частота колебаний уровня жидкости в полости модели (fs).
Исследование влияния геометрии гофра на процесс вихреобразования показал, что уменьшение шага гофрировки сдвигает «диапазон затягивания в синхронизм» в сторону увеличения скорости потока. Это связано с тем, что уменьшается масса газа, заключенного в полости гофра и увеличивается собственная частота колебаний оболочки (рис. 1).
Рисунок 1 - Зависимость числа Струхаля от числа Маха:
1 – оболочка с прямыми гофрами; 2 – оболочка со сближенными гофрами
4. Обсуждение
Выводы, полученные на основании результатов проливки моделей в гидролотке подтверждены на гидроустановке при проливе натурных образцов Ду= 40 мм. Мощность установки позволила на образцах получать скорость до 10 м/с. Перед проливкой образцы препарировались тензодатчиками по вершинам гофров. Наличие тензодатчиков позволило определять не только уровень напряжения в гофрированной оболочке, но и номер наблюдаемой формы колебаний. Распределение напряжений по длине гофрированной оболочки при различных формах колебаний представлено на рис. 2.
Рисунок 2 - Распределение напряжений по длине гофрированной оболочки при различных формах колебаний
Рисунок 3 - Зависимость уровня напряжений от скорости потока для различных форм колебаний оболочки с числом гофров 33
Переход от одной формы колебаний к другой происходит скачкообразно в узком диапазоне скоростей. С увеличением скорости потока происходит увеличение номера формы колебаний.
5. Заключение
Анализ исследований, проведенных на гидролотке, позволяет сделать следующие выводы:
1. При движении газа в гофрированной оболочке возникает отрывное обтекание гофр, выражающееся в периодическом срыве вихрей с впадин гофров. Срыв вихрей вызывает колебание давления в полости гофра, что может привести к резонансным колебаниям гофрированной оболочки.
2. Пульсация давления в полости гофра имеет малую интенсивность, но при совпадении частоты срыва вихрей с собственной частотой колебания газа, заключенного в полости гофра, наблюдается резкое увеличение интенсивности срывающихся вихрей и пульсаций давления в полости гофра.
Анализируя графические зависимости, представленные на рис.3 можно сделать вывод о том, что с увеличением формы колебаний увеличивается уровень напряжений в гофрах гофрированной оболочки и возрастает опасность разрушений с ростом номера формы колебаний.
Полученные в результате исследований результаты, должны быть учтены на этапе проектирования гибких металлических рукавов и при выборе оптимальных условий их работы. Это значительно продлит срок их эксплуатации.