A STUDY OF FLUID FLOW IN CORRUGATED SHELL MODELS
A STUDY OF FLUID FLOW IN CORRUGATED SHELL MODELS
Abstract
Flexible metal conduits (FMC) are widely used in various industries. Their operating conditions are often associated with elevated temperatures, corrosive environments, vibrations that occur during the work of units. Prevention of rupture of flexible metal tubes and extension of their operating life is the subject of this research. The influence of geometry of corrugated shells and fluid flow velocity on the occurrence of different forms of oscillations is examined in the paper. The influence of all these factors, in the aggregate, on the process of rupture of FMCs is reviewed. On the basis of the laboratory studies, graphical dependences were drawn, which allow to visually verify the accuracy of the conclusions made.
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.