بررسی رفتار دوبعدی هوای محبوس در خطوط انتقال طی فرایند پرشدن و تخلیه ناگهانی با روش عددی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استاد، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه مراغه، مراغه، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد عمران آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه مراغه، ایران

3 استادیار گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه مراغه، مراغه، ایران

4 دکترا سازه‌های هیدرولیکی، دانشگاه لیسبون، پرتقال

10.22093/wwj.2020.197239.2908

چکیده

هوای محبوس در سیستم لوله‌های انتقال آب می‌تواند باعث انسداد جریان، ایجاد خوردگی، تأثیر منفی بر عملکرد شیرآلات و پمپ‌ها شود. بنابراین در این پژوهش بخشی از خط انتقال آب شرب سد عباس‌آباد با استفاده از نرم‌افزار انسیس فلوئنت، رفتار هوای محبوس طی فرایند پرشدن و تخلیه ناگهانی و بررسی تأثیر وجود آن بر تغییرات فشار بررسی شد. هوای محبوس با طول‌های 5/0، 2 ، 3 متر و فشار ورودی برابر 2456/1، 7456/1 و 2456/2 اتمسفر برای لوله‌ای به طول 35 متر از نوع فلزی که شیر تخلیه در منتهی‌الیه خروجی آن تعبیه شده بود شبیه‌سازی شد. تأثیر تغییرات فشار-زمان به دو شیوه 1) تغییرات فشار در بدنه لوله و شیر تخلیه و 2) تغییرات فشار داخل هوای محبوس بررسی شد. نتایج نشان داد که تغییرات فشار در هر دو حالت به‌دلیل وجود هوای محبوس با نوسانات بسیار زیادی توأم بود و این نوسانات تا باز شدن کامل شیر تخلیه ادامه داشت و هر اندازه طول هوای محبوس بزرگ‌تر باشد دامنه و طول نوسانات ایجاد شده بیشتر خواهد بود. مدل‌سازی با شرایط مرزی مشابه و بدون حضور هوا نشان‌دهنده عدم وجود نوسانات فشاری است. برای صحت‌سنجی نتایج مدل عددی، از نتایج (Palau et al., 2019) و محاسبه درصد خطای نسبی و شاخص‌های NRMSE , RMSE استفاده شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of the Behavior 2D of Trapped Air in the Water Conveyance Systems During Rapid Filling or Emptying Process

نویسندگان [English]

  • Rasoul Daneshfaraz 1
  • Saeed Dastgiri 2
  • Babak Ali Nejad 3
  • Mohsen Besharat 4
1 Prof., Dept. of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Maraghe University, Maragheh, Iran
2 MSc Student in Civil and Hydraulic Structures, Faculty of Engineering, Maragheh University, Maragheh, Iran
3 Assist. Prof., Dept. of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Maragheh University, Maragheh, Iran
4 PhD, Instituto Superior Técnico, University of Lisbon, Portugal
چکیده [English]

The trapped air in the water conveyance systems may cause the obstruction of flow, corrosion and adverse effect on the performance of valves and pumps. This study is part of the Abbas Abad Dam Drinking Water Transmission Line using Ansys Fluent Software, The behavior of air entrapped during the filling and discharging process and the effect of its existence on pressure changes were studied. Entrapped air was simulated at 0.5, 2, 3 m lengths and inlet pressures of 1.2456, 1.7456 and 2.2456 atmospheres for a 35-meter-long metal pipe with a discharge valve embedded in its outlet end. The effects of pressure-time changes were investigated in two ways: a) pressure changes in the pipe and drain valve and b) pressure changes inside the entrapped air. The results showed that the pressure changes in both cases were due to the large fluctuations in confined air and that the fluctuations continued until the drain valve was fully opened and the longer the confined air length was, the greater the amplitude and length of the created fluctuations. Modeling with similar boundary conditions without the presence of air indicates no pressure fluctuations. The results of the verification confirm the research results. Besides the Palau et al, 2019 results, calculation of relative error, RMSE and NRMSE were used in order to validate the numerical model results.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Trapped Air
  • Two phase flow
  • Sudden Discharge
  • Abbas Abad Dam Transmission Line
Abreu, J., Cabrera, E., Izquierdo, J. & García-Serra, J. 1999. Flow modeling in pressurized systems revisited. Journal of Hydraulic Engineering, 125, 1154-1169.
Besharat, M., Coronado-Hernández, O. E., Fuertes-Miquel, V. S., Viseu, M. T. & Ramos, H. M. 2018. Backflow air and pressure analysis in emptying a pipeline containing an entrapped air pocket. Urban Water Journal, 15, 769-779.
Besharat, M., Tarinejad, R. & Ramos, H. M. 2016. The effect of water hammer on a confined air pocket towards flow energy storage system. Journal of Water Supply: Research and Technology-AQUA, 65, 116-126.
Coronado-Hernández, O. E., Fuertes-Miquel, V. S., Besharat, M. & Ramos, H. M. 2017. Experimental and numerical analysis of a water emptying pipeline using different air valves, Water, 9(2), 98.
Daneshfaraz, R. 2013. 3-D Investigation of velocity profile and pressure distribution in bends with different diversion angle. Journal of Civil Engineering and Science, 2, 234-240.
Daneshfaraz, R., Rezazadehjoudi, A. & Abraham, J. 2018. Numerical investigation on the effect of sudden contraction on flow behavior in a 90-degree bend. KSCE Journal of Civil Engineering, 22, 603-612.
Escarameia, M. 2007. Investigating hydraulic removal of air from water pipelines. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Water Management, Thomas Telford Ltd., 25-34.
Fuertes-Miquel, V. S., Coronado-Hernández, O. E., Iglesias-Rey, P. L. & Mora-Meliá, D. 2019. Transient phenomena during the emptying process of a single pipe with water–air interaction. Journal of Hydraulic Research, 57, 318-326.
Gorman, J. M., Sparrow, E. M., Smith, C., Ghosh, A., Abraham, J., Daneshfaraz, R., et al. 2018. In-bend pressure drop and post-bend heat transfer for a bend with a partial blockage at its inlet. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 73, 743-767.
Izquierdo, J., Fuertes, V., Cabrera, E., Iglesias, P. & Garcia-Serra, J. 1999. Pipeline start-up with entrapped air. Journal of Hydraulic Research, 37, 579-590.
Khosfetrat, A., Daneshfaraz, R. & Behmanesh, J. 2018. Numerical Comparison of Various Methods of Transient Flow Calculation in Water Conveyance Systems with Pumping Station. Journal of Water and Wastewater, 29(2), 85-100. (In Persian)
Laanearu, J., Annus, I., Koppel, T., Bergant, A., Vučković, S., Hou, Q., et al. 2012. Emptying of large-scale pipeline by pressurized air. Journal of Hydraulic Engineering, 138, 1090-1100.
Martins, N. M., Delgado, J. N., Ramos, H. M. & Covas, D. I. 2017. Maximum transient pressures in a rapidly filling pipeline with entrapped air using a CFD model. Journal of Hydraulic Research, 55, 506-519.
Palau, C. V., Balbastre, I., Manzano, J., Azevedo, B. M. & Bomfim, G. V. 2019. Numerical analysis of woltman meter accuracy under flow perturbations. Water, 11(12), 2622.
Ramezani, L., Karney, B. & Malekpour, A. 2016. Encouraging effective air management in water pipelines: A critical review. Journal of Water Resources Planning and Management, 142, 04016055.
Wang, H., Zhou, L., Liu, D., Karney, B., Wang, P., Xia, L., et al. 2016. CFD approach for column separation in water pipelines. Journal of Hydraulic Engineering, 142, 04016036.
Zhou, L., Liu, D.-Y. & Ou, C.-Q. 2011. Simulation of flow transients in a water filling pipe containing entrapped air pocket with VOF model. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 5, 127-140.
Zhou, L. & Liu, D. 2013. Experimental investigation of entrapped air pocket in a partially full water pipe. Journal of Hydraulic Research, 51, 469-474.