اثر تغییرات غیر خطی افت سرعت در مرحله پمپاژ بر میزان دبی پمپاژی در پمپ‌های رم

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده عمران، دانشگاه صنعتی جندی‌شاپور دزفول

2 استادیار، دانشکده عمران، دانشگاه صنعتی جندی‌شاپور دزفول

چکیده

پمپ‌ رم دستگاهی است که با استفاده از انرژی تجدیدپذیر ضربه قوچ، بخشی از دبی ورودی به سیستم پمپاژ را تا ارتفاع قابل توجهی پمپاژ می‌نماید. پیچیدگی هیدرولیک جریان از یکسو و استفاده از فرضیات ساده کننده از سوی دیگر در این دسته از پمپ‌ها سبب شده است تا مدل‌های تحلیلی ارائه شده به‌منظور تجزیه و تحلیل سیکل کاری پمپ رم همواره با خطا همراه باشد. در این پژوهش تلاش شده است تا مدل تحلیلی حاکم بر عملکرد هیدرولیکی پمپ‌های رم در مرحله پمپاژ اصلاح شود. در این پژوهش با ایجاد یک تقسیم‌بندی منطقی، سیکل کاری پمپ‌های رم به سه مرحله شتاب‌گیری جریان، پمپاژ و رخداد جریان برگشتی تقسیم‌بندی شد و با استفاده از روش خطوط مشخصه‌ها نسبت به ارائه معادلات حاکم بر هرمرحله از سیکل اقدام شد. از آنجایی که بسته شدن سوپاپ تکانه به‌صورت غیرخطی است، از این رو افت سرعت در مرحله پمپاژ به‌صورت غیرخطی در نظر گرفته شد. همچنین با در نظر گرفتن الاستیسیته دیسک سوپاپ تکانه و تغییر حجم بدنه پمپ در مرحله رخداد ضربه قوچ، معادلات حاکم بر مرحله پمپاژ اصلاح شد. به‌منظور ارزیابی نتایج و تعیین فاکتورهای آزمایشگاهی مدل تحلیلی پیشنهادی، یک مدل فیزیکی از پمپ رم با قطر 51 میلی‌متر ساخته شد. در این پژوهش در بخش نخست ضرایب افت سوپاپ تکانه به‌صورت آزمایشگاهی اندازه‌گیری شد و معادلات تجربی تعیین ضریب افت اصطکاک و افت ناشی از نیروی درگ سوپاپ تکانه با استفاده از رگرسیون غیرخطی ارائه شد. در بخش دوم با استفاده از نتایج آزمایشگاهی حاصل از پژوهش، نسبت به ارزیابی نتایج اقدام شد. بررسی توابع خطای آماری حاصل از پیش‌بینی نتایج آزمایشگاهی توسط مدل تحلیلی نشان می‌دهد مدل پیشنهادی از دقت خوبی در پیش‌بینی مشاهدات آزمایشگاهی برخوردار است. در بخش سوم به‌منظور اعتبارسنجی نتایج در مرحله پمپاژ از مدل‌های تحلیلی لنسفورد و دوگان و تیک بهره‌گیری شد و توابع خطای حاصل از پیش‌بینی مشاهدات آزمایشگاهی توسط مدل‌های تحلیلی پژوهشگران پیشین برآورد شد. مقایسه نتایج حاکی از آن است که در مدل پیشنهادی با توجه به اینکه معادلات پیشنهادی در مرحله پمپاژ بر پایه تئوری بسته شدن غیرخطی سوپاپ تکانه ارائه شده است، منجر به افزایش دقت مدل در پیش‌بینی مقادیر دبی نسبی پمپاژ تا میزان 3 درصد در مقایسه با تئوری بسته شدن خطی و 5 درصد در مقایسه با آنی بسته شدن سوپاپ تکانه شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of Non-linear Velocity Loss Changes in Pumping Stage of Hydraulic Ram Pumps on Pumping Discharge Rate

نویسندگان [English]

  • Reza Fatahialkouhi 1
  • Babak Lashkarara 2
1 MSc Student, Faculty of Civil, Jundishapur University of Technology, Dezful
2 Assist. Prof., Faculty of Civil, Jundishapur University of Technology, Dezful
چکیده [English]

The ram pump is a device which pumps a portion of input discharge to the pumping system in a significant height by using renewable energy of water hammer. The complexities of flow hydraulic on one hand and on the other hand the use of simplifying assumptions in ram pumps have caused errors in submitted analytical models for analyzing running cycle of these pumps. In this study it has been tried to modify the governing analytical model on hydraulic performance of these pumps in pumping stage. In this study by creating a logical division, the cycle of the ram pump was divided into three stages of acceleration, pumping and recoil and the governing equations on each stage of cycling are presented by using method of characteristics. Since the closing of impulse valve is nonlinear, velocity loss in pumping stage is considered nonlinearly. Also the governing equations in pumping stage were modified by considering disc elasticity of impulse valve and changing volume of the pump body when the water hammer phenomenon is occurred. In order to evaluate results and determine empirical factors of the proposed analytical model, a physical model of the ram pump is made with internal diameter of 51 mm. Results of this study are divided into several parts. In the first part, loss coefficients of the impulse valve were measured experimentally and empirical equations of drag coefficient and friction coefficient of the impulse valve were submitted by using nonlinear regression. In the second part, results were evaluated by using experimental data taken from this study. Evaluation of statistical error functions showed that the proposed model has good accuracy for predicting experimental observations. In the third part, in order to validate the results in pumping stage, the analytical models of Lansford and Dugan (1941) and Tacke (1988) were used and the error functions resulted from prediction of experimental observations were investigated through analytical models of the previous researchers. Comparing the results indicates that in the proposed model, noticing that the recommended equations of pumping stage are presented based on nonlinear closing theory of the impulse valve, the model accuracy for predicting relative pumping rate has been increased up to 3% compared with linear closure theory (Lansford and Dugan, 1941) and has been increased up to 5% compared with rapid closure theory (Tacke, 1988).

کلیدواژه‌ها [English]

  • Analytical model
  • Pumping
  • Impulse Valve
  • Ram Pump
  • Cycle
Basfeld, M. & Müller, E. A., 1984, "The hydraulic ram", Forschung im Ingenieurwesen, 50(5), 141-147.

Fatahialkouhi, R. & Lashkarara, B., 2015, " Application of statistical and intelligent methods in performance analysis of the ram pump", 10th International Congress on Civil Engineering University of Tabriz, Tabriz, Iran. (In Persian)

Filipan, V. & Virag, Z., 2003, "Mathematical modelling of a hydraulic ram pump system", Journal of Mechanical Engineering, 49(3), 137-149.

Fatahi-Alkouhi, R. & Lashkar-Ara, B., 2015, "Application of water hammer energy in the water supply system", University of Sistan and Balochestan, Zahedan, Iran. (In Persian).

Fatahi-Alkouhi, R., Lashkar-Ara, B. & Keramat, A.R., 2015, "Determine the efficiency of hydraulic ram-pumps", 36th International IAHR Congress Delft, The Netherlands.

Inthochot, M., Saehaeng, S., Max, J., Muller, J. & Spreee, W., 2015, "Hydraulic ram pumps for irrigation in Northern Thailand", Proceeding of Agriculture and Agricultural Science, 5, 107-114.

Iversen, H., 1975, "An analysis of the hydraulic ram", Journal of Fluids Engineering, 97(2), 191-196.

Krol, J., 1951, "The automatic hydraulic ram", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 165(1), 53-73.

Lansford, W. M., & Dugan, W. G., 1941, An analytical and experimental study of the hydraulic ram, Vol. 38, No. 22, University of Illinois, Pub., Illinois.

O'Brien, M. P., & Gosline, J. E., 1933, The hydraulic ram, by Morrough P. O'Brien and James E. Gosline, University of California Press, California.

Sampath, S., Shetty, S., Mathew, A., Javaid, W. & Selvan, C., 2015, "Estimation of power and efficiency of hydraulic ram pump with Re-circulation system", International Journal of Computer-aided Mechanical Design and Implementation, 1(1), 7-18.

Sheikh, S., Handa, C.C. & Ninawe, A.P., 2013, "Design methodology for hydraulic ram pump (hydram)", International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research, 2(4), 170-175.

Satio, S., Takahashi, M. & Nagata, Y., 2011, "Effect of the air  volume in the air chamber on the performance of water hammer pump", International Journal of Fluid Machinary and Systmes, 4 (2), 225-261.

Tacke, J., 1988, Hydraulic rams; a comparative investigation, Report 88-1, TU Delft.

Yang, K. , Li, J., Guo, Y., Fu, H. & Wang, T., 2014, Design and hydraulic performance of a novel hydraulic ram pump", International Conference on Hydro-informatics, City College of New York, USA.

Young, B., 1995, "Design of hydraulic ram pump systems", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 209(4), 313-322.

Young, B., 1996, "Simplified analysis and design of the hydraulic ram pump", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 210(4), 295-303.

Young, B., 1997, "Design of homologous ram pumps", Journal of Fluids Engineering, 119(2), 360-365.