به‌کارگیری ساختارهای متخلخل برای حفاظت خط‏ لوله در مقابل ضربه قوچ

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای گروه سازه‏های آبی، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز، ایران

2 استاد گروه سازه‏های آبی، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز، ایران

چکیده

هدفاین پژوهش‌ بررسی امکان حفاظت بخش‌هایی از خط لوله در مقابل ضربه قوچ بود که با ایجاد ساختارهای متخلخل در مسیر خط لوله انجام شد و برای انجام آن از موج‌شکن‌های متخلخل که برای حفاظت سواحل ایجاد می‌شود، الهام گرفته شد. از این رو در یک سامانه آزمایشگاهی که در آن خط لوله توسط یک پمپ تغذیه می‌شد و توسط شیری در بالادست امکان ایجاد ضربه قوچ وجود داشت، ساختارهای متخلخلی تعبیه شد. این ساختارهای متخلخل همگن توسط ذرات کاملاً کروی با قطرهای متفاوت، سنگدانه‏های تیزگوشه با قطرهای متفاوت و در طول‏های متفاوت ایجاد شد و در خط لوله تحت شرایط وقوع ضربه قوچ مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج نشان داد که بیشینه فشار در سیکل اول ضربه قوچ، در پایین‏دست ساختار متخلخل به مقدار 95/0 تا 6/0 از مقدار متناظر در بالادست ساختار متخلخل کمتر است؛ اما در سایر سیکل‏ها فشار بالادست و پایین‏دست بسیار به هم نزدیک است. به‌طور کلی نمی‏توان گفت که یک ساختار متخلخل نواحی پایین‏دست خود را در مقابل امواج فشاری ضربه قوچ حفاظت می‏کند اما نوسانات فشاری در یک لوله حاوی ساختار متخلخل کمتر از نوسانات فشار در یک لوله با مسیر کاملاً باز در دبی مشابه است. این مسئله در بالادست و پایین‏دست ساختار متخلخل صادق است. مطابق نتایج، دلیل آن کاهش سرعت انتشار موج فشاری بر اثر وجود ساختار متخلخل تشخیص داده شد. نتایج نشان می‌دهد که ساختارهای متخلخل می‌توانند در شرایط خاص برای کنترل نوسانات فشار در خطوط لوله به‌کار برده شوند و پیشنهاد می‌شود در تحقیقات آینده، اجرای عملیاتی آن بررسی شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of Porous Structures for Protection of Pipelines against Water Hammer

نویسندگان [English]

  • Poria Asiaban 1
  • Manouchehr Fathi Moghadam 2
1 PhD Student in Hydraulic Structures, Department of Water Sciences Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran
2 Prof. of Hydraulic Structures, Department of Water Sciences Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran
چکیده [English]

This study was initiated to investigate the use of a porous structure in some parts of a pipeline to protect it against water hammer pressure wave. This study was inspired by the utilization of porous breakwaters which are commonly used to protect coastal areas.  To fulfill the main objective of the study, different porous structures were installed in an experimental pipeline fed by a pump. The water hammer was induced by an upstream valve. The homogeneous porous structures were made up of spherical beads or broken rocks in different sizes and filled them in pipes with different lengths and subject them under different water hammer conditions. Results obtained from this study showed that during the first cycle of water hammer wave, the ratio of maximum pressure downstream of porous structure to the corresponding value in upstream is between 0.6 to 0.95, respectively. This pressure difference decreased drastically in next cycles. Generally, it can be conclude that an insignificant protection gained from a porous structure in downstream from water hammer; however, the overall pressure fluctuations in the pipe filled with a porous structure was less than a fully open pipe under the same discharge rates and the same water hammer condition. The results showed that porous structures in particular condition could be used to control pressure oscillations in piplines and it is proposed to consider practical aspects of this idea in future researches.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Porous Structure
  • water hammer
  • Pressure Fluctuations
  • Attenuation Rate
Anderson, M.E. & Smith, J.M., 2014, "Wave attenuation by flexible, idealized salt marsh vegetation", Journal of Coastal Engineering, 83, 82-92.

Asiaban, P., Amir, E. & Tahmasebi nasab, M., 2015, "Simulation of water surface profile in vertically stratified rockfill dams", International Journal of Environmental Research, 9(4), 1193-1200.

Abbas, M.N., 2011, "Modeling of porosity equation for water flow through packed bed of monosize spherical packing", Journal of Engineering and Development, 15, 205-226.

Brunone, B., Karney, B.W., Mecarelli, M. & Ferrante, M., 2000, "Velocity profile and unsteady pipe friction in transient flow", Journal of Water Resources Planning and Management, 126(4), 236-244.

Chaudhry, M. H., 2014, Applied hydraulic transients, 3th Ed., Springer, New York.

Contractor, D.N., 1965, "The reflection of water hammer pressure wave from minor losses", Journal of Basic Engineering, 87 (2), 445-451.

Erdim, E., Akgiray, O. & Demir I., 2015, "A revisit of pressure drop-flow rate correlations for packed beds of spheres", Journal of Powder Technology, 283, 488-504.

Funk, J.E., Wood, D.J. & Chao, S.P., 1972, "The transient response of orifices and very short lines", Journal of Basic Engineering, 94 (2), 483-489.

Huang, L.H. & Chao, H.I., 1992, "Reflection and transmission of water wave by porous breakwater", Journal of Waterways Ports Coasts and Ocean Engineering, 118(5), doi: io.1061/(ASCE)0733-950.

Kim, Y.I., Simpson, A.R. & Lambert, M.F., 2007, "Behavior of orifices and blockages in unsteady pipe flow", 9th Annual Symposium on Water Distribution Systems Analysis, ASCE, Tampa, Florida, USA.

Macini, P., Mesini, E. & Viola R., 2011, "Laboratory measurements of non-Darcy flow coefficients in natural and artificial unconsolidated porous media", Journal of Petroleum Science and Engineering, 77, 365-374.

Mitosek, M. & Szymkiewicz, R., 2016, "Reservoir influence on pressure wave propagation in steel pipes", Journal of Hydraulic Engineering, 142(8), doi: 10.1061/(ASCE) HY. 1943-7900. 0001140.

Mora-rodriguez, J., Delgado-galvan, X., Ortiz-medel, J., Ramos, H., Fuertes, V. & Lopez-jimenez, P., 2014, "CFD simulation of pathogen intrusion during hydraulic transients in water distribution networks", 7th International Congress on Environmental Modeling and Software, San Diego, USA.

Rdige, S., 2010, Condensation induced water hammer events – potential consequences of allowing steam and sub-cooled water or slurry to mix, Mines Safety Bulletin No.92, Mineral House, Australia.

Sharp, B.B. & Sharp, D.B., 1996, Water hammer practical solutions, Butterworth-Heinemann publications, UK.

Stephenson, D., 1997, "Effect of air valves and pipework on water hammer pressures", Journal of Transportation Engineering, 123(2), 101-106.

Stephenson, D., 2002, "Simple guide for design of air vessels for water hammer protection of pumping lines", Journal of Hydraulic Engineering, 128, 792-797.

Tijsseling, A.S., Lambert, M.F., Simpson, A.R., Stephens, M.L., Vitkovsky, J.P. & Bergant, A., 2008, "Skalak’s extended theory of water hammer", Journal of Sound and Vibration, 310, 718-728.

Vereide, K.V., 2016, "Hydraulics and thermodynamics of surge tanks for hydropower plant", PhD Thesis, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway.