بررسی نیروهای هیدرودینامیکی لحظه‌ای وارد بر خطوط لوله فراساحلی مرکب تحت جریان‌های دائمی

در خطوط لوله انتقال نفتی، نیروهای وارده به لوله ها از پارامترهای مهم طراحی به شمار می روند. مقدار این نیروها بر حسب تغییر در نحوه قرارگیری لوله های مجاور نظیر فاصله بین لوله ها، نسبت ابعاد لوله ها و نیز آرایش قرارگیری آن ها تحت تاثیر قرار می گیرد؛ از این رو در پژوهش حاضر، بررسی تغییرات نیروهای هیدرودینامیکی برای حالات مختلف قرارگیری لوله ها تحت شرایط هیدرودینامیکی مختلف مورد توجه قرار گرفته است. در این راستا، نیروهای هیدرودینامیکی لحظه‌ای وارد بر خطوط لوله فراساحلی مرکب تحت جریان‌های دائمی محاسبه و مورد تحلیل قرار گرفته اند. کلیه شبیه‌سازی‌ها به‌صورت سه بعدی و در محیط نرم‌افزار ansys fluent16.0 انجام شده است. با تغییر سرعت جریان سیال و قطر سیلندر اصلی، تاثیر تغییرات عدد رینولدز بر ضرایب نیروهای هیدرودینامیکی لحظه‌ای وارد بر خطوط لوله مرکب مورد بررسی قرار گرفت. پس از بررسی‌های اولیه، مدل آشفتگی گردابه‌های بزرگ (les) و سلول‌بندی منظم انتخاب گردید. در ادامه تاثیر فاصله نسبی سیلندر اصلی تا بستر (e/d)، فاصله نسبی دو سیلندر از یکدیگر (g/d) و قطر نسبی (d/d) مورد پژوهش قرار گرفت. نتایج نشان داد با افزایش سرعت، مقادیر میانگین زمانی ضرایب پسا (drag coefficient) و برآ (lift coefficient) لوله‌‌ اصلی به ترتیب در حدود 15% و 30% کاهش می یابد. در مورد لوله‌‌ فرعی این کاهش برای میانگین زمانی ضرایب پسا و برآ به ترتیب در حدود 13% و 25% است. اما با افزودن لوله فرعی سوار بر لوله اصلی، مقادیر میانگین زمانی ضرایب نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر لوله‌‌ اصلی کاهش چشمگیری پیدا می کند به گونه ای که این مقادیر در مورد ضریب برآ کاهشی حدود 40% را نشان می دهد که این امر سبب کاهش آسیب جدی به خط لوله اصلی می‌گردد. همچنین با افزایش فاصله نسبی بین لوله‌های اصلی و فرعی تا مقدار 0/2، مقدار متوسط زمانی ضریب برآ در مورد لوله اصلی ابتدا افزایش یافته و سپس به مقدار ثابت (تغییرات نامحسوس) رسید. با افزایش فاصله نسبی بین لوله‌ها نیز، مقادیر متوسط زمانی ضریب پسا برای لوله فرعی افزایش یافت. سرانجام مشاهده گردید که با افزایش قطر سیلندر اصلی سطح برخورد سیال به سیلندرها افزایش یافته که این امر موجب افزایش دامنه نوسانات ضرایب نیروهای هیدرودینامیکی گردید.

investigating into the temporal hydrodynamic forces exerted on offshore piggyback pipelines due to steady currents

for the gas and oil pipelines in marine environment, the forces exerted on these structres are regarded to be of the important parameters in designing them. these pipelines are usually installed with twin arrangements as tandom or side by side. the diameters of the two pipelines may also be identical or different. neverthless, a number of them may also be configured as piggyback, an special case of side by side arrangements when their diameters are not equal. the parameters around this special arrangement have already been studied both experimentally and numerically by a few number of researchers, namely, zhao et al. (2007), zang et al. (2012), hakimzadeh and mosahebi mohammadi (2016), kardan and hakimzadeh (2018). however, for this research study, the momentary hydrodynamic forces acting on the piggyback pipelines due to steady currents have been investigated using numerical simulation. all simulations were performed in 3d using ansys fluent 16 software environment. first, the capability of the software for the current study was investigated. the number of cells and various turbulence models were considered to find the proper mesh size and model, respectively. then, considering that for flows around a single pipe, the conventional turbulence models may not provide accurate results, therefore, by examining different cell types and turbulence models, an attempt was made to select the appropriate type that can provide more accurate results by spending a reasonable computational cost. then, it was found that a structured cell formation together with les turbulence model reproduced the flow patterns around the pipe with a reasonable accuracy when compared with the experimental data. for the numerical simulation results, first, the effects of the inlet flow velocity and main pipe diameter (i.e., the reynolds number) variations on the coefficients of instantaneous hydrodynamic forces (i.e., drag and lift) exerted on piggyback pipelines were determined. further, effects of the distance between pipes (g/d), the proximity to the bed (e/d) and the relative diameter (d/d) variations on the drag and lift coefficients were considered through computer simulations.