TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 ISSN:305-63X Yapı Teknolojler Elektronk Dergs 008 () - TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Makale Başlığın Boru Hattı Etrafındak Akıma Etks Ahmet Alper ÖNER Aksaray Ünverstes, Mühendslk Fakültes, Aksaray ÖZET Đk boyutlu batmış daresel slndrler brçok amaçla kullanılan yapı elemanlarıdır. Brçok mühendslk uygulamasında karşılaştığımız kıyı ötes boru hatlarını bu yapılara örnek olarak göstereblrz. Hdrodnamk kuvvetler ya da nsanların sebep olduğu zararlardan koruyablmek amacıyla kıyı ötes boru hatları denz tabanına gömülmektedr. Erozyon ya da hareketl denz tabanının yer değştrmes yerel oyulmalara ve dolayısıyla boru hattının kend kendne gömülmesn sağlayablmektedr. Oyulmanın oran ve mktarının artırılması amacıyla, boru hattı üzerne başlık (spoler) olarak adlandırılan, yüzgeç benzer br yapı monte edlmes fkr 0 yıl önce ortaya atılmıştır. O günden bu yana malyet azaltmak, stabltey sağlamak ya da vorteks kopması potansyeln azaltmak amacıyla brçok projede kullanılmaktadır. Bu çalışma daresel br slndr üzerne başlık yerleştrlmesnn akımda sebep olduğu değşkler, sonlu elemanlar yöntemne dayalı olarak çalışan ANSYS paket programı le sayısal olarak çözülmüştür. Boru hattı üzerne başlık yerleştrlmesnn akım alanını büyük ölçüde değştrdğ, en büyük değşmn basınç dağılımında gerçekleştğ belrlenmştr. Anahtar Kelmeler: Boru Hattı, Başlık, Vorteks Kopması, Akım Alanı GĐRĐŞ Katı madde bakımından hareketl br denz tabanı üzerne yerleştrlen kıyı ötes boru hatlarında, tabanda meydana gelen oyulmalar netcesnde, zamanla, boru hattı le taban arasında boru çapına eşdeğer büyüklüklere varablen boşluklar oluşablmekte ve bunun sonucunda, boru hattı denz tabanına yakın br mesafede askıda kalablmektedr. Zaman çersnde meydana gelen akıntılar, fırtına gb doğal etkenlerle bu askıda kalma şlem, kend kendne taban çersne gömülme le sonuçlanablmektedr. Kıyı ötesne yerleştrlen boru hatlarını, hdrodnamk kuvvetlerden veya nsanların sebep olableceğ zararlardan korumak çn tabanda bell dernlklere gömmek gerekmektedr. Boru hattının geçtğ güzergâhta denz tabanında br hendek açıp boruyu yerleştrmek ve hendeğ doldurarak borunun gömülmesn sağlama şlemlernn boru hattı malyetn çok fazla artırması sebebyle boru hattının gömülmesne alternatf yöntemler araştırılmaktadır. Daha önce yapılan çalışmalar, br boru hattının kend kendne gömülmesn artırmanın ve hızlandırmanın boru hattı üzerne br başlık yerleştrlerek yapılableceğn göstermştr. Boru hattı üzerne başlık yerleştrlmes yen br fkr gb görünse de arabaların, plakaların, bacaların üzerne başlık yerleştrlmes şlem eskden ber yapılmaktaydı. Bütün bu başlık yerleştrme şlemlernn ortak amacı csm etrafındak akım alanının stenlen şeklde değştrlmesdr.

2 Teknolojk Araştırmalar : YTED 008 () - Başlığın Boru Hattı Etrafındak Akıma Etks Günümüzde brçok projede uygulama alanı bulan boru hattı üzerne başlık yerleştrlmesnn, oluşan oyulma mktarını artırdığı gb başlıksız br boru hattına göre 0 kat daha hızlı gömülmeye sebep olduğu bldrlmektedr (). Bu konuda yapılan deneysel ve teork çalışmalar, oyulma mktarı ve hızında meydana gelen artışa sebep olarak, yerleştrlen başlığın neden olduğu blokaj etksn ve taban le boru hattı arasındak akım yoğunluğunun artmasını ana etkenler olarak göstermektedr (,,3,4). Lteratür ncelendğnde boru hattı üzerne yerleştrlen başlığın boru hattı etrafındak akıma etksnn sstematk olarak ncelenmedğ ve konu le lgl ver yeterszlğ görülmektedr. Bu çalışmada yukarıda bahsedlen ver yeterszlğn gdermek ve başlık yerleştrlmesnn boru hattı etrafındak akımda neden olduğu değşklkler ncelemek amacıyla, açık kanal su akımında kanal tabanından 0mm (0.D, D slndr çapı) yukarıda yatay olarak duran, başlıklı ve başlıksız, pürüzsüz zole slndrler etrafındak akım sayısal olarak ncelenmştr. TEMEL DENKLEMLER VE SAYISAL ÇÖZÜM Slndr etrafındak k-boyutlu, düzenl, sıkışmayan, türbülanslı akımda hareket dare eden, kütlenn ve momentumun korunumundan elde edlen temel denklemler aşağıdak gbdr: u x = 0 ( ρ u u ) u p u ρ u j = ρk + µ + x j () j x x j x j x j () () ve () denklemlernde u, x doğrultusundak akım hız bleşen (yan, u ve v olarak yatay (x) ve düşey (y) hız bleşenler), K yer çekmnden kaynaklı kütlesel kuvvet, p basınç, µ dnamk vskozte, ρ akışkan yoğunluğu, ρ u türbülans kayma gerlmes (τ j), ve u ve u j yatay ve düşey türbülans hız u j sapınçlarıdır. () denklemndek türbülans kayma gerlmes bünye denklem le verlmştr: u u u τ j = ρ j=η + x j u x j (3) burada η türbülans vskoztesdr. Hesaplamalı Akışkanlar Dnamğ (CFD-computatonal flud dynamcs) yöntemler le modelleme yapılırken, (3) denklemndek η türbülans vskoztesnn belrlenmes çn çeştl türbülans modeller gelştrlmştr (6). Bu çalışmada, η türbülans vskoztesnn belrlenmesnde k denkleml türbülans modeller çersnde en y blnen, k-ε türbülans model kullanılmıştır. Bu modelde türbülans vskoztes, türbülans knetk enerjs, k, ve onun kayıp oranına, ε, bağlı olarak aşağıdak gb fade edlmektedr (7): k η=ρc η (4) ε (4) denklemnde C η (=9) türbülans sabtdr. k-ε modelnde k ve ε değerlernn bulunması çn k adet kısm dferansyel transport denklemnn çözümü gerekmektedr.

3 Öner, A.A. Teknolojk Araştırmalar : YTED 008 () - Çözüm Bölges ve Sınır Şartları Geçrmsz br taban yakınına yerleştrlen daresel br boru hattı üzerne yerleştrlen başlığın slndr etrafındak akımda oluşturduğu değşmler ncelemek amacıyla sonlu elemanlar tabanında çalışan ANSYS-Flotran paket programı kullanılmıştır. Hesap yapılan akım alanı ve sınır şartları Şekl de verlmştr. Kanal tabanı ve slndr yüzey pürüzsüz ve geçrmsz kabulüyle yatay ve düşey hız (u,v) =0 şartı le, çıkış ve üst sınırlar se akımın atmosfere açıldığı düşünülerek basınç (P) =0 şartı le verlmştr. Çalışmamızda geçrmsz tabandan 0mm yükseklğe yerleştrlen, D=50mm çapında daresel br slndr ve üzerne L=0mm lk (D) br başlık yerleştrlmes durumları göz önüne alınarak çözüm yapılmıştır. Slndrn merkeznn kanal başlangıcına ve btmne olan uzaklığı sırasıyla 30D ve 0D olarak alınmıştır. Su yükseklğ se yaklaşık 6.5D yükseklğndedr. Bu uzaklıkların daha fazla olmasının slndr etrafındak akımın sayısal çözümüne br etksnn olmadığı daha öncek çalışmalarda belrtlmektedr [3,5]. Kanal grş sınırında se u 0 = 7 ve 87 mm/s lk k farklı serbest akım hızı verlmştr k bu serbest akım hızlarına denk gelen slndr çapına bağlı Reynolds sayıları (Re D =u 0 D/ν) 840 ve 450 olmaktadır. Üst sınır; p= y Grş sınırı; u 0 Akım L D x Çıkış sınırı p= G ANSYS-Flotran HAD paket programı kullanılarak başlıklı ve başlıksız slndr etrafındak akım alanları çözülmüştür. Böylece slndr üzerne başlık yerleştrlmes durumunda slndr etrafındak hız ve basınç dağılımlarında meydana gelen değşmlern karşılaştırılması ve lteratürde bahsedlen; başlığın oyulma mktar ve hızını artırma mekanzmasının sebeplernn ncelenmes sağlanmıştır. Şekl de tanımlanan çözüm bölges çn, başlıklı ve başlıksız boru hattı etrafında aynı yoğunluklu sonlu elemanlar hesap ağı oluşturulmuştur. Böylece k farklı durum çn elde edlen sayısal çözümlemelere ağ yapılarının etk etmemes sağlanmıştır. BULGULAR VE TARTIŞMA Alt taban ve slndr sınırı; u=v= Şekl. Sayısal hesaplama bölges ve sınır şartları Bu bölümde, ANSYS paket programı kullanılarak, başlıklı ve başlıksız boru hattı durumları çn yapılan modellemelerden elde edlen sayısal hesaplama bulguları karşılaştırılmıştır. 3

4 Teknolojk Araştırmalar : YTED 008 () - Başlığın Boru Hattı Etrafındak Akıma Etks Akım Görünümü (b) vektör alanı (a) Başlıksız vektör alanı (c) Başlıksız akım çzgler (d) akım çzgler (e) Başlıksız basınç alanı (f) basınç alanı MN MN MX MX Şekl. ReD=840 çn slndr etrafındak akım alanı Şekl ve 3 te k farklı Reynolds sayısı çn başlıklı ve başlıksız slndr etrafındak akım alanı görülmektedr. Verlen vektör alanı ve akım çzgler slndr üzerne başlık yerleştrlmes durumunda slndr önünde oluşan durma noktasının yukarı kaydığını, benzer şeklde slndr kuyruğunun da yukarı doğru yönlendğ ve genşlğnn arttığını göstermektedr. Slndr kuyruğunun yukarıya yönlenmesnn slndr le taban arasındak boşluktan geçen akım yoğunluğunun artmasından kaynaklandığı düşünülmektedr. Ayrıca başlık yerleştrlmesnn slndr alt ve üst yüzeylernden kopan vorteks merkezlernn mesafelern artırdığı görülmektedr. Şekl ve 3 tek vektörler ncelendğnde başlığın varlığının, slndrn hemen membasındak hız vektörlernn yatayla yaptığı açıyı artırarak tabana doğru yönlendrdğ görülmektedr. 4

5 Öner, A.A. Teknolojk Araştırmalar : YTED 008 () - Şekl ve 3 te verlen slndr üzernde br başlık olması veya olmaması durumları arasındak en belrgn farklılığın basınç alanlarında oluştuğu görülmektedr. Başlık yerleştrlmes durumunda başlıksız slndr üzernde oluşan mnmum basınç oluşmamakta ve öndek basınç yoğunluğu artmaktadır. Bu durum slndr tk ve kaldırma kuvvetlernn değşmes anlamına gelmektedr. (b) vektör alanı (a) Başlıksız vektör alanı (c) Başlıksız akım çzgler (d) akım çzgler (e) Başlıksız basınç alanı (f) basınç alanı MN MX MX MN Şekl 3. ReD=450 çn slndr etrafındak akım alanı Slndr Etrafında Hız ve Basınç Dağılımları Br öncek bölümde genel çerçevede rdelenen slndr etrafındak akım karakterstkler, bu bölümde slndr memba ve mansabındak belrl kestlerde ncelenmştr. Slndrn hemen membasındak =- kest, hemen mansabındak =+ kest le slndr yatay ve düşey merkez eksenlernden geçen, boyutsuz yatay ve düşey hız dağılımlarının yanı sıra aynı kestlerdek basınç dağılımları verlmştr. 5

6 Teknolojk Araştırmalar : YTED 008 () - Başlığın Boru Hattı Etrafındak Akıma Etks Başlığın varlığının boşluktan geçen yatay hız dağılımına etksnn çok fazla olmadığı, buna karşın düşey hız dağılımında, özellkle de slndr membasındak =- kest le slndr merkeznn düşey eksennde, artış gözlemlenmştr. =- kestndek düşey hız dağılımının negatf yöndek artışı akımın boşluğa yöneldğn ve hız vektörlernn tabana doğru daha dk br açı alarak lerledğn göstermektedr. Bu artışın = kestnde poztf yönde devam ettğ Şekl 6 da görülmektedr. Şekl 4, Şekl 5, Şekl 7 ve Şekl 8 de görüldüğü gb, slndr üzerne başlık yerleştrlmes slndr memba ve mansabındak basınç dağılımlarını öneml ölçüde değştrmektedr. Başlık olması slndr membasında basıncı artırırken mansap basıncını azalmaktadır k bu da tk kuvvetnn değştğnn br göstergesdr. Ayrıca slndr üst yüzeyndek basıncın öneml oranda azalması da kaldırma kuvvetnn değşeceğn göstermektedr. (a) =- tek yatay hız dağılımı (c) =- tek düşey hız dağılımı (b) =+ tek yatay hız dağılımı (d) =+ tek düşey hız dağılımı Sapkalı (c) =- tek düşey basınç dağılımı Basınç (kpa) (Pa) Şekl 4. Re D =840 çn slndr memba ve mansabında, başlıklı ve başlıksız durumlar çn yatay ve düşey hız le basınç dağılımlarının değşmler 6 (d) =+ tek düşey basınç dağılımı Basınç (kpa) (Pa)

7 Öner, A.A. Teknolojk Araştırmalar : YTED 008 () - u/u Şapkasız 0.6 Başlıksız Şapkalı u/u0 v/u Şapkalı v/u0 Basınç Basınç (kpa) (Pa) Şekl 5. Re D =840 çn slndr merkez eksen doğrultusundak yatay ve düşey hız le basınç dağılımlarının değşmler Basınç (kpa) (Pa) 7

8 Teknolojk Araştırmalar : YTED 008 () - Başlığın Boru Hattı Etrafındak Akıma Etks Re D =840 Re D = Şapkasız Başlıksız Şapkalı Basınç P (kpa) Basınç P(kPa) Şekl 6. Re D =840 ve Re D =450 çn slndr düşey merkez eksen doğrultusundak yatay ve düşey hız le basınç dağılımlarının değşmler. 8

9 Öner, A.A. Teknolojk Araştırmalar : YTED 008 () - (a) =- tek yatay hız dağılımı.0 Şapkalı (c) =- tekdüşey hız dağılımı.0 Sapkalı (b) =+ tek yatay hız dağılımı Sapkalı (d) =+ tek düşey hız dağılımı Sapkalı (c) =- tekdüşey hız dağılımı Basınç (Pa) (kpa) Sapkalı (d) =+ tek düşey hız dağılımı Şekl 7. Re D =450 çn slndr memba ve mansabında, başlıklı ve başlıksız durumlar çn yatay ve düşey hız le basınç dağılımlarının değşm Basınç (Pa) (kpa) Sapkalı 9

10 Teknolojk Araştırmalar : YTED 008 () - Başlığın Boru Hattı Etrafındak Akıma Etks Sapkalı u/u u/u0 Sapkalı v/u v/u0-4 Sapkalı Sapkalı Basınç Basınç (kpa) (Pa) Başlıksız şapkasız şapkalı şapkasız Başlıksız şapkalı Basınç (kpa) (Pa) Şekl 8. Re D =450 çn slndr merkez eksen doğrultusundak yatay ve düşey hız le basınç dağılımlarının değşmler SONUÇLAR VE TARTIŞMA Bu çalışmada slndr çapına bağlı Reynolds sayısının Re D =840 ve 450 değerlernde, tabandan 0.D yükseklğe yerleştrlen br slndr üzerne yne 0.D yükseklğnde başlık yerleştrlmesnn slndr etrafındak akımda meydana getrdğ değşmler, sonlu elemanlar tabanında çalışan Ansys-Flotran paket programı le sayısal olarak ncelenmştr.

11 Öner, A.A. Teknolojk Araştırmalar : YTED 008 () - Yapılan çalışma sonucu, slndr üzerne başlık yerleştrlmesnn vorteks merkezlernn brbrne olan uzaklıklarını artırdığı, dolayısıyla slndr kuyruk uzunluğunu ve genşlğn büyüttüğü ve kuyruğu yukarı doğru yönlendrdğ tespt edlmştr. Slndr kuyruğunda oluşan bu değşmn vorteks kopması frekansını etkleyeceğ dolayısıyla Strouhal sayısını değştrerek farklı yanal kuvvetlern oluşmasına yol açacağı açıktır. Başlığın varlığının slndr membasındak basınç yoğunluğunu artırması, slndr mansabında se azalan basınç, slndre gelen tk kuvvetnn arttığının br göstergesdr. Basınç dağılımları ncelendğnde slndre br başlık monte edlmes durumunda kaldırma kuvvetnn de öneml şeklde değştğ görülmektedr. Slndr etrafındak farklı kestler de verlen hız dağılımları ncelendğnde, başlığın slndr le taban arasındak akım hızını, özellkle de düşey hızı, artırdığı tespt edlmştr. Ancak Re D sayısı artıkça hızdak bu artış azalmaktadır. Başlığın oyulmayı artırmasına en büyük etkenn, akım hızındak bu artış olduğu tahmn edlmektedr. Elde edlen bulgular lteratürdek blgler le uyum çersndedr. Farklı boşluk oranları, farklı başlık uzunlukları ve farklı Reynolds sayıları le yapılacak teork ve deneysel çalışmaların problem hakkında daha fazla blg sahb olunablmes çn gerekl olduğu düşünülmektedr. Ayrıca başlık yerleştrlmes her ne kadar oyulma mktar ve hızını artırsa da, slndr etrafında sebep olduğu basınç, dolayısıyla kuvvet dengesndek değşmler dkkate alınarak boru hattının tasarımının yenden gözden geçrlmes gerekllğ unutulmamalıdır. Teşekkür Bu çalışma TÜBĐTAK tarafından desteklenmştr (Proje No: 07M64). KAYNAKLAR. HULSBERGEN,C.H., BĐJKER,R., Effect of spolers on submarne ppelne stablty, OTC 4467, 7-78, 989. CHĐEW, Y.M.,, Effect of spolers on scour at submarne ppelnes, J. Hydraul. Eng. ASCE 8 (9), 3-37, CHENG, L., CHEW, L.W., Modellng of flow around a near bed ppelne wth spoler, Ocean Engneerng,30, 595-6, SÜMER, B., FREDSOE, M., Hydrodynamcs around Cylndrcal Structures, World Scentfc, Sngapore, LEĐ, C., CHENG, L., KAVANAGH, K., Re-examnaton of the effect of a plane boundary on force and vorteks sheddng of a crcular cylnder, J. Wnd Engneerng an Đnd. Aerodynamcs, 80, 63-86, WĐLCOX, D. C., Turbulence Modelng for CFD, DCW Industres, Inc., Calforna, LAUNDER, B. E., SPALDĐNG, D. B., The numercal computaton of turbulent flows, Computer Methods n Appled Mechancs and Engneerng, 3, 69-89, 974.