‌‌شبيه‌ سازي عددي ضربه قوچ ناشي از بستن سريع شير در سيالات مختلف

Numerical simulation of water hammer in various fluids due to a fast valve closure

تغيير ناگهاني شرايط مرزي در خطوط انتقال سيالات مانند باز و بسته شدن شيرها يا قطع و وصل پمپ‌ها باعث ايجاد جريان گذرايي ‌‌مي‌شود كه اصطلاحا ضربه قوچ نام دارد. در اين مقاله، ضربه قوچ ناشي از بستن سريع شير در يك خط لوله با استفاده از حل عددي معادلات پيوستگي و اندازه حركت ‌‌شبيه‌سازي شده‌است. ‌‌شبيه‌سازي براي يك روغن با لزجت زياد و براي آب انجام شده كه رژيم اوليه در جريان روغن آرام و در جريان آب، آشفته بوده‌است. نتايج به‌دست‌آمده با نتايج آزمايشگاهي مقايسه شده و براي هر دو جريان، تطابق خوبي ميان نتايج ‌‌شبيه‌سازي و آزمايشگاهي در زمان‌هاي مختلف به‌دست‌آمده‌است. كانتورهاي سرعت سيال در زمان‌هاي مختلف، دو ناحيه با رفتار متفاوت را در جريان گذرا نشان داده‌است. ناحيه مجاور جداره لوله و ناحيه محور لوله. در ناحيه مجاور لوله تأثيرات لزجت سيال غالب بوده، گراديان‌هاي سرعت بزرگتر است و تغييرات سرعت سريعتر رخ مي‌دهد. در حاليكه ناحيه محور لوله تحت تأثير نيروهاي اينرسي سيال است. با كاهش لزجت و افزايش عدد رينولدز، ناحيه محور لوله بزرگتر ‌‌مي‌شود. همچنين مطالعه پارامتري انجام‌شده و تأثير پارامترهاي مختلف بر شدت ضربه قوچ مطالعه شده‌است. نتايج به‌دست‌آمده نشان داده كه مي‌توان با كاهش ضخامت و طول لوله و يا استفاده از لوله با مدول الاستيسيته كمتر، شدت ضربه قوچ را به ميزان قابل توجهي كاهش داد. به‌طور مثال با كاهش طول لوله از 60 متر به 18 متر، شدت ضربه قوچ 11 درصد كاهش مي‌يابد.

The sudden changes of boundary conditions in the fluid transmission lines cause a transient flow, which is called water hammer. In this paper, the water hammer resulting from the fast closure of a valve in pipelines is simulated using numerical solution of continuity and Navier-Stokes equations. Simulation has been performed for a high-viscosity oil and for water. The initial flow regime for oil is laminar and for the water is turbulent. The obtained results are compared with the reported experimental data and a good agreement is observed. Velocity contours at different times show two regions with different behavior: the wall region and the pipe core region. In the wall region, the effects of fluid viscosity are dominant, the velocity gradients are sharper, and flow changes more rapidly. While the pipe core region is affected by fluid inertial forces. As the fluid viscosity decreases, the core region becomes more dominant. In addition, a parametric study has been conducted and the effect of different parameters on water hammer has been studied. The results show that by reducing the thickness or length of the pipe, or using a pipe with a lower elastic modulus, the water hammer effects can be significantly reduced. For example, by reducing the length of the pipe from 60 to 18 meters, the maximum pressure decreases by 11%.