شبيه‌سازي جريان سيال اطراف پيگ متحرك در لوله با استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي

Numerical Simulation of Fluid Flow Around Moving Pig in Pipeline with CFD

از خطوط لوله برای انتقال انواع محصولات، خصوصاً در صنعت نفت و گاز استفاده می‌شود. برای داشتن عملكرد مؤثر، خطوط لوله باید در بازه‌های زمانی مشخص پیگ‌رانی شوند. پیگ‌ها باید در سرعت ثابتی حركت كنند و سرعت كنترل‌نشده و فزاینده پیگ می‌تواند بسیار خطرناك باشد. برای كنترل سرعت پیگ و مطالعه رفتار دینامیكی آن و همچنین تخمین متغیرهای مرتبط با حركت پیگ، مطالعه رفتار سیال در اطراف پیگ ضروری به نظر می‌رسد. در این تحقیق، جریان سیال اطراف پیگ متحرك در لوله به كمك نرم‌افزار تجاری قدرتمند ANSYS CFX شبیه‌سازی‌شده است. در ابتدا نیروی وارد بر پیگ ساكن برای بای‌پس‌های مختلف به ‌دست‌ آمده و با نتایج موجود مقایسه شده است كه انطباق خوبی را نشان می‌دهد. در ادامه، برای حركت شبكه اطراف پیگ متحرك در لوله، از روش شبكه‌بندی مجدد در تكنیك شبكه دینامیك استفاده ‌شده است. میدان جریان بالادست و پایین‌دست پیگ و همچنین سرعت، شتاب و موقعیت پیگ در زمان‌های مختلف به‌دست‌ آمده است. بدین منظور، معادلات ناویر-استوكس و بقای جرم برای جریان سیال لزج تراكم‌ناپذیر حل و از مدل تلاطم k-ε برای شبیه‌سازی توربولانس استفاده ‌شده است. در بررسی حركت پیگ داخل لوله نتایج نشان داده‌اند كه ابتدا، نیروی وارد بر پیگ از طرف سیال زیاد است و با گذشت زمان به دلیل كاهش نیروی وارد بر پیگ، شتاب پیگ به سمت صفر میل می‌كند و سرعت پیگ ثابت می‌گردد. همچنین، با گذشت زمان و با جلو رفتن پیگ، به علت كاهش شتاب پیگ، تغییرات سرعت و فشار در طول لوله كاهش می‌یابند به‌طوری‌كه شرایط جریان به سمت حالت دائم پیش می‌رود. در بررسی تأثیر وجود پیگ بر سرعت جریان در طول لوله نیز مشخص می‌گردد كه بیشترین تأثیر وجود پیگ بر روی سرعت جریان خروجی پیگ است و در فواصل دورتر از پیگ تغییرات سرعت كمتر هستند.  

Pipelines are used to transport products mainly in the oil and gas industry. For effective operation, the pipelines must be pigged in periods of time. For a suitable performance, pigs should move at a constant velocity. It seems that the study of fluid flow around a moving pig, the pig dynamics and also, estimation of the pig movement variables is essential to control pig velocity. In this research, fluid flow around moving pig in pipeline is simulated by ANSYS CFX. At first, the force on static pig in pipeline for the different bypasses was obtained and compared with the previous study and the good agreement has been observed. Then,for mesh movement around moving pig in pipeline the remeshing method in the dynamic mesh technique was used. up and downstream distribution of pig and also velocity, acceleration and position of pig in different time are obtianed. Therefore, the Navier-Stokes equations for uncompressible viscous fluid flow are solved. The k-εturbulence model is used to simulate turbulence. In the study of pig movement through the pipe, the result showed that at first, the fluid force on pig is high and as time goes on, is reduced becouse the relative velocity between the pig and fluid flow is decreased and become equal to external force (friction force) so the net force on pig get zero. Thus, the pig acceleration is approaching to zero and the pig velocity is being constant. Also as pig goes forward the velocity and pressure through the pipe decrease because of pig acceleration reduction. So that the fluid condition becomes permanent. In the study of effect of pig on fluid velocity through the pipe, it is obvious that the most effect is on fluid velocity in pig output and in the long distance from the pig the it’s changes is low.