Dirsekli ve vanalı boru hatlarında akış kaynaklı titreşimlerin spektral ve gürültü analizi
The Spectral and noise analysis of flow induced vibrations in pipeline having valve andlar elbows
Yazar: KENAN YAKUT
Danışman: PROF.DR. TEOMAN AYHAN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 1996
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Boru hatları = Pipelines ; Gürültü analizi = Noise analysis ; Sınır tabaka denklemleri = Boundary layer equations ; Vanalar = Valves

Özet:
Uygulamada boru hatlarında (petrol, doğal gaz, temiz-pis su v.b.) akışı kontrol amacıyla vanalar ve geometrik nedenlerle kullanılan dirsekler akış açısından birer aykırılık (süreksizlik) elemanlarıdır. Bu elemanlar, sınır tabaka ayrılmaları nedeniyle, akış ortamına sürekli olarak yaklaşık-periyodik bir yapıda vorteksler üretirler. Vortekslerin boru sisteminin akustik, mekanik veya termik yapısıyla akuple olması durumunda sistem emniyeti ve çevre gürültüsü açısından mühendisleri tedirgin eden problemler ortaya çıkabilir. Bu çalışmada, standart klapeli ve klapesi üzerinde çeşitli değişiklikler yapılmış bir sürgülü vana ve çeşitli çap ve dirsek açılarında dirsek halleri için ortaya çıkabilecek vortekslerin yapısı (literatürde bu konuda fâzla bir bilgiye rastlanmamıştır) ve vana ve/veya dirsek ihtiva eden boru hatlarında akış(vorteks)-akustik yapı akuplajı sonucu ortaya çıkan titreşimler ve gürültü, kurulan bir boru hattı modeliyle deneysel olarak incelenmiştir. Yapılan deneyler sonucunda, vortekslerin kopma frekanslarının boru hattının akustik frekanslarına veya tam katlarına eşit olması durumunda akış-akustik yapı akuplajının ortaya çıktığı, vana açıklığının sistemin akustiği üzerine bir etkisinin olmadığı ve standart vana geometrisi üzerinde yapılan değişikliklerin vorteks yapısında önemli değişimleri sağlayarak akış-akustik yapı akuplajını önlediği görülmüştür. Boru hatlarında akış-akustik yapı akuplajı sonucu akışa ait debi, hız, yoğunluk, sıcaklık ve basınç gibi büyüklüklerin çalkantı değerlerinde az ya da çok bir büyüme (amplifikasyon) meydana gelebileceği belirtilmiş ve yapılan boyut analizi sonucunda debi çalkantıları için tanımlanan amplifikasyon faktörünün; Reynolds, Strouhal, Mach, Dean sayılan ile birlikte hızlar oranına, frekanslar oranma, vana açılma oranma bağlı olduğu da gösterilmiştir. Ölçülen çalkantı basıncı ve gürültü değerleri bu boyutsuz sayıların fonksiyonu olarak ifade edilmiştir. Ayrıca boyutsuz frekans olarak da ifade edilebilen Strouhal sayısının vana ve dirsek için Reynolds sayısına göre değişimleri de verilmiştir. Elde edilen sonuçlar boyutsuz katsayılar cinsinden ifade edildikleri için benzer yapılarda, endüstride vanalı ve dirsekli boru hatlarında kullanılabilir. n

Abstract:
Flow control valve and elbows used with geometrical reasons have discontinuity surfaces for flow. These surfaces continously generate almost-periodic vortices into flow because of boundary layer seperations. If vortices lock on the acoustical, mechanical or thermal structures, serious problems for engineers, as environmental noise and safety of pipe system can be occured. In the present study, the vortical structures and flow-acoustic coupling phenomenon including model pipeline having valve and/or elbows and noise for gate valve with standart plate, the gate valve modified its plate the elbows having different geometrical structures have been investigated experimentally. It was observed from experimental results that the flow-acoustic coupling phenomenon was realised if vortex shedding frequency locked on the natural acoustic frequency and its harmonics of model pipeline. In addition, it was observed that the modifications on standart gate valve prevented the flow-acoustic coupling changing vortical structure of valve. The flow proporties such as, velocity, pressure, density and temperature for fluid flow may be amplified if the flow-acoustic coupling occurs. It was defined by dimensional analysis that the amplification factor for flow rate fluctuations was a function of Reynolds number, Strouhal number, Mach number, Dean number, velocity ratio, frequencies ratio, valve opening ratio and the ratio of pipe diameter to pipe length. The noise and pressure fluctuation have been analyzed as a function of these dimensionless numbers. In addition, Strouhal number defined as dimensionless frequency was also defined as a function of Reynolds numbers for valves and elbows. The results obtained in this study can be used in design and operation stages of pipelines in practice.