Boru hatlarında akış kaynaklı titreşimlerin sönümlenmesi
Attenuation of flow-induced vibrations in pipelines
Yazar: KENAN YAKUT
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 1992
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Boru hatları = Pipelines ; Kuplaj = Coupling ; Titreşim = Vibration

Özet:
Boru hatlarında kullanılan kontrol vanaları, orif isler ve boru bağlantı parçaları akım açısından aykırılık elemanlarıdır. Bu elemanlar akım ortamına yaklaşık periyodik yapıdaki vorteksleri üretirler. üretilen vortekslerin boru hattının akustik veya. mekanik yapısıyla akuple olması sonucu akış kaynaklı titreşimler olarak adlandırılan zorlanmış titreşimler ortaya çıkabilir. Enerji kayıpları, gürültü ve ölçümlerde hatalara sebep olduklarından dolayı bu tür titreşimler boru hatlarında istenmezler. Bu çalışmada boru hatlarındaki akış- akustik yapı akuplajı sonucu ortaya çıkan titreşimler incelenerek nasıl sönümlenebilecekleri konusunda deneyler yapılmıştır. Debi çalkantılarının ampli-f ikasyo- nunu i -fade eden bir matematik model sunulmuştur. Bu amaçla daimî olmayan akımdaki genelleştirilmiş Bernoulli denklemi, süreklilik denklemi, genelleştirilmiş momentum denklemi, ve ses denklemi kullanılmıştır. Orifisde sınır tabaka ayrılması sonucu oluşan vortekslerden dolayı pülsati-f bir akışın meydana geldiği ve hız çalkantılarının boru ekseni boyunca parabolik olarak değiştiği kabul edilmiştir. Debi çalkantılarının ise sinusoidal bir -formda zamanla değiştiği kabul edilmiştir. Debi çalkantıları için tanımlanan ampl i-f ikasyon faktörünün boru hattının geometrisine, vorteks kopma -frekansına, boru hattının tabii akustik frekansına ve akımın Ma ve St sayılarına bağlı olduğu matematik modelle gösterilmiştir. Ampl if ikasyon faktörünün küçük Mach sayılarında ve arif is çapının boru çapına oranının küçük olması hallerinde büyüdüğü ve jetin doğrudan atmosfere veya sabit basınçlı bir ortama fışkırması halinde ise minimum değerini aldığı görülmüştür. Deneyler hava ile beslenen iki orifisli model boru hattında yapılmıştır. Uzun boru hatları ile geometrik benzerlik sağlanabilmesi amacıyla model boru hattının toplam boru uzunluğunun boru çapına oranı yaklaşık olarak 96 seçilmiştir.Model boru sisteminde akış- akustik yapı akuplajınm bir sonucu olarak ötme sesi duyulmuştur. Akuplajı önlemek için boru hattının akustik veya vorteks yapısını değiştirmek gerekir. Bu amaçla model boru sisteminin akustik yapısını değiştirmek üzere hacım ilaveleri yapılmış ve rezonans -frekanslarında kayma ile birlikte çalkantı basınçlarının genliğinde bir miktar azalma görülmüştür. Vortekslerin yapısını değiştirmek için tek ve iki yönlü vorteks jeneratörleri, hareketli saçaklar kullanılmıştır. Hareketli saçaklar ince plastikten, vorteks jeneratörleri ise mangan alaşımlı ince levhalardan yapılmışlardır. Vortekslerin yapısını değiştirmek için kullanılan bu iki elemanın model boru hattındaki akış kaynaklı titreşimleri sönümlemede etkili oldukları gözlenmiştir. Boru hatlarındaki akış-akustik yapı akuplajı sonucunda oluşan titreşimlerin sönümlenmesinde en etkili çözümün iki yönlü vorteks jeneratörleri olduğu görülmüştür.

Abstract:
Control valves, orifices and fitting elements used on pipelines have discontinuity surfaces for flow. These surfaces generate almost- period ic vortices to flow medium. These surfaces coupled with acoustic or mechanic structures of pipe system cause forced vibrations which is called as "Flow-induced vibrations". Because of extra energy losses, vibration, noise and errors on measurements, flow-induced vibrations &re not demanded in pipel ines. In the present study, flow-acoustic coupling phenomenon in pipelines and attenuation of vibrations has been investigated. The mathematical model which shows amplification of flow rate fluctuations is defined. For this reason, generalized Bernoulli equation, Continuity equation, generalized momentum equation and sound equation in unsteady flow have been used. It is assumed that pulsating flow is produced due to vortices induced by flow separation at orifice used in pipeline and velocity fluctuations vary parabol ical ly along the pipe axis and volume flow rate fluctuations vary sinusoidally it is shown that amplification factor defined for volume flow rate fluctuations depends on the geometry of pipeline, vortex shedding frequency, natural acoustic frequency of pipeline, fiach number and Strouhal number of flow. Amplification factor found for volume flow rate fluctuations are increased at small orifice/pipe diameter ratios and small Mach numbers. Amplification factor equals to approximately zero at direct atmosphere discharging conditions of jet. When fiach number decreases, amplification factor defined for volume flow rate fluctuations increases.In addition, experiments have been carried out at model pipeline with two orifices and carried out with air. The ratio of pipe length to pipe diameter is approximately 96. A whistling sound was detected during the eKperiments as a result of flow-acoustic coupling in model pipeline system. It was achieved by changing either vortex shedding frequency or natural acoustic frequency of pipelines. It was observed that the volume addition to model pipe system changed the resonant frequencies of this system and caused small reduction in amplitudes of pressure fluctuations. Vortex generators (having same angle and alternating angle) and compliant boundaries may be used to change structure of vortices. The compliant boundaries are made from plastic while thin vortex generators are made from the alloy based manganese. It was observed that these had an important effect on attenuation of flow-induced vibrations in the model pipeline with two orifices. It was emphasised that an effective solution to attenuate these vibrations was vortex generators having alternating angle.