Skip to main content
SUPERVISOR
Abdolreza Kabiri
عبدالرضا کبیری سامانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Nooshin Jafarinasab
نوشین جعفری نسب

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Investigation of the relation between the two-phase air-water flow regimes and the swirling flow at pipe intakes
Two-phase gas-liquid flows occur in a wide variety of situations, e.g. , in chemical processes, power generation, water supply systems, and petroleum industry This type of flow typically occurs in pressurized flow tunnels, culverts, siphons, bends and pipelines in which the air bubbles are trapped in water flow and are released while the pressure reduces. To identify the hydraulic specifications of two-phase air-water flows, former experimental studies were performed by injection of pressurized air under controlled conditions into the water flow. Therefore, natural air suction into the pipeline due to the generation of swirling flow over the pipe inlet has not been considered yet. It seems that flow measurements under the realized conditions would be applicable in practical purposes. In the present experimental study, natural air suction due to the establishment of the air-core vortices at the pipe inlet were modeled and the hydraulic parameters of the air-water two-phase flow inside the pipeline were examined simultaneously. The study was aimed to achieve a logical relationships between the hydraulic characteristics of two-phase air-water flow inside the pipeline and the specifications of the swirling flow over the pipe inlet. To investigate the most sever flow conditions, experiments were conducted under the condition of forced swirling flow over the entrance of the vertical pipe intake. Applying the dimensional analysis, the influential hydraulic and geometrical dimensionless parameters of both swirling flow and two-phase flow were recognized. Tests were performed in the Hydraulic Laboratory of department of Civil Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan. The hydraulic model involves a cylindrical main reservoir 2 m in diameter and 1 m high. Three different vertical pipe intakes of (D=10.16 cm, h=30 cm) (D=7.62 cm, h=30 cm) and (D=7.62 CM, h=50 cm) (where D is the pipe inner diameter and h is the pipe intake height) were installed at the center over the floor of the main reservoir. Experiments were conducted for different floe discharges under the establishment of different vortex types e.g. Types 1 to 6. Two meter long of the bottom outlet was made of traarent Plexiglas to observe the two-phase flow hydraulic behavior for different swirling flow situations and to detect the two-phase flow regimes in the outlet pipe. The results including tangential velocity profiles inside the main reservoir, discharge-head relationships, pressure fluctuations in the outlet pipe and the relation between swirling flow over the pipe inlet and two-phase flow inside the bottom outlet were presented by applying the most prevailing dimensionless parameters. According to the results, for the vertical intakes with D=10.16 cm, h=30 cm and D=7.62 cm, h=30 cm, different types of swirling flow including types 2 to 6 were observed. Although, in the outlet pipe for swirls of types 2, 3 and 6 just the stratified two-phase flow was observed, for the swirls of types 4 and 5 slug flow was the dominant two-phase flow regime inside the bottom outlet. For the shaft with geometrical specifications of D=7.62 and h=50 cm, swirling flows of type 2 to 6 were established, however for all of these swirling flow situations the only two-phase flow observed in the outlet pipe was stratified flow and slug flow was not formed inside the bottom outlet. By increasing the flow discharge, the swirling flow strength is increased, thereby the slug flow frequency, wave length and wave height are increased. The pressure fluctuations as well as the maximum recorded pressure inside the outlet pipe are also increased. Results inferred that the two-phase flow void fraction decreases if the type of the swirling flow changes from type 2 to types 6, 3, 4 and 5, respectively. Keywords: Bottom outlet, model experimentation, slug flow regime, swirling flow, vertical pipe intake.
اکثر تحقیقات آزمایشگاهی جهت تعیین مشخصات هیدرولیکی جریان دوفازی آب‌ و هوا، در شرایط تزریق مصنوعی و کنترل ‌شده هوا صورت گرفته اند و تاکنون تحقیقی در شرایط مکش طبیعی هوا تحت تأثیر جریان گردابی در ورودی مجرا، انجام‌ نشده است. از آنجایی‌که امکان وقوع جریان دوفازی در صورت بروز گردابه در ورودی مجاری آب بر نظیر؛ تونل ها، کالورت ها و سیفون های معکوس بسیار بالا است، پرداختن به این موضوع از بعد طراحی ایمن این سازه ها ضروری به نظر می رسد. لذا در تحقیق حاضر با ایجاد شرایط لازم برای تشکیل جریان گردابی در ورودی یک مجرای آب بر، شرایط برای وقوع جریان دوفازی آب‌ و هوا مهیا شده و به بررسی ارتباط متقابل ویژگی های جریان دوفازی درون مجرا با قدرت و مشخصات جریان گردابی در ورودی مجرا پرداخته می شود. با انجام آنالیز ابعادی پارامترهای موثر بر مسأله شناسایی شدند. مدل سازی در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده مهندسی عمران انجام شده است.مدل میدان جریان شامل مخزنی استوانه ای به قطر 2 متر و ارتفاع ا متر است که در وسط کف آن، شفت های قائم با مشخصات ارتفاع و قطر به ترتیب (30-16/10)، (30-62/7) و(50-62/7) سانتی متر متصل می گردید. آزمایشات برای دبی های مختلف در شرایط وقوع جریان های گردابی مختلف برای هر شفت انجام شد. در ضمن بخشی از لوله ی انتقال آب از شفت به مخزن پایین دست به‌منظور مشاهده ی وضعیت جریان در لوله ی انتقال در حالت های مختلف عبور جریان و تشخیص نوع جریان های دوفازی شکل ‌گرفته در مجرا از جنس پلکسی گلس انتخاب شد. نتایج آزمایش ها در چندین بخش از جمله پروفیل های سرعت مماسی، نمودارهای دبی– اشل برای شفت های مختلف، تغییرات نوسانات فشار در مجرای تخلیه کننده تحتانی و ارتباط بین جریان گردابی با جریان دو فازی در مجرای تخلیه کننده تحتانی و سایر بررسی شده است. با توجه به نتایج تحقیق حاضر، در شفت با مشخصات هندسی ارتفاع و قطر به ترتیب(30-16/10) و (30-62/7) سانتی متر، گرداب های انواع 2 تا 6 مشاهده شدند. که در گرداب‌های انواع 2، 3 و 6 در ورودی مجرای تخلیه، رژیم جریان دوفازی لایه‌ای در مجرای تخلیه کننده شکل می گیرد. در حالی‌ که در شرایط تشکیل گرداب‌های انواع 4 و 5، رژیم دوفازی لخته‌ای در تخلیه کننده تحتانی به وجود می آید. در شفت با مشخصات هندسی قطر 62/7 و ارتفاع 50 سانتی‌متر، گرداب‌های ایجاد شده شامل انواع 2 تا 6 بودند. در این آزمایش ها در تمامی گرداب‌های شکل‌ گرفته در ورودی مجرا، فقط رژیم لایه‌ای در مجرای تخلیه کننده تشکیل شد و هیچ گونه لخته‌ای در ناحیه شفاف مجرای تخلیه کننده مشاهده نشد. در مجموع، شفت با قطر 16/10 و ارتفاع 30 سانتی‌متر دارای بیشترین ظرفیت آبگذری و شفت با قطر 62/7 و ارتفاع 50 سانتی‌متر دارای کمترین ظرفیت آبگذری بوده است. با افزایش دبی آب و به‌تبع آن قدرت گرداب در ورودی مجرا، طول امواج نوسانی و ارتفاع امواج کاهش می‌یابد؛ اما مقادیر فشار اعمالی بر سازه و ماکزیمم فشار افزایش می‌یابند. همچنین با افزایش قدرت جریان گردابی، سرعت و فرکانس موج لخته ای و همچنین طول ‌موج لخته ای افزایش و پریود موج کاهش می‌یابد. با افزایش دبی آب و قدرت جریان گردابی در هر شفت، ترتیب کاهش کسر فضای خالی به ترتیب از نوع 2 به انواع 6، 3، 4 و در نهایت گرداب نوع 5 است. در ضمن با افزایش عمق استغراق و عدد فرود بالادست، فرکانس موج لخته‌ای زیاد شده و با افزایش عدد چرخش، فرکانس موج لخته‌ای کاهش می‌یابد. کلمات کلیدی: شفت قائم، جریان گردابی، رژیم لخته ای، تخلیه کننده تحتانی و مدل آزمایشگاهی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی