شبیه سازی عددی آب شستگی اطراف لوله تحت جریان

با توسعه سریع صنایع دریایی در سه دهه گذشته، استفاده از خطوط لوله به عنوان سیستم بهینه انتقال گاز و نفت خام از سکوهای نفتی فراساحل رواج گسترده ای یافته است. قرارگیری لوله بر بستر دریا و تأثیر آن بر رژیم جریان های موضعی منجر به وقوع مشکلات متعددی از قبیل آب شستگی اطراف لوله و ایجاد دهانه های آزاد، تحمیل بارهای نوسانی و بروز خستگی و در نهایت آسیب جدی خط لوله و تحمیل هزینه های اقتصادی و زیست محیطی می گردد. با توجه به اهمیت سازه لوله در کشور ایران به عنوان یکی از صاحبان بزرگ منابع نفت و گاز جهان، انجام مطالعات تکمیلی که بتواند در پیش بینی پدیده آب شستگی و بارهای وارده بر لوله مورد استفاده قرار گیرد ضروری می باشد. پژوهش حاضر، به منظور کمک به درک اندرکنش لوله- جریان و لوله- جریان- بستر ماسه ای به شبیه سازی دو بعدی جریان پیرامون خط لوله واقع بر بستر صلب و آب شستگی اطراف لوله تحت جریان پایدار با استفاده از مدل عددی flow-3d می پردازد. مدل آشفتگی به منظور ارزیابی مدل در محاسبه سرعت جریان اطراف لوله مورد استفاده قرار گرفته و نتایج حاصله با داده های آزمایشگاهی مطابقت داده شده است. مقایسه های انجام شده بیانگر آن است که دقت مدل در پیش بینی سرعت بالادست بسیار خوب بوده و در پایین دست نیز از دقت قابل قبولی برخوردار می باشد. اثر فاصله لوله از بستر بر بسامد گردابه های پایین دست بررسی و ملاحظه گردید با افزایش فاصله لوله از بستر از یک حد مرزی به بعد تغییری در بسامد فرآیند گردابه فکنی به وجود نخواهد آمد. اثر زبری لوله بر پدیده گردابه فکنی با استفاده از مدل های آشفتگی و rng مورد مطالعه قرار گرفت و مشاهده گردید با افزایش زبری لوله بسامد و دامنه نوسان گردابه های پایین دست افزایش می یابد. همچنین بررسی های انجام شده نشان می دهد با دور شدن لوله از بستر، سرعت جریان در شکاف بین لوله و بستر کاهش یافته و تنش برشی بستر در مجاورت لوله به تنش برشی جریان دست نخورده نزدیک می شود. طول ناحیه چرخشی بالادست و پایین دست با استفاده از مدل های آشفتگی و rng بررسی و ملاحظه گردید محاسبات مدل rng به داده های آزمایشگاهی نزدیک تر است. به منظور مطالعه آب شستگی تحت جریان، مدل آزمایشگاهی mao (1986) در شرایط بستر فعال با استفاده از مدل های آشفتگی و rng گردید. مقایسه نتایج به دست آمده از شبیه سازی عددی آب شستگی اطراف لوله نشان داد که محاسبات مدل عددی در شرایط بستر فعال از دقت مناسب برخوردار می باشد. از بین پارامترهای موثر بر پروفیل نهایی آب شستگی، اثر قطر لوله و قطر متوسط ذرات رسوب بر عمق حداکثر و طول حفره آب شستگی بررسی و دقت نتایج حاصله در مقایسه با روابط آزمایشگاهی قابل قبول ارزیابی گردید. البته با افزایش قطر متوسط ذرات رسوب و کاهش عدد شیلدز، عمق بی بعد آب شستگی پیش بینی شده توسط مدل عددی کم تر از نتایج آزمایشگاهی بوده و پس از برقراری شرایط آب زلال هیچ گونه آب شستگی اطراف لوله مشاهده نمی شود. به طور کلی نتایج حاصله از پژوهش بیانگر آن است که مدل عددی flow-3d تنها در شرایط بستر فعال قادر به پیش بینی پدیده آب شستگی اطراف لوله می باشد.