Precyzyjne przewidywanie przejściowych sił płynów w systemach rurowych

Artykuł przygotowany przez Scott A. Lang, PE i Trey W. Walters, PE , Applied Flow Technology, USA; Przedstawione na konferencji ASME PVP Pressure Vessels & Piping Conference, lipiec 2022 r.

Precyzyjne przewidywanie przejściowych sił płynów w systemach rurowych

Obliczenia naprężeń są niezbędne do zaprojektowania łączników rurowych, ale obliczenia naprężeń są tak samo dokładne, jak ich wejściowe siły napędowe. Obliczenia siły są skomplikowane dla układów statycznych, a układy płynów rzadko są statyczne.

Ponadto stan przejściowy działający na płyn (zamknięcie zaworu, zamknięcie pompy, zerwanie zaworu zwrotnego itp.) wytwarza fale ciśnienia i prędkości, które bezpośrednio wpływają na obciążenie rurociągu. Fale te podobnie wpływają na straty impulsów i tarcia, gdy przepływ przez rurociąg zmienia się, co dodatkowo wpływa na siły.

Problem

Złożoność obliczania sił z powodu płynnych stanów nieustalonych prowadzi do uproszczonych metod, które mogą błędnie obliczyć siłę. Ciśnienie jest często uważane za dominujący czynnik siły brany pod uwagę w tych analizach.

Jest to zbyt uproszczone podejście, pomijając rzeczywiste efekty fizyczne w przygotowaniu. Podobnie jak w przypadku większości płynnych analiz stanu przejścia, inżynierowie nie powinni spekulować, czy takie uproszczenia są akceptowalne dla ich systemu.

Metoda obliczeniowa

Niekompletne metody mogą powodować mylące lub nieprawidłowe odczyty siły. Wyeliminuj wątpliwości, obliczając rzeczywistą siłę za pomocą metody reakcji przyspieszenia dla dowolnego układu rurociągów z cieczą lub gazem.

Dowiedz się więcej o metodzie reakcji przyspieszenia i przekonaj się, jak łatwe jest to do zastosowania, gdy dostępne są wyniki symulacji płynów przejściowych.

Podstawy

Istnieje wiele zaawansowanych technik określania naprężeń i odkształceń w systemach rurociągów. Bezpieczne korzystanie z tych narzędzi jest możliwe tylko wtedy, gdy siły napędowe są dokładnie określone. Obliczenia siły szybko się komplikują, nawet w układach statycznych, a układy płynów rzadko są statyczne. Ciśnienie jest często postrzegane jako dominujący czynnik siły, a zatem jedyny efekt zainteresowania. Jest to zbyt uproszczone podejście, które pomija rzeczywiste efekty fizyczne.

Transjenty cieczy dodatkowo komplikują sytuację. Nagłe zmiany w działaniu systemu, takie jak zamykanie zaworów lub uruchomienie pompy, rozprzestrzeniają się w falach ciśnienia w całym systemie, bezpośrednio wpływając na obciążenie, które musi być transportowane przez rurociąg. Fale ciśnienia są ściśle powiązane z falami prędkości, co oznacza, że straty impulsów i tarcia są również tymczasowe. Wszystkie te czynniki muszą być brane pod uwagę w celu uzyskania pełnej reprezentacji siły przejściowej.

Złożoność obliczania sił spowodowanych stanami nieustalonymi płynów doprowadziła w najgorszym przypadku do pominięcia efektu lub całkowitego ograniczenia prostymi współczynnikami korekcyjnymi. Nawet ci, którzy są świadomi przemijającego charakteru, często biorą pod uwagę tylko warunki presji.

W niektórych przypadkach takie uproszczenia mają sens, ale w innych przypadkach proste podejście błędnie przeliczy rzeczywiste siły. Oprócz chęci projektanta, aby uniknąć nadmiernych obciążeń, normy takie jak ASME B31 wyznaczają limity obciążeń okazjonalnych. ASME B31.1-101.5.1 wyraźnie stwierdza, że należy wziąć pod uwagę naprężenia spowodowane stanami przejścia płynów [1]. Podobne stwierdzenia można znaleźć w ASME B31.3 i B31.4 [2] [3]. Aby upewnić się, że kod jest egzekwowany, należy użyć metody wysokiego bezpieczeństwa.

Tło historyczne

Podstawowe pojęcia omawiane tutaj nie są nowe. W rzeczywistości wybrane podejście opiera się całkowicie na prostych zasadach, takich jak prawa Newtona. Jednakże, zgodnie z najlepszą wiedzą autorów, prawidłowe stosowanie tych praw do rurociągów w warunkach przejściowych nie zostało wystarczająco i jasno opisane.

Przegląd reakcji składników spowodowanych określonymi efektami, takie jak reakcja wywołana przepływem wokół krzywej lub przecięcie spowodowane tarciem o ściany, można znaleźć w prawie każdym podręczniku wprowadzającym do płynów.

Przypadki te są zwykle traktowane w izolacji akademickiej, co utrudnia zastosowanie w tej dziedzinie. Należy dołożyć wszelkich starań, aby utrzymać spójny system sił i wziąć pod uwagę wszystkie interesy, co nie jest poruszone w tekstach wprowadzających.

Przy rzeczywistych obliczeniach siły przejściowej należy uwzględnić wszystkie komponenty przejścia, a nie tylko siły składowe, które istnieją w granicach objętości kontrolnej. We wszystkich akustykach przepływy masowe nie są takie same i należy wziąć pod uwagę efekt czasowy. Rozważanie tych przemijających zachowań jest skomplikowanym krokiem, który jest często pomijany w typowych analizach, ale nie jest to nowa koncepcja. Metoda została szczegółowo opisana w [5]. Niestety, teoria znaleziona w [5] był używany głównie do opracowania prostego oszacowania, które może spowodować znaczny błąd [6].

Jednym z najczęstszych podejść do obliczania sił przejściowych jest najpierw określenie dokładnych wyników przepływu przejściowego, a następnie po prostu użycie ciśnień przejściowych przy granicach objętości regulacyjnej pomnożonych przez lokalne zakresy przepływu w celu określenia linii granicznej sił składowych. Całkowita siła reakcji jest obliczana jako suma tych ograniczających sił składowych. Chociaż ma dobre intencje, stosowanie tylko ciśnień w punktach końcowych jest w rzeczywistości podejściem w stanie ustalonym, które jest przestrzegane na każdym kroku, ponieważ warunki takie jak przyspieszenie płynu w objętości kontrolnej lub zachowanie cieczy przez sprzęt są pomijane.

Założenia

Przedstawione tutaj podejście nie przestaje mieć własnych założeń. Najważniejszą rzeczą jest to, że odkształcenie rur nie jest brane pod uwagę, zakłada się, że cały zespół jest całkowicie sztywny. Dlatego wyniki można uznać za siły reakcji wymagane do utrzymania zespołu rurociągów na miejscu. W przypadku układów ustalonych statycznie można określić specyficzne reakcje na podporach. Przedstawiona metoda służy wyłącznie do określenia odpowiedzi holistycznej: skutki oznaczenia lub naprężenia są poza zakresem.

Elementy zewnętrzne, takie jak ciężkie trzpienie zaworów, kanały pomp lub wiatr, są ignorowane. Pomija się również siły spowodowane rozszerzalnością cieplną, przepływami wielofazowymi lub inną złożoną dynamiką płynów. Przepływ i wszystkie powiązane parametry w rurociągu są rozpatrywane w kontekście jednowymiarowym. Oznacza to, że ciśnienie, prędkość lub inne parametry są uważane za wartości średnie w całym przekroju przepływu.

Reakcje, a siły działające na zespół rurociągów

W artykule skupiono się na określaniu sił reakcji w zespole rurociągów. Są to siły niezbędne do zatrzymania ruchu systemu, które muszą być zapewnione przez zewnętrzne podpory. Na przykład reakcja spowodowana masą na powierzchni jest normalną siłą, która działa w górę, aby przeciwdziałać ciężarowi. Analitycy naprężeń rur mogą poradzić sobie z wynikową siłą działającą na zespół rury, która jest taka sama pod względem wielkości, ale przeciwna pod względem znaku reakcji.