مدل سازي عددي جريان گذرا در شبكه آبرساني ويسكوالاستيك

Numerical Modelling of Transient Flow in Viscoelastic Pipe Network

پژوهش حاضر به معرفي و مدل سازي اثرات ويسكوالاستيك در جريان هاي گذرا در لوله هاي پليمري رايج در شبكه هاي آبرساني مي پردازد. خواص ويسكوالاستيك سبب بروز ترم هاي جديدي در معادلات سازگاري حاكم بر جريان هاي گذرا مي شود كه مدل ها موجود فاقد آن هستند. بر اين اساس معادلات سازگاري براي خواص ويسكوالاستيك بازنويسي شده و با به كارگيري روش خطوط مشخصه در تركيب با تفاضل محدود تحليل مي شوند. به منظور واسنجي پارامترهاي مجهول نظير ضرايب افت و خزش و صحت سنجي مدل عددي توسعه يافته، يك مدل آزمايشگاهي از شبكه آبرساني ويسكوالاستيك در آزمايشگاه هيدروليك دانشكده مهندسي علوم آب دانشگاه شهيد چمران ساخته شد. شبكه آزمايشگاهي از شش حلقه مربعي كه هر حلقه به صورت يك مربع m3m X3 مي باشد تشكيل شده است. لوله ها از نوع پلي اتيلن با قطر اسمي 50 ميلي متر و ضخامت 5/5 ميلي متر است. در مدت زمان عبور جريان گذرا از شبكه لوله، نوسانات فشار ديناميكي توسط ترانسديوسرهاي فشار جمع آوري مي شدند. با به كارگيري روش تحليل معكوس جريان گذرا و استفاده از روش الگوريتم ژنتيك، پارامترهاي مجهول مسئله شامل ضرايب افت ناماندگار و ضرايب ويسكوالاستيك براي شرايط مختلف محاسبه مي شوند. نتايج نشان مي دهد كه مدل كلاسيك ضربه قوچ به هيچ عنوان قادر به شبيه سازي نوسانات فشار در لوله هاي پلي اتيلن نمي باشد. در واقع مدل سازي دو اثر ديناميكي افت ناماندگار و ويسكوالاستيك براي اين لوله ها بسيار ضروري است. همچنين نتيجه گرفته مي شود كه اثرات ويسكوالاستيك نقش بسيار پررنگ و مهم تري نسبت به افت ناماندگار در شكل گيري سيگنال هاي ضربه قوچ بازي مي كنند تا جايي كه در نظر گرفتن آن به تنهايي مي تواند به پاسخ هاي قابل قبولي دست يافت.

The present research deals with the introduction and simulation of viscoelastic effects in transient flows in polymeric pipes widely used in pipe network. The viscoelastic properties result in appearing new terms in transient flow governing equations which are generally absent in available models. In this study, the governing equations are rewritten and manipulated for considering the viscoelastic properties. The equations are then solved using the method of characteristics coupled with the finite difference method. In order to calibrate the unknown parameters including the unsteady friction and creep coefficients as well as to verify the model, a model of viscoelastic pipe network was made at the hydraulics laboratory of Water Sciences Engineering department of Shahid Chamran University. The configuration of the experimental set-up consists of a pipe network with six square loops, having each loop 3m×3m. The pipes are made of PE with 50 mm nominal diameter and 5.5 mm of wall thickness. The data of dynamic pressure oscillation during these transient events were collected by Pressure transducers. Appling the inverse transient analysis method and with the aid of a genetic algorithm, the friction and creep coefficients of the experimental pipe are determined. The results show that the classical water hammer solver cannot accurately analyze the transient flows in polyethylene pipes. In fact, modeling both dynamic effects of unsteady friction losses and viscoelasticity for such pipes is quite necessary. However, it is also found that the viscoelasticity is obviously more effective than the unsteady friction effects in formation and attenuation of transient signals so that, considering onlyviscoelastic effects would result in acceptable responses.