Water hammer mitigation by internal rubber hose

• Autorzy: Kubrak Michał

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.148911

Warianty tytułu

PL

Łagodzenie uderzeń hydraulicznych za pomocą umieszczonego wewnątrz rurociągu gumowego węża

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of this research was to experimentally analyse the possibility of using a rubber hose placed inside a pipeline to mitigate the water hammer phenomenon. The experiments were conducted using a steel pipeline with an inner diameter of 53 mm and an EPDM rubber hose with a diameter of 6 mm. Hydraulic transients were induced by a rapid closure of the valve located at the downstream end of the pipeline system. In order to analyse the influence of steady-state flow conditions on the maximum pressure increase, measurements were carried out for different values of initial pressure and discharge. The experimental results indicate that placing a rubber hose inside a pipeline can substantially attenuate valve-induced pressure oscillations. It was observed that the initial pressure has a significant influence on the capacity of the rubber hose to dampen the water hammer phenomenon. Comparative numerical calculations were performed using the Brunone–Vitkovský instant acceleration-based model of unsteady friction. It was demonstrated that this approach does not allow satisfactory reproduction of the observed pressure oscillations due to the viscoelastic properties of the EPDM hose used in the tests.

PL

Celem przeprowadzonych badan była eksperymentalna analiza możliwości zastosowania węza gumowego umieszczonego wewnątrz rurociągu do łagodzenia zjawiska uderzenia hydraulicznego. Pomiary przeprowadzono wykorzystując stalowy rurociąg o średnicy wewnętrznej 53 mm i długości 48.5 m oraz wąż gumowy EPDM o średnicy 6 mm ułożony na całej długości rurociągu. Uderzenia hydrauliczne inicjowane były poprzez gwałtowne i całkowite zamknięcie zaworu znajdującego się na końcu układu. W celu przeanalizowania wpływu parametrów przepływów panujących w rurociągu w ruchu ustalonym na maksymalne przyrosty ciśnienia, pomiary przeprowadzono dla różnych wartości początkowego ciśnienia i natężenia przepływu. Wyniki eksperymentów wskazują, że umieszczenie węza gumowego w obszarze nieustalonego przepływu cieczy może skutecznie tłumic oscylacje ciśnienia podczas prostego, dodatniego uderzenia hydraulicznego. Zaobserwowano, że ciśnienie początkowe ma istotny wpływ na zdolność węza gumowego do tłumienia fal ciśnienia. Celem przeprowadzonych obliczeń numerycznych było sprawdzenie przydatności najczęściej wykorzystywanego w praktyce modelu tarcia nieustalonego (tzw. IAB Brunone–Vitkovský model) do symulowania analizowanego zjawiska. Wykazano, że podejście to nie pozwala na zadowalające odtworzenie obserwowanych oscylacji ciśnienia ze względu na lepkosprężyste właściwości użytego w badaniach węza EPDM.

Słowa kluczowe

EN

hydraulic transients; internal hose; pressure wave; unsteady friction; water hammer

PL

lepkosprężystość; oscylacje ciśnienia; ruch nieustalony; uderzenie hydrauliczne; wąż EPDM

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 1
• Strony: 275--288
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kubrak Michał

• Warsaw University of Technology, Faculty of Building Services, Hydro and Environmental Engineering, ul. Nowowiejska 20, 00-653 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-8097-3803

Bibliografia

• [1] A. Studzinski, V.O. Harbulakova, and I. Skrzypczak, “The influence of the properties of water pipes made of PE on their durability and reliability”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 1, pp. 129–143, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.140160.
• [2] J. Gong, M.L. Stephens, M. F. Lambert, A.C. Zecchin, and A.R. Simpson, “Pressure Surge Suppression Using a Metallic-Plastic-Metallic Pipe Configuration”, Journal of Hydraulic Engineering, vol. 144, no. 6, art. no. 04018025, 2018, doi: 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001468.
• [3] Y. Zhang, Z. Xi, and L. Sun, “Numerical investigation of water hammer effect in pipeline of NPP considering two-phase compressible flow”, Progress in Nuclear Energy, vol. 150, art. no. 104287, 2022, doi: 10.1016/j.pnucene.2022.104287.
• [4] A. Bergant, J. Mazij, and U. Karadžic, “Design of Water Hammer Control Strategies in Hydropower Plants”, Applied Engineering Letters, vol. 3, no. 1, pp. 27–33, 2018, doi: 10.18485/aeletters.2018.3.1.5.
• [5] A. Triki, “Water-hammer control in pressurized-pipe flow using an in-line polymeric short-section”, Acta Mechanica, vol. 227, no. 3, pp. 777–793, 2016, doi: 10.1007/s00707-015-1493-1.
• [6] A. Triki, “Water-Hammer Control in Pressurized-Pipe Flow Using a Branched Polymeric Penstock”, Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, vol. 8, no. 4, art. no. 04017024, 2017, doi: 10.1061/(ASCE)PS.1949-1204.0000277.
• [7] G. Pezzinga and P. Scandura, “Unsteady Flow in Installations with Polymeric Additional Pipe”, Journal of Hydraulic Engineering, vol. 121, no. 11, pp. 802–811, 1995, doi: 10.1061/(ASCE)0733-9429(1995)121:11(802).
• [8] E. B. Wylie, V. L. Streeter, and L. Suo, Fluid transients in systems. Prentice-Hall International, 1997.
• [9] G. Remenieras, “Dispositif simple pour réduire la célérité des ondes élastiques dans les conduites en charge”, in La Houille Blanche. 1952, pp. 172–196, doi: 10.1051/lhb/1952005.
• [10] A.S. Tijsseling, A.C.H. Kruisbrink and A. Pereira da Silva, “The Reduction of Pressure Wavespeeds by Internal Rectangular Tubes”, presented at 3rd ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conference, San Francisco, USA, 1999.
• [11] M. Kubrak and A. Kodura, “Water Hammer Phenomenon in Pipeline with Inserted Flexible Tube”, Journal of Hydraulic Engineering, vol. 146, no. 2, 2020, doi: 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001673.
• [12] M.H. Chaudhry, Applied Hydraulic Transients, 3rd ed. New York, NY: Springer, 2014.
• [13] D.J. Korteweg, “Ueber die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles in elastischen Röhren”, Annalen der Physik, vol. 241, no. 12, pp. 525–542, 1878, doi:10.1002/andp.18782411206.
• [14] M. Kubrak, “Experimental and Numerical Analysis of Water Hammer Phenomenon in Pipeline with Fiber Optic Cable”, Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, vol. 12, no. 1, art. no.04020066, 2021, doi: 10.1061/(ASCE)PS.1949-1204.0000522.
• [15] A.S. Tijsseling and A. E. Vardy, “What is wave speed?”, in Proceedings of the 12th International Conference on Pressure Surges. Dublin, Ireland, 2015, pp. 343–360.
• [16] Q. Sun, Z. Zhang, Y.Wu, Y. Xu, and H. Liang, “Numerical Analysis of Transient Pressure Damping in Viscoelastic Pipes at Different Water Temperatures”, Materials, vol. 15, no. 14, art. no. 4904, 2022, doi: 10.3390/ma15144904.
• [17] A. Bergant, A. Ross Simpson, and J. Vìtkovsky, “Developments in unsteady pipe flow friction modelling”, Journal of Hydraulic Research, vol. 39, no. 3, pp. 249–257, 2001, doi: 10.1080/00221680109499828.
• [18] O. Abdeldayem, D. Ferràs, S. van der Zwan, and M. Kennedy, “Analysis of Unsteady Friction Models Used in Engineering Software for Water Hammer Analysis: Implementation Case in WANDA”, Water, vol. 13, no. 4, art. no. 495, 2021, doi: 10.3390/w13040495.
• [19] B. Brunone, U.M. Golia, and M. Greco, “Effects of Two-Dimensionality on Pipe Transients Modeling”, Journal of Hydraulic Engineering, vol. 121, no. 12, pp. 906–912, 1995, doi: 10.1061/(ASCE)0733-9429(1995)121:12(906).
• [20] B. Brunone and U.M. Golia, “Discussion of ‘Systematic Evaluation of One-Dimensional Unsteady Friction Models in Simple Pipelines’ by J. P. Vitkovsky, A. Bergant, A. R. Simpson, and M. F. Lambert”, Journal of Hydraulic Engineering, vol. 134, no. 2, pp. 282–284, 2008, doi: 10.1061/(ASCE)0733-9429(2008)134:2(282).
• [21] A.E. Vardy and J.M.B. Brown, “Transient turbulent friction in fully rough pipe flows”, Journal of Sound and Vibration, vol. 270, no. 1–2, pp. 233–257, 2004, doi:10.1016/S0022-460X(03)00492-9.
• [22] A.K. Soares, D.I. Covas, and L. F. Reis, “Analysis of PVC Pipe-Wall Viscoelasticity during Water Hammer”, Journal of Hydraulic Engineering, vol. 134, no. 9, pp. 1389–1394, 2008, doi: 10.1061/(ASCE)0733-9429(2008)134:9(1389).

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).