Wybrane problemy uderzenia hydraulicznego w przewodach ciśnieniowych w świetle eksperymentów

Kodura, A.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Wybrane problemy uderzenia hydraulicznego w przewodach ciśnieniowych w świetle eksperymentów

Autorzy

Kodura A.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Selected problems of water hammer in the pressure pipelines based on experiments

Języki publikacji

Abstrakty

Zjawisko uderzenia hydraulicznego jest przykładem ruchu nieustalonego w przewodach pod ciśnieniem. Początki opisu zjawiska sięgają pierwszej połowy XIX wieku. Na przestrzeni 200 lat, dzięki postępowi w metodach obserwacji, analizy i opisu matematycznego zjawisk, opracowano udoskonalone metody opisu przebiegu zjawiska. Tym niemniej, nadal można postawić szereg pytań szczegółowych, na które ciągle poszukiwane są odpowiedzi. W niniejszej monografii przedstawiono wybrane rozwiązania dotyczące nie w pełni rozpoznanych dotychczas problemów związanych z uderzeniem hydraulicznym. Omówione zagadnienia dotyczą wpływu rodzaju zamknięcia oraz długości przewodu za zamknięciem na przebieg zarówno prostego, jak i nieprostego uderzenia hydraulicznego oraz kwestii prędkości rozprzestrzeniania się fali uderzeniowej w medium dwufazowym ciecz-ciało stałe. Wszystkie omówione zagadnienia łączy jedno - ich analiza jest efektem wykonanych badań doświadczalnych na autorskich stanowiskach badawczych. W monografii opisano przeprowadzone badania eksperymentalne, stanowiące podstawę opisu analizowanych problemów. Opracowano zależności, pozwalające na wyznaczenie wielkości przyrostu ciśnienia podczas uderzenia hydraulicznego dla różnych typów zamknięć. W monografii zamieszczono także metodykę uwzględniania wpływu długości przewodu na przebieg zjawiska. Oba elementy są ważne z praktycznego punktu widzenia i mogą znaleźć zastosowanie w obliczeniach inżynierskich. W przypadku opisu uderzenia hydraulicznego w medium dwufazowym (szlamie), przeprowadzono analizę i wyprowadzono nową formułę dla obliczania prędkości fali ciśnienia. Opracowana została i zaprezentowana formuła uproszczona - będąca wynikiem analizy danych doświadczalnych.

The water hammer phenomenon is an example of a transient flow in pressure pipes. The first description of the phenomenon was made at the beginning of the I 9th century. Over 200 years, due to advancement of methods, analysis and mathematical description of phenomena, the improved methods for describing the course of the phenomenon were developed. Nevertheless, a number of detailed questions that are still being sought after. In the monograph a subjective selection of not fully recognized problems related to hydraulic impact has been made. The issues discussed concerns about the impact of the type of closure and the length of the downstream pipe on the course of both simple and non-simple water hammer. Moreover, the issue of velocity of the shock wave propagation in a two-phase liquid-solid medium was considered. Ali the issues discussed focus on the major concept - their analysis is the result of experimental research carried out on the author’s research stands. The monograph discusses experimental research, which is the basis for describing the indicated problems. On the basis of a number of analysis, mathematical formulas were developed to determine the magnitude of pressure increase during the water hammer for different types of closures. The monograph also includes a methodology for taking into account the effect of length on the course of the phenomenon. Practically, both elements are important and can be used in engineering calculations. In the case of the description of a hydraulic impact of a sludge - a two-phase medium - an analysis was made and a new formula was derived for calculating the speed of the pressure wave. A simplified formula was developed and presented - the result of the analysis of experimental data.

Słowa kluczowe

uderzenie hydrauliczne fala ciśnienia prędkość rozprzestrzeniania się zaburzenia charakterystyka zamykania zaworu uderzenie hydrauliczne w szlamie

water hammer pressure wave wave celerity valve closing characteristics water hammer in the sludge

Wydawca

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej

Czasopismo

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Inżynieria Środowiska

Rocznik

2019

Tom

z. 79

Strony

3--104

Opis fizyczny

Bibliogr. 85 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Kodura A.

Wydział Instalacji Budowlanych Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska, Politechnika Warszawska

Bibliografia

1. Addie, G.R. (1996), Slurry pipeline design for operation with centrifugal pumps, Proc. of the Thirteen Int. Pump Users Symp., Ed: Bailey, J.C., Chields, D.W.
2. Bechteler, W., Vogel, G. (1982), Pressure Wave Velocity in Slurry Pipelines, Hydrotransport 8, Paper H2, BHRA Fluid Engineering.
3. Bergant, A., Simpson, A.R., and Vitkovský, J. (2001), Developments in unsteady pipe flow friction modeling, J. Hydraul. Res., 39(3), pp. 249-257.
4. Brunone B., Golia, U.M., and Greco, M. (1995), Effects of Two-Dimensionality On Pipe Transient Modeling, ASCE J. Hydr. Eng., 121(12), pp. 906-912.
5. Brunone B., Karney W.B., Mecarelli M., Ferrante M. (2000), Velocity profiles and unsteady pipe friction in transient fIow Journal of Water Resources Planning and Management, pp. 236-244.
6. Burzyński K., Granatowicz J., Piwecki T., Szymkiewicz R. (1991) Metody numeryczne w hydrotechnice, Wyd. Politechniki Gdańskiej, Gdańsk, 1991.
7. Chaudhry, M.H. (1987), Applied hydraulic transients, Van Nostrand Reinhold, New York.
8. Covas, D., Stoianov, I., Mano, J.F., Ramos, H., Graham, N., and Maksimovic, C. (2005), The dynamic effect of the pipe-wall viscoelasticity in hydraulic transients. Part II - model development, calibration and verification, J. Hydraul. Res. 43(1), pp. 56-70.
9. Cristoffanini C., Karkare M., Aceituno M. (2014), Transient Simulation of Long Distance Tailings and Concentrate Pipelines for Operation Training. Proceedings of SME Annual Meeting/Exhibit, February 24-26, 2014, Salt Lake City, UT, USA.
10. Cui, H., Grace, J.R. (2007), Flow of pulp fibre suspension and slurries: A review, Int. J. Multiphase Flow, 33, 921-934.
11. Derammelaere, R.H., Shou, G. (2002), Antamina’s Cooper and Zinc Concentrate Pipeline Incorporates Advanced Technologies, Proc. of Hydrotransport, 15 June 2001, pp. 5-8.
12. Duan, H-F., Ghidaoui, M., Lee, P.J., and Tung, Y-K., (2010), Unsteady friction and visco-elasticity in pipe fluid transients, J. Hydraul. Res., 48(3), pp. 354-362. DOI: 10.1080/00221681003726247.
13. Duan, Z., Yovanovich, M.M., and Muzychka, Y.S. (2012), Pressure Drop for Fully Developed Turbulent Flow in Circular and Noncircular Ducts, ASME J. Fluids Eng., 134(6), pp. 061201(1-10). DOI: 10.1115/1.4006861.
14. Fox, J.A. (1977), Hydraulic Analysis of Unsteady Flow in Pipe Networks, The MacMillian Press LTD, London and Basingstoke.
15. Franke, P.G., and Seyler, F. (1984), Computational of unsteady pipe flow with respect to viscoelastic material properties, J. Hydraul. Res. 21(5), pp. 345-353
16. Ghidaoui, M.S., Zhao, M., McInnis, D.A., and Axworthy, D.H. (2005), A Review of Water Hammer Theory and Practice, Appl. Mech. Rev., 58(1), pp. 49-76. DOI: 10.1115/1.18p28050.
17. Grygo D., Sobieski W., Lipiński S. (2014) Etapy pracy tarana wodnego, Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury, JCEEA, t. XXXI, z. 61(3/1/14), lipiec-wrzesień 2014, s. 95-113.
18. Han, W., Dong Z., Chai H. (1998), Water hammer in pipelines with hyperconcentrated slurry flows carrying solid particle’s, Science in China; 41(4) (Series E), pp. 337-347.
19. Hashemi, S.A., Sadighian, A., Shah, S.I.A., Sanders, R.S. (2014), Solid velocity and concentration fluctuations in highly concentrated liquid-solid (slurry) pipe flows, Int. J. Multiphase Flow, 66, 46-61. DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2014.06.007.
20. Ilin Jo. A. (1987): Rasczet nadzieżnosti podaczi wody, Stroizdat, Moscow.
21. Imiełowski, S., Kodura, A., Glinicka, A., and Ajdukiewicz, C. (2016), Experimental study on mechanical properties of polyethylene HDPE on conditions of hydraulic impact simulation, Solid State Phenomena, Vol. 240, pp. 149-154, Trans Tech Publications, Switzerland, DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.240.149.
22. Janson L.E. (2010), Rury z tworzyw sztucznych do zaopatrzenia w wodę i odprowadzania ścieków. PSPRiKzTS, Toruń.
23. Kaushal, D.R., Thinglas, T., Tomita, Y., Kuchii, S., Tsukamoto, H. (2012) CFD modeling for pipeline flow of fine particles at high concentration, Int. J. Multiphase Flow, 43, 85-100. DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2012.03.005.
24. Kaushal, D.R., Tomita, Y. (2002) Solids concentration profiles and pressure drop in pipeline flow of multisized particulate slurries, Int. J. Multiphase Flow, 28, 1697-1717.
25. Kodura A. (2016), An Analysis of the Impact of Valve Closure Time on the Course of Water Hammer, Archives of Hydro-Engineering and Environmental Mechanics, vol. 23, pp. 35-45, DOI: 10.1515/heem-2016-0003.
26. Kodura A. (2018) Wpływ długości przewodu za zaworem kulowym na parametry uderzenia hydraulicznego w rurociągu z polietylenu o dużej gęstości, Ochrona Środowiska, nr 4, vol. 40, str. 15-20.
27. Kodura A., Kubrak M., Stefanek P., Weinerowska-Bords K. (2018) An Experimental Investigation of Pressure Wave Celerity During the Transient Slurry Flow. In: Kalinowska M., Mrokowska M., Rowiński P. (eds) Free Surface Flows and Transport Processes. GeoPlanet: Earth and Planetary Sciences. Springer, Cham DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-70914-7-16 Print ISBN 978-3-319-70913-0 Online ISBN 978-3-319-70914-7.
28. Kodura A.: (2010) Influence of valve closure characteristic on pressure increase during water hammer run, Environmental Engineering III, CRC Press, Pages 463-472.
29. Kodura, A., Stefanek, P., Weinerowska-Bords, K., (2017), An Experimental and Numerical Analysis of Water Hammer Phenomenon in Slurries ASME J. Fluids Eng., 139(12), pp. 121301-1-9. DOI: 10.1115/1.4037678.
30. Lan, G., Jiang, J., Li, D.D., Yi, W.S., Zhao, Z., Nie, L.N. (2013), Research on numerical simulation and protection of transient process in long-distance slurry transportation pipelines, Proc. 6th International Conference on Pumps and Fans with Compressors and Wind Turbines, IOP Publishing IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 52 (2013)072008. DOI:10.1088/1757-899X/52/7/072008.
31. Magistini G.B. (1824), Nuove Ricerche Sulla Teoria, e Sulle Practiche Applicazioni Della Percossa Idraulica, Bolonia.
32. Mambretti S. (2014), Water Hammer Simulations, WIT Press, Southampton, ISBN 978-1-84564-680-6.
33. Messa, G.V., Malin, M., Malavasi, S. (2014), Numerical prediction of fully-suspended slurry flow in horizontal pipes, Power Technology, 256, 61-70. DOI: 10.1016/j.powtec.2014.02.005.
34. Miszta Kruk K. (2016) Wykorzystanie krótkotrwałych stanów przejściowych w sieciach wodociągowych do wykrywania wycieków wody, Ochrona Środowiska, vol. 38, str. 39-43.
35. Mitosek M. (2003) Wahania masy cieczy w przewodzie, OWPW Warszawa.
36. Mitosek M. (2014) Mechanika płynów w Inżynierii i Ochronie Środowiska, OWPW, Warszawa.
37. Mitosek M., Szymkiewicz R. (2012), Wave Damping and Smoothing in the Unsteady Pipe Flow, ASCE Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 138, July 2012, pp. 619-628.
38. Niełacny M.: (2005) Uderzenia hydrauliczne w systemach wodociągowych, WPP, Poznań.
39. Niełacny M., Wiszniewska-Oraczewska I., (2000) Analiza wpływu typu oraz czasu zamykania zasuwy, zaworu na przyrost ciśnienia w przewodzie, Gaz Woda i Technika Sanitarna 8/2000, 316-321.
40. Palarski J. (1982), Hydrotransport, WNT.
41. Parmakian J. (1955), Water hammer analysis, Prentice-Hall Inc., New York.
42. Paterson, A.J.C. (2011), The pipeline transport of high density slurries - a historical review of past mistakes, lessons learned and current technologies, Australian Centre of Geomechanics, Perth, http://wwwpatersoncooke.com/wp-content/uploads/PatersonHistorical-Review-Pipeline-Transport.pdf.
43. Pezzinga J.: (2000) Evaluation of unsteady flow resistances by quasi-2D or 1D models. ASCE Journal of Hydraulics Engineering, vol. 126, 2000, s. 778-785.
44. Pezzinga, G., and Scandura, P. (1995), Unsteady Flow in Installations with Polymeric Additional Pipe, ASCE J. of Hydraul. Eng., 121(11), pp. 802-811. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9429(1995)121:11(802).
45. Pezzinga, G., Brunone, B., Camizzaro D., Ferrante, M., Maniconi, S., and Berni, A. (2014), Two-Dimensional Features of Viscoelastic Models of Pipe Transients ASCE J. Hydr. Eng., 140(8).
46. Ramos H., de Almeida B. A. (2002): Parametric Analysis of Water Hammer Effects in Small Hydro Schemes, Journal of Hydraulic Engineering, vol. 128, No 7, pp. 689-696.
47. Ramos, H., Covas, D., Borga, A., and Loureiro, D. (2004), Surge damping analysis in pipe systems: modelling and experiments J. Hydraul. Res., 42(4), pp. 413-425.
48. Samson, R., Biello, J.A. (2017), Longitudinal instability of slurry pipeline flow, Int. J. Multiphase Flow, 90, 57-63. DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2016.12.005.
49. Sawicki J.M., Wichowski R. (2001) Uproszczony model lepko-relaksacyjnych strat energii w uderzeniu hydraulicznym Siódme Ogólnopolskie Sympozjum: „Zastosowanie Mechaniki Płynów w Inżynierii i Ochronie Środowiska”. PŚ, KOWiTO, Gliwice-Wisła 2001, s. 130, 136.
50. Sharp B.B. (1974) Discussion of Water Hammer Charts for Various Types of Valves, Journal of Hydraulic Division, vol. 100, No 2, pp. 323-326.
51. Sharp B.B. (1981) Water Hammer: problems and solutions, Edward Arnold Publisher Ltd, London.
52. Sharp B.B. (1969) Water Hammer Gate Characteristic, Water Power, vol. 21, pp. 352-354.
53. Shook C.A., Hubbard L.T. (1973), An Experimental Study of Transient Slurry Flow, The Canadian Journal of Chemical Engineering, vol. 51, pp. 607-612.
54. Shou, G. (1999), Solid-liquid Flow System Simulation and Validation, PSIG Annual Meeting.
55. Soares A.K., Covas D.I.C., and Reis L.F.R. (2008), Analysis of PCV Pipe - Wall Viscoelasticity during Water Hammer ASCE J. Hydr. Eng., 134 (9), pp. 61389-1394.
56. Soares, A.K., Covas, D., and Reis, L.F. (2011), Leak detection by inverse transient analysis in an experimental PVC pipe system, J. Hydroinform., 13(2), pp. 153-166. DOI: 10.2166/hydro.2010.012.
57. Streeter V.L., Wylie B.E., Bedford K. W. (1998) Fluid Mechanics, WCB McGraw-Hill, New York.
58. Streeter, V.L., and Lai Ch. (1962), Water Hammer Analysis Including Fluid Friction ASCE J. Hydr. Div., 88, HY3, pp. 79-111.
59. Szymkiewicz R. (2000), Matematyczne modelowanie przepływów w rzekach i kanałach, PWN, ISBN: 9788301131715.
60. Szymkiewicz, R., and Mitosek, M. (2005) Analysis of unsteady pipe flow using the modified finite element method. Commun. Numer. Methods Eng., 21(4), pp. 183-199.
61. Szymkiewicz, R., and Mitosek, M. (2007) On improvement of the unsteady pipe flow equations Int. J. Numer. Method Fluid, 55(11), pp. 1039-1058.
62. Szymkiewicz, R., and Mitosek, M. (2014) Alternative convolution approach to friction in unsteady pipe flow. ASME J. Fluids Eng., 136(1), pp. 011202-1-011202-9.
63. Szymkiewicz, R., Mitosek, M. (2007) Numerical aspects of improvement of the unsteady pipe flow equations, Int. J. Numer. Meth. Fluids, 55, pp. 1039-1058.
64. Szymkiewicz, R., Mitosek, M., (2014) Alternative Convolution Approach to Friction in Unsteady Pipe Flow J. Fluids. Eng., 136(1), pp. 011202-(1-9).
65. Tchórzewska-Cieślak B., Szpak D. (2015) Propozycja metody analizy i oceny bezpieczeństwa dostawy wody, Ochrona Środowiska, vol. 35, str. 43 -47.
66. Thorley, A.R.D. (2004) Fluid transients in pipeline system: a guide to the control land suppression of fluid transients in liquids in closed conduits, ASME Press, New York.
67. Thorley, A.R.D., Hwang, L.Y., 1979, Effects of Rapid Change in Flowrate of Solid-Liquid Mixtures, Proc. Of Hydrotransport 6th Conference, UK, pp. 229-242.
68. Troskolański A.T. (1957) Hydromechanika techniczna, Tom III, Pomiary wodne PWT, Warszawa.
69. Vardy, A.E., and Hwang, K.A. (1991), A characteristic model of transient friction in pipes J. Hydraul. Res. 29(5), pp. 669-684.
70. Vardy, A.E., and Brown, M.B. (2003) Transient turbulent friction in smooth pipe flow J. Sound Vib. 259(5), 1011-1036.
71. Vardy, A.E., and Brown, M.B. (2004) Transient turbulent friction in fully rough pipe flow. J. Sound Vib. 270, pp. 233-257.
72. Vitkovsky J.P., Bergant A., Simpson A.R., and Lambert M.F. (2006) Systematic Evaluation on One - Dimensional Unsteady Friction Models in Simple Pipelines ASCE J. Hydr. Eng., 132(7), pp. 696-708.
73. Walden H. (1986) Mechanika płynów. WPW, Warszawa.
74. Wang, T., Jiang, J., Lan, G. (2014) Research on accumulator for water hammer protection of long-distance slurry transportation pipelines, Proc. of 6th Int. Symp. on Fluid Machinery and Fluid Engineering, 22 October 2014. DOI: 10.10491cp.2014.1256.
75. Wasp, E.J., Kenney, J.P., Gandhi, R.L. (1977) Solid Liquid Flow Slurry Pipeline Transportation, Trans. Tech. Publications, Gulf Publ. Co.
76. Weinerowska-Bords, K., (2006) Viscoelastic Model of Waterhammer in Single Pipeline - Problems and Questions, Archives of Hydro-Engineering and Environmental Mechanics, 53(4), pp. 331-351.
77. Weinerowska-Bords, K., (2007) Accuracy end Parameter Estimation of Elastic and Viscoelastic Models of the Water Hammer, TASK QUATERLY, 11(4), pp. 383-395.
78. Weinerowska-Bords, K., (2015) Alternative approach to convolution term of visco-elasticity in equations of unsteady pipe flow, J. Fluids Eng., 137(5), pp. 054501-(1-9). DOI: 10.1115/1.4029573.
79. Wood D.J., Jones S. E. (1973) Water-hammer charts for various types of valves, Journal of Hydraulic Division, vol. 99, No 1, pp. 167-178.
80. Wójcik W., Covar A.P. (1988) Analiza niezawodności działania pompowni ścieków w sieci kanalizacyjnej w Austin, USA, Ochrona Środowiska, vol. 3-4, str. 101-103.
81. Wrzosek K.: (1999) Wpływ temperatury strumienia wody na parametry uderzenia hydraulicznego w przewodach z tworzyw sztucznych, rozprawa doktorska, Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Warszawska.
82. Wylie B.E., Streeter V.L., Suo L. (1993) Fluid Transients in Systems, Englewood Hills New Jersey, Prentice Hall.
83. Zambrano, H., Sigalotti, L.D.G., Klapp, J., Pena-Polo, F., Bencomo, A., (2017) Heavy oil slurry transportation through horizontal pipelines: Experiments and CFD simulations, Int. J. Multiphase Flow, 91, 130-141. DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2016.04.013.
84. Zarzycki, Z. (2000) On weighting function for wall stress during the unsteady turbulent pipe flow. Proceedings of the 8th International Conference on Pressure Surges, The Hague, BHR Group, pp. 529-543.
85. Zielke, W. (1968) Frequency dependent friction in transient pipe flow, ASME J. Basic Eng., 90(1), pp. 109-115.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-5fd21ca0-d3b8-4ec7-9d59-f10ebc5bf986