- Trang Chủ
- Tự động hoá
- Nghiên cứu, thí nghiệm mô hình thiết bị triệt tiêu dao động gây ra bởi dẫn xuất của dòng xoáy đối với đường ống biển
Xem mẫu
- NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Nghiên cứu, thí nghiệm mô hình thiết bị triệt tiêu dao động
gây ra bởi dẫn xuất của dòng xoáy đối với đường ống biển
Experiment research model test on vortex induced vibration VIV
suppression device of marine risers
Lưu Quang Hưng, Nguyễn Đức Hải, Nguyễn Ngọc Đàm
Email: luuquanghunghh@gmail.com
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 28/5/2018
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 13/7/2018
Ngày chấp nhận đăng: 27/12/2018
Tóm tắt
Bài báo đưa ra ba loại mô hình thiết bị nhằm triệt tiêu dao động gây ra bởi dẫn xuất của dòng xoáy
(vortex-induced vibration: VIV) đó là: Mô hình các sợi gây nhiễu loạn dòng chảy, một đường xoắn ốc
và hai đường xoắn ốc đảo ngược. Phương án thiết kế, lắp đặt các mô hình thiết bị là riêng biệt. Sau đó
được thí nghiệm, phân tích và so sánh dao động của từng mô hình. Kết quả cho thấy, cả ba dạng mô
hình thiết bị đều có ảnh hưởng làm giảm biên độ cũng như tần số VIV gây ra.
Từ khóa: Đường ống biển; dao động; thiết bị triệt tiêu; tấm xoắn ốc.
Abstract
The paper present three kinds of design model for vortex – induced vibration VIV suppression device
which are the turbulence fiber suppression device, the single reverse coupling helical strakes suppression
device and the double reverse coupling helical strakes suppression device. To investigate the vibration
characteristics and the suppression effects of each modle, an experiment study is carried out. The result
show that each model contributes to reduce the VIV response in some certain extent.
Keywords: Marine risers; vortex – induced vibration VIV; suppression device; helical strakes.
1. GIỚI THIỆU CHUNG đường ống dễ bị phá hủy. Do đó, vấn đề triệt tiêu
nguồn gây ra dao động đó đã được rất nhiều các
Hiện nay, cùng với nguồn tài nguyên dầu mỏ ở
học giả tham gia nghiên cứu [1-4].
thềm lục địa đã giảm dần, việc khai thác dầu mỏ
đã dần dần chuyển dịch ra vùng biển, đặc biệt là Để triệt tiêu, phòng ngừa VIV gây lên, thông
vùng nước sâu. Ở đó trữ lượng dầu mỏ là không thường áp dụng hai phương pháp: thay đổi đặc
hề nhỏ. Hệ thống đường ống là thiết bị quan trọng tính kết cấu của đường ống, thay đổi dòng xoáy
để truyền tải lượng dầu khí từ đáy biển tới giàn nước phía sau của ống. Hình 1 đưa ra một số thiết
giáo phía trên mặt biển. Khi dòng hải lưu chảy qua bị nhằm triệt tiêu dao động của đường ống. Alen
đường ống dẫn sẽ tạo thành các dòng xoáy nước [5] đưa ra mô hình thiết bị: Bọc thêm ống lót tại
một số vị trí cục bộ trên đường ống, kết quả cho
phía sau, gây nên dao động cho đường ống. Khi
thấy, hiệu quả triệt tiêu dao động là tương đối tốt,
tần số dòng xoáy nước sấp xỉ với tần số tự nhiên
lắp đặt đơn giản. Sau đó trên ống lót, tiếp tục cải
của đường ống thì sự dao động càng tăng, gây
tiến đó là lắp đặt thêm các bản xoắn quanh trụ.
kích thích dòng xoáy. Mặc dù những dao động
Wong [6], thông qua thí nghiệm, tiến hành so sánh
đó không trực tiếp làm hỏng đường ống nhưng
giữa mô hình ống lót với mô hình bản xoắn quanh
do chu kỳ dòng xoáy ngắn, dao động tương đối
trụ cho thấy, mô hình bản xoắn quanh trụ có tác
lớn, làm ảnh hưởng tới độ bền mỏi và kết cấu của
dụng tốt đối với việc giảm biên độ dao động, giảm
lực kéo. Tương tự đối với bản xoắn quanh trụ,
Người phản biện: 1. PGS.TS. Phan Anh Tuấn Korkischko [7] đã tiến hành nghiên cứu, dùng các
2. TS. Ngô Văn Hệ ống trụ nhỏ quấn xung quanh trụ ban đầu, nhằm
52 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018
- LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
khống chế sự chuyển động lớp biên của chất lỏng lượng nước 2450 t, tốc độ xe kéo là 0 m/s đến
hai bên để triệt tiêu VIV gây nên. Kết quả cho thấy 6 m/s. Hình 3 thể hiện quy cách của phiến là
phương pháp có hiệu quả làm giảm phạm vi lưu xoắn ốc, trong đó D là đường kính trụ, L là chiều
trường phía sau dòng chảy qua ống trụ, triệt tiêu cao tấm xoắn, P là bước xoắn, P = 5,5D÷6D. Sợi
được dòng xoáy phát sinh phía sau khi dòng chảy
gây nhiễu loạn, tùy theo độ dài của sợi có hai loại:
qua trụ.
Loại sợi dài là 7D÷9D, sợi ngắn là 1,5D, các sợi
Các bản xoắn ốc hiện nay đang được áp dụng nhiễu loạn được làm bằng nhựa mềm để đảm bảo
rộng rãi, nhằm giảm bớt dao động do dẫn xuất tính linh hoạt của nó.
của dòng xoáy. Trim [8] đã tiến hành phân tích,
thí nghiệm đối với mô hình độ cao của bước xoắn Phía trên của mô hình thiết bị được gắn với một
và lớp bọc bên ngoài khác nhau. Guo Haiyan [9] thước đo và đồng hồ đo lực, dùng để đo lực kéo
cũng có những thí nghiệm tương tự, đối với các là lực nâng, được gắn cố định với khung xe kéo
hình thức lớp bọc bên ngoài và phạm vi lớp bọc. trong bể thử. Trong đó chiều rộng của thước đo
Các kết quả thí nghiệm đều cho thấy tính năng được đặt song song với xe kéo, tức là cùng hướng
ảnh hưởng đến việc triệt tiêu dao động của đường
với dòng chảy tới “In–line”, chiều dày song song
xoắn ốc chủ yếu là: độ cao tấm xoắn, bước xoắn,
với dòng chảy ngang “ Cross-flow”, hình 4 thể hiện
tần số lớp bọc và kết cấu của đường ống.
mô hình lắp đặt hoàn chỉnh.
Hình 1. Thiết bị triệt tiêu dao động của đường Hình 2. Mô hình thí nghiệm
ống biển
Mỗi loại mô hình thí nghiệm đều có ưu, khuyết
điểm khác nhau. Do đó, để đạt được tính hiệu quả
của mỗi thiết bị, bài báo đưa ra một số phương
án thiết kế của thiết bị triệt tiêu dao động. Qua thí
nghiệm, phân tích và so sánh hiệu quả của từng Hình 3. Quy cách tấm xoắn ốc
mô hình, chủ yếu đối với biên độ, tần số dao động
và áp lực của đường ống. Từ đó xác định phương
án thiết kế hiệu quả cao nhất.
2. LẮP ĐẶT MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM
Sử dụng bốn loại mô hình thí nghiệm, từ trái qua
phải lần lượt là: ống trụ trơn, một đường xoắn ốc,
2 đường xoắn ốc đảo ngược và các sợi gây nhiễu
loạn. Vật liệu của trụ là thép ống có đường kính
10 cm, dài 1,5 m, dày 5 mm, các phiến lá xoắn ốc a) b)
một đường và 2 đường đều được lắp trên ống trụ
Hình 4. Thiết bị đo và mô hình ống sau khi lắp đặt
giống nhau. Mô hình được thực hiện trong bể thử
có chiều dài 108 m, sâu 7 m, rộng 3,5 m, dung a. Thiết bị đo; b. Mô hình ống sau khi lắp đặt
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 53
- NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
3. ĐIỀU KIỆN THÍ NGHIỆM số biên độ lớn nhất, và hệ số lực nâng dao động
được xác định qua công thức:
Do các mô hình thí nghiệm là khác nhau nên khi
tiến hành thí nghiệm được chia thành sáu loại, mỗi (3)
loại thí nghiệm có vận tốc dòng chảy từ 0,2 m/s
đến 0,6 m/s, bước vận tốc là 0,1 m/s. Với mô hình
trong đó: CL' là hệ số lực nâng dao động; L' là lực
hai đường xoắn ốc đảo ngược, tại vận tốc 0,6 m/s,
nâng dao động; ρ là mật độ dòng chảy; V là vận
do lực cản lớn, dẫn đến thiết bị đo bị biến dạng, do
tốc dòng chảy; S là diện tích mặt ướt.
đó thí nghiệm không được tiếp tục, các số liệu của
thí nghiệm này không được ghi lại. Dòng chảy đối 5. PHÂN TÍCH VIV CỦA CÁC MÔ HÌNH
xứng và không đối xứng được thể hiện trên hình 5.
5.1. Xác định tần số ban đầu
Trong thí nghiệm này, trước tiên cần căn cứ vào
Hướng dòng chảy đường cong suy giảm gia tốc dao động tự do tiến
hành đo đạc tần số ban đầu của từng mô hình
(bảng 1). Số liệu của mỗi loại mô hình đều được
tiến hành thí nghiệm nhiều lần và các trị số trung
a) b) bình hoặc trị số ổn định được lấy làm kết quả
cuối cùng.
Hình 5. Sơ đồ dòng chảy đối xứng và dòng chảy
không đối xứng. Bảng 1. Tần số dao động ban đầu của từng mô hình
a. Dòng đối xứng (symmetric flow); Tần số góc
Tần số ban
TT Tên gọi ban đầu
b. Dòng không đối xứng (asymmetric flow) đầu (fn/Hz)
(ωn/rad.s-1)
4. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU
1 Ống trụ trơn 0,2467 1,5502
Trong quá trình xử lý số liệu, áp dụng phương
Dòng chảy
pháp nhận dạng hệ thống để phân tích [10]. Đầu
2 đối xứng một 0,2472 1,5532
tiên lấy tín hiệu gia tốc a của chu kỳ dao động, đường xoắn ốc
sau đó khai triển đến hình thức bậc 5 của chuỗi
Dòng chảy đối
Fourier transform, tức là: xứng hai đường
3 0,2319 1,4572
(1) xoắn ốc đảo
ngược
trong đó: a0, a11, a12, a21, a22, a31, a32, a41, a42, a51,
Dòng chảy
a52 và ω là các hệ số tương quan; t là thời gian.
không đối xứng
Trong quá trình phân tích, tính toán, phương 4 0,2377 1,4688
hai đường xoắn
pháp nhị phương sai nhỏ nhất được áp dụng ốc đảo ngược
trong phương pháp nhận dạng hệ thống, nó được
Sợi dài nhiễu
định nghĩa như sau: Gọi M là giá trị được cho bởi 5 0,2534 1,5921
loạn dòng chảy
công thức:
(2) Sợi ngắn nhiễu
6 0,2559 1,607
loạn dòng chảy
trong đó: a(t), ac(t) lần lượt là số liệu gia tốc đo
được bằng thực nghiệm và gia tốc ở chuỗi Fourier 5.2. Phân tích đặc trưng dao động
transform. Trong khoảng thời gian Δt, làm cho giá
Đối với tốc độ dòng chảy là vô hướng, có vận tốc
trị M là nhỏ nhất thì các giá trị a0, a11, a12, a21, a22,
vô hướng Ur được xác định như sau:
a31, a32, a41, a42, a51, a52 là các kết quả cần tìm.
(4)
Qua tính toán tích phân của gia tốc, đạt được trị
số chuyển vị dao động theo phương ngang Ay, trong đó: U là vận tốc dòng chảy; D là đường kính
thông qua giá trị trên đồng hồ đo có thể thấy được ống mô hình; fn là tần số dao động ban đầu trong
chu kỳ biến đổi của lực nâng dao động F và trị nước tĩnh.
54 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018
- LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Đặc tính của VIV chủ yếu bao gồm biên độ và xoắn ốc thì tần số dao động của trụ có ảnh hưởng
tần số, để so sánh hiệu quả của từng mô hình, ít, nhưng biên độ dao động lại có ảnh hưởng lớn.
tiến hành phân biệt biên độ và tần số dao động Nguyên nhân có thể là do thiết kế các tham số của
trong phạm vi vận tốc dòng chảy. Hình 6 và hình
tấm xoắn ốc như bước xoắn, chiều dài và tiết diện
7 cho thấy đồ thị thay đổi biên độ (D là bội số) và
tần số dao động theo vận tốc vô hướng của từng xoắn. Khi vận tốc dòng chảy là 0,2 m/s thì biên độ
mô hình. Kết quả phân tích đối với cùng vận tốc của mô hình trụ trơn là 2,22D, nhưng biên độ của
dòng chảy cho thấy sau khi lắp thêm một đường mô hình một đường xoắn ốc là 0,415D.
Transverse amplitude Ay
Transverse amplitude Ay
Reduced volecity Ur Reduced volecity Ur
a. Trụ trơn b. Một đường xoắn ốc
Transverse amplitude Ay
Transverse amplitude Ay
Reduced volecity Ur Reduced volecity Ur
c. Hai đường xoắn ốc (asymmetric flow) d. Hai đường xoắn ốc (symmetric flow)
Transverse amplitude Ay
Transverse amplitude Ay
Reduced volecity Ur Reduced volecity Ur
e. Sợi dài g. Sợi ngắn
Hình 6. Đồ thị biên độ dao động ngang và vận tốc vô hướng
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 55
- NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Vibration frequency f/Hz
Vibration frequency f/Hz
Reduced volecity Ur
Reduced volecity Ur
b. Một đường xoắn ốc
a. Trụ trơn
Vibration frequency f/Hz
Vibration frequency f/Hz
Reduced volecity Ur Reduced volecity Ur
c. Hai đường xoắn ốc (asymmetric flow) d. Hai đường xoắn ốc (symmetric flow)
Vibration frequency f/Hz
Vibration frequency f/Hz
Reduced volecity Ur Reduced volecity Ur
e. Sợi dài g. Sợi ngắn
Hình 7. Quy luật biến đổi tần số dao động theo vận tốc vô hướng
Đối với mô hình hai đường xoắn ốc đảo ngược, với dòng chảy không đối xứng, tại vận tốc dòng
bất luận là dòng chảy đối xứng hay không đối chảy 0,2 m/s thì xuất hiện biên độ max là 2,036D,
xứng thì tần số dao động ban đầu bị thay đổi đối với dòng chảy đối xứng, biên độ max chỉ có
không còn quy tắc, nguyên nhân là do dòng chảy 0,124D, nó xuất hiện cả khi tốc độ dòng chảy là
bao quanh trụ đã bị phá vỡ bởi hai đường xoắn 0,5 m/s. Từ đó cho thấy hướng của dòng chảy có
ốc bao quanh, làm thay đổi dòng xoáy nước chảy ảnh hưởng lớn đối với hiệu quả của mô hình hai
phía sau ống. Khi phân tích biên độ cho thấy, đối đường xoắn ốc đảo ngược.
56 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018
- LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Đối với mô hình sợi nhiễu loạn dòng chảy, chúng So sánh biên độ của mỗi loại mô hình tại các giá
đều có ảnh hưởng nhất định tới tần số và biên độ trị của vận tốc cho thấy: Khi lắp đặt thêm các thiết
dao động, tại một số giá trị của vận tốc vô hướng, bị triệt tiêu dao động đã triệt tiêu biên độ dao động
tần số dao động xuất hiện là các thành phần tần số của đường ống. Nhưng với mô hình hai đường
thấp. Nhưng độ dài, ngắn của sợi nhiễu loạn dòng xoắn ốc đảo ngược (dòng chảy đối xứng) thì hiệu
chảy có ảnh hưởng rất ít tới tần số, biên độ dao quả cao nhất, biên độ dao động max đã giảm
động lớn nhất của hai loại mô hình này đều xuất xuống nhỏ nhất, tiếp theo là một đường xoắn ốc.
hiện tại tốc độ dòng chảy là 0,2 m/s, trong đó biên
Kết cấu của hai đường xoắn ốc đảo ngược trong
độ max của sợi dài là 0,82D, sợi ngắn là 1,784D.
dòng chảy đối xứng và không đối xứng là như
Từ đó cho thấy sợi dài có hiệu quả tốt hơn.
nhau, chỉ khác nhau ở chỗ hướng của dòng chảy
6. PHÂN TÍCH, SO SÁNH KẾT QUẢ đến là khác nhau, do đó hiệu quả triệt tiêu dao
động là khác nhau.
Tại vận tốc dòng chảy 0,2 m/s, hình 8 cho thấy đồ
thị chuyển vị VIV của mỗi loại mô hình. Biên độ Hình 10 cho thấy hệ số lực nâng của từng
dao động lần lượt là: trụ trơn > hai đường xoắn mô hình tại các giá trị khác nhau của vận tốc
ốc đảo ngược (dòng chảy không đối xứng) > một dòng chảy.
đường xoắn ốc > hai đường xoắn ốc đảo ngược
(dòng chảy đối xứng). Hình 9 cho thấy trị số biên Trụ trơn
Một đường xoắn ốc
độ dao động max của từng mô hình theo các trị số
Lift coefficient
Hai đường xoắn ốc (asymmetric flow)
khác nhau của vận tốc. Hai đường xoắn ốc (symmetric flow)
Sợi ngắn nhiễu loạn
Trụ trơn Sợi dài nhiễu loạn
Hai đường xoắn ốc (asymmetric flow)
Sợi ngắn nhiễu loạn
Sợi dài nhiễu loạn
Một đường xoắn ốc
Hai đường xoắn ốc (symmetric flow)
Hình 10. Đồ thị hệ số lực nâng tại các giá trị khác
Displacement/m
nhau của vận tốc dòng chảy
Khi hệ số lực nâng dao động giảm thì độ bền mỏi
của đường ống sẽ ít bị ảnh hưởng, tuổi thọ của
kết cấu tăng. Mỗi loại mô hình có hệ số lực nâng
là khác nhau, trong đó mô hình hai đường xoắn
ốc đảo ngược (dòng chảy đối xứng) có hệ số lực
nâng dao động là min, tức hiệu quả triệt tiêu dao
time/s
động là tốt nhất, sau đó đến mô hình một đường
Hình 8. Đồ thị chuyển vị dao động của mỗi loại xoắn ốc, các sợi dài, sợi ngắn gây nhiễu loạn, cuối
mô hình tại vận tốc dòng chảy 0,2 m/s cùng là hai đường xoắn ốc đảo ngược (đối với
dòng chảy không đối xứng).
Maximum amplitudeof vibration/m
Trụ trơn
7. KẾT LUẬN
Một đường xoắn ốc
Hai đường xoắn ốc (asymmetric flow) VIV là một trong những nguyên nhân quan trọng
Hai đường xoắn ốc (symmetric flow)
Sợi ngắn nhiễu loạn
dẫn đến độ bền mỏi, làm giảm tuổi thọ và kết cấu
Sợi dài nhiễu loạn của đường ống. Việc lắp đặt thêm các thiết bị triệt
tiêu dao động đã cho thấy được tính hiệu quả triệt
tiêu dao động khác nhau. Khi kết cấu của thiết bị
là đồng nhất, nhưng khi dòng hải dương thay đổi
thì hiệu quả triệt tiêu dao động cũng thay đổi. Từ
đó khi thiết kế phương án lắp đặt các mô hình thiết
bị, để phát huy hiệu quả cao của từng mô hình thì
speed/m.s-1
việc nghiên cứu dòng hải dương cũng rất quan
Hình 9. Đồ thị biên độ dao động lớn nhất theo trọng, qua kết quả nghiên cứu, thí nghiệm, có kết
vận tốc dòng chảy luận như sau:
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 57
- NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
1. Khi lắp đặt thêm các thiết bị triệt tiêu dao động, [3]. Lee L, Allen D W. (2005). The Dynamic Stability
do dẫn xuất của dòng xoáy đã giúp làm giảm biên of Short Fairings [C]. Offshore Technology
độ dao động của đường ống, so sánh giữa các Conference, Houston, Texas, USA.
mô hình cho thấy biên độ dao động lớn nhất giảm [4]. Shao Chuanping, Wei Qingding (2006). Control
được trên 95%.
of [J] cylinder with higher Re numbers. Journal of
2. Sau khi lắp đặt thêm hai đường xoắn ốc đảo mechanics, 38(2): 164-172.
ngược (đối với dòng chảy đối xứng), hiệu quả triệt [5]. Allen D W, Henning D L (2004). Partial Shroud
tiêu dao động là tốt nhất. Khi vận tốc dòng chảy with Perforating for VIV Suppression, and Method
thấp, hiệu quả triệt tiêu dao động càng rõ, biên
of Using: United States Patent: US 6 685 394
độ dao động giảm khoảng 95,4%, sau đó là một
B1[P]. 2004-02-03.
đường xoắn ốc, biên độ dao động giảm 89,4%.
Còn các sợi ngắn nhiễu loạn và hai đường xoắn [6]. Wong H. Y., Kokkalis A. (1982). A Comparative
ốc đảo ngược (đối với dòng chảy không đối xứng) Study of Three Aerodynamic Devices for
thì hiệu quả không cao, biên độ dao động giảm lần Suppressing Vortex-induced Oscillation [J]. J
lượt là 63,04% và 8,21%. Wind Eng Indust Aerodyn, 1982(10): 21-29.
3. Kết cấu của hai đường xoắn ốc đảo ngược đối [7]. Korkischko I, Meneghini J.R. (2012). Suppression
với dòng chảy đối xứng và không đối xứng là giống of Vortex Induced Vibration using Moving Surface
nhau, khác nhau là do hướng của dòng chảy. Từ Boundary-layer Control [J]. Journal of Fluids and
đó, khi áp dụng, để phát huy được hiệu quả tốt Structures, 2012, 34: 259-270.
nhất của thiết bị cần nghiên cứu tỉ mỉ hướng của [8]. Trim A D, Braaten H, Lie H, et al. (2005).
dòng hải dương. Experimental Investigation of Vortex-induced
Vibration of Long Marine Risers [J]. Journal of Fluids
TÀI LIỆU THAM KHẢO and Structures, 2005, 21: 335-361.
[1]. Zdravkovich MM (1981). Review and classification [9]. Guo Haiyan, Li Xianghuan, Zhang Yongbo, et al.
of Various Aerodynamic and Hydrodynamic Means (2012). Experimental study on optimal placement
for Suppressing Vortex Shedding [J]. Journal of of marine risers for vibration suppression [J].
Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Journal of Ocean University of China: Natural
7:145-189. Science Edition, 2012, 42(6): 126-132.
[2]. Lee L, Allen D W, Henning D L, et al. (2004). [10]. Kang Z., William C. Webster. (2009). An
Damping Characteristic of Fairings for Suppressing Application of System Identification in the Two-
Vortex-induced Vibrations [C]. OMAE Conference degree-freedom VIV Experiments [J]. Journal of
Proceedings, Vancouver. Marine Science and Application, 2009(8): 99-104.
58 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018
nguon tai.lieu . vn
