logo

logo

logo

logo

logo

الاهتزاز الناجم عن الجريان

اهتزاز ناجم عن جريان

Flow - induced vibration - Vibrations induites par écoulement

الاهتزاز الناجِم عن الجريان

وِضَاح الحاج إبراهيم

الاهتزازات الناجمة عن الدوامات خلف الأجسام الأسطوانية (Vortex Induced-Vibration (VIV:

الحركة غير المتوازنة والرفرفة galloping and flutter

عدم الاستقرار المرن الناجم عن المائع fluid-elastic instability

الاهتزازات الناجمة عن الجريان في الأسلاك والكبلات FIV on a cable by waves and currents

الاهتزازات الناجمة عن الجريان في مضخات النفث jet pump FIV

 

يمكن أن يصبح الجريان حول حاجز ساكن- فوق سرعة جريان حدّية معينة- غير مستقر، وهذا ما يؤدي إلى حدوث ظاهرة الدوامات المنفصلة separated vortex، فتنتج قوىً متغيرة مع الزمن وتحت شروط معينة، كتلك التي يصبح التواتر الطبيعيnatural frequency للجسم عندها قريباً جداً من نبض القوى المتغيرة مع الزمن، فيدخـل الجسم في حالة اهتزاز ناجم عن الجريان (Fluid Induced Vibration (FIV ، ومن أهم أنواعه:

1 - الاهتزاز الناجم عن التيار المعترض vibration
induced by cross-flow.

2 - الاهتزاز الناجم عن التيار الموازي vibration
induced by parallel flow.

3 - اهتزاز الأنابيب الناقلة للموائع، واهتزازات الضغط والتحريض الحراري vibration of piping conveying fluids، pressure fluctuation, and thermal excitation.

4 - التآثر المتبادل بين مائع وهيكل fluid–structure interactions.

5 - اهتزاز الهياكل الدوّارة ضمن المائع vibration of rotating structures in flow.

تُواجَه هذه الظاهرة في العديد من التطبيقات الهندسية وفي مجالات الطيران والفضاء، وفي العديد من المنشآت الصناعية لإنتاج الطاقة والكهرباء، وفي العمليات الكيميائية، والمنشآت البحرية (الغواصات)، وأيضاً في المنشآت المدنية كالجسور والأبراج العالية والمداخن والكابلات والأسلاك الكهربائية عند سرعة رياح عالية وفي الآلات الموسيقية. وما كان انهيار جسر تاكوما Tacoma Narrows المعلّق في عام 1940 إلا نتيجة اهتزازات حرّضتها الرياح في نقاط التعليق، ومتعلقة بحساب حمولات الرياح عند التصميم والحساب الإنشائي.

الاهتزازات الناجمة عن الدوامات خلف الأجسام الأسطوانية (Vortex Induced-Vibration (VIV:

يُعدّ هذا النوع أكثر الاهتزازات الناجمة عن الجريان شيوعاً، وسببه تأرجح انفصال الجريان خلف الجسم (الشكل 1)، ويتأثر تأثراً كبيراً بنسبة طوله إلى قطره (L/D)، وبعدد رينولدز Reynolds للجريان (Re).

الشكل (1) جريان مائع خلف أسطوانات دائرية ملساء.

تتعرض الأجسام الأسطوانية ولاسيما الدورانية لاهتزاز ناجم عن الجريان، ويمكن تخفيض سعته بكسر التناظر الدوراني أو الأسطواني بوساطة شرائح ضيقة مثلاً (الشكل 2)، وبالتالي تنخفض الإجهادات الناتجة.

 
الشكل (2) (أ) أسلاك محلزنة (ب) ستار (ج) أخاديد طولية(د) تصفيح موازٍ لخطوط التيار (هـ) مقسّم (و) كِبال شرائطية (ز) مجرى توجيه متمفصل (ح) صفائح توجيه. 

تنشأ الاهتزازات جراء التقاء إعصارين خلف الجسم عندما يزيد عدد رينولدز. للجريان عن القيمة 40، حيث تنفصل الطبقة الحدية بسبب تدرّج الضغط المعاكس الذي تفرضه جغرافية الجسم المتباعدة في بيئة الجريان خلف الأسطوانة (الشكل3). يتحدد تواتر الاهتزاز بعدد «ستروهال» (Strouhal (ST المحدد بالعلاقة ويكون الاهتزاز جيبياً حيث Fv تواتر اهتزاز الإعصار، وD وU السرعة الوسطية للجريان.

 

الشكل (3) تدرج الضغط المعاكس

الحركة غير المتوازنة والرفرفة galloping and flutter:

تحدث هذه الظاهرة عندما تولّد حركة الجسم في المائع قوى تزيد في الاهتزازات. ومع زيادة السرعة يمكن أن تزداد سعات الاهتزازات الموافقة من دون حدود. تتعرض جميع الأجسام غير المستديرة - كالمستطيلة أو ذات المقاطع العرضية شبه المستطيلة- للحركة غير المتوازنة والرفرفة. ومثال ذلك اهتزاز أجنحة الطائرات والمنشآت البحرية التي لها مقاطع غير مستديرة. ويمكن عن طريق التصميم الدينامي الهوائي (الأيروديناميكي) الجيد تجنب هذا الأثر أو تخفيفه، ويمثل ذلك أولوية قصوى لكونه يتعلق بالأمان والسلامة.

ثمة نوعان من هذه الاهتزازات: يحدث الأول في مستوى المقطع العرضي، ويتضمن الاهتزازات الجانبية والدورانية وتراكبيهما معاً، ويحدث الثاني ناظمياً على المقطع العرضي.

يُستخدم مصطلح «الحركة غير المتوازنة» أساساً في مجال الهندسة المدنية حيث يتم التركيز على الاهتزازات المتحرضة ذاتياً بدرجة حرية واحدة، والمعرّضة للهواء أو المدّ البحري. أما مصطلح «الرفرفة» فيُستخدم في المقام الأول في مجال الطيران حيث يتم التركيز على الاهتزازات المتركبة من النوع انحناء ـ فتل والمحرّضة ذاتياً على جناح يتعرض لجريان هوائي.

 

الشكل (4)

عدم الاستقرار المرن الناجم عن المائع fluid-elastic instability:

يؤثر هذا النوع من الاهتزاز في مجموعة الأنابيب الواقعة ضمن جريان عرضي. ويمكن أن يكون السبب الأساسي في خلل عمل المبادلات الحرارية وانهيار الأنابيب والوصلات، إذ إن حركة أحد الأنابيب تولّد حقل ضغط على الأنابيب المجاورة، وهذا ما يجعل تلك الأنابيب تهتز حول وضع توازنها.

ثمة سببان رئيسيان لهذا الاهتزاز:

1- يتوفر الكثير من منابع الاهتزاز في الوسط المحيط بالأنابيب، بما فيها التحريضات الميكانيكية الخارجية المنقولة إلى الأنابيب المتصلة من الهياكل أو التجهيزات.

ومن منابع اهتزاز الوسط المحيط:

  • نبضات المضخة المحرّضة.
  • اضطراب الجريان.
  • مناطق التكهف cavitation.
  • انفصال الدوامات.

    ولما كان تخميد المائع صغيراً جداً، يحصل تضخيم كبير عند تواترات الطنين (الرنين) resonance frequencies.

    تؤثر نبضات ضغط الوسط المحيط في الأنابيب بسبب عدم توازن القوى في المواضع التي يغيّر فيها اتجاه الجريان أو سرعته عند الأكواع والوصلات T والنوافث الموضعية ونحوها.

    في الحالات الحرجة تؤدي هذه الحركة المتحرّضة ذاتياً إلى إجهادات كبيرة على الأنابيب والمصدّات، ما يسبب انهياراً سريعاً وتعباً للمواد.

    2- التخميد الإنشائي للأنابيب وهو عادةً أكبر من تخميد الوسط المحيط؛ ولذا يمكن أن ينتشر اهتزاز الأنابيب بعيداً عن المنبع نتيجة اهتزاز الوسط المحيط.

    الاهتزازات الناجمة عن الجريان في الأسلاك والكبلات FIV on a cable by waves and currents:

    يحدث هذا النوع من الاهتزازات تحت الماء بسبب انفصال الدوامات في تطبيقات وتصميمات هندسية وصناعية عديدة تتعرض خلال وجودها ضمن الماء للأمواج والتيارات مثل: منصات استخراج النفط العائمة وكبلات الاتصالات ضمن البحار والمحيطات. وقد بينت الدراسات أن تأثير الأمواج يقتصر على تغيير سعة الاهتزازات، ولا تؤثر في قيمة تواتر الاهتزاز الذي يخضع فقط لتأثير سرعة الجريان الوسطى (التيار الثابت).

    يؤدي الفرق بين كثافة الهواء () وكثافة الماء إلى قوى هدروستاتيكية أشد بنحو ألف مرة في الماء مما هي للهواء، ومن ثَمَّ تظهر تأثيرات أخرى على الجسم العائم. في حين يمكن إهمال هذه التأثيرات في الهواء (عند سرعة تيار محدّدة وجسم محدد).

    إن دراسة ظاهرة الاهتزازات الناجمة عن الجريان في الإنشاءات السلكية البحرية لا تخص فقط الدوّامات المنفصلة VIV وإنما تخص أيضاً عدداً آخر من الظواهر المحرَضة بسبب الجريان، مثل:

    أ - الحركة السريعة والرفرفة وقد سبق شرحها.

    ب- تداخل الجريان :flow interference

    تتجمع الإنشاءات السلكية على شكل عناقيد clusters أو شبكة؛ ولذا فإن استجابة أي عنصر أسطواني من المجموعة تتأثر بوجود العناصر الأخرى وبالدوّامات المتشكّلة حولها VIV. وعندما يقع عنصر ما ضمن الأثر الذيلي لعنصر آخر فإن سرعة التيار الوسطى تكون أصغر، وهذا ما يؤدي إلى تخفيض كبح الجسم، ومن ثَمَّ يتحرك إلى الأمام ويمكن أن يتصادم مع الأسطوانة الأمامية. تتوضح ظاهرة تداخل الجريان في المبادلات الحرارية حيث سرعة الجريان عالية والأسطوانات قريبة جداً بعضها من بعض، خلافاً لحالة الأسطوانات أو الأنابيب ضمن المحيط حيث المسافات بينها كبيرة نسبياً؛ ولذا تختفي هذه الظاهرة إلا إذا وقع أحد الأنابيب ضمن الأثر الذيلي لعنصر آخر.

    تتوفر على الأقل ثلاث حالات للجريان حول أسطوانتين متساويتي القطر متوضعتين إحداهما إلى جانب الأخرى ضمن جريان منتظم وهي موضحة في الشكل (5).

     

    الشكل (5) أثر المسافة العرضية بين مركزي أسطوانتين في تداخل الدوّامات

    (P): المسافة العرضية بين مركزي عنصرين.

    ج- الاهتزازات الناجمة عن الاضطراب turbulence induced vibrations:

    تتغير قيمة ستروهال كتابع لعدد رينولدز (الشكل 6) من أجل حالة جريان سائل على أسطوانة ملساء بشكل عرضي. ويمكن تفسير الزيادة المفاجئة لعدد ستروهال بين السرعة الحرجة والسرعات الأكبر إلى تأخر انفصال الطبقة الحدية (الشكل 7)، وتظهر في جريان المائع الصفحي- بدءاً من سرعة جريان معينة وكبيرة نسبياً- عدة أطوار غير مستقرة على شكل أمواج، ويصبح عندها الجريان مضطرباً.

     

    الشكل (6)

     

    الشكل (7)

     

    تخضع تغيرات سرعة الجريان المضطرب المكانية والزمانية لتغيرات المقادير العشوائية، وعموماً يكون الجريان المضطرب ثلاثي الأبعاد، أي إن هناك مركبات لاهتزازات السرعة في الاتجاهات الثلاثة واهتزازات في الضغط التي تؤدي دوراً مهماً وتؤثر تأثيراً غير مباشر في تغيرات مركبات السرعة، إضافة إلى اهتزازات كبيرة في الدوران rotational حيث هناك تكوين أو تحطيم للدوامات المضطربة داخل المائع. تندرج تلك الدوّامات تحت مقاييس عديدة للطول والزمن. ويؤدي تحطم الدوامات الكبيرة إلى دوّامات أصغر- أو تجمّع الدوامات الصغيرة لتشكيل دوامة كبيرة- إلى اهتزازات عشوائية ضمن الجريان. وتخضع هذه الظاهرة للتحليل الكامل عبر نظرية الاهتزازات العشوائية.

    د- التباعد السكوني static divergence:

    يمكن للأجسام المرنة ضمن جريان مستقر القفز فجأة من حالة سكونية مستقرة إلى حالة سكونية مستقرة أخرى. لوحظت هذه الظاهرة في أرضية الجسور وفي الكبلات والأسلاك المرتبطة بها. تتعلق هذه الظاهرة بالتوازن بين العزم المؤرجح الناجم عن الجريان والعزم المساعد على الاستقرار الممثل بجساءة الفتل للجسم torsional stiffness.

    هـ- تغيرات مفاجئة في الكبح :drag crisis

    عند قيم حرجة لعدد رينولدز *eR (عادة ) يُلاحظ انخفاض واضح في معامل كبح الجسم (Cd)، ويتعلق هذا الانخفاض بشكل الجسم وبخشونة السطح.

    تؤدي أي زيادة طفيفة في سرعة الجريان بجوار عدد رينولدز الحرج إلى انخفاض ملحوظ في الكبح، أي انخفاض الحمولات المطبقة على الكبلات والأسلاك، ومن ثَمَّ تصبح غير مستقرة ومهتزة (الشكل8).

    الشكل (8) معاملات الكبح من أجل أسطوانة وكرة ضمن جريان عرضي

    و- القفز عن سطح صلب jumping away from a rigid surface:

    يولّد الجريان على أنبوب ملقى على سطح أرضية البحر قوة إلى الأعلى، ويعود ذلك إلى انخفاض الضغط المفاجئ الناجم عن ازدياد السرعة على الجسم. ويوضح الشكل (9) تقارب خطوط التيار بعضها من بعض فوق الأنبوب مباشرة، في حين تكون خطوط التيار البعيدة عن الجسم متباعدة نسبياً. وفي مثل هذه الظروف يمكن للأنبوب أن يرتفع عن الأرضية، فيمر تيار تحت الأنبوب، ويحدث انخفاض مفاجئ للضغط، فيعود الأنبوب إلى الأرضية، وهذا ما يجعل الأنبوب يهتز إلى الأعلى والأسفل.

    الشكل (9) خطوط التيار على أسطوانة ملامسة لجدار.

    الاهتزازات الناجمة عن الجريان في مضخات النفث jet pump FIV:

    تشكل مضخات النفث عناصر رئيسة في معدات تبريد المفاعلات النووية بمياه التبريد. ويمتاز هذه النوع من المضخات بتدفقٍ عالٍ؛ الأمر الذي يجعلها عرضةً للأعطال بسبب الاهتزازات المتولدة جراء ذلك، خاصة بسبب الاهتزاز الناجم عن التسرب في مستوى مانعة الإحكام بين مدخل الخلاط والناشر. ولكن مصنعي هذا النوع من المضخات طوروا وصلة منزلقة تركَّب على قمة الناشر تسمح بتدفق موازٍ عبر ممرّ متقارب- متباعد الأمر الذي يولد اهتزازاً معاكساً يخمد الاهتزاز غير المرغوب فيه. ويمكن تحديد أبعاد هذا الممر باستخدام طريقة مصفوفات النقل التي تعتمد على نظرية الاهتزازات الناجمة عن التسريب. وقد أثبتت الاختبارات جدوى هذه الطريقة.

    مراجع للاستزادة:

    -W. K. Blake, Mechanics of Flow-Induced Sound and Vibration, Volume 1: General Concepts and Elementary Sources, Academic Press 2017.

    - W. K. Blake, Mechanics of Flow-Induced Sound and Vibration, Volume 2: Complex Flow-Structure Interactions, Academic Press, 2017.

    - C. Dalton، Fundamentals of Vortex-Induced Vibration، University of Houston، 2006.

    - Kaneko, Flow-Induced Vibrations, BBS 2009.

    - S. Mittal and V. Kumar، Flow Induced Vibrations of a Light Circular Cylinder At Reynolds Numbers 103 to 104، Journal of Sound and Vibration، 2001.

    - T. Nakamura et al, Flow-Induced Vibrations: Classifications and Lessons from Practical Experiences, Butter worth-Heinemann, 2013

    - P. K. D. Rfler, Mirjam Sick, Andr Coutu, Flow-Induced Pulsation and Vibration in Hydroelectric Machinery: Engineer S Guidebook for Planning, Design and Troubleshooting, Springer 2013.

    - Jet Pump Flow-Induced Vibration، Electric Power Research Institute 2005.

 


التصنيف : التقانات الصناعية
النوع : التقانات الصناعية
المجلد: المجلد الرابع
رقم الصفحة ضمن المجلد : 0
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1048
الكل : 43822337
اليوم : 105732