Bài viết 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.
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Nghiên cứu, thí nghiệm mơ hình thiết bị triệt tiêu dao động gây dẫn xuất dịng xốy 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 sửa sau phản biện: 13/7/2018 Ngày chấp nhận đăng: 27/12/2018 Tóm tắt Bài báo đưa ba loại mơ hình thiết bị nhằm triệt tiêu dao động gây dẫn xuất dòng xốy (vortex-induced vibration: VIV) là: Mơ hình sợi gây nhiễu loạn dòng chảy, đường xoắn ốc hai đường xoắn ốc đảo ngược Phương án thiết kế, lắp đặt mơ hình thiết bị riêng biệt Sau thí nghiệm, phân tích so sánh dao động mơ hình Kết cho thấy, ba dạng mơ hình thiết bị có ảnh hưởng làm giảm biên độ tần số VIV gây Từ khóa: Đường ống biển; dao động; thiết bị triệt tiêu; 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 GIỚI THIỆU CHUNG Hiện nay, với nguồn tài nguyên dầu mỏ thềm lục địa giảm dần, việc khai thác dầu mỏ chuyển dịch vùng biển, đặc biệt vùng nước sâu Ở trữ lượng dầu mỏ khơng nhỏ Hệ thống đường ống thiết bị quan trọng để truyền tải lượng dầu khí từ đáy biển tới giàn giáo phía mặt biển Khi dịng hải lưu chảy qua đường ống dẫn tạo thành dịng xốy nước phía sau, gây nên dao động cho đường ống Khi tần số dịng xốy nước sấp xỉ với tần số tự nhiên đường ống dao động tăng, gây kích thích dịng xốy Mặc dù dao động khơng trực tiếp làm hỏng đường ống chu kỳ dịng xốy ngắn, dao động tương đối lớn, làm ảnh hưởng tới độ bền mỏi kết cấu Người phản biện: PGS.TS Phan Anh Tuấn TS Ngô Văn Hệ đường ống dễ bị phá hủy Do đó, vấn đề triệt tiêu nguồn gây dao động nhiều học giả tham gia nghiên cứu [1-4] Để triệt tiêu, phịng ngừa VIV gây lên, thơng thường áp dụng hai phương pháp: thay đổi đặc tính kết cấu đường ống, thay đổi dịng xốy nước phía sau ống Hình đưa số thiết bị nhằm triệt tiêu dao động đường ống Alen [5] đưa mơ hình thiết bị: Bọc thêm ống lót số vị trí cục đường ống, kết cho thấy, hiệu triệt tiêu dao động tương đối tốt, lắp đặt đơn giản Sau ống lót, tiếp tục cải tiến lắp đặt thêm xoắn quanh trụ Wong [6], thông qua thí nghiệm, tiến hành so sánh mơ hình ống lót với mơ hình xoắn quanh trụ cho thấy, mơ hình xoắn quanh trụ có tác dụng tốt việc giảm biên độ dao động, giảm lực kéo Tương tự xoắn quanh trụ, Korkischko [7] tiến hành nghiên cứu, dùng 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 chuyển động lớp biên chất lỏng hai bên để triệt tiêu VIV gây nên Kết cho thấy phương pháp có hiệu làm giảm phạm vi lưu trường phía sau dịng chảy qua ống trụ, triệt tiêu dịng xốy phát sinh phía sau dòng chảy qua trụ lượng nước 2450 t, tốc độ xe kéo m/s đến Các xoắn ốc áp dụng rộng rãi, nhằm giảm bớt dao động dẫn xuất dịng xốy Trim [8] tiến hành phân tích, thí nghiệm mơ hình độ cao bước xoắn lớp bọc bên ngồi khác Guo Haiyan [9] có thí nghiệm tương tự, hình thức lớp bọc bên phạm vi lớp bọc Các kết thí nghiệm cho thấy tính ảnh hưởng đến việc triệt tiêu dao động đường xoắn ốc chủ yếu là: độ cao xoắn, bước xoắn, tần số lớp bọc kết cấu đường ống nhiễu loạn làm nhựa mềm để đảm bảo Hình Thiết bị triệt tiêu dao động đường ống biển Mỗi loại mơ hình thí nghiệm có ưu, khuyết điểm khác Do đó, để đạt tính hiệu thiết bị, báo đưa số phương án thiết kế thiết bị triệt tiêu dao động Qua thí nghiệm, phân tích so sánh hiệu mơ hình, chủ yếu biên độ, tần số dao động áp lực đường ống Từ xác định phương án thiết kế hiệu cao m/s Hình thể quy cách phiến xoắn ốc, D đường kính trụ, L chiều cao xoắn, P bước xoắn, P = 5,5D÷6D Sợi gây nhiễu loạn, tùy theo độ dài sợi có hai loại: Loại sợi dài 7D÷9D, sợi ngắn 1,5D, sợi tính linh hoạt Phía mơ hình thiết bị gắn với thước đo đồng hồ đo lực, dùng để đo lực kéo lực nâng, gắn cố định với khung xe kéo bể thử Trong chiều rộng thước đo đặt song song với xe kéo, tức hướng với dòng chảy tới “In–line”, chiều dày song song với dịng chảy ngang “ Cross-flow”, hình thể mơ hình lắp đặt hồn chỉnh Hình Mơ hình thí nghiệm Hình Quy cách xoắn ốc LẮP ĐẶT MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM Sử dụng bốn loại mơ hình thí nghiệm, từ trái qua phải là: ống trụ trơn, đường xoắn ốc, đường xoắn ốc đảo ngược sợi gây nhiễu loạn Vật liệu trụ thép ống có đường kính 10 cm, dài 1,5 m, dày mm, phiến xoắn ốc đường đường lắp ống trụ giống Mơ hình thực bể thử có chiều dài 108 m, sâu m, rộng 3,5 m, dung a) b) Hình Thiết bị đo mơ hình ống sau lắp đặt a Thiết bị đo; b Mơ hình ống sau lắp đặt Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 53 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐIỀU KIỆN THÍ NGHIỆM Do mơ hình thí nghiệm khác nên tiến hành thí nghiệm chia thành sáu loại, loại thí nghiệm có vận tốc dịng chảy từ 0,2 m/s đến 0,6 m/s, bước vận tốc 0,1 m/s Với mơ hình hai đường xoắn ốc đảo ngược, vận tốc 0,6 m/s, lực cản lớn, dẫn đến thiết bị đo bị biến dạng, thí nghiệm khơng tiếp tục, số liệu thí nghiệm khơng ghi lại Dịng chảy đối xứng khơng đối xứng thể hình Hướng dịng chảy a) b) Hình Sơ đồ dịng chảy đối xứng dịng chảy khơng đối xứng a Dịng đối xứng (symmetric flow); b Dịng khơng đối xứng (asymmetric flow) số biên độ lớn nhất, hệ số lực nâng dao động xác định qua công thức: (3) đó: CL' hệ số lực nâng dao động; L' lực nâng dao động; ρ mật độ dòng chảy; V vận tốc dòng chảy; S diện tích mặt ướt PHÂN TÍCH VIV CỦA CÁC MƠ HÌNH 5.1 Xác định tần số ban đầu Trong thí nghiệm này, trước tiên cần vào đường cong suy giảm gia tốc dao động tự tiến hành đo đạc tần số ban đầu mơ hình (bảng 1) Số liệu loại mơ hình tiến hành thí nghiệm nhiều lần trị số trung bình trị số ổn định lấy làm kết cuối Bảng Tần số dao động ban đầu mơ hình TT PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU Trong trình xử lý số liệu, áp dụng phương pháp nhận dạng hệ thống để phân tích [10] Đầu tiên lấy tín hiệu gia tốc a chu kỳ dao động, sau khai triển đến hình thức bậc chuỗi Fourier transform, tức là: (1) đó: a0, a11, a12, a21, a22, a31, a32, a41, a42, a51, a52 ω hệ số tương quan; t thời gian Trong q trình phân tích, tính tốn, phương pháp nhị phương sai nhỏ áp dụng phương pháp nhận dạng hệ thống, định nghĩa sau: Gọi M giá trị cho công thức: (2) đó: a(t), ac(t) số liệu gia tốc đo thực nghiệm gia tốc chuỗi Fourier transform Trong khoảng thời gian Δt, làm cho giá trị M nhỏ giá trị a0, a11, a12, a21, a22, a31, a32, a41, a42, a51, a52 kết cần tìm Qua tính tốn tích phân gia tốc, đạt trị số chuyển vị dao động theo phương ngang Ay, thông qua giá trị đồng hồ đo thấy chu kỳ biến đổi lực nâng dao động F trị Tên gọi Tần số ban đầu (fn/Hz) Tần số góc ban đầu (ωn/rad.s-1) Ống trụ trơn 0,2467 1,5502 Dòng chảy đối xứng đường xoắn ốc 0,2472 1,5532 Dòng chảy đối xứng hai đường xoắn ốc đảo ngược 0,2319 1,4572 Dịng chảy khơng đối xứng hai đường xoắn ốc đảo ngược 0,2377 1,4688 Sợi dài nhiễu loạn dòng chảy 0,2534 1,5921 Sợi ngắn nhiễu loạn dòng chảy 0,2559 1,607 5.2 Phân tích đặc trưng dao động Đối với tốc độ dịng chảy vơ hướng, có vận tốc vơ hướng Ur xác định sau: (4) đó: U vận tốc dịng chảy; D đường kính ống mơ hình; fn tần số dao động ban đầu 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 ít, biên độ dao động lại có ảnh hưởng lớn Nguyên nhân thiết kế tham số xoắn ốc bước xoắn, chiều dài tiết diện xoắn Khi vận tốc dịng chảy 0,2 m/s biên độ mơ hình trụ trơn 2,22D, biên độ Transverse amplitude Ay mơ hình đường xoắn ốc 0,415D Reduced volecity Ur b Một đường xoắn ốc Reduced volecity Ur d Hai đường xoắn ốc (symmetric flow) Transverse amplitude Ay Reduced volecity Ur c Hai đường xoắn ốc (asymmetric flow) xoắn ốc tần số dao động trụ có ảnh hưởng Transverse amplitude Ay Reduced volecity Ur a Trụ trơn Transverse amplitude Ay Transverse amplitude Ay Transverse amplitude Ay Đặc tính VIV chủ yếu bao gồm biên độ tần số, để so sánh hiệu mơ hình, tiến hành phân biệt biên độ tần số dao động phạm vi vận tốc dịng chảy Hình hình cho thấy đồ thị thay đổi biên độ (D bội số) tần số dao động theo vận tốc vô hướng mơ hình Kết phân tích vận tốc dòng chảy cho thấy sau lắp thêm đường Reduced volecity Ur e Sợi dài Reduced volecity Ur g Sợi ngắn Hình Đồ thị biên độ dao động ngang vận tốc vô hướng Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 55 Vibration frequency f/Hz Vibration frequency f/Hz NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Reduced volecity Ur Reduced volecity Ur b Một đường xoắn ốc Vibration frequency f/Hz Vibration frequency f/Hz a Trụ trơn 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 Reduced volecity Ur e Sợi dài g Sợi ngắn Hình Quy luật biến đổi tần số dao động theo vận tốc vô hướng Đối với mơ hình hai đường xoắn ốc đảo ngược, với dịng chảy khơng đối xứng, vận tốc dịng dịng chảy đối xứng hay khơng đối chảy 0,2 m/s xuất biên độ max 2,036D, xứng tần số dao động ban đầu bị thay đổi dòng chảy đối xứng, biên độ max có khơng cịn quy tắc, ngun nhân dịng chảy 0,124D, xuất tốc độ dòng chảy bao quanh trụ bị phá vỡ hai đường xoắn 0,5 m/s Từ cho thấy hướng dịng chảy có ốc bao quanh, làm thay đổi dịng xốy nước chảy ảnh hưởng lớn hiệu mơ 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 PHÂN TÍCH, SO SÁNH KẾT QUẢ Tại vận tốc dịng chảy 0,2 m/s, hình cho thấy đồ thị chuyển vị VIV loại mơ hình Biên độ dao động là: trụ trơn > hai đường xoắn ốc đảo ngược (dòng chảy không đối xứng) > đường xoắn ốc > hai đường xoắn ốc đảo ngược (dòng chảy đối xứng) Hình cho thấy trị số biên độ dao động max mơ hình theo trị số khác vận tốc Trụ trơn 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 cho thấy hệ số lực nâng mơ hình giá trị khác vận tốc dòng chảy Trụ trơn Một đường xoắn ốc Hai đường xoắn ốc (asymmetric flow) Hai đường xoắn ốc (symmetric flow) Sợi ngắn nhiễu loạn Sợi dài nhiễu loạn Displacement/m Hình 10 Đồ thị hệ số lực nâng giá trị khác vận tốc dòng chảy time/s Hình Đồ thị chuyển vị dao động loại mơ hình vận tốc dịng chảy 0,2 m/s Maximum amplitudeof vibration/m So sánh biên độ loại mơ hình giá trị vận tốc cho thấy: Khi lắp đặt thêm thiết bị triệt tiêu dao động triệt tiêu biên độ dao động đường ống Nhưng với mơ hình hai đường xoắn ốc đảo ngược (dịng chảy đối xứng) hiệu cao nhất, biên độ dao động max giảm xuống nhỏ nhất, đường xoắn ốc Kết cấu hai đường xoắn ốc đảo ngược dòng chảy đối xứng không đối xứng nhau, khác chỗ hướng dòng chảy đến khác nhau, hiệu triệt tiêu dao động khác Lift coefficient Đối với mơ hình sợi nhiễu loạn dịng chảy, chúng có ảnh hưởng định tới tần số biên độ dao động, số giá trị vận tốc vô hướng, tần số dao động xuất thành phần tần số thấp Nhưng độ dài, ngắn sợi nhiễu loạn dịng chảy có ảnh hưởng tới tần số, biên độ dao động lớn hai loại mô hình xuất tốc độ dịng chảy 0,2 m/s, biên độ max sợi dài 0,82D, sợi ngắn 1,784D Từ cho thấy sợi dài có hiệu tốt Trụ trơn Một đường xoắn ốc Hai đường xoắn ốc (asymmetric flow) Hai đường xoắn ốc (symmetric flow) Sợi ngắn nhiễu loạn Sợi dài nhiễu loạn speed/m.s-1 Hình Đồ thị biên độ dao động lớn theo vận tốc dòng chảy Khi hệ số lực nâng dao động giảm độ bền mỏi đường ống bị ảnh hưởng, tuổi thọ kết cấu tăng Mỗi loại mơ hình có hệ số lực nâng khác nhau, mơ hình hai đường xoắn ốc đảo ngược (dịng chảy đối xứng) có hệ số lực nâng dao động min, tức hiệu triệt tiêu dao động tốt nhất, sau đến mơ hình đường xoắn ốc, sợi dài, sợi ngắn gây nhiễu loạn, cuối hai đường xoắn ốc đảo ngược (đối với dòng chảy không đối xứng) KẾT LUẬN VIV nguyên nhân quan trọng dẫn đến độ bền mỏi, làm giảm tuổi thọ kết cấu đường ống Việc lắp đặt thêm thiết bị triệt tiêu dao động cho thấy tính hiệu triệt tiêu dao động khác Khi kết cấu thiết bị đồng nhất, dòng hải dương thay đổi hiệu triệt tiêu dao động thay đổi Từ thiết kế phương án lắp đặt mơ hình thiết bị, để phát huy hiệu cao mơ hình việc nghiên cứu dịng hải dương quan trọng, qua kết nghiên cứu, thí nghiệm, có kết luận sau: Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 57 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Khi lắp đặt thêm thiết bị triệt tiêu dao động, dẫn xuất dịng xốy giúp làm giảm biên độ dao động đường ống, so sánh mơ hình cho thấy biên độ dao động lớn giảm 95% Sau lắp đặt thêm hai đường xoắn ốc đảo ngược (đối với dòng chảy đối xứng), hiệu triệt tiêu dao động tốt Khi vận tốc dòng chảy thấp, hiệu triệt tiêu dao động rõ, biên độ dao động giảm khoảng 95,4%, sau đường xoắn ốc, biên độ dao động giảm 89,4% Còn sợi ngắn nhiễu loạn hai đường xoắn ốc đảo ngược (đối với dịng chảy khơng đối xứng) hiệu khơng cao, biên độ dao động giảm 63,04% 8,21% Kết cấu hai đường xoắn ốc đảo ngược dịng chảy đối xứng khơng đối xứng giống nhau, khác hướng dịng chảy Từ đó, áp dụng, để phát huy hiệu tốt thiết bị cần nghiên cứu tỉ mỉ hướng dòng hải dương [3] Lee L, Allen D W (2005) The Dynamic Stability of Short Fairings [C] Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA [4] Shao Chuanping, Wei Qingding (2006) Control of [J] cylinder with higher Re numbers Journal of mechanics, 38(2): 164-172 [5] Allen D W, Henning D L (2004) Partial Shroud with Perforating for VIV Suppression, and Method of Using: United States Patent: US 685 394 B1[P] 2004-02-03 [6] Wong H Y., Kokkalis A (1982) A Comparative Study of Three Aerodynamic Devices for Suppressing Vortex-induced Oscillation [J] J Wind Eng Indust Aerodyn, 1982(10): 21-29 [7] Korkischko I, Meneghini J.R (2012) Suppression of Vortex Induced Vibration using Moving Surface Boundary-layer Control [J] Journal of Fluids and Structures, 2012, 34: 259-270 [8] Trim A D, Braaten H, Lie H, et al (2005) Experimental Investigation of Vortex-induced Vibration of Long Marine Risers [J] Journal of Fluids TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Zdravkovich MM (1981) Review and classification of Various Aerodynamic and Hydrodynamic Means for Suppressing Vortex Shedding [J] Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 7:145-189 and Structures, 2005, 21: 335-361 [9] Guo Haiyan, Li Xianghuan, Zhang Yongbo, et al (2012) Experimental study on optimal placement of marine risers for vibration suppression [J] Journal of Ocean University of China: Natural 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 ... Thiết bị triệt tiêu dao động đường ống biển Mỗi loại mơ hình thí nghiệm có ưu, khuyết điểm khác Do đó, để đạt tính hiệu thiết bị, báo đưa số phương án thiết kế thiết bị triệt tiêu dao động Qua thí. .. kết cấu đường ống Việc lắp đặt thêm thiết bị triệt tiêu dao động cho thấy tính hiệu triệt tiêu dao động khác Khi kết cấu thiết bị đồng nhất, dịng hải dương thay đổi hiệu triệt tiêu dao động thay... độ loại mơ hình giá trị vận tốc cho thấy: Khi lắp đặt thêm thiết bị triệt tiêu dao động triệt tiêu biên độ dao động đường ống Nhưng với mơ hình hai đường xoắn ốc đảo ngược (dịng chảy đối xứng)