Дмитрий Юрьевич Шерстнёв — аспирант кафедры гидравлики и гидротехнического строительства
129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26
РИНЦ ID: 1036902
Dmitry Yu. Sherstnev — postgraduate student of the Department of Hydraulics and Hydrotechnical Engineering
26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337
ID RSCI: 1036902
Юлия Вадимовна Брянская — доктор технических наук, доцент, профессор кафедры гидравлики и гидротехнического строительства
129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26
РИНЦ ID: 280769, Scopus: 6505953432, ResearcherID: AAE-7741-2020
Yuliya V. Bryanskaya — Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Department of Hydraulics and Hydrotechnical Engineering
26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337
ID RSCI: 280769, Scopus: 6505953432, ResearcherID: AAE-7741-2020
Введение. При проектировании трубопроводных переходов различного назначения решение многих инженерных задач связано с расчетом распределения скоростей и оценкой создаваемых ими гидравлических сопротивлений. Поскольку теоретическим путем оценить величину коэффициентов гидродинамического сопротивления и подъемной силы затруднительно, обычно прибегают к экспериментальным исследованиям. Трубопровод по отношению к потоку может располагаться по-разному, также на практике трубопроводы заглубляют в дно водотока. В физических экспериментах часто моделируется частично заглубленный трубопровод путем усечения заглубленного участка трубопровода. Такая схема экспериментальной установки больше подходит для трубопровода, расположенного в непроницаемом дне. В действительности подверженное эрозии дно бывает пористое и проницаемое.
Материалы и методы. Численно исследованы гидродинамические силы, действующие на трубопровод с неравномерным заглублением с обеих сторон, на проницаемом дне. Для моделирования течения в жидкости применяются двумерные уравнения Навье – Стокса, усредненные по Рейнольдсу с k–e моделью турбулентности. Предполагается, что просачивающийся поток на проницаемом дне подчиняется закону Дарси, уравнение Лапласа решается для расчета порового давления в предположении изотропного и однородного дна. Рассматриваются структура потока и распределение давления вокруг трубопровода. Для численного моделирования использован программный комплекс (ПК) ANSYS Fluent.
Результаты. Установлено, что структура течения вокруг трубопровода асимметрична из-за разницы уровней дна с двух сторон трубопровода. В ПК ANSYS Fluent был смоделирован процесс размыва песчаного дна в зоне размещения трубопровода. Выполнено сравнение результатов расчета при различных расходах. Выявлено, что существует очевидная разница между гидродинамическими силами, испытываемыми трубопроводом, из-за асимметричной структуры потока вокруг трубопровода.
Выводы. Выявлены пиковые значения внешних сил и подъемной силы, уменьшающейся по мере увеличения значения заглубления в дно, за трубопроводом е2/D. Максимальная погрешность сил сопротивления и подъемной силы, вычисленная с использованием ряда Фурье шестого порядка, составляет около 4 %.
Introduction. When designing pipeline crossings for various purposes, the solution of many engineering problems is associated with the calculation of velocity distribution and estimation of hydraulic resistance created by them. Since it is very difficult to estimate the value of hydrodynamic resistance coefficients and lifting force by theoretical means, experimental studies are usually resorted to. Pipelines can be positioned in different ways in relation to the flow, and in practice pipelines are also buried in the bottom of the watercourse. In physical experiments, a partially buried pipeline is often modelled by truncating the buried section of the pipeline. This experimental setup is more suitable for a pipeline located in an impermeable bottom. In reality, erosion-prone bottoms are often porous and permeable.
Materials and methods. Hydrodynamic forces acting on a pipeline with uneven depth on both sides, on a permeable bottom, are numerically studied. Two-dimensional Navier – Stokes equations averaged over Reynolds with k–e turbulence model are used to simulate fluid flow. The seepage flow at the permeable bottom is assumed to obey Darcy’s law, the Laplace equation is solved to calculate the pore pressure assuming an isotropic and homogeneous bottom. The flow structure and pressure distribution around the pipeline are considered. The ANSYS Fluent software package is used for numerical modelling.
Results. It was found that the flow structure around the pipeline is asymmetric due to the difference in bottom levels on the two sides of the pipeline. The process of scouring of the sandy bottom in the area of the pipeline location was modelled in ANSYS Fluent. Comparison of calculation results at different flow rates was made. It was found that there is an obvious difference between the hydrodynamic forces experienced by the pipeline due to the asymmetric flow structure around the pipeline.
Conclusions. Peak values of external forces and lift force decreasing as the value of depth into the bottom behind the pipeline increases (e2/D). The maximum error of the drag and lift forces calculated using sixth order Fourier series is about 4 %.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.