INVESTIGATION OF FLOW AND EROSION CHARACTERISTICS THROUGH A SET OF RESTRICTING ORIFICES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF RASAQ_thesis.pdf Download (10MB) | Preview

Arabic Abstract

تبحث هذه الدراسة التآكل وخصائص السريان في الشكل التسلسلي فوهتين متماثلتين رقيقتين ذو شطبتين حادتين مع نسب قطر مختلفة ومسافات مختلفةبين الفوهتين. تم اختبارمنظومات مفردة أو مزدوجة الفوهة في انبوب قطره بوصة واحدة من الصلب الكربونى. تم ضمان ان السريان كامل التطور من صعيد وسافل ألفوهة. كما تم إجراء التحليل العددي باستخدامم برنامج 12.1 Fluent باستخدام نموذج الدوامة و اللزوجة (k-ε) ونموذج الطور المتقطع (DPM) بالتزامن مع معادلات التآكل ذات الصلة للتنبؤ بالتدفق ومظاهر التآكل في المسافه بين الفتحات وفي سافل الفوهة مع العلم بأن الطور المستمر هو الماء في حين أن الطور المتناثر هو الرمال. وللتحقق من النتائج الحسابية والحصول على فهم أفضل للسريان، تم إعداد جهاز تجريبي مصمم ومصنع محليا حيث تم قياس سرعة التدفق باستخدام نظام قياس السرعة عن طريق تصوير الجزيئات ( PIV (2D-2C ، في حين تم قياس هبوط الضغط عبر الفوهة باستخدام مانومترات بسيطة. وقد تم دراسة تأثير معايير مختلفة مثل سرعة التدفق داخل الأنابيب في الحدود 1-4m/s , أقطار حبيبات الرمل في الحدود 50-400μm ، تباعد فوهة 1D و 2D، وتم اعتبار ان فتحة اللوحة قطرها 0.5، 0.63 و 0.77 كما وتم التأكد من صحة نتائج البرنامج الحسابي من خلال عدة مقارنات مع النتائج الحسابية السابقة وكذلك عن طريق القياسات الحاليةباستخدام PIV. وقد تم التحقق من وجود vena contracta سافل الفوهة الأولى حسابيا وتجريبيا، ولكن وجود vena contracta سافل الفوهة الثانية تعتمد على المسافة البنية مع الفوهة الأولى. وقد وجد انه ليس فقط التدفق بين الفوهتين وسافل الفوهة الثانية هو الذي يعتمد على مسافة الفوهة ولكن أيضا هبوط الضغط الكلي والفقودات الهيدروليكية. وقد تم التأكد من ان الشكل ذو الفوهة المزدوجة مع مسافة بين الفوهتين مساوية لقطر انبوب واحد تعطي اقل هبوط في الضغط وذلك من خلال تقليل الفقودات الهيدروليكية. كما كشفت دراسة تاكل الجزيئات الصلبة في المجال بأكمله كشفت وجود موقعين للتآكل الحرج سافل الفوهة الثانية وهي مناطق إعادة التدوير وإعادة المرتكز ووجد ان اقل معدل تاكل في حالة الفوهة المزدوجة مع مسافة بينية قدرها قطر واحد. وعلى الرغم من أن منطقة السرعة العالية موجودة فى االمسافة بين الفوهتين, حيث انها شهدت قليل من التآكل يمكن تجاهله للجزيئات ذات الحجم الاكبر. كما أوضحت النتائج اعتماد قوي لمعدل التاكل علي الوسائط التي تم دراستها.تزيد معدلات التآكل بنقصان نسبة قطر الفتحة وقطر الجزيئات الصلبة وايضا تزيد بزيادة سرعة التدفق الداخل. كلمات البحث: تآكل، انخفاض الضغط، فتحات متعددة، PIV، السريان ذي الطورين.

English Abstract

This study investigates the erosion and flow characteristics in a serial arrangement of two similar bevel-edged thin orifice plates with different diameter ratios and orifice spacing. The single or double-orifice arrangements were tested in one-inch-diameter carbon steel pipe. A fully developed pipe flow was ensured well upstream and downstream the orifice arrangement. The numerical analysis was performed on FLUENT 12.1 using the k-ε eddy viscosity model and the discrete phase model (DPM) in conjunction with relevant erosion correlations to predict the flow and erosion features in the orifice spacing and downstream the orifice arrangements. The continuous phase is water while the dispersed phase is sand. To verify the computational results and have a better understanding of the flow regime, an experimental setup was locally designed and manufactured. The flow velocity was measured using Particle Image Velocimeter system (2D-2C PIV) while the pressure drop across the orifice configurations were measured using simple manometers. The effects of various parameters such as pipe flow velocity in the range 1−4m/s, diameters of sand particles within the range 50−400µm, orifice spacing of 1D and 2D, and orifice plate diameter ratios of 0.5, 0.63 and 0.77 have been considered. Validation of the computational code was carried out through several comparisons with previous computational results as well as present experimental PIV measurements. The presence of vena contracta downstream of the first orifice was verified computationally and experimentally, however the presence of vena contracta downstream of the second orifice was found to depend on the orifice spacing. Not only the flow structure between the two orifices and downstream the second orifice was found to depend on the orifice spacing but also the total pressure drop and hydraulic losses. The double orifice configuration with one pipe diameter spacing was found to produce the least pressure drop due to reduced hydraulic losses. The investigation of solid particle erosion in the entire domain revealed the presence of two critical erosion locations downstream the second orifice namely the recirculation and reattachment zones. The least erosion rate was found for double-orifice configuration with 1-D spacing. Although a high-velocity region exists in the spacing between the two orifices, it experienced negligible erosion for large particle size . The results also showed strong dependence of erosion rates on the parameters investigated. Erosion rates increases as orifice diameter ratio and diameters of solid particles decreases and as flow inlet velocity increases. Keywords: erosion, pressure drop, multiple orifices, PIV, two-phase flow

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Badr, Hassan
Committee Members:	Habib, Mohamed and Al-Sarkhi, Abdelsalam
Depositing User:	Mr Abdulrazaq ARAOYE
Date Deposited:	24 May 2016 12:49
Last Modified:	01 Nov 2019 16:34
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139971