شبیه سازی اندرکنش سیال-سازه برای کنترل جریان حول سیلندر دایروی

فهرست مطالب

چکیده………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….1

فصل اول: مقدمه

     1-1)  اهمیت موضوع………………………………………………………………………………………………………………………………………………2

1-2)هدف……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..3

     1-3)  آشنایی با فصول مختلف پایان نامه…………………………………………………………………………………………………………….4

فصل دوم: پیشینه تحقیق

2-1)   مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..5

2-2)   مطالعات انجام شده در زمینه کنترل غیر فعال جریان……………………………………………………………………………..5

2-2-1)   مطالعات انجام شده در زمینه اثر صفحات صلب…………………………………………………………………..7

2-2-1)   مطالعات انجام شده در زمینه اثر صفحات منعطف…………………………………………………….11

فصل سوم: جریان حول استوانه و پدیده ریزش گردابه

3-1)   جریان حول یک سیلندر دایروی………………………………………………………………………………………………………25

3-2)   عدد رینولدز و رژیم های جریان…………………………………………………………………………………………………………..26

3-3)   پدیده ریزش گردابه…………………………………………………………………………………………………………………………..27

             2-3-1)   لایه مرزی و پدیده جدایش جریان……………………………………………………………………………………….27

             2-3-2)   ورتیسیته…………………………………………………………………………………………………………………….28

             2-3-3)   خیابان گردابی ون کارمن………………………………………………………………………………………………………..29

             2-3-4)   اثر رینولدز های مختلف بر جریان حول استوانه………………………………………………………………..30

3-4)   نیروهای وارد بر سازه از طرف سیال ………………………………………………………………………………………………………32

3-5)   معرفی اعداد بی بعد حاکم بر مساله……………………………………………………………………………………………………….32

3-5-1)   عدد استروهال …………………………………………………………………………………………………………………………32

3-5-2)   ضرایب پساو برا …………………………………………………………………………………………………………………….32

3-6)   صفحه جدا کننده دنباله سیلندر…………………………………………………………………………………………………………………33

فصل چهارم: آنالیز المان محدود

    4-1)   اندر کنش سیال سازه و روش های حل آن…………………………………………………………………………………………..34

    4-2)   آنالیز عناصر محدود …………………………………………………………………………………………………………………………………36

             4-2-1)   مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………36

             4-2-2)   تکنیک اولر-لاگرانژ دلخواه ………………………………………………………………………………………………….37

فصل پنجم: بیان مساله و اعتبارسنجی

             5-1)   بیان مساله………………………………………………………………………………………………………………………………..43

             5-2)   شبکه……………………………………………………………………………………………………………………………………………….46

                      5-2-1)   مش متحرک…………………………………………………………………………………………………………………46

                      5-2-2)   مش بندی مدل…………………………………………………………………………………………………………….47

            5-3)   اعداد بی بعد حاکم بر مساله…………………………………………………………………………………………………………47

                      5-3-1)   ضرایب برا و پسا………………………………………………………………………………………………………..47

                      5-3-2)   ضریب فشار………………………………………………………………………………………………………………..48

                  5-3-3)   عدد استروهال……………………………………………………………………………………………………………..48

            5-4)   معادلات حاکم و فرمول بندی عددی در نرم افزار کامسل…………………………………………………….48

            5-5)   آنالیز المان محدود در نرم افزار کامسل…………………………………………………………………………………….52

            5-6)   اعتبار سنجی……………………………………………………………………………………………………………………54

            5-7)   آزمایش استقلال از شبکه……………………………………………………………………………………………………..54

فصل ششم: نتایج

            6-1)   سیلندر ساده……………………………………………………………………………………………………………..56

            6-2)   بررسی اثر تغییر زاویه نصب و تغییر تعداد صفحات صلب ………………………………………58

6-2-1)   رفتار عدد استروهال………………………………………………………………………………………….58

                     6-2-2)   رفتار ضریب پسا……………………………………………………………………………………………68

           6-3)   بررسی اثر تغییر زاویه نصب و تغییر تعداد صفحات منعطف……………………………………..73

6-3-1)   رفتار عدد استروهال………………………………………………………………………………………………73

                     6-3-2)   رفتار ضریب پسا………………………………………………………………………………………………….84

                     6-3-3)   رفتار ماکزیمم دامنه بی بعد نوسان صفحات………………………………………………87

فصل هفتم: نتیجه گیری و کارهای آینده

           7-1)دستاورد های پژوهش…………………………………………………………………………………………………………..89

           7-2)   نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………….90

7-3)   کارهایی که در ادامه می توان انجام داد……………………………………………………………………………………92

فهرست مراجع………………………………………………………………………………………………………………………………………………….94

فهرست علایم و نشانه ها

فهرست نشانه ها

عکس العمل سیال-ساختار…………………………………………………………………………………………………………………………………….FSI

معادلات دیفرانسیلی معمولی………………………………………………………………………………………………….. ODE

معادلات دیفرانسیلی جبری……………………………………………………………………………………………………. DAE

معادله دیفرانسیل جزئی…………………………………………………………………………………………………………..PDE

روش عناصر محدود…………………………………………………………………………………………………………….. FEM

روش مرز غوطه ور………………………………………………………………………………………………………………. IBM

روش لتیس بولتزمن……………………………………………………………………………………………………………… LBM

اولر-لاگرانژ دلخواه……………………………………………………………………………………………………………………………………………….ALE

ارتعاشات ناشی از ریزش گردابه……………………………………………………………………………………………….VIV

دینامیک جامدات محاسباتی…………………………………………………………………………………………………….CSD

دینامیک سیالات محاسباتی…………………………………………………………………………………………………….. CFD

آنالیز عناصر محدود………………………………………………………………………………………………………………FEA

 

فهرست علایم

بردار ورتیسیتی در راستای محور z…………………………………………………………………………………………….

طول تشکیل گردابه …………………………………………………………………………………………………………………..

مجموع تنش های فشاری و تنش های لزجتی…………………………………………………………………………………

ماتریس واحد……………………………………………………………………………………………………………………………….I

تنش کوچی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

عدد رینولدز…………………………………………………………………………………………………………………………….. Re

ضریب برا…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

ضریب پسا…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

عدد استروهال……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… St

ضریب فشار………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

فشار مبنای بی بعد……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. C_pb

فاصله افقی صفحه تا سیلندر…………………………………………………………………………………………………………..G

فاصله عمودی صفحه تا سیلندر……………………………………………………………………………………………………….Z

فرکانس ریزش گردابه ………………………………………………………………………………………………………………..

فرکانس نوسان صفحه………………………………………………………………………………………………………………..

ماکزیمم دامنه نوسان صفحه……………………………………………………………………………………………………………A

بردار واحد عمود بر سطح……………………………………………………………………………………………………………………………………………n

زمان…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..t

ضخامت لایه مرزی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
ضخامت صفحه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. h

قطر سیلندر………………………………………………………………………………………………………………………………… D

طول صفحه جدا کننده………………………………………………………………………………………………………………….. L

نیروی حجمی……………………………………………………………………………………………………………………………

چگالی سیال………………………………………………………………………………………………………………………………..

چگالی جامد……………………………………………………………………………………………………………………………..

لزجت…………………………………………………………………………………………………………………………………………

مدول مدول الاستیسیته صفحات منعطف…………………………………………………………………………………….

ضریب پواسون……………………………………………………………………………………………………………………………..

مدول مدول الاستیسیته صفحات صلب………………………………………………………………………………………

زاویه اتصال صفحات…………………………………………………………………………………………………………………

قید اجباری ژاکوبی……………………………………………………………………………………………………………………

تقویت کننده لاگرانژی………………………………………………………………………………………………………………….

ماتریس سختی……………………………………………………………………………………………………………………………

ماتریس میرایی…………………………………………………………………………………………………………………………….

ماتریس جرم………………………………………………………………………………………………………………………………. E

فشار استاتیکی جریان آزاد…………………………………………………………………………………………………………

فشار استاتیکی روی سطح سیلندر ………………………………………………………………………………………………… p

فشار استاتیکی در زاویه 180 درجه………………………………………………………………………………………………

مختصات فضایی در فرم فضایی………………………………………………………………………………………………. x و y

مختصات مرجع در فرم ماده ای………………………………………………………………………………………………. X و Y

سرعت مماسی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

سرعت جریان آزاد…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

مولفه بردار سرعت در راستای x………………………………………………………………………………………. u

مولفه بردار سرعت در راستای y………………………………………………………………………………………..v

بردار سرعت سیال در سیستم مختصات متحرک……………………………………………………………………………

بردار سرعت سیال در سیستم مختصات ثابت…………………………………………………………………………………

جابجایی سازه در راستای محور  x………………………………………………………………………………………………

جابجایی سازه در راستای محور  y………………………………………………………………………………………………

فهرست جداول

 (5-1) خواص مکانیکی مدل……………………………………………………………………………………………………….45

 (5-2)مقایسه کمیت های جریان با نتایج مبنا ……………………………………………………………………………….54

 (5-3)آزمایش استقلال از شبکه …………………………………………………………………………………………………55

 

فهرست اشکال

(2-1) طرحی از آزمایش اوزونو (8)………………………………………………………………………………………………..8

(2-2) رفتار استروهالدر خارج از گپ بحرانی (8)…………………………………………………………………………10

(2-3) شماتیک آزمایش تیلور (26)……………………………………………………………………………………………….13

 (2-4) نوسانات صفحه،…………………………………..………………………………………………………….……..………Re=1000.14

 (2-5) نوسانات صفحه، (الف)Re=10 000(ب)Re=20 000………………………………………………………..14

 (2-6) طرح آزمایش آکایدین (28)……………………………………………………………………………………………….15

 (2-7) طرح آزمایش کیم و لی (29)……………………………………………………………………………………………..15

 (2-8) لحظه توقف ارتعاشات سیلندر در آزمایش آزمایش کیم و لی (29)…………………………………………16

 (2-9) کانتورهای ورتیسیتیبرای ، جانگ (30)……………………………………………………………………………..17

 (2-10) کانتور های ورتیسیتی در شبیه سازی تیان و همکاران (21)…………………………………………………21

(2-11) طرح آزمایش سودهاکارو ونگادسان (23)………………………………………………………………………….21

 (2-12) نمایش کانتور ورتیسیتی ، سودهاکار و ونگادسان (23)………………………………………………………..23

 (3-1) ناحیه های مختلف جریان حول یک سیلندر دایره ای…………………………………………………………….25

 (3-2) تشکیل لایه مرزی…………………………………………………………………………………………………………….27

 (3-2) پروفیل سرعت در لایه مرزی و پدیده جدایش جریان……………………………………………………………28

 (3-3) تصویر ریزش گردابی ون کارمن پشت یک سیلندر دایروی……………………………………………………29

 (3-4) تصویر ماهواره ای از شبه جزیره باجا کالیفرنیا …………………………………………………………………….30

 (3-5) طرح های مختلف ریزش به ازای مقادیر مختلف عدد رینولدز……………………………………………….32

 (3-6) شماتیکی از صفحه جداکننده …………………………………………………………………………………………….33

 (4-1) مقایسه توصیف اولری و لاگرانژی …………………………………………………………………………………….38

 (4-2) مثال یک بعدی از نحوه حرکت نقاط مادی …………………………………………………………………………40

 (4-3) مش استفاده شده برای مدل کردن انفجار……………………………………………………………………………..41

 (5-1) هندسه مورد مطالعه …………………………………………………………………………………………………………43

 (5-2) دمین محاسباتی و شرایط مرزی…………………………………………………………………………………………44

 (5-3) نوع مش محاسباتی در هر دمین…………………………………………………………………………………………46

 (5-4) مش بندی ………………………………………………………………………………………………………………………47

(5-5) نمودار گردشی معادلات حاکم…………………………………………………………………………………………….51

 (6-1) نحوه ریزش گردابه پشت یک سیلندر ساده………………………………………………………………………….57

 (6-2) نحوه ریزش گردابه (یک صفحه صلب در زاویه نصب صفر درجه)…………………………………………59

 (6-3) خطوط جریان میانگین در زوایای نصب مختلف (تک صفحه ای صلب)………………………………….61

 (6-4) خطوط جریان میانگین در زوایای نصب مختلف (دو صفحه ای صلب)…………………………………..62

 (6-5) نیم سیکل اول ریزش گردابه (تک صفحه صلب در زاویه نصب 45 درجه)……………………………..64

 (6-6) نیم سیکل دوم ریزش گردابه (تک صفحه صلب در زاویه نصب 45 درجه)……………………………..65

 (6-7) نیم سیکل اول ریزش گردابه (دو صفحه صلب در زاویه نصب 45 درجه)………………………………..66

 (6-8) خطوط جریان میانگین (2 و 3 صلب در زاویه نصب 75 درجه)……………………………………………..67

(6-9) کانتور های فشار در زوایای نصب مختلف مدل دو صفحه صلب……………………………………………71

 (6-10) خطوط جریان (یک صفحه منعطف در زاویه نصب صفر)…………………………………………………..74

 (6-11) کانتور های ورتیسیتی ( تک صفحه منعطف در زاویه نصب صفر درجه)………………………………76

 (6-12) کانتور ورتیسیتی (تک صفحه صلب در زاویه نصب صفر درجه)………………………………………….77

 (6-13) خطوط جریان میانگین (دو صفحه منعطف در زاویه 45 درجه)…………………………………………….79

 (6-14) خطوط جریان میانگین (دو صفحه منعطف در زاویه نصب 15 درجه)……………………………………81

 (6-15) خطوط جریان میانگین(سه صفحه منعطف در زاویه 60 درجه)…………………………………………….83

 (6-16) بیشترین دامنه نوک مشاهده شده ……………………………………………………………………………………..88

فهرست نمودار ها

 (2-1) اثر تغییرG/DرویSt و C_pb (8) …………………………………………………………………………………………9

 (2-2) نمودار عدد استروهال (30)………………………………………………………………………………………………18

 (2-3) مقادیر عدد استروهال را بر حسب رینولدز، شوکلا و همکاران (19)……………………………………….18

 (2-4) مقادیر دامنه بی بعد بر حسب رینولدز، شوکلا و همکاران (19)………………………………………………19

 (2-5) مقادیر عدد استروهال را بر حسب L/D، شوکلا و همکاران (19)……………………………………………20

(6-1) اثر تغییر زاویه نصب صفحات صلب………………………………………………………………………………….60

(6-2) اثر صفحات صلب روی ضریب پسا (حول سیلندر)……………………………………………………………….68

(6-3) اثر صفحات صلب روی ضریب پسا (حول سیلندر به همراه صفحه)……………………………………….69

 (6-4) اثر تغییر زاویه نصب صفحه روی ضریب فشار در مدل تک صفحه صلب……………………………….70

 (6-5) اثر تغییر زاویه نصب صفحات روی ضریب فشار در مدل دو صفحه صلب………………………………72

 (6-6) اثر تغییر زاویه نصب صفحات روی ضریب فشار مبنا در مدل سه صفحه صلب………………………..73

(6-7) اثر صفحات منعطف روی عدد استروهال…………………………………………………………………………….78

(6-8) اثر صفحات منعطف روی دامنه نوک بی بعد نوسان صفحه فوقانی………………………………………….80

(6-9) اثر صفحات منعطف روی دامنه نوک بی بعد نوسان صفحه میانی در مدل سه صفحه ای……………81

(6-10) اثر صفحات منعطف روی ضریب پسا (حول سیلندر)…………………………………………………………..85

(6-11) اثر صفحات منعطف روی ضریب پسا (حول سیلندر به همراه صفحه)…………………………………..85

 (6-12) اثر تغییر زاویه نصب صفحات روی ضریب فشار در مدل تک صفحه منعطف………………………..86

 (6-13) اثر تغییر زاویه نصب صفحات روی ضریب فشار در مدل دو صفحه منعطف………………………….86

 (6-14) اثر تغییر زاویه نصب صفحات روی ضریب فشار در مدل سه صفحه صلب……………………………87