تداخل سیال- سازه (fsi) در سیستمهای لوله، که در آن، رفتار دینامیکی سیستم لوله به علت پدیده ضربه قوچ مورد بررسی قرار می گیرد، در سالهای اخیر بسیار مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین نظر به محاسن فراوان لوله های ویسکوالاستیک، استفاده از اینگونه لوله ها در سیستمهای مختلف به سرعت رو به افزایش است. پدیده جدایی ستون مایع نیز به دلیل اثرات مخربی که می تواند در یک سیستم لوله به دنبال داشته باشد موضوعی بسیار مهم و در خور توجه است. ارایه مدل ریاضی و حل عددی مساله تداخل سیال- سازه ناشی از ضربه قوچ در یک شبکه توزیع سیال ساخته شده از مواد ویسکوالاستیک، با در نظر گرفتن پدیده جدایی ستون مایع،هدف این پایان نامه می باشد. معادلات حاکم برای اولین بار در این رساله مطرح شده و جهت حل آنها دو روش حل عددی تماماً خطوط مشخصه (full moc) و خطوط مشخصه - اجزای محدود(moc-fem)، پیشنهاد می گردد. همچنین با تعمیم روش حلعددی مبتنی بر moc-fem، برای انواع مختلف شرایط مرزی ممکن، ابزاری بسیار توانمند در حل مسایل پیچیده تر در این زمینه ارایه می شود.در بررسی پدیده جدایی ستون مایع، ساده ترین روش به نام مدل حبابهای متمرکز (dvcm) مورد استفاده قرار گرفت تا به راحتی بتوان آن را در سیستمهای لوله ویسکوالاستیک و آنالیزهای با اثرات تداخلی وارد کرده و درستی آن را تحقیق نمود. از دید فیزیکی، در یک مساله ضربه قوچ، رفتار ویسکوالاستیک منجر به ایجاد کرنشهای تاخیری در جهت شعاعی و محوری لوله می گردد. کرنشهای محوری تنها زمانی که در نظر گرفتن اثرات fsi مورد نظر باشد اهمیت دارند. در این تحقیق، معادلات حاکم برای در نظر گرفتن کرنشهای محوری تاخیری و نحوه اندرکنش آنها با معادلات هیدرولیک جریان بررسی شده است. در معادلات دیفرانسیل استخراج شده، جهت محاسبه کرنشهای تاخیری، از عبارات انتگرال کانولوشن استفاده شده است که با استفاده از روابط مناسبی به صورت تقریبی محاسبه می شوند. تقریب ارایه شده، عبارات انتگرالی مورد نظر را به صورت روابطی بازگشتی بر حسب مجهولات ارایه می نماید. بنابراین می توان آنها را به منظور توسعه روشهای عددی معمول ارایه شده درfsi ، به کار گرفت. قابلیت دو روش عددی کاملاًmoc وmoc-fem در بررسیfsi در لوله های ویسکوالاستیک نتیجه عمده این تحقیق است. همچنین در این رساله نشان داده شده است که اثرات fsiدر سیستمهای لوله ویسکوالاستیک از اهمیت بیشتری برخوردار می باشند. این امر پس از تهیه مدل ریاضی و حل عددی مناسب که در مراحل مختلف مورد صحت سنجی قرار گرفته است، ادعا می شود. ایجاد میرایی بسیار زیاد در نتایج فشار و وجود کاویتاسیون کمتر نتیجه عمده دیگر این تحقیق است.

از مهمترین مباحث مطرح در تحلیل شبکه های توزیع سیال شبیه سازی اثر تداخلی سیال سازه، میباشد که در شرایط بروز جریان غیر ماندگار در سیال ایجاد میگردد. این پدیده عبارت از انتقال نیروها و اندازه حرکت ما بین سازه لوله و سیال درون آن است که توسط تغییرات شدید دبی جریان و فشار سیال و یا توسط عوامل مکانیکی در سیستم لوله، ایجاد میگردد. با توجه به هذلولوی بودن معادلات حاکم بر این پدیده، در گذشته جهت تحلیل و شبیه سازی این اثر تداخلی، از روش خطوط مشخصه استفاده می نمودند.هدف این پایان نامه استفاده از روش عددی گودونو بجای روش مشخصه جهت تحلیل این پدیده به دلیل محدودیتهای روش مشخصه است.برای این منظور از مساله مرجع اول آزمایشگاه دلفت که یک مساله مرجع عمده برای این پدیده میباشد استفاده شده و در نهایت جوابهای حاصل از تحلیل و حل با روش عددی گودونو با نتایج روش مشخصه مقایسه شده اند.

مباحث تداخلی سیال-سازه (fsi)، مانند کوپله پواسن و اتصال و اثرات آنها بر نتایج پدیده ضربه قوچ، به ویژه در سیستمهای لوله با درجه اهمیت بالا، همواره مورد توجه بوده است. چراکه این اثرات به صورت یک افزایش و ایجاد ارتعاش در هدهای فشار و همچنین جابه جاییهای دیواره لوله مشاهده می شود.با توجه به رفتار مواد ویسکوالاستیک در میرایی و استهلاک انرژی، آنالیز ضربه قوچ در یک خط لوله (از جنس الاستیک و همچنین ویسکوالاستیک) با تکیه گاه های ویسکوالاستیک به همراه مدلسازی اثرات تداخلی سیال-سازه در آن، هدف اصلی این تحقیق می باشد. در این پایان نامه جهت توصیف رفتار مواد ویسکوالاستیک از مدل مکانیکیجامع کلوین-ویت و فرم انتگرالی روابط ساختاری آن استفاده شده است. برای حل عددی انتگرال کانولوشن ناشی از رفتار مواد ویسکوالاستیک، از تقریب عددی ای که این انتگرال را به صورت روابط بازگشتی بر حسب مجهولاتی از گام زمانی فعلی و مقادیری از گام زمانی قبل ارائه می نماید، استفاده می شود. معادلات هیدرولیکی با استفاده از روش خطوط مشخصه (moc) و معادله سازه ای که به نحوی مناسب جهت پیاده سازی شرط مرزی تکیه گاه ویسکوالاستیک استخراج شده اند با استفاده از روش اجزای محدود (fem) و در حوزه زمان حل می شوند. بررسی های انجام شده نشان داد که استفاده از تکیه گاه های ویسکوالاستیک با مشخصات و تعداد مناسب (متناسب با شرایط خط لوله)، در میرایی و کاهش جابه جایی های دیواره لوله، ارتعاشات هد فشار ناشی از پدیده fsi و میرایی هد فشار با گذشت زمان به ویژه در لوله های الاستیک بسیار موثر و کارآمد می باشد.همچنین می تواند موجب کاهش تنش و تغییرات آن با گذشت زمان در میله و تکیه گاه ها و بهبود عملکرد سازه لوله در برابر پدیده خستگی گردد. به علاوه می توان ماکزیمم هد فشار در لوله های ویسکوالاستیک که بر خلاف لوله الاستیک در سیکل اول اتفاق می افتد را نیز کاهش داد.

در این پژوهش، نخست، معادلات دیفرانسیل جزئی حاکم بر ضربه قوچ در یک سیستم لوله ساخته شده از مواد ویسکوالاستیک معرفی می گردد. استخراج این معادلات با فرض متغیر بودن نسبت پواسن لوله نسبت به زمان، ثابت بودن مدول بالک لوله و نازک بودن جداره لوله صورت می گیرد. از دید فیزیکی، در یک مساله ضربه قوچ، رفتار ویسکوالاستیک منجر به ایجاد کرنشهای تاخیری در جهت شعاعی و محوری لوله می گردد.لازم به ذکر است که کرنش تاخیری محوری به علت مهار بودن لوله در جهت محوری صفر در نظر گرفته می شود. در معادلات دیفرانسیل استخراج شده، جهت محاسبه کرنشهای تاخیری، از عبارات انتگرال کانولوشن استفاده شده است که با استفاده از روابط مناسبی به صورت تقریبی محاسبه می شوند.پس از مشخص کردن معادلات دیفرانسیل و شرایط اولیه و مرزی، روش عددی خطوط مشخصه (moc)به منظور حل معادلات در حوزه زمان به کار گرفته می شود. نتایج به صورت تاریخچه زمان- فشار در نقطه مشخصی از لوله رسم شده و با نتایج آزمایشگاهی ارایه شده در منابع معتبر قبلی مقایسه می شوند. نتایج حاصل از این پژوهش حاکی از این استکهبا در نظر گرفتن نسبت پواسن متغیر مواد ویسکوالاستیک در مدل ریاضی ارائه شده سبب یافتن پاسخ هایی با دقت بالا در پدیده ضربه قوچدر مواد ویسکوالاستیک برای دبی های مختلفبا استفاده از یک منحنی خزش کالیبره شده، می گردد.

هر گاه جریان از یک حالت ماندگار به حالت ماندگار دیگر تغییر شرایط دهد، جریان غیرماندگاری ما بین دو جریان ماندگار بوجود می آید که جریان ما بین را جریان میرا یا گذرا می نامند، بر این اساس ضربه قوچ نوعی جریان گذراست که در خطوط لوله ایجاد می گردد که یکی از عوامل بوجود آورنده ضربه قوچ خاموشی ناگهانی پمپ می باشد که این پدیده باعث تغییرات شدید دبی جریان و فشار سیال در سیستم لوله می گردد این پدیده نخستین بار توسط استریتر مورد بررسی قرار گرفت. در این پایان نامه به بررسی این اثر در دو سیستم سری و موازی پرداخته شده است. برای بررسی ضربه قوچ در اثر خاموشی پمپ با دو دسته معادله ، معادلات هیدرولیکی جریان ( معادله پیوستگی، معادله اندازه حرکت ) و معادلات حاکم بر پمپ ها روبرو هستیم. نخست معادلات دیفرانسیل مشتقات جزئی حاکم بر ضربه قوچ در یک شبکه توزیع سیال با استفاده از روش حل عددی خطوط مشخصه (moc) بر روی مسیرهایی که به خطوط مشخصه موسوم است به معادلات دیفرانسیل کامل تبدیل گشته و با استفاده از روش عددی تفاضل محدود حل می شوند. معادلات هیدرولیکی جریان را با استفاده از روابط تعادل هد برای کل سیستم با معادلات حاکم بر پمپ ها ترکیب می کنیم که دو دسته معادلات غیر خطی حاصل می شود که با استفاده از روش نیوتن رافسون حل می شود. در نهایت برای ارزیابی نتایج مدل، به بررسی هد قبل و بعد از هر پمپ و تحلیل آن ها می پردازیم که این اثر در سیستم سری نسبت به سیستم موازی از نوسانات بیشتری برخوردارست چون در سیستم سری تغییرات هد با هم جمع می شوند ولی در سیستم موازی تغییرات هد در کل سیستم ثابت می باشد.

در سالیان اخیر با معرفی مواد پلیمری، امکان تهیه با قیمت مناسب و بکارگیری روزافزون آنها در صنعت از یکسو و ویژگی های مکانیکی مناسب آنها در میرا نمودن تنش های وارده از سوی دیگر، تفکر استفاده از لایه ها و قطعات تهیه شده از این مواد در بخش هایی از سازه ایجاد گردیده است. وجود خسارت های فراوان هنگام وقوع زلزله از یک طرف و ایجاد وقفه در استفاده از سازه پس از زلزله با ورود مصالح سازه ای به محدوده غیرخطی از طرف دیگر باعث شده است که مهندسین همواره به دنبال راه حل هایی برای کاهش خسارت زلزله و همین طور افزایش مقاومت لرزه ای سازه در محدوده خطی باشند. در این تحقیق با استفاده از یک سیستم ترکیبی متشکل از مواد ویسکوالاستیک و دیوار برشی، انتخاب یک ماده ویسکوالاستیک برای میرا کردن انرژی حاصل از زلزله باعث شده است تا تنش های ایجاد شده در سازه و میزان خرابی ناشی از زلزله کاهش پیدا کند و عملکرد سازه در محدوده خطی باقی بماند. هدف از این طرح ایجاد تاخیر در ورود سازه به مرحله غیرخطی و کاهش خسارت های آن است.

روش های عددی متنوعی نظیر روش های تفاضل محدود، حجم محدود، المان محدود و یا ترکیبی از این روش ها برای حل معادلات fsiبه کار گرفته شده است. در این پایان نامه، روش های لاکس-فردریش، لاکس-وندروف، لاکس-وندروف با فیلتر غیرخطی، روش نسیاهو-تادمور و مک کورمک که به عنوان روش هایی موثر در حل معادلات هذلولوی شناخته می شود به کارگرفته شد و دو مسئله در این زمینه حل شد و به منظور بررسی صحت روش های معرفی شده، نتایج حاصل از این روش ها با نتایج روش خطوط مشخصه (moc) و گودونو مقایسه شد. در مسئله اندرکنش سیال-سازه، نتایج حاصل از روش های لاکس-فردریش و نسیاهو-تادمور تطابق مناسبی با نتایج حاصل از روش های moc و گودونو داشت.

در مباحث مربوط به تحلیل شبکه های لوله که در برگیرنده شبکه های آبرسانی، شبکه های صنعتی و تاسیساتی، نیروگاه های آبی و هسته ای و غیره می باشد تحت شرایطی همچون بستن سریع شیر، از کار افتادن پمپ ها و توربین ها وضعیت جریان سیال درون شبکه به شدت تحت تاثیر قرار گرفته و از حالت ماندگار خارج می گردد. هنگامی که جریان های غیر ماندگار در شبکه ایجاد شود مشخصات جریان مانند سرعت و فشار، تغییرات بسیار سریع و قابل توجه ای را نسبت به زمان خواهند داشت. که سبب می شود در بعضی نقاط شبکه فشارهای قابل توجهی ایجاد گردد. در صورتی که این تغییرات سبب کاهش فشار به مقداری کمتر از فشار بخار سیال گردد، سیال درون لوله تبخیر شده و در واقع از فاز مایع به فاز گازی تغییر خواهد کرد که باعث ایجاد پدیده جدایی ستون مایع می گردد و در این صورت دیگر معادلات استاندارد ضربه قوچ برقرار نمی باشند. در این حالت ممکن است حفره های بخار و یا نواحی سیالی- بخاری گسترده تشکیل شوند که هر کدام از آن ها شرایط و معادلات متفاوتی را ایجاد می کند. جهت تحلیل و شبیه سازی این پدیده مدل های مختلفی بر اساس استفاده از روش تفاضل محدود و خطوط مشخصه شامل مدل حفره ایی بخاری گسسته و مدل گازی حفره ایی گسسته و مدل کاویتاسیون وجه مشترک تعمیم یافته ارائه گردیده است. در این پایان نامه شرح انواع کاویتاسیون و مدل های ریاضی و عددی همراه با جزییات آن مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند. و در نهایت جهت بهبود مدل های عددی اصلاحاتی در این مدل های صورت گرفته است.