تحلیل عددی دوبعدی ناپایداری الاستیک-سیال در دسته تیوب با در نظر گرفتن رفتار غیرخطی سازه-سیال

در بسیاری از مسائل مهندسی نیروهای وارده از طرف سیال بر سازه می¬تواند باعث ارتعاش سازه شده و در شرایطی خاص منجر به ناپایداری دینامیکی و ویرانی آن گردد. چنین شرایطی امکان وقوع در مبدلهای حرارتی، رآکتورهای هسته¬ای، بویلرها، عرشه پلها، خطوط انتقال قدرت، سازه¬های دریایی و بسیاری از دیگر تجهیزات مکانیکی-عمرانی را دارا می¬باشد. ناپایداری مذکور در مبدلهای حرارتی که در اکثر آنها مجموعه¬ای از تیوب¬ها (دسته سیلندر استوانه¬ای) با چیدمان مشخص در کنار یکدیگر قرار داشته و در معرض جریان عرضی هستند، ناپایداری الاستیک-سیال نامیده می-شود. پیش¬بینی آستانه شروع ناپایداری الاستیک-سیال از اهمیت خاصی در طراحی مبدلهای حرارتی از دیدگاه ارتعاشی برخوردار بوده و این در حالیست که تحلیل ارتعاشات القاء شده توسط جریان سیال بر سازه، مستلزم درنظر گرفتن دینامیک سازه و رفتار متقابل سیال بطور همزمان می¬باشد. در رساله حاضر جریان عبوری از میان دسته سیلندرهای رایج در مبدلهای حرارتی بصورت عددی شبیه¬سازی و با حل همزمان معادلات حرکت سیال و سازه، آستانه شروع ناپایداری الاستیک-سیال پیش¬بینی شده است. به منظور بررسی دقیق¬تر رفتار این پدیده، دسته سیلندرهای مختلفی از نظر تعداد سیلندرهای انعطاف¬پذیر، مورد مطالعه قرار گرفته¬اند. رویه حل عددی معادلات حاکم بر جریان سیال مبتنی بر روش حجم محدود در شبکه کارتزین-جابجا شده بوده است. بمنظور اعمال شرط عدم لغزش بر مرز واقعی سیلندرهای استوانه¬ای (با توجه به شکل انحنادار آنها و نوع کارتزین شبکه) از روش سلول شبح و تکنیک مقدار بزرگ برای جمله چشمه استفاده نموده¬ایم. همچنین شبکه در ناحیه¬ای که سیلندرهای استوانه¬ای واقع شده¬اند ریزتر انتخاب گردیده¬اند. بمنظور مدلسازی آشفتگی جریان از مدل استاندارد استفاده شده است. دینامیک حرکت سازه در جهت جریان و عمود بر آن با معادلات جرم، فنر و دمپر شبیه¬سازی شده و بصورت کاملاً کوپل در هر گام زمانی به همراه معادلات سیال حل گشته¬اند. همچنین جهت بررسی امکان در نظر گرفتن آثار غیرخطی سازه در دامنه نواسانات بزرگ، مدل فنر غیرخطی مورد آزمون قرار گرفته است. بطور کلی مجموعه روش مورد استفاده در کار حاضر و نتایج و تحلیلهای صورت گرفته جزء نوآوری¬های این تحقیق بوده و به ندرت توسط محقق دیگری به آن پرداخته شده است. بمنظور اعتبارسنجی روش بکار برده شده، ابتدا میدان جریان در حفره و اطراف تک سیلندر استوانه¬ای ساکن و مرتعش برای رژیمهای آرام و آشفته حل گشته و با نتایج آزمایشگاهی و مطالعات عددی مشابه، مقایسه شده¬اند. نتایج شبیه-سازیهای فوق¬الذکر انطباق بسیار خوبی با نتایج گزارش شده توسط دیگر محققین نشان داده است. سپس میدان جریان در اطراف دسته سیلندر استوانه¬ای با چیدمان مثلثی نرمال در شرایطی که تنها یک سیلندر انعطاف¬پذیر در دسته تیوب وجود دارد، حل شده و محدوده شروع ناپایداری الاستیک-سیال با کار آزمایشکاهی مشابه اعتبارسنجی شده است. در نهایت پیش¬بینی عددی ناپایداری در همان دسته سیلندر اما در شرایطی که بیش از یک سیلندر انعطاف¬پذیر وجود داشته باشد، صورت پذیرفته است. بطور کلی نتایج حاصله در بخشهای مختلف این رساله، در قالب ارائه تغییرات ضرایب لیفت و درگ، عدد استروهال، توزیع چرخش، توزیع فشار، خطوط جریان، پاسخ دینامیکی سازه و مسیر حرکت تیوب¬ها، تجزیه و تحلیل شده است.