بررسی عددی و تجربی برهمکنش سیال-جامد با درنظر گرفتن اثر سطح آزاد

برای بسیاری از اجسامی که در برابر جریان سیال قرار می گیرند، امکان ایجاد نوسانات و ارتعاشاتی که به وسیله جریان سیال القا می شود، وجود دارد. این پدیده مرتبط با جریان سیال، با نام کلی ارتعاشات القا شده بوسیله جریان سیال شناخته می شود. این پدیده در بسیاری از زمینه های فنی و مهندسی رخ می دهد، به عنوان مثال می توان به طراحی سازه هایی نظیر پل ها، دودکش ها،خطوط انتقال برق(کابل های جریان برق)، بال های هواپیما، سازه های فراساحلی، رایزر های استخراج نفت در سکوهای نفتی، مبدل های حرارتی، خطوط لوله، کابل های دریایی، اجزاء و بالک های زیردریایی اشاره نمود. این قبیل ارتعاشات در صورت کنترل نشدن می تواند سبب آسیب رساندن و خرابی سازه ها گردد. یکی از دلایل اصلی بروز ارتعاشات در اجسامی که در برابر جریان سیال قرار می گیرند جدایش جریان و شکل گیری ساختار های گردابه ای در دنباله جسم می باشد. این ساختارهای گردابه ای با اعمال نیروهای نوسانی به جسم، باعث ارتعاش جسم آن می شوند. به گروهی از ارتعاشات القا شده توسط جریان سیال که عامل اصلی ایجاد آنها ساختارهای گردابه ای ایجاد شده در دنباله جسم می باشد ارتعاشات القا شده توسط گردابه ها گفته می شود. با توجه به اهمیت بررسی نوسانات القا شده توسط جریان بر اجسام و کاربرد گسترده این پدیده در اغلب زمینه های فنی و مهندسی، نیاز به پژوهش های بیشتر در این زمینه همواره احساس می شود. در پژوهش حاضر، نوسانات القا شده توسط جریان سیال در دو فاز تجربی و عددی مورد مطالعه قرار می گیرد. آزمایش های تجربی این تحقیق، در حوضچه کشش پژوهشکده علوم و تکنولوژی زیردریای دانشگاه صنعتی اصفهان انجام شده است. با توجه به پیچیدگی های هندسه اجسام کروی و کاربرد آنها در سازه های ساحلی و فراساحلی، و همچنین محدود بودن پژوهش های انجام شده بر روی این هندسه (بویژه در مطالعات عددی)، مطالعات عددی و تجربی پژوهش حاضر، بر روی نوسانات القا شده توسط جریان سیال بر یک جسم کروی می باشد. در این پژوهش برای اولین بار اثر فاصله از سطح آزاد سیال بر جاری شدن گردابه ها و نوسانات القا شده توسط جریان بر یک جسم کروی و همچنین اثر تغییر فرکانس طبیعی سیستم ( با تغییر طول میله الاستیک مهار کننده کره) در محدوده رینولدز مورد بررسی قرار گرفته است. در فاز عددی، همین پدیده با شبیه سازی برهمکنش سیال-جامد در یک جریان دوفازی کاملاً مغشوش، مورد بررسی قرار می گیرد. لازم بذکر است سایر پژوهش های عددی انجام شده در رژیم جریان آرام به بررسی این پدیده پرداخته اند. در نهایت با مقایسه نتایج حاصل از حل برهمکنش سیال-جامد با حل جریان سیال در پشت کره، شکل گیری دنباله کره در حالت های وجود حرکت نوسانی کره و ثابت بودن کره، مورد بررسی قرار گرفته است.