بخشی از مقاله
چکیده
بطور کلی، محاسبه نیروی ناشی از جریانهای دریایی نقشی اساسی در طراحی سازههای دریایی ایفا مینماید. بنابراین، تعیین سرعت و جهت این جریانها درطراحیِ بنادر و انواع سازههای دریایی و ساحلی از اهمیت بسزایی برخوردار است. این نوع سازهها که بطور عمومی در معرض جریانهای متفاوت هستند، دائما تحت اثر نیروها و ارتعاشات ناشی از آن قرار میگیرند. جریانهای اقیانوسی، جریانهای ناشی از جزر و مد، جریانهای موازی ساحل و جریانهای ناشی از وزش باد، مهمترین انواع جریانهای دریایی هستند.
بطور ویژه، امروزه تحلیل اندرکنش انواع موجشکنها و جریانهای دریایی اغلب به کمک مدل-های دو فازی سیال-جامد انجام میشود؛ بطوریکه بر اساس هندسه و نوع سازه و همچنین شدت و راستای جریان میتواند از نظر محاسباتی هزینهبر و بسیار پیچیده باشد. از این رو، مدلسازی رفتار سازه و جریان و تحلیل اثر متقابل آنها، تنها در یک مدل ترکیبی سیال- جامد، قابل پیادهسازی است. در مدل استفاده شده در این مقاله، کوپل سازه-جریان در مرزهای بین دو محیطِ فیزیکی اعمال میشود؛ بهگونهای که از یک دیدگاه اویلری برای جریان سیال و یک دیدگاه لاگرانژی برای مکانیک جامدات و موقعیت سازه استفاده شده است.
بر این اساس، نیروهای ناشی از جریان بر روی سازه دریایی، بهطور مثال یک موجشکن قابل محاسبه خواهد بود. در این تحقیق، مدل موردنظر به کمک نرمافزار کامسول پیادهسازی شده و اثر متقابل سازه و جریان با تعریف هندسه و درنظر گرفتن سادهسازیها مدلسازی شده است. همچنین نتایج اندرکنش سازه و جریان دریایی در قالب یک مدل ترکیبی دو فازی طبق معادلات حاکم بر مسئله مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است.
.1 مقدمه و پیشینه تحقیق
تقابل سازه و سیال در بیشتر علوم مهندسی و پزشکی نمایان شده و گسترهی وسیعی را به خود اختصاص میدهد. تحلیل و پیشبینی پدیدههای پیرامون این اندرکنش، همواره از اهمیت ویژهای برخوردار بوده است. به طور کلی در هر سامانهای که امکان عبور سیال از روی سازه وجود داشته باشد، اندرکنش سیال- سازه1 حائز اهمیت است. گسترهی کاربرد این پدیده آنچنان زیاد است که کمتر سامانهی هوافضایی را میتوان نام برد که با این مسئله درگیر نباشد. اما به عنوان مثال میتوان به کاربردهای هوافضایی، عمرانی و حتی پزشکی، بهعنوان سه زمینهی عمده از کاربردهای اندرکنش سیال- سازه اشاره نمود.
روش های تجربی موجود برای حل مسائل اندرکنش سیال-سازه، نیازمند در اختیار داشتن تونلهای باد یا فلومهای پیشرفته و مجهز است که از یک سو دسترسی به این نوع تجهیزات، محدود بوده و در انحصار برخی موسسات تحقیقاتی خاص است و ازسوی دیگر به میزان چشمگیری هزینهی محاسبات را بالا میبرد. علاوه بر این، با پیچیدهتر شدن هندسهی مسئله، ساخت مدل و انجام آزمایشات آن به مراتب سختتر و پر هزینهتر خواهد شد. روشهای تحلیلی موجود برای حل مسائل اندرکنش سیال-سازه نیز با پیچیدهتر شدن هندسه، دچار مشکل میشوند و عملا استفاده چندانی ندارند. در نتیجه دیدگاه موثر برای انجام این محاسبات، روش های عددی است. این روشها معمولا بسیار کم هزینهتر از روشهای تجربی بوده و از دقت قابل قبولی نیز برخورداراند.
در زمینه توسعه و شبیهسازی عددی مسائل سیال- سازه، بث و راگونی1، همچنین مورو و لی تلک2، سهم بسزایی دارند. بث و راگونی روی معادلات اندرکنش سیال-سازه تحلیل پایداری انجام دادند و پایداری دینامیکی مسائل اندرکنش سیال-سازه را بررسی کردند. توسعهها و کارهای اخیر در زمینه شبیهسازی اندرکنش سیال تراکمپذیر و تراکمناپذیر لزج با سازه توسط بث و ژانگ انجام شده است. مورو و لی تلک با استفاده از تنظیم دیدگاه لاگرانژی-اویلریِ دلخواه3 برای معادلات سیال، دینامیک جاذبهای شوک هیدروالاستیک را شبیهسازی کردند.[1] دیدگاه دیگری که اخیرا در شبیهسازی عددی مسائل اندرکنش سیال- سازه کاربرد پیدا کرده، بر پایه تشریح حرکت سیال و سازه با استفاده از روابط لاگرانژی است. در این روش، از دیدگاه کار روی شبکه ثابت استفاده میشود. این دیدگاه بهویژه در مواردی که جابجاییهای بزرگ در اندرکنش سیال- سازه اتفاق میافتد و سطح آزاد سیال حرکات سریع دارد، میتواند موثر باشد.
.2 تئوری
بطور کلی، با بکارگیری روش اویلری-لاگرانژی دلخواه 4 - ALE - میتوان جریان سیال را حول یک هندسه شکلپذیرِ پیوسته تحلیل نمود. در این روش از یک دیدگاه اویلری برای جریان سیال و یک دیدگاه لاگرانژی برای مکانیک جامدات و موقعیت سازه استفاده میشود. بهگونهای که تغییر شکل در هندسه اولیه و حرکت مرزهای بین سیال و جامد، درنظر گرفته میشود و نرمافزار بر اساس هندسه جدید و باتوجه به تغییر مکان مرزهای سازه، مشبندی را انجام میدهد. همچنین معادلات ناویر-استوکس که جریان را تحلیل میکند، بر اساس این تغییر هندسه و مختصات دوباره فرمولبندی شده و حل میگردند.
.3 مواد و روشها
در این مقاله، روش اویلری-لاگرانژی دلخواه - ALE - بهکمک یک مدل دوفازی سیال-جامد توسط نرمافزار کامسول پیاده-سازی شده است. همانطور که در اشکال زیر نیز ملاحظه میشود، بهمنظور مدلسازی اندرکنش سازه و جریان دریایی ابتدا بایستی هندسه مسئله ایجاد شده و ابعاد آن تعریف گردد. سپس مرزهای دامنه محاسباتی و مرزهای بین دو فاز سازه و سیال تعریف گردد.
شكل :2 ایجبد هنذسه و تعریف مرزهب در مسئله انذرکنش سیبل-سبزه.
.1.3 جریان سیال
جریان سیال در کانال، توسط معادلات ناویر-استوکسِ تراکمناپذیر برای میدان سرعت u و فشار p در یک سیستم مختصات مکانیِ درحال حرکت، توصیف میشود که به صورت زیر است: در این معادلات، I ماتریس قطری واحد یا همان ماتریس همانی است و F نشاندهنده نیروی حجمی وارده بر سیال است. در این معادلات با فرض اینکه که هیچ نوع نیروی حجمی، به طور مثال نیروی جاذبه بر سیال وارد نمیشود، رابطه F 0 برقرار است. بردار سرعت نیز بهصورت u است. در قسمت ورودی کانال در سمت چپ هندسه، جریان سیال با مشخصاتی کاملا لایهلایه ایجاد میشود و دارای یک پروفیل سرعت سهموی است؛ البته دامنه این پروفیل با زمان تغییر میکند. بطوریکه در ابتدا به سرعت افزایش مییابد، تا اینکه در لحظه 0/215 ثانیه به بیشترین مقدار خود میرسد. سپس بهتدریج کاهش مییابد؛ بهگونهای که دامنه سرعت در لحظه 5 ثانیه به یک محدوده یکنواخت میل میکند. سرعت خط مرکزی در جهت x در یک محدوده با دامنه سرعت یکنواخت از رابطه زیر بدست میآید:
