بخشی از مقاله
خلاصه
حرکت ناشی از جریان پدیدهی است که اغلب در سازههای بلند و باریک که در معرض جریان عرضی هستند، رخ میدهد. ارتعاش ناشی از گردابهها و گالوپینگ رایجترین پدیدهها در حرکت ناشی از جریان هستند که در مبدل گردابه به دلیل اثر متقابل لایهی برشی و کف آب سیلندر بالادست رخ میدهد. این مقاله اثر فاصلهی دو سیلندر زبر دایرهای پشت سر هم بر حرکت ناشی از جریان بررسی شده است.
توان مهار شده برای سیلندر بالادست، پاییندست و مجموع انرژی استخراج گردیده است. معمولا با افزایش سرعت توان مهار شده در منطقهی گالوپینگ افزایش می-یابد، اما برخلاف انتظار در محدودهی سرعتهای 0/9<U<1/3 متر در ثانیه، یک افت یا یک پرش ناگهانی دیده میشود. هدف این مقاله، یافتن علت این تغییرات و ارتباط آن با فاصلهی بین دو سیلندر میباشد. نتایج نشان میدهد، افزایش فاصلهی دو سیلندر بر الگوی جریان بین دو سیلندر و درنتیجه افتها و پرشها موثر است.
1. مقدمه
از دیرباز بشر دریافت با وزش باد بر روی سیمهای سازهای موسیقی میتوان باعث لرزش سیمها و تولید صدا شد. لئوناردو داوینچی نقاش قرن 15 میلادی طرحی از یک ردیف منظم از گردابه حول جسم یک انسان در یک رودخانه کشیده است. در سال 1878 استروهال [1] دریافت که با افزایش سرعت باد بر روی سیمهای یک ساز موسیقی میتوان نوسانات متفاوتی در آن ایجاد نموده که منجر به تولید اصوات مختلفی میگردد.
حرکت ناشی از جریان - FIM - یک پدیده است که اغلب در سازههای بلند و باریک که در معرض جریان عرضی هستند، رخ میدهد. پدیدهی ارتعاش ناشی از گردابهها - vortex induced vibration - ، یا به اختصار VIV رایجترین پدیده در حرکت ناشی از جریان است که البته اولین بار در سال 1504 توسط لئوناردو داوینچی ارائه داده شد و فرمول ریاضی آن توسط استروهال در سال 1878 ارائه گردید. وقتی یک سیلندر الاستیک دایرهای نصب شده در معرض جریان یکنواخت عرضی قرار بگیرد، گردابهها، نیروهای نوسانی بر سیلندر اعمال کرده که نتیجهی آن ارتعاش ناشی از گردابهها میباشد.
مشخصهی ارتعاش ناشی از گردابهها تشدید میباشد به این معنی که در محدودهی همگام سازی، فرکانس جریان گردابهها با فرکانس نوسانات سیلندر تقریبا برابر شده و حرکات بزرگ سیلندر مشاهده میشود .[2] گالوپینگ - Galloping - شکل دیگری از حرکت ناشی از جریان میباشد که از لحاظ هیدرودینامیکی- آیرودینامیکی ناپایدار بوده و در فرکانس کمتر و دامنهی بیشتری نسبت به ارتعاش ناشی از گردابهها رخ میدهد. این پدیده عمود بر جریان بوده و نسبت به ارتعاش ناشی از گردابهها مخربتر میباشد ولی پیچیدگیهای ارتعاش ناشی از گردابهها را ندارد. گالوپینگ حاصل از کوپل نیروی بین نیروهای وارد بر سیال و نوسان ناشی از بدنهی غوطهور است.
زمانی که بدنه در جهت عرضی جریان نوسان میکند، زاویهی برخورد جریان به صورت دورهای تغییر کرده که سبب بهوجود آمدن نیروهای نوسانی بر روی بدنه شده و در نتیجه بدنه از نظر دینامیکی ناپایدار شده و به صورت بالقوه و با توجه به نیروهای سیال در حال نوسان شروع به نوساناتی با دامنهی بزرگ میکند. با افزایش سرعت، حرکت ناشی از جریان با ارتعاش ناشی از گردابه-ها به صورت جریان گردابهای شروع شده و این گردابهها در دو طرف سیلندر جریان یافته و سبب حرکت عرضی سیلندر میشوند. به طور معمول، با افزایش سرعت جریان ابتدا ارتعاش ناشی از گردابهها ظاهر شده و به دنبال آن گالوپینگ مشاهده میشود. همانطور که مشهود است، دامنهی نوسانات قبل از شروع گالوپینگ نزدیک به صفر میباشد.
در سرعتهای بالاتر، بسته به انحراف هندسی سیلندر از سطح مقطع دایرهای ممکن است گالوپینگ حاصل شود[3] و .[4] هدف از این تحقیق، بررسی تغییرات در مقدار توان مهار شده در منطقهی گالوپینگ برای دو سیلندر با آرایش پشت سرهم می-باشد. ارتعاش ناشی از گردابهها برای یک سیلندر، که برای دههها مورد مطالعه بوده و هنوز هم موضوع بحث در بخش مرور مقالات [2] - و - [5] میباشد که به دلیل پیچیدگی دینامیک آن است.
انتظار میرود که این پیچیدگی در حرکت القایی ناشی از جریان برای سیلندرهای متعدد به طور چشمگیری افزایش یابد. تداخل جریان در یک گروه سیلندر، موضوع بسیاری از مطالعات در گذشته با توجه به کاربرد عملی در زمینه های مهندسی شده است. سیستم دو سیلندری بیشترین مورد مطالعه را در بین چند سیلندریها به دلیل آرایش سادهی آن داشته است. بر طبق تحقیقات دراکویچ [6]، [7] و - [8] دو سیلندر میتوانند به صورت کنار هم1، پشت سرهم2 و یا زیگزاگی3 در کنار هم قرار بگیرند - شکل . - 1 اثر متقابل بین سیلندرها قویا به آرایش بین سیلندرها، خصوصیات جریان و عدد رینالدز بستگی دارد. سه نوع اثر متقابل بین دو سیلندر میتواند وجود داشته باشد - شکل : - 2
-1 اثر متقابل نزدیک: زمانی رخ میدهد که سیلندرها به یکدیگر نزدیک باشند.
-2 اثر متقابل کف آب: زمانی رخ میدهد که یک سیلندر در کف آب سیلندر دیگر قرار گیرد.
-3 بدون اثر متقابل: زمانی رخ میدهد که سیلندرها به اندازهی کافی از هم دور باشند که دینامیک جریان آنها از یکدیگر مستقل باشد.
تحقیقات پیشین بر روی یک گروه سیلندر عمدتا در جهت محافطت از تخریب اجسام در مقابل ارتعاشات ناشی از گردابهها انجام شده بود. در این راستا، محققین یکی از موثرترین روشهای کنترل ارتعاشات القایی ناشی از گردابهها، استفاده از سیلندر کنترلی - ثانویه - میدانستند. جین پینگ و همکارانش [9] با قرار دادن سه سیلندر قرار گرفته بر روی بستر الاستیک به صورت آرایش مثلثی که دو سیلندر کنترلی در جلوی سیلندر اصلی قرار داشتند، به بررسی تاثیر این چیدمان بر ضریب درگ و دامنه نوسانات سیلندرها پرداختند. نتایج آنها نشان داد که ضریب درگ بر روی استوانههای جلویی بیشتر از سیلندر عقبی است.
همچنین با استفاده از این آرایش دامنه نوسانهای سیلندر عقبی نسبت به حالت قرار گرفتن یک سیلندر تنها در معرض جریان افزایش یافت. ون دن آبیله و همکارانش [10] به بررسی تاثیر قرار گرفتن دو سیلندر پشت سر هم که به صورت ثابت قرار داشتند، بر تشکیل گردابهها و ضریب درگ در پشت سیلندرها پرداختند. نتایج آنها نشان داد که قطر سیلندر قرار گرفته در پشت سیلندر جلویی بر خطوط جریان و گردابههای ایجاد شده در پشت سیلندر اصلی تاثیرگذار است. همچنین ضریب درگ بر روی سیلندر قرار گرفته در عقب کمتر از سیلندر قرار گرفته در جلوی آن است.
از حدود 7 سال پیش تحقیقاتی انجام شد که برخلاف تحقیقات گذشته، منجر به استحصال انرژی حاصل از ارتعاشات ناشی گردابهها می-شد. نخستین بار پروفسور مایکل برنیتساس، استاد دانشگاه میشیگان، در سال 2005 میلادی، چنین ایده ای را مطرح کرد.[11] از آن زمان تاکنون نیز این دانشگاه مرکز اصلی تحقیقات روی این موضوع بوده است. تمرکز محققان آزمایشگاه دریایی انرژیهای نو در دانشگاه میشیگان بر روی حرکت نوسانی استوانه افقی در جهت قائم، در اثر گردابه های ناشی از حرکت جریان سیال می باشد. در این آزمایشگاه، مدل آزمایشگاهی مذکور در سال 2005 ساخته شده است و مورد آزمایشات متعددی تا به حال قرار گرفته است و در ادامه، تاثیر سختی فنر و میرایی دستگاه و تاثیر زبری سطح استوانه به صورت آزمایشگاهی بررسی شده اند - شکل . - 3
مکانیزم نوسانات سیلندر پاییندست به دلیل پیچیدگیهای ساختار جریان بین دو سیلندر همواره مورد بحث بوده است. ساختار جریان به عدد رینالدز و فاصلهی بین دو سیلندر و همچنین تغییرات مداومی که در اثر جابجایی سیلندر پاییندست در حال نوسان رخ میدهد، وابسته است. بوکاییان و گئولا [12] تشابهاتی بین واکنش سیلندر پاییندست و گالوپینگ حاصل از یک بدنهی غیر دایرهای یافتند و این پدیده را گالوپینگ ناشی از کف آب معرفی کردند.
اسی و همکاران [13] و [14] در مورد ترم گالوپینگ ناشی از کف آب تردید داشتند چرا که بر این باور بودند یک نیروی بازگرداننده هیدرودینامیکی نقش مهمی در واکنش سیلندر پاییندست در کف آب سیلندر بالادست ایفا میکند. نیروی بازگرداننده باعث بازگشت سیلندر به جایگاه اصلی خود میشود و این میتواند به عنوان عاملی برای پایداری سیلندر در نظر گرفته شود نه ناپایداری آن. آنها استفاده از این ترم را تنها محدود به رژیمی کردند که در آن اثر متقابل ساختار گردابهها بین کف آب بالادست و سیلندر پاییندست باعث نوسان سیلندر پاییندست شده باشد.
همانگونه که اشاره شد، ساختار جریان دو سیلندر که هر دو در حال نوسان باشند بیشترین پیچیدگی را در بین سه وضعیت اشاره شده دارد و تا به امروز مطالعات بسیار معدودی در این راستا صورت گرفته است. سان و همکاران[15 ] با بررسی دو سیلندر همسان پشت سرهم، که هر دو سیلندر مجاز به نوسان در جهت جریان بودند، با فواصل 1/2=L/D، 1/5، 2/0، 2/5، 3/0، 4/0 و 6/0 چهار رژیم را مشاهده کردند.
در رژیم - L/D 1/5 - 1 هر دو سیلندر گالوپینگ را تجربه میکنند و سیلندر پاییندست دامنهی ارتعاشات کوچکتری نسبت به سیلندر بالادست دارد. در رژیم - 1/5<L/D <2/5 - 2 گالوپینگ بزرگتری برای سیلندر بالادست نسبت به پاییندست در سرعتهای کاهشی - Ur - کمتر رخ میدهد و برعکس آن در Ur بزرگتر حاکم است. در رژیم - 2/5<L/D <3/0 - 3، دامنهی ارتعاش سیلندر پاییندست بزرگتر از سیلندر بالادست است.
در این وضعیت اتصال مجدد لایهی برشی سیلندر بالادست در جلوی سطح سیلندر پاییندست رخ میدهد. رژیم - L/D> - 4 لرزشهای کوچک برای سیلندر پاییندست ناشی از گردابههای همرفتی از سیلندر بالادست میباشد و لرزشی برای سیلندر بالادست مشاهده نشده است.با توجه به اهمیت آرایش چند سیلندری، هدف اصلی از انجام این تحقیق بررسی تغییرات در مقدار توان مهار شده در منطقهی گالوپینگ برای دو سیلندر با آرایش پشت سرهم میباشد.
2. مواد و روشها
تمامی آزمایشهای انجام شده در این مقاله در کانال LTFSW در آزمایشگاه دانشگاه میشیگان انجام شد. مقطع مورد آزمایش دارای 2/44 متر طول، 1 متر عرض و از جنس پلکسی گلس بوده که قابلیت مشاهده توسط دو لیزر 5 وارگون به کمک ذرات آلومینیوم اکسید 100 میکرومتر را فراهم مینماید. برای انجام این آزمایشها عمق مقطع مورد آزمایش 1/17 متر بوده و ماکزیمم سرعت 1/35 متر در ثانیه که برای ایمنی در مقابل ناپایداری گالوپینگ محدود میباشد، انتخاب گردید. این کانال حدود 10000 گالن آب را تا سرعت 1/4 متر در ثانیه توسط پروانهی طراحی شده با یک موتور القایی20 اسب بخاری در سیستم به چرخش در میآورد - شکل . - 4 آزمایشها توسط دو سیلندر زبر از جنس آلومینیوم با قطر 0/0889 متر 3/5 - اینچ - و طول 0/914 متر 36 - اینچ - انجام شد. جابجایی سیلندر در حال نوسان با استفاده از دستگاه Vck انجام میشود.
