بخشی از مقاله
خلاصه
تحلیل دینامیکی مخازن ذخیره مایع یکی از موضوعات جالب در مهندسی زلزله است. در مقاله حاضر روش همبسته FEM-CFD برای تحلیل مخازن مدور بکار رفته است. شبیه سازیهای اندرکنشی سیال- سازه سه بعدی، با استفاده از کدهای همبسته دینامیک سیال محاسباتی - - CFD از نرم افزار تجاری STAR - CCM + و کدهای روش المان محدود - - FEM نرم افزار آباکوس انجام شدهاند. در روش پیشنهاد شده، اسلاشینگ سطح ارتفاع مایع با استفاده از روش کاربرد حجم سیال - VOF - که دارای کاربردهای گستردهای در روش CFD است انجام شده است. مخزن با استفاده از FEM و دیدگاه لاگرانژین شبیه سازی شده است.
فنداسیون صلب تلقی شده و بارگذاری دینامیکی زلزله با استفاده از رکوردهای حرکت زمین به منظور تحلیل سیستم همبسته مخزن مایع در ارتفاع اصلی آن انجام شده است. پاسخهای بدست آمده با نتایج نرم افزار تجاری مقایسه شده است. با استفاده از میانگین تغییرات سطح آب در مخزن مدور، مواردی از قبیل برش پایه، لنگر پایه و پاسخ های اسلاشینگ، تحت سطوح مختلف آب مقایسه شده است . با توجه به نتایج بدست آمده مشخص گردید که روش همبسته FEM -CFD بهترین و مناسبترین روش برای انجام مسئله بوده و همه جنبه های پدیده از جمله دینامیک سیال محاسباتی و معادله تشکیل دهنده مقاومت جسم را با دقت بالا را در نظر میگیرد.
.1 مقدمه
مخازن ذخیره مایع از سازههای با اهمیت برای امور حیاتی و نیز استفادههای صنعتی بشمار میروند. رفتار مخازن در برابر زلزله یکی از جنبههای بسیار مهم در طراحی مهندسی آنها میباشد. مخازن فوق براساس مصالح، شکل، شرایط تکیهگاهی و مواردی از این قبیل به دستههای مختلفی تقسیم میگردند. تحقیقات بسیاری توسط محققین بر روی رفتار مخازن ذخیره مایع در شرایط استاتیکی و دینامیکی و با در نظرگرفتن فرضیاتی ساده کننده انجام شده است؛ این تحقیقات با درنظرگیری ویژگیهایی از قبیل اندرکنش سیال- سازه و درنظرگیری اسلاشینگ سطح بوده است. محققین از روشهای خاصی به منظور غلبه بر پیچیدگی اندرکنش سیال- سازه استفاده کردند.
از جمله مزیتهای روشهای فوق توانایی استفاده در حل مسائل مهندسی است. لازم به ذکر است که روش مرسوم در برخورد با چنین سازههایی روش المان محدود است. حل المان محدود در این زمینه دارای برخی محدودیتها در مدلسازی دامنه سیال میباشد. مشکل مذکور با بکارگیری تکنیکهای حلی از قبیل روند حل چرخشی لاگرانژین- اولرین - - ALE، روند هیدرودینامیک ذره هموار شده - SPH - و کوپل اولرین - لاگرانژین - CEL - قابل مرتفع شدن است؛ در این حالت روش المان محدود قادر به حل حالت سیال خواهد بود. میتوان ادعا کرد که اکثر محققین این حوزه با بکارگیری این فنون و استفاده از یک الگوریتم تعریف شده شبیه سازی مسئله را انجام میدهند.
برای نمونه ولتسوس و همکاران]1[ مطالعات گستردهای را بر روی اثرات اندرکنش خاک- سازه بر روی پاسخ مخازن مایع عمودی و مخازن استوانهای مدور تحت مؤلفه افقی حرکات زمین انجام دادهاند. آنها رابطه میان پاسخهای مخزن افقی و واکنشهای سنگ بستر فنداسیون را بدست آورده و مدل مکانیکی شناخته شدهای برای تحریکات جانبی مخازن صلب با تکیه گاههای غیر انعطاف پذیر متوسط به منظور درنظرگیری اثرات مخزن و منعطف بودن زمین و نیز بسترسنگی ارائه دادند. لیو و همکاران [2] یک روش المان محدود همبسته سیال- سازه را ابداع نمودند که این روش تاثیر اسلاشینگ را در تحلیل لرزه ای سیستمهای ذخیره مایع با هندسههای مختلف با و بدون مؤلفه های داخلی دربرمیگیرد.
محققین مذکور هر دو نوع سیستم مخزن سیال صلب و انعطاف پذیر با پیکرهبندیهای گوناگون را در نظر گرفتند. نتایج تحقیقات آنها نشان داد که انعطاف پذیری مخزن میتواند بر دامنه موج سطح آزاد و بنابراین بر روی فشار اسلاشینگ و پاسخ سازهای اثر گذار باشد. بیسوالا و همکاران [3] بر روی تاثیر بافل بر روی پاسخ دینامیکی مخزن استوانهای با سیال نیمه پر مطالعاتی انجام دادند. بافل در این جا به عنوان شکلی از یک صفحه مدور حلقه ای نازک تعریف میگردد. در مطالعه آنها فرکانسهای ارتعاشی همبسته از سیستم مخزن- بافل با درنظرگیری تاثیر اسلاشینگ مایع محاسبه شدند. نتایج برای یک مخزن الاستیک با سیال پر بدون بافل و یک مخزن صلب با بافل صلب دارای انطباق مناسبی با نتایج موجود بوده است.
آنها همچنین دامنه اسلاش مایع در مخزن صلب با و بدون بافل صلب را تحت تحریک پایه انتقالی مورد مطالعه قرار دادند. هارون [4] تحقیقات نظری و آزمایشگاهی مختلفی بر روی رفتار دینامیکی مخازن ذخیره مایع استوانه ای با تکیه گاههای زمینی انعطاف پذیر انجام داد . مطالعات در سه فاز انجام شدند: - 1 - جزئیات نظری رفتار سیستم پوسته مایع همبسته برای مخازن صلب و مهارشده با شالوده آنها؛ - 2 - ارزیابی آزمایشگاهی خصوصیات دینامیکی مخازن با مقیاس کامل؛ و - 3 - ابداع یک روند طراحی لرزه ای بهبودیافته. پانیگراهیا وهمکاران[5] آزمایشاتی که شامل بارگذاری اسلاشینگ مایع به منظور تخمین فشار بر روی دیوارهای مخازن و جابجایی سطح آزاد آب از سطح استاتیکی متوسط بوده است را انجام دادند.
حمدان [6] مروری بر رفتار و دستورالعملهای طراحی مخازن ذخیره مایع استوانهای فولادی در معرض حرکات زلزله انجام داد. یک هدف مهم از این تحقیق تعیین نواحیای است که دستورالعملهای طراحی موجود برای آنها نیازمند بسط و توسعه بیشتری است. پاپاسپیروف و همکاران پاسخ مخازن استوانهای افقی با مقیاس نصف اندازه، تحت تحریک خارجی در جهت انتقالی را مورد ارزیابی قرار دادند. آنها همچنین مدل ریاضی دو بعدی به منظور توصیف اثرات اسلاشینگ در مخازن صلب را ارائه دادند که تحت تحریک هارمونیک، معمولا" نتایج فرموله شده در یک سیستم با معادلات خطی، برای یک حل شبه تحلیلی مجاز شمرده شده و بکار میرود.
این محققین در ادامه نسخه ساده شده مدل ریاضی را نیز تهیه کرده که در ابتدا دوسری را درنظر گرفته و نتایج را تحت یک راه حل ظریف ارائه میدهد. مالکی و همکاران [8] پتانسیل بافلها را در افزایش میرایی هیدرودینامیک اسلاشینگ در مخازن ذخیره مدور استوانهای بررسی نمودند. مطالعه پارامتری آنها نشان داد که بافلهای رینگ تاثیر بیشتری در کاهش نوسانات اسلاشینگ دارند. گدیکلی و همکاران [9] یک روش المان مرزی متغیر - VBEM - براساس اصل هامیلتون که ماتریس متقارنی را تولید می کند ارائه دادند. تاثیر یک بافل صلب بر روی فرکانسهای طبیعی مایع در یک مخزن صلب استوانهای در ادامه با استفاده از VBEM مورد بررسی قرار گرفت.
اندرکنش دینامیکی موجود مابین مایع و سیستم بافل و مخزن الاستیک توسط بیسوالا و همکاران [10] به منظور ارزیابی پاسخ همبسته مایع و سیستم مخزن- بافل با استفاده از روش المان محدود مورد ارزیابی قرار گرفت. در این تحقیق تاثیرات بافل کامپوزیت از قبیل ابعاد و موقعیت دیوار مخزن بر روی پاسخ اسلاشینگ مایع و پاسخ سازهای مخزن کامپوزیت پرشده از سیال تحت تحریک انتقالی انجام شد.
الگوریتم اندرکنشی غیرخطی کامل سیال- سازه با استفاده از روش المان محدود توسط اوزدمیرا و همکاران [11] برای تحلیل لرزهای مخازن فولادی ذخیره مایع مهارشده و مهارنشده بکار رفت. در این تحقیق یک مطالعه تجربی بر روی مخازن مهارشده و مهارنشده برای تایید روند عددی انجام شده است. همچنین در مدلهای عددی، توصیف روند چرخشی لاگرانژ - اولرین در مورد اندرکنش سیال- سازه که توسط گره های مش بندی شده در مرزها صورت گرفته است، انجام شده است.
.2 آنالیز سیستم های همبسته
یکی از موضوعات اصلی تحقیق در زمینه آنالیزهای عددی در سالیان اخیر، شبیه سازی سیستمهای همبسته بوده است. سیستمی را می توان به عنوان یک منبع و دامنه محاسباتی در نظر گرفت که یک مسئله با زمینه فیزیکی چرخشی را حل نماید. در حالی که همان مسئله زمینه فیزیکی نیز می تواند به عنوان یک سیستم متفاوت وابسته به توصیف عددی مسئله بیان گردد؛ به عنوان نمونه: در صورتی که مختصات در سیستم لاگرانژ و یا در فرم اولری ارائه شود، یک حالت پیوستگی ضمنی و یا صریح مورداستفاده قرار میگیرد. بنابراین راههای مختلفی از سیستمهای همبسته موجود بوده و در حالت تئوری هیچگونه محدودیتی از لحاظ این سیستمها که قادر به همبسته بودن هستند وجود ندارد، با این وجود محدودیتهایی شامل منابع کامپیوتری موجود و نیز پایداری عددی در عمل وجود دارد.
