بخشی از مقاله
چکیده
میراگرهاي مایع تنظیم شونده به دلیل هزینه نگهداري و نصب پایین و عملکرد مناسب بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش دو شکل مکعب مستطیلی و استوانهاي از ظروف میراگرهاي مایع تنظیم شده با چهار پره با زاویه 45 درجه بررسی شده است. سیال مورد استفاده در ظرفها آب میباشد. براي بررسی این موضوع از نرمافزار GAMBIT براي مشبندي ظرفها و نرمافزار FLUENT6.3.26براي تحلیل جریان درون ظرفها استفاده شده است.
نتایج نشان داد که ظرف مکعب مستطیلی نیروي کنترلی و میرایی بیشتري نسبت به ظرف استوانهاي ایجاد میکند، بهطوري که در فرکانس 0/63 حداکثر نیروي کنترلی و میرایی ظرف مکعب مستطیل بهترتیب 36/35 درصد و 9/22 درصد بیشتر از ظرف استوانهاي میباشد.همچنین با افزایش عمق آب درون ظرف، مقدار میرایی براي هر دو ظرف کاهش مییابد.
مقدمه
زمانی که سازههاي عمرانی در برابر بارهاي دینامیکی مانند زلزله قرار میگیرند دچار ارتعاش میشوند. وجود این ارتعاشات باعث خسارات مالی و جانی میگردد. بنابراین نیاز اساسی به کنترل سازهها میباشد.
میراگر مایعی تنظیم شده 1 - TLD - یک میراگر مکانیکی غیر فعال است که به منظور کاهش ارتعاشات ناخواسته سازه از طریق تلاطم سیال در یک ظرف صلب طراح ی میشود.هزینه ساخت و نگهداري پایین آنها از مزیت عمده این نوع میراگرها می باشد. TLD به عنوان ابزار کنترل ارتعاشات در بسیاري از سازههاي مهندسی عمران شامل ساختمانهاي خیلی انعطافپذیر، سازههاي برجی و ساختمانهاي بلند مرتبه دلالت دارد.
میراگر مایع تنظیم شده به راحتی با کوچکترین حرکت سازه جابجا میشود، در عین حال علاوه براین قابلیت، میتوان از آن به عنوان مخزن آب ساختمان استفاده کرد . در ای ن میراگرها انرژي ارتعاشی بصورت اصطکاك در لایههاي مرزي سییال،مشارکت سطح آزاد و شکست موج مستهلک میشود. عموما مایع مورد استفاده در داخل TLD آب است. در این سیستم اختلاف فشار دینامیکی مایع، روي سطح جدارههاي انتهایی ظرف، باعث ایجاد نیروي کنترلی از نوع اینرسی ثانویه میگردد که ارتعاشات سازه را کاهش میدهد - شکل . - 1 به عبارت دیگر اساس نیروهاي کنترلی ایجاد شده در سیستم TLDاندازه حرکت سیال داخل ظرف است.
تلاطم سیال به عنوان روشیبراي استهلاك انرژي در TLDتوسط محققین بسیاري مورد بررسی قرار گرفته است. ساتو و نیز مودي و همکاران از اولین کسانی بودند که کاربرد سیستمهاي میراگر TLDرا براي کنترل ارتعاشات سازهها پیشنهاد نمودند. ساتو - 1987 - ظرف مستطیلی، و مودي و همکاران - 1988 - ظرف تیوبی شکل را مطالعه کردهاند. مطالعات گستردها ي روي پارامترهاي مختلف میراگر TLD توسط فوجینو و همکاران - 1988 - صورت گرفت.
این پارامترها عبارت بودند از: نسبت فرکانس مایع به فرکانس سازه، ویسکوزیته مایع، زبري کف ظرف، ارتفاع سقف ظرف و نسبت جرمی بین میراگر و سازه. اندرکنش بین میراگر و TLD و سازه براي دامنههاي کوچک تحریک،توسط چایسري و همکاران - 1989 - به دو شکل تحلیلی و آزمایشگاهی صورت گرفت. ایشان نشان دادند که پس از تححریک حرکت موجی، آب در TLD به سرعت در یک یا دو پریود توسعه پیدا می کند. به عبارت دیگر حرکت موجی آب بلافاصله پس از اتمام تحری ک تمام نمیشود و یک تاخیر زمانی قبل از توقف کامل حرکت آب وجود دارد. ای ن رفتار موج پیوسته، اغلب در خلال نوسان آزاد،موجب پدیده ل ضربانل یا تعدیل دامنه میشود که به روشنی مصداق رفتار معکوس TLDاست.
براي مقابله با این رفتار تلاشهاي متعددي براي افزایش میرایی و اصلاح TLD صورت گرفت که حرکت موج را سریعا پس از توقف حرکت اجباري متوقف کند . همچنین مطالعات عددي کاملی توسط سان - 1991 - انجام گرفت. او یک مدل عددي را توسعه داد که اندرکنش مابین سازه و میراگر TLD را در نظر میگرفت و دو ضریب براي شکست موج ارائه نمود. هر دو ضریب توسط کارهاي آزمایشگاهی کالیبره شدند.مدل سان بعدها توسط کوه و همکاران - 1994 - براي تحریکات دلخواه بسط داده شد.پس از نصب سیستم میراگرTLDدر هتل شین یوکوهاما مطالعات بعدي روي آن توسط واکاهارا و همکاران - 1994 - صورت گرفت و مشخص شد که ارتعاشات ناشی از باد به تراز قابل پذیرشی از دیدگاه نیازهاي راحتی و سروی سدهی کاهش یافته است .
همچنین دماتی - 2002 - به مطالعه ععددي و آزمایشگاهی TLDروي سازه در زلزله پرداخته است. نتایج این پژوهش نشان داد که با استفاده از TLD می توان حتی در زلزلههاي قوي تا 60درصد از پاسخ ساختمان 8 طبقه فولادي کاست که این امر به نحوچشمگیري باعث افزایش عملکرد سازه میگردد.در پژوهش دیگري زهرائی و همکاران - 2012 - نیز از دریچههاي قابل تنظیم در مخزن مستطیلی استفاده نمودند. ایشان نشان دادند بهترین حالت براي کنترل سازه تحت تحریکهاي سینوسی در زاویه جهتگیري برابر 75 درجه میباشد.
جانگ و همکاران - 2012 - اثر ارتفاع پرههاي قائم را روي نوسانات مایع در ظرف مستطیلی در حالت سهبعدي به صورت عددي مورد بررسی قرار دادند. بر اساس این پژوهش با افزایش ارتفاع پرهها مقدار گردابههاي تولیدي ناشی از جدایی جریان از پرهها، ضعیفتر و کمتر میشود . تاکاهارا و کیمورا - - 2012 با بررسی روي پاسخ فرکانسی نوسانات ظرف حلقوي استوانهاي، تحت تحریکهارمونیک به این نتیجه رسیدند که ویژگیهاي غیرخطی حرکت آب درون ظرف حلقوي استوانهاي بسیار پیچیدهتر از ظرف استوانهاي است، علاوه بر این نشان دادند که تحلیل غیرخطی براي تخمین پاسخ نوسانات بسیار مهم میباشد.
در پژوهش حاضر با استفاده از نرمافزار Fluent 6.3.26،رفتار لرزهاي میراگرهاي مکعب مستطیلی و استوانهاي با 4 پره قابل تنظیم در زاویه 45 درجه مورد بررسی قرار گرفته است.
مواد و روشها
طراحی میراگر مایع تنظیم شده
طراحی بهینه TLD باید ببر اساس فرکانس مد اول سازه باشد. در نتیجه باید ابعاد TLD و عم ق آب بگونهاي تنظیم شوند که با مد اول سازه برابر گردند. فرکانس طبیعی تلاطم آب در میراگرهاي مایع براي ظروف آب با مقاطع مستطیلی و دایرهاي به ترتیب با استفاده از روابط 1 و 2بدست میآیند:
h ارتفاع آب درون ظرف، L طول ظرف مکعب مستطیل و D قطر ظرف استوانهاي میباشد. همچنین n شماره مد سازه که در این پژوهش برابر یک در نظر گرفته شده است.
براي بررسی اثر شکل مقطع در رفتار لرزهاي میراگر مایع تنظیم شده در زاویه 45 درجه، ظرفها در فرکانسهاي یکسان مورد بررسی قرار گرفت . طول، عرض و ارتفاع ظرف مکعب مستطیل بهترتیب برابر با 0/6، 0/4و0/3 و قطر و ارتفاع ظررف استوانهاي بهترتیب برابر با 0/6 و 0/4 در نظر گرفته شد. ارتفاع آب درون ظرفها با استفاده از روابط 1 و 2 بدست آمد که در جدول 1 ارائه شده است.
جدول :1 ارتفاع آب درون ظرفهاي مکعب مستطیلی و استوانه اي
نیروي کنترلی که در ای ن پژوهش براي کاهش ارتعاشات سازه مورد استفاده قرار میگیرد از فشار دینامیکیاي که روي سطح جدارههاي انتهایی ظرف اثر میکند تولید م یشود. اختلاف فشار ناشی از تفاوت رقوم سطح آزاد مایع در جدارههاي انتهایی به صورت یک نیروي برشی در کف مخزن ظاهر میگردد. نیروي کنترل ناشی از میراگرهاي مایع تنظیم شده از رابطه 3 بدست میآید:
مدلسازي عددي
براي شبیهسازي جریان درون ظروف از نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی FLUENT6.3.26 که قادر است معادلات ناویراستوکس را بهصورت سه بعدي براي هر سیال در حال حرکت حل نماید، استفاده شد.
از آنجایی که در نظر اس ت یک تلاطم آبی کمعمق در داخل یک مخزن مدلسازي شود، لازم است که از یک مدل دو فازي استفاده شود. بنابراین بهترین روش براي مدلسازي مسائل مرتبط با دو سیال غیراختلاطپذیر یعنی حجم سیال - Volume Of Fluid - انتخاب شده است.در این روش به ازاي هر فازي که وارد میشود، متغیري به جزء حجمی فاز در سلول محاسباتی، معرفی میشود. در هر حجم کنترل، مجموع جزء حجمی تمام فازهاي موجود در آن برابر واحد است. بسته به مقادیر جزء حجم هر فاز در یک سلول، سلول میتواند معرف خصوصیات یک یا چند فاز باشد. از آنجایی که تراکم جریان مورد توجه نیست، الگوریتم حل معادلات ناویر- استوکس بر مبناي فشار مورد استفاده قرار گرفته است.
همچنین با توجه به اینکه امواج در حیطهي جریانهاي غیردائمی طبقهبندي میشوند، نوع فرمولبندي مسئله به صورت ضمنی و نسبت به زمان نیز غیردائمی منظور گردیده و از اثرات پیشرفت گردابهها و آشفتگی جریان صرفنظر گردید. براي ساخت هندسه مدل از نرمافزار GAMBIT استفاده شده است.شرط مرزي WALL براي جدارههاي ظرف و شرط مرزي PRESSURE_ INLET براي جداره فوقانی ظرف انتخاب گردید. شکل 2 مشبندي ظرفها را نشان میدهد.
- الف - - ب - شکل :2 مشبندي ظرفها - الف- ظرف استوانهاي ب- ظرف مکعب مستطیلی -
