مطالعه جریان گذرا در لوله ویسکوالاستیک با احتساب اثرات اندرکنشی بر مبنای پاسخ تحلیلی در حوزه فرکانس

در این تحقیق اندرکنش سیال و سازه با احتساب شرایط گذرا درون یک لوله ویسکوالاستیک با استفاده از ابزارهای تحلیل در حوزه فرکانس مطالعه شده است. هدف اصلی، بررسی پدیده ضربه قوچ در جداره ویسکوالاستیک از طریق مطالعه فرکانسی و بویژه مبتنی بر شیوه تعمیم یافته ماتریس انتقال بوده است. در خلال این فعالیت تطبیق‌پذیری و مزیت‌های نسبی روش تحلیلی ماتریس انتقال در حل یک مسئله کوپل و مشتمل بر دینامیک سازه پیچیده، تبیین شده است. یکی از مزیت‌های اصلی حل در حوزه فرکانس تبدیل فرم انتگرالی معادلات حاکم به معادلات جبری و ساده‌سازی آنها می‌باشد. در اینجا استفاده از تحلیل حوزه فرکانس برای مدلسازی لوله ویسکوالاستیک به دلیل حذف انتگرال کانولوشن که در مدل زمانی ماده ویسکوالاستیک ظاهر می‌شود، مزیت نسبی و تاثیر بیشتری دارد. برای مسئله حاضر که تحلیل جریان گذرای حاصل از بسته شدن آنی شیر پایین دست در لوله ویسکوالاستیک می‌باشد، ماتریس انتقال تعمیم یافته که شامل متغیرهای حالت سازه‌ای علاوه بر متغیرهای هیدرولیکی است، ارائه شده است. بعنوان نوآوری کلیدی در تعمیم این شیوه، دو جنبه تحریک غیرهارمونیک و مدل جداره ویسکوالاستیک لحاظ شده است. معادلات کلوین ویت برای مدلسازی رفتار جداره ویسکوالاستیک مورد استفاده قرار گرفته است. صحت عملکرد مدل حاضر از طریق مقایسه نتایج با دو دسته داده‌های تحلیلی و آزمایشگاهی بررسی و تایید شده است. برای بررسی همزمان اثرات ویسکوالاستیسیته و اندرکنش سیالسازه یک مسئله نمونه تعریف شده که نتایج حاصل به منظور قیاس بین حالت‌های مختلف تحلیل اندرکنشی و غیر اندرکنشی و نیز در ازای فرض جداره الاستیک و یا ویسکوالاستیک استخراج و ارائه شده است.

Frequency Domain Analysis of Water Hammer with Fluid-Structure Interaction in Viscoelastic pipe

In this research, fluidstructure interaction including transient flow in a viscoelastic  pipe has been studied in the frequency domain. The main purpose was to investigate the  water hammer problem using extended transfer matrix method in a typical reservoirviscoelastic pipevalve system. One of the generally expected advantages of frequency domain analysis is that the integral form of equations in the time domain would be transformed into algebraic form. Here it would be  more beneficial to utilize frequency domain methods since convolution integral which appears in viscoelastic models in time domain will also vanish. Transfer matrix method has been adopted to the transient flow in a viscoelastic pipe to derive field matrix where a nonoscillating valve is considered as a boundary condition. The generalized KelvinVoigt model was used to simulate the viscoelastic behavior of the pipe wall. The proposed model has been explored to solve two wellknown case studies of fluidstructure interaction in the frequency domain. Results of both cases confirm the good agreement between analytical and experimental data. To investigate the simultaneous effects of viscoelasticity and fluidstructure interaction in the frequency domain a sample problem has been analyzed. Results for different conditions including interactional and noninteractional system together with both viscoelastic and elastic pipe material have been illustrated and compared. Also, a comparison among 3element, 5element, and higher order KelvinVoigt models has been performed based on which one may deduce the appropriateness of 3element model.