تحلیل اثر نانوذرات در پایداری لوله‌های بتنی متخلخل مدفون حاوی جریان سیال به کمک روش عددی

با توجه به کاربردهای گسترده‌ی لوله‌های بتنی مدفون متخلخل حاوی جریان سیال در زمینهٔ مهندسی عمران، ارائه یک مدل ریاضی مناسب جهت تحلیل پایداری و عملکرد دینامیکی آنها امری اساسی است. در این راستا، یک لوله بتنی مدفون با در نظر گرفتن تخلخل در مصالح بتنی و بستر اطراف تدوین می‌شود که به‌وسیله نانوذرات سیلیس تقویت شده است. سازه با استفاده از المان‌های پوسته استوانه و با بهره‌گیری از تئوری ردی مدل‌سازی می‌شود. برای محاسبه نیروی ناشی از جریان سیال درونی لوله، از معادله ناویراستوکس استفاده می‌گردد. تاثیر نانوذرات در لوله با استفاده از مدل اختلاط مدل‌نمایی می‌شود، و بستر خاک نیز با بهره‌گیری از فنرهای عمودی و لایه‌های برشی شبیه‌سازی می‌گردد. در نهایت، با بهره‌گیری از اصل همیلتون، معادلات حاکم بر سازه استخراج می‌شوند. برای تحلیل سازه از روش عددی المان محدود بزیر استفاده می‌شود و تاثیر پارامترهایی همچون درصد حجمی نانو ذرات، تخلخل بتن، بستر خاک، سیال درون لوله، و پارامترهای هندسی بررسی می‌شود. نتایج حاصل از تحلیل نشان می‌دهند که با افزایش درصد حجمی نانوذرات از صفر به 3 درصد، بیشینه فرکانس و سرعت بحرانی سیال به ترتیب 35 درصد و 38 درصد افزایش می‌یابد. همچنین، با افزایش تخلخل بتن از صفر به 0.6، فرکانس بیشینه و سرعت بحرانی سیال به ترتیب 26 درصد و 18 درصد کاهش می‌یابد. این نتایج می‌توانند به بهبود در طراحی و بهینه‌سازی لوله‌های بتنی حاوی جریان سیال منجر شوند و در فهم بهتر رفتار دینامیکی این سازه‌ها کمک نمایند.

analysis of the nanoparticles’ effect on the stability of buried porous concrete pipes containing fluid flow using the numerical method

considering the widespread applications of perforated concrete pipes containing fluid flow in civil engineering, providing a suitable mathematical model for analyzing their stability and dynamic performance is essential. in this regard, a buried concrete pipe is formulated, taking into account the permeability of concrete materials and the surrounding soil, reinforced with silica nanoparticles. the structure is modeled using cylindrical shell elements and by employing the theory of elasticity. to calculate the force induced by the fluid flow inside the pipe, the navier-stokes equation is utilized. the influence of nanoparticles in the pipe is modeled using a mixing model, and the soil bed is simulated using vertical springs and shear layers. finally, by applying hamilton’s principle, the governing equations of the structure are extracted. the bezier finite element method is employed for structural analysis, and the effects of parameters such as the volume fraction of nanoparticles, concrete permeability, soil bed, fluid inside the pipe, and geometric parameters are investigated. the results of the analysis indicate that with an increase in the volume fraction of nanoparticles from zero to 3%, the maximum frequency and critical fluid velocity increase by 35% and 38%, respectively. additionally, as the concrete permeability increases from zero to 6.0, the maximum frequency and critical fluid velocity decrease by 26% and 18%, respectively. these findings can contribute to the improvement and optimization of the design of concrete pipes containing fluid flow, enhancing our understanding of the dynamic behavior of these structures...