مطالعه اثرات اندركنش سيال و سازه در لوله ويسكوالاستيك بر مبناي بسط جديدي از روش ماتريس انتقال

Study of Fluid Structure Interaction in viscoelastic pipe based on a new extension of Transfer Matrix Method

در اين مقاله تحليل جريان گذرا در خط لوله ويسكوالاستيك در حوزه فركانس با درنظر گرفتن اثرات اندركنشي سيال–سازه بر مبناي يك فرمول‌بندي جديد انجام شده است. در اين راستا ابتدا مباني رياضي به منظور دستيابي به ماتريس انتقال تعميم يافته تدوين شده است. در ادامه معادلات حاكم بر جريان سيال و معادلات سازه‌اي از حوزه زمان به حوزه فركانس تبديل شده و تلاش گرديده تا با استفاده از فرمول‌بندي مساله در قالب ماتريس انتقال مشتمل بر بردار متغيرهاي هيدروليكي و سازه‌اي، نمايش ساده‌تري از رفتار ويسكوالاستيك حاصل گردد. عدم نياز به حل انتگرال پيچش و دستيابي به معادلات جبري بجاي معادلات انتگرالي حاصل بكارگيري ابزارهاي حوزه فركانس در اين تحقيق مي‌باشد. در ابتدا براي صحه‌گذاري مدل پيشنهادي دو حالت پايه، يكي لوله صلب و ديگري لوله الاستيك تحليل گرديده و نتايج حاصل از آنها با داده‌هاي تجربي موجود و همچنين نتايج حل زماني مبتني بر شيوه مشخصه‌ها مقايسه شده‌اند. نتايج در سطح مطلوب بر داده‌هاي مرجع منطبق بودند. در ادامه با داشتن اطلاعات و مشخصات يك مدل آزمايشگاهي معتبر براي شرايط لوله ويسكوالاستيك كد شبيه‌سازي رفتار گذرا در محيط متلب پياده‌سازي گرديده و در اين حالت نيز نتايج حاصل از مدل پيشنهادي، انطباق خوبي با داده‌هاي تجربي و منحني هاي آزمايشگاهي نشان مي دهد. نتايج اين تحقيق نشان مي‌دهد استفاده از ابزارهاي تحليل در حوزه فركانس مي‌تواند با سرعت و دقت بالا عملكرد گذراي يك خط لوله را بدست دهد.

In this research the transient flow analysis in viscoelastic pipes considering Fluid Structure Interaction has been performed utilizing a newly developed formulation of Transfer Matrix Method in frequency domain. To obtain this extended form of TMM, mathematical processes were accomplished. Time domain governing equations have been transformed to frequency domain and then a suitable matrix form of them is used to study transient flow due to sudden valve closure. Obtaining a set of algebraic equations instead of integral equations and the ability to analyze this phenomenon without the need to solve complex convolution integral, are some of the benefits of the frequency domain tools that have been applied in this research. To verify the model, initially two cases of rigid and elastic pipe wall have been analyzed. Results showed good conformity compared to experimental data and available analytical solution. Then having a set of reliable experimental data of transient flow in VE pipe, MatLab code was adopted to the model and here also results were in good agreement with the experimental results. Moreover, it has been shown that this model will be a suitable tool for parametric analysis and for determining the critical situations of the system. The results obtained from this research prove that using frequency domain tools will lead to an effective and precise model for simulating the transient flow characteristics in VE and also normal transmitting pipelines.