جناب آقای مهندس یاسین معصومی دانشجوی دکتری دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه علم و صنعت ایران، از رساله خود با عنوان «کنترل ترکیبی هوشمند ارتعاشات ناشی از عبور جریان از روی استوانه الاستیک» به راهنمایی جناب آقای دکتر سیدمحمد هاشمی نژاد در تاریخ 1401/09/13 ساعت 15:00 دفاع خواهد کرد.
اساتید داور داخلی: دکتر حجت قاسمی / دکتر مجید سیاوشی
اساتید داور خارجی: دکتر حسن قاسمی / دکتر انوشیروان فرشیدیان‌فر
چکیده رساله:
به دلیل وقوع گسترده ارتعاشات ناشی از جریان (FIV) در بسیاری از کاربردهای مهندسی عملی، توجهات زیادی به این حوزه جلب شده است. بسیاری از تحقیقات انجام شده در این باره معطوف به بررسی کاهش FIV سازه‌ها به منظور جلوگیری از آسیب‌های فاجعه بار بالقوه تحمیلی بر سیستم و همچنین اثرات زیست محیطی است. همچنین، نگرانی‌های فزاینده اخیر در رابطه با کاهش برگشت‌ناپذیر ذخایر سوخت فسیلی همراه با استانداردهای سخت‌گیرانه‌تر نشر ضایعات، استفاده از انرژی جنبشی پایدار جریان‌های سیال در طبیعت را برای تولید الکتریسیته از اثرات به ظاهر مضر FIV توجیه‌پذیرتر کرده است. پایان نامه حاضر در سه گام رو به جلو به صورت عددی استراتژی کنترل ترکیبی FIV را برای استوانه و فنر خطی پیاده‌سازی می‌نماید.
در اولین گام، شبیه‌سازی‌های دوبعدی CFD برای بررسی کاهش ارتعاشات ناشی از رهایش گردابه‌ها در یک جریان عرضی (VIV) عبوری از روی یک استوانه دایره‌ای انعطاف‌پذیر به روش کنترل ترکیبی فعال/نیمه‌فعال مورد بررسی قرار گرفت. در این تحقیق استوانه مجهز به دو میله کنترلی فعال چرخان هوشمند بوده که به طور متقارن در زاویه از جلو استوانه و در نزدیکی ناحیه ویک قرار گرفته‌اند. همچنین این سیستم به صورت همزمان با یک جاذب غیرخطی انرژی (NES) داخلی نیمه‌فعال در اعداد رینولدز پایین و در یک ناحیه از سرعت‌های کاهش‌یافته مرتبط با پدیده قفل‌شدگی فرکانسی عمل می‌نماید. میله‌های به کار گرفته شده به عنوان عملگر‌های کنترل‌کننده جریان با تزریق مومنتوم مورد نیاز به ناحیه ویک و تاثیر بر جدایش جریان عمل می‌نمایند، در حالی که کنترل‌کننده نیمه‌فعال با تغییر نیروی جاذب غیرخطی بین مقادیر حداقل و حداکثر تعیین شده، مطابق با منطق‌های کنترلی خاص رفتار می‌کند. قوانین کنترلی بازخورد چند ورودی-چند خروجی (MIMO) منتخب از طریق یک زیربرنامه و با استفاده از تابع تعریف شده توسط کاربر (UDF) به صورت پویا به سیستم اعمال شده است. در گام دوم، به مطالعه عددی دوبعدی بر روی کاهش نوسانات یک استوانه دایره‌ای قرار گرفته بر روی یک بستر الاستیک ناشی از عبور جریان از روی آن پرداخته شده است. در این راستا از یک ورق جداکننده بایمورف پیزوالکتریک انعطاف‌پذیر متصل به پشت استوانه و همچنین عملکرد همزمان یک عملگر نیروی عرضی در جریان آرام و برای محدوده وسیعی از سرعت‌های کاهش‌یافته استفاده شده است. مدل عددی حاضر مبتنی بر یک سیستم برهمکنش سازه-سیال ضمنی دو طرفه (FSI) بوده که در یک چارچوب شبیه‌سازی چندفیزیکی پیاده‌سازی شده است. در این سیستم به طور تعاملی یک حل‌گر حجم محدود (CFD) با یک حل‌گر دینامیکی سازه غیرخطی المان محدود (CSD) متصل می‌نماید. یک قانون کنترل بازخورد جابجایی مستقیم (DDF) یک ورودی-چند خروجی (SIMO) با استفاده از یک زیربرنامه داخلی به زبان دستوری APDL به صورت پویا به سیستم اعمال می‌شود. در این راستا سه پیکربندی کنترلی متمایز شامل استفاده از عملگر نیرو، عملگر پیزو، و عملگر ترکیبی با هدف اصلی کاهش دامنه جابجایی عرضی استوانه اجرا و مقایسه شده‌اند. همچنین به منظور بهبود بیشتر در کارایی سیستم کنترل ترکیبی، دو استراتژی کنترل ترکیبی اصلاح شده به ویژه با هدف کاهش نوسانات زمانی بیش از حد ضرایب برآ و پسآ طراحی شده است. در گام سوم، یک استراتژی جدید با هدفی دو منظوره جهت برداشت انرژی هیدروالاستیک و همچنین کاهش نوسانات استوانه مبتنی بر FIV معرفی شد. در این سیستم با همکاری مکانیزم‌های مبتنی بر پیزوالکتریک و الکترومغناطیسی (EMT) سعی در هم‌افزایی انرژی برداشت شده نهایی بوده است. سیستم برداشت‌کننده ترکیبی حاضر شامل یک ورق جداکننده بایمورف پیزوالکتریک بلند انعطاف‌پذیر متصل به پشت یه استوانه مربعی قرار گرفته بر روی یک فنر خطی و همچنین یک مبدل سیم‌پیچ-آهنربایی القایی است. توزیع میدان جریان دوبعدی سیستم حاضر از طریق یک حل‌گر عددی سازه-سیال (FSI) گذرا دو سویه بر مبنای روش CFD-FEM شبیه‌سازی شده است. در این راستا معادلات ناویر-استوکس به روش میانگین‌گیری رینولدز (RANS) با مدل انتقال تنش برشی k-ω (SST) جهت مدل‌سازی آشفتگی در اعداد رینولدز به کار گرفته شده است.
نتایج شبیه‌سازی عددی به دست آمده در گام اول نشان دهنده کاهش قابل توجه نوسانات سیستم با اعمال یک استراتژی اصلاح شده برای عملگر نیمه‌فعال NES در سیستم ترکیبی بوده است (تا 55٪ در جابجایی‌ها، و تا 11% در ضرایب پسآ). علاوه بر این، در مسئله حاضر عملکرد برتر سیستم کنترل هوشمند ترکیبی فعال-نیمه‌فعال در مقایسه با سیستم غیرفعال ترکیبی نشان داده شده است (تا 68٪ کاهش در جابجایی‌ها، 61٪ در دامنه ضریب برآ، و 12٪ در متوسط ضریب پسآ). شبیه‌سازی‌های عددی برای گام دوم نشان می‌دهد که پیکربندی‌های مرتبط با کنترل‌کننده ترکیبی، توانسته‌اند پاسخ جابجایی سیستم را بسیار بهتر از سیستم‌هایی با عملگر تکی نیروی فعال یا پیزوالکتریک کنترل نمایند. همچنین، نتیجه‌گیری می‌شود که اگر هدف اصلی کاهش سریع حرکت استوانه بدون توجه به تغییرات نیروهای پسآ و برآ است، سیستم کنترل ترکیبی طراحی شده اولیه مناسب است، در حالی که اگر همزمان نوسانات مربوط به ضرایب برآ و پسآ نیز دارای اهمیت باشد، روش کنترل ترکیبی اصلاح شده پیشنهاد شده است. در نهایت، در گام سوم نشان داده شد که ماژول تبدیل انرژی EMT می‌تواند در محدوده نسبتا پایین تا متوسط اعداد رینولدز انرژی جنبشی استوانه ناشی از عبور جریان از روی آن در محدوده VIV و گلوپینگ را جذب کرده و علاوه بر کاهش نوسانات سیستم، انرژی الکتریکی قابل قبولی را نیز برداشت نماید. از طرف دیگر، برداشت‌کننده پیزو-الکترومغناطیسی ترکیبی می‌تواند علاوه بر کاهش قابل توجه پاسخ‌های نوسانی سیستم، انرژی الکتریکی نسبتا زیادی را در یک محدوده کاری وسیع برداشت نموده و در عین حال از پدیده خستگی ناشی از نوسانات با دامنه شدید در ناحیه گلوپینگ نیز جلوگیری نماید. با توجه به نتایج مشخص است که برهمکنش میان لایه‌های برشی دو سمت ورق در باعث شده است که با تحریک ورق از نوک آن، رفته رفته نوسانات در طول ورق امتداد یافته و در نهایت کل سیستم شروع به نوسان (فلپ کردن) کند. این رخداد در نهایت منجر به نوسانات با فرکانس بالا در استوانه و همچنین طول ورق می‌شود که در نتیجه آن امکان برداشت انرِژی قابل توجهی را در محدوده وسیعی از طول ورق فراهم می‌نماید.
کلمات کلیدی:
شبیه سازی FSI چند فیزیک، ورق جداکننده بایمورف پیزوالکتریک هوشمند متصل به پشت استوانه، میله‌های کنترل‌کننده فعال چرخان، انتقال انرژی هدفمند غیرخطی (TET)، جاذب ارتعاش نیمه‌فعال مبتنی بر NES، کنترل و برداشت انرژی هم‌افزا همزمان از FIV، ناحیه‌های VIV، گلوپینگ و فلپینگ
