22765

تحليل پاسخ جريان گذرا با در نظر گرفتن اندركنش سيال-سازه جهت شناسايي ضعف در سازه سيستم لوله

دكتري تخصصي

مهندسي آب و سازه هاي هيدروليكي

1399/03/27

دكتر ابراهيم جباري - دكتر عليرضا كرامت

دكتر ناصر شابختي - دكتر آريس تايسلينگ

عمران

در هنگام وقوع پديده ضربه قوچ (جريان گذرا) در سيستم خط لوله، مكانيزم هاي اندركنش سيال-سازه مانند كوپله پواسن و اتصال منجر به ايجاد پرش هايي در هد فشار جريان گذرا مي شوند. اين اثرات در فرايند ضعف يابي با استفاده از تحليل پاسخ جريان گذرا مي تواند بسيار مهم باشد. هدف از اين تحقيق شناسايي ضعف هاي سازه اي لوله با استفاده از تحليل پاسخ جريان گذرا، با در نظر گرفتن اثرات اندركنشي سيال-سازه مي باشد. در اين رساله، مدل جريان گذرا در سيستم مخزن-لوله-شير به‌منظور مدل‌سازي اثرات هم‌زمان اندركنش سيال-سازه و ضعف هاي سازه اي توسعه داده مي شود. در اين مدل، معادلات هيدروليكي با استفاده از روش خطوط مشخصه و معادله ي سازه اي به همراه شرايط مرزي پيشنهاد شده در خصوص تكيه گاه هاي لوله، با استفاده از روش اجزاي محدود و در حوزه زمان حل مي شوند. همچنين به‌منظور بررسي اهميت اثرات اندركنش سيال-سازه در يك خط لوله و لزوم مدل‌سازي آن در فرايند ضعف يابي، روابط تحليلي مقدار پرش‌هاي ناشي از كوپله پواسن با استفاده از مدل چهار معادله ديفرانسيل مرتبه اول و روش حل تماما خطوط مشخصه نيز استخراج و ارائه مي گردد. همچنين با رويكرد شناسايي ضعف تكيه گاه هاي بكار رفته در طول لوله، مطالعه اي بر اثرات تكيه گاه هاي محوري بر پاسخ جريان گذرا در دو حوزه زمان و فركانس انجام مي شود. در تحليل معكوس جريان گذرا به‌منظور ضعف يابي با استفاده از مدل جريان گذراي توسعه داده شده، از روش بهينه سازي بر اساس الگوريتم ژنتيك استفاده مي گردد. درنهايت جهت كمي سازي حداكثر دقت ممكن و تحليل عدم قطعيت كارايي ضعف يابي مبتني بر جريان گذرا، تئوري كران پايين كرامر-رائو (CRLB) پياده سازي مي شود. نتايج نشان مي دهد كه اندركنش سيال-سازه و ضعف هاي طولي ديواره لوله مي توانند پرش‌هاي مشابه و بعضاً غيرقابل تميزي را در نتايج فشار ناشي از جريان گذرا ايجاد نمايند. همچنين اثرات اندركنش مي تواند منجر به تغيير مقدار، شكل و زمان‌بندي پرش‌هاي ناشي از ضعف هاي طولي در حالت كلاسيك شود؛ بنابراين عدم در نظر گرفتن اندركنش سيال-سازه در تحليل پاسخ جريان گذرا در سيستم هايي كه اثرات اندركنشي در آن‌ها قابل توجه است، مي تواند منجر به ايجاد خطا در تعداد، محل، طول و مقدار ضعف هاي شناسايي‌شده گردد. مطالعات نشان مي دهد با در نظر گرفتن اثرات اندركنشي در تحليل پاسخ جريان گذرا، مي توان به عنوان يك مزيت، ضعف هاي تكيه گاهي سيستم را نيز شناسايي نمود. تحليل حداكثر دقت ممكن نشان مي دهد كه برخي از عوامل در هنگام برداشت داده ها مانند زمان بستن شير، سطح انرژي نويز و ... نقش مهمي در موفقيت ضعف يابي مبتني بر جريان گذرا ايفا مي نمايند.

1399/09/02

Transient-Based Defect Detection considering Fluid-Structure Interaction in a Pipeline

6/17/2021 12:00:00 AM

Fluid-Structure Interaction (FSI) mechanisms such as Poisson and Junction coupling in a pipeline system generate additional pressure head fluctuations and jumps during waterhammer. Accordingly, this phenomenon can be an effective event in transient-based defects detection (TBDD) methods. The present thesis aims to analyze the transient reflections for deteriorations detection considering fluid-structure interaction in a pipeline. In this study, a transient (waterhammer) model is extended in order to instantaneously implementation of fluid-structure interaction and extended deteriorations in a reservoir-pipe-valve system. The hydraulic equations are solved by the method of characteristics (MOC) and the structural equation along with the suggested boundary conditions of pipe supports are solved by the finite element method (FEM) in the time domain. Furthermore, Analytical expressions for the magnitudes of pressure head jumps caused by Poisson coupling are derived. To this end, the four first-order differential equations model and the full MOC method are used. These relations are utilized for investigating the importance of FSI modeling in the transient-based defect detection process. Moreover, the effects of pipeline supports on the transient responses considering FSI are studied in the time and frequency domain in order to detecting the pipeline supports deterioration. In the inverse transient analysis (ITA) for defects detection using the extended transient model, an optimization method based on the genetic algorithm is implemented. The Cramér–Rao lower bound (CRLB) theorem is utilized to compute the lower bound variance of noise-induced estimation errors and the uncertainty quantification of the TBDD method. The results reveal that both pipe wall vibration (FSI) and pipe wall deteriorations may affect transient pressure head during waterhammer in a similar, and possibly indistinguishable way. Furthermore, Poisson and junction coupling result in changes in the magnitude, shape, and timing of pressure head jumps caused by extended deteriorations. Neglecting FSI in TBRA would skew the estimated locations, lengths, and numbers of the deteriorations in systems with considerable pipe wall axial vibration, thus making TBRA a more complicated method in flexible pipe systems. The current study demonstrates that the pipeline supports deterioration can be detected using the analysis of transient responses when FSI is considered. Quantification of the maximum feasible accuracy (location and size) for the transient-based extended defects detection in a pipeline reveals the influence of relevant physical parameters including valve closure time, measurement time length, and noise level on the best possible localization of deteriorations. The results demonstrate a trade-off between the size and the location/length of extended defect estimates subject to different maneuver times, roughly offering half the wave speed times maneuver duration as the resolution limit.