-
شماره ركورد
27863
-
پديد آورنده
ياسين معصومي
-
عنوان
كنترل تركيبي هوشمند ارتعاشات ناشي از عبور جريان از روي استوانه الاستيك
-
مقطع تحصيلي
دكتري تخصصي (PhD)
-
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك- تبديل انرژي
-
سال تحصيل
1396
-
تاريخ دفاع
1401/9/13
-
استاد راهنما
سيد محمد هاشمي نژاد
-
دانشكده
مهندسي مكانيك
-
چكيده
به دليل وقوع گسترده ارتعاشات ناشي از جريان (FIV) در بسياري از كاربردهاي مهندسي عملي، توجهات زيادي به اين حوزه جلب شده است. بسياري از تحقيقات انجام شده در اين باره معطوف به بررسي كاهش FIV سازهها به منظور جلوگيري از آسيبهاي فاجعه بار بالقوه تحميلي بر سيستم و همچنين اثرات زيست محيطي است. همچنين، نگرانيهاي فزاينده اخير در رابطه با كاهش برگشتناپذير ذخاير سوخت فسيلي همراه با استانداردهاي سختگيرانهتر نشر ضايعات، استفاده از انرژي جنبشي پايدار جريانهاي سيال در طبيعت را براي توليد الكتريسيته از اثرات به ظاهر مضر FIV توجيهپذيرتر كرده است. پايان نامه حاضر در سه گام رو به جلو به صورت عددي استراتژي كنترل تركيبي FIV را براي استوانه و فنر خطي پيادهسازي مينمايد. در اولين گام، شبيهسازيهاي دوبعدي CFD براي بررسي كاهش ارتعاشات ناشي از رهايش گردابهها در يك جريان عرضي (VIV) عبوري از روي يك استوانه دايرهاي انعطافپذير به روش كنترل تركيبي فعال/نيمهفعال مورد بررسي قرار گرفت. در اين تحقيق استوانه مجهز به دو ميله كنترلي فعال چرخان هوشمند بوده كه به طور متقارن در زاويه 120° از جلو استوانه و در نزديكي ناحيه ويك قرار گرفتهاند. همچنين اين سيستم به صورت همزمان با يك جاذب غيرخطي انرژي (NES) داخلي نيمهفعال در اعداد رينولدز پايين (Re=100) و در يك ناحيه از سرعتهاي كاهشيافته مرتبط با پديده قفلشدگي فركانسي (3≤U^*≤10) عمل مينمايد. ميلههاي به كار گرفته شده به عنوان عملگرهاي كنترلكننده جريان با تزريق مومنتوم مورد نياز به ناحيه ويك و تاثير بر جدايش جريان عمل مينمايند، در حالي كه كنترلكننده نيمهفعال با تغيير نيروي جاذب غيرخطي بين مقادير حداقل و حداكثر تعيين شده، مطابق با منطقهاي كنترلي خاص رفتار ميكند. قوانين كنترلي بازخورد چند ورودي-چند خروجي (MIMO) منتخب از طريق يك زيربرنامه و با استفاده از تابع تعريف شده توسط كاربر (UDF) به صورت پويا به سيستم اعمال شده است. در گام دوم، به مطالعه عددي دوبعدي بر روي كاهش نوسانات يك استوانه دايرهاي قرار گرفته بر روي يك بستر الاستيك ناشي از عبور جريان از روي آن پرداخته شده است. در اين راستا از يك ورق جداكننده بايمورف پيزوالكتريك انعطافپذير متصل به پشت استوانه و همچنين عملكرد همزمان يك عملگر نيروي عرضي در جريان آرام (Re=100) و براي محدوده وسيعي از سرعتهاي كاهشيافته (4≤U^*≤40) استفاده شده است. مدل عددي حاضر مبتني بر يك سيستم برهمكنش سازه-سيال ضمني دو طرفه (FSI) بوده كه در يك چارچوب شبيهسازي چندفيزيكي پيادهسازي شده است. در اين سيستم به طور تعاملي يك حلگر حجم محدود (CFD) با يك حلگر ديناميكي سازه غيرخطي المان محدود (CSD) متصل مينمايد. يك قانون كنترل بازخورد جابجايي مستقيم (DDF) يك ورودي-چند خروجي (SIMO) با استفاده از يك زيربرنامه داخلي به زبان دستوري APDL به صورت پويا به سيستم اعمال ميشود. در اين راستا سه پيكربندي كنترلي متمايز شامل استفاده از عملگر نيرو، عملگر پيزو، و عملگر تركيبي با هدف اصلي كاهش دامنه جابجايي عرضي استوانه اجرا و مقايسه شدهاند. همچنين به منظور بهبود بيشتر در كارايي سيستم كنترل تركيبي، دو استراتژي كنترل تركيبي اصلاح شده به ويژه با هدف كاهش نوسانات زماني بيش از حد ضرايب برآ و پسآ طراحي شده است. در گام سوم، يك استراتژي جديد با هدفي دو منظوره جهت برداشت انرژي هيدروالاستيك و همچنين كاهش نوسانات استوانه مبتني بر FIV معرفي شد. در اين سيستم با همكاري مكانيزمهاي مبتني بر پيزوالكتريك و الكترومغناطيسي (EMT) سعي در همافزايي انرژي برداشت شده نهايي بوده است. سيستم برداشتكننده تركيبي حاضر شامل يك ورق جداكننده بايمورف پيزوالكتريك بلند انعطافپذير متصل به پشت يه استوانه مربعي قرار گرفته بر روي يك فنر خطي و همچنين يك مبدل سيمپيچ-آهنربايي القايي است. توزيع ميدان جريان دوبعدي سيستم حاضر از طريق يك حلگر عددي سازه-سيال (FSI) گذرا دو سويه بر مبناي روش CFD-FEM شبيهسازي شده است. در اين راستا معادلات ناوير-استوكس به روش ميانگينگيري رينولدز (RANS) با مدل انتقال تنش برشي k-ω (SST) جهت مدلسازي آشفتگي در اعداد رينولدز (2×〖10〗^3≤Re≤4×〖10〗^5) به كار گرفته شده است. نتايج شبيهسازي عددي به دست آمده در گام اول نشان دهنده كاهش قابل توجه نوسانات سيستم با اعمال يك استراتژي اصلاح شده براي عملگر نيمهفعال NES در سيستم تركيبي بوده است (تا 55٪ در جابجاييها، و تا 11% در ضرايب پسآ). علاوه بر اين، در مسئله حاضر عملكرد برتر سيستم كنترل هوشمند تركيبي فعال-نيمهفعال در مقايسه با سيستم غيرفعال تركيبي نشان داده شده است (تا 68٪ كاهش در جابجاييها، 61٪ در دامنه ضريب برآ، و 12٪ در متوسط ضريب پسآ). شبيهسازيهاي عددي براي گام دوم نشان ميدهد كه پيكربنديهاي مرتبط با كنترلكننده تركيبي، توانستهاند پاسخ جابجايي سيستم را بسيار بهتر از سيستمهايي با عملگر تكي نيروي فعال يا پيزوالكتريك كنترل نمايند. همچنين، نتيجهگيري ميشود كه اگر هدف اصلي كاهش سريع حركت استوانه بدون توجه به تغييرات نيروهاي پسآ و برآ است، سيستم كنترل تركيبي طراحي شده اوليه مناسب است، در حالي كه اگر همزمان نوسانات مربوط به ضرايب برآ و پسآ نيز داراي اهميت باشد، روش كنترل تركيبي اصلاح شده پيشنهاد شده است. در نهايت، در گام سوم نشان داده شد كه ماژول تبديل انرژي EMT ميتواند در محدوده نسبتا پايين تا متوسط اعداد رينولدز (2×〖10〗^3≤Re≤3×〖10〗^4 ) انرژي جنبشي استوانه ناشي از عبور جريان از روي آن در محدوده VIV و گلوپينگ را جذب كرده و علاوه بر كاهش نوسانات سيستم، انرژي الكتريكي قابل قبولي را نيز برداشت نمايد. از طرف ديگر، برداشتكننده پيزو-الكترومغناطيسي تركيبي ميتواند علاوه بر كاهش قابل توجه پاسخهاي نوساني سيستم، انرژي الكتريكي نسبتا زيادي را در يك محدوده كاري وسيع (3×〖10〗^4
-
تاريخ ورود اطلاعات
1401/11/09
-
عنوان به انگليسي
Smart hybrid FIV control of a linearly sprung cylinder
-
تاريخ بهره برداري
12/4/2023 12:00:00 AM
-
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
ياسين معصومي
-
چكيده به لاتين
Flow-induced vibration (FIV) is an area of great interest due to its widespread incidence in numerous practical engineering applications. Most of these applications involve suppression of structural FIV to inhibit the potential catastrophic damages imposed on the system as well as the associated environmental effects. Also, the recent growing concerns about irreversible depletion of fossil fuel reserves along with the ever more strict environmental emission standards of our modern society have triggered the use of sustainable kinetic energy of ambient fluid flow for generating electricity from the supposedly harmful FIV effects. The present thesis numerically implements three important classes of hybrid FIV control strategies for the standard linearly sprung cylinder. In the first problem, extensive two dimensional CFD simulations were carried out to investigate the hybrid active/semi-active cross-flow vortex induced vibration (VIV) suppression of a flexibly-mounted circular cylinder. The cylinder is equipped with two smart actively rotating control rods that are symmetrically oriented 120° apart in the near-wake region in real-time collaboration with an internally-fitted semi-active NES-based vibration absorber in the low Reynolds number flow regime (Re=100) over a typical range of lock-in reduced flow velocities (3≤U^*≤10). The control rods function as flow control actuators by enforcing the desired momentum injection into the near-wake region, while the semi-active structural control is realized by switching the nonlinear absorber force between some minimum and maximum values consistent with certain control logics. selected multi-input-multi-output (MIMO) feedback control laws are introduced into the coupled transient dynamic simulation framework through a manually hooked user defined function (UDF) subroutine. In the second problem, a two-dimensional numerical study on active flow induced vibration (FIV) suppression of an elastically suspended circular cylinder fitted with a thin smart flexural-mode (bender-type) piezoelectric bimorph splitter plate on its wake side in real-time collaboration with a conventional base force actuator is carried out in laminar cross-flow condition (Re=100) for a wide range of reduced flow velocities (4≤U^*≤40). The numerical model is based on a strongly-coupled partitioned two-way iteratively implicit Fluid-Structure Interaction (FSI) routine implemented in a multiphysics simulation framework that interactively connects a CFD-based finite volume solver with a nonlinear transient computational structural dynamics (CSD) finite-element solver. A single-input-multi-output (SIMO) direct displacement feedback control law is introduced into the coupled transient dynamic simulation framework through an internal subroutine written in APDL command language. Three distinct feedback control configurations are implemented and compared, namely, the force-actuated, the piezo-actuated, and the hybrid actuation control systems, primarily aiming at suppression of cylinder transverse displacement amplitude. Further improvements on the controller performance are achieved by incorporating two modified hybrid actuation control strategies particularly designed for mitigation of excessive temporal oscillations of the drag and lift coefficients. In the third problem, a novel high-performance dual-purpose FIV-based hydroelastic energy harvesting and cylinder response suppression strategy that functions based on the synergy of piezoelectric and electromagnetic transduction (EMT) mechanisms is proposed and numerically implemented. The hybrid harvester consists of a linearly sprung (1DOF) square cylinder fitted on the wake side with a thin flexural-mode cantilever bimorph piezoelectric splitter plate in real-time collaboration with a transversely hooked induction-based magnet-coil type transducer. The two-dimensional flow field distribution of the hybrid energy harvesting system is simulated through a partitioned two-way iteratively implicit fully coupled nonlinear transient fluid structure interaction (FSI) scheme implemented in a multiphysics CFD-FEM simulation framework. The Reynolds averaged Navier–Stokes (RANS) equations with the shear stress transport (SST) k-ω turbulence closure model were selected for qualitative/quantitative prediction of hydrodynamic flow behavior in the range of Reynolds numbers between 2×10^3and 4×10^5. The numerical simulation results for the first hybrid FIV-control problem indicate that notable reductions are obtained when a modified continuous feedback control strategy is directly applied in the NES-based semi-active vibration absorber (i.e., up to 55% in the displacements, and up to 11% in the drag coefficients). Furthermore, the superior performance of proposed smart hybrid active/semi-active VIV control system in comparison to the hybrid passive system is demonstrated (i.e., up to 68% reduction in the displacements, 61% in the lift amplitudes, and 12% in the drag coefficient). The numerical simulations for the second hybrid FIV-control problem show that the hybrid actuation control configurations provide a largely better displacement response control performance than the single-alone force-actuated or piezo-actuated systems. Also, it is concluded that if one primarily aims at prompt and forceful suppression of the base cylinder motion regardless of lift and drag force variations, the originally designed hybrid actuation control system is sufficiently adequate, while if one is specifically concerned with the severe temporal fluctuations in the lift and drag coefficients, the modified hybrid control configurations should be employed. Lastly, in the third hybrid FIV-control problem, the single-alone EMT-based conversion module moderately mitigates the key hydroelastic response parameters on top of capturing ample hydrokinetic energy based on the separate or combined vortex induced vibration (VIV)-galloping effects in the low to intermediate Reynolds number range (2×10^3≤Re≤3×10^4 ). The hybrid piezoelectromagnetic harvester, on the other hand, significantly suppresses the key response parameters and effectively improves the overall system electrical output performance in an expanded working bandwidth (3×10^4
-
كليدواژه هاي فارسي
شبيه سازي FSI چند فيزيك , ورق جداكننده بايمورف پيزوالكتريك هوشمند متصل به پشت استوانه , ميلههاي كنترلكننده فعال چرخان , انتقال انرژي هدفمند غيرخطي (TET) , جاذب ارتعاش نيمهفعال مبتني بر NES , كنترل و برداشت انرژي همافزا همزمان از FIV , ناحيههاي VIV، گلوپينگ و فلپينگ
-
كليدواژه هاي لاتين
Multiphysics FSI simulations , wake-mounted smart piezoelectric bimorph splitter plate , active rotating wake-control rods , nonlinear targeted energy transfer (TET) , NES-based semi-active vibration absorber , Dual-functional synergetic energy harvesting and FIV control , Vortex induced vibration, Galloping, and Flapping
-
Author
Yasin Masoomi
-
SuperVisor
Dr. Mohammad Hasheminezhad
-
لينک به اين مدرک :