17624

17624

كنترل هوشمند ارتعاشات ناشي از جريان عدد رينولدز پايين بر روي يك استوانه الاستيك با قابليت برداشت انرژي

دكتري

طراحي كاربردي

تير ماه 1396

دكتر سيد محمد هاشمي نژاد

مكانيك

هدف اصلي رساله حاضر اعمال استراتژي¬هاي مختلف كنترلي هوشمند فعال و نيمه فعال جهت كاهش دامنه ارتعاشات ناشي از جدايش گردابه¬ها (VIV) در جريان عدد رينولدز پائين از روي يك استوانه با تكيه¬گاه الاستيك در قالب يك برنامه نظام¬مند شبيه سازي مشترك در حوزه زمان مي باشد. همچنين، امكان برداشت همزمان انرژي توسط ابزار كنترلي دومنظوره الكترومغناطيسي (EM) نيز مطالعه مي¬گردد. در گام اول، با اعمال مستقيم نيروي كنترلي عرضي بر مبناي استراتژي كنترلي هوشمند فازي-لغزشي-تطبيقي (AFSMC)، ارتعاشات ناشي از جريان بر روي استوانه الاستيك (2dof) كه آزادانه در جهات طولي و عرضي نوسان مي¬كند، بصورت فعال كنترل مي¬گردد.بخش فازي كنترل كننده AFSM به گونه¬اي طراحي مي¬شود كه رفتار كنترل كننده مد لغزشي را دنبال كند در حاليكه بخش مقاوم آن اختلاف بين كنترل كننده فازي و حالت ايده¬آل را جبران مي¬كند. همچنين، پارامترهاي سيستم فازي و كران عدم قطعيت¬هاي كنترل مقاوم توسط قوانين تطبيقي بصورت همزمان تنظيم مي¬گردند. با توجه به اينكه در استراتژي كنترلي فعال نياز به منبع انرژي خارجي جهت توليد نيروي كنترلي مي¬باشد، در گام دوم رساله يك سيستم برداشت انرژي فعال (خودشارژشونده)، كه نيروي كنترلي در آن با بهره¬گيري از انرژي احيا شده توسط ابزار كنترلي EM توليد مي¬گردد، به منظور كاهش ارتعاشات استوانه دو درجه آزادي بكار گرفته مي¬شود. در اين سيستم،ابتدا كنترل كننده نيروي مطلوب عملگر براي كاهش VIV را محاسبه مي كند. سپس جريان الكتريكي در مدار بگونه¬اي گردش مي¬يابد كه نيروي خروجي ابزار كنترلي EM، نيروي مطلوب عملگر را تعقيب كند. متعاقباً، با توجه به امكان ناپايداري سيستم به دليل تزريق مستقيم انرژي مكانيكي به استوانه در استراتژي كنترلي فعال، در گام سوم رساله يك سيستم برداشت انرژي نيمه فعال توسعه داده و بررسي مي¬شود. در اين سيستم، ابتدا كنترل كننده ¬AFSM نيروي كنترلي مناسب براي كاهش ارتعاشات عرضي استوانه رامحاسبه مي¬كند. سپس ميراگر EM، ارتعاشات عرضي را با وارد نمودن نيروي ميرايي هوشمند قابل تنظيم كاهش داده و همزمان بخشي از انرژي جريان سيال را به انرژي الكتريكي تبديل مي¬كند. اين عمل با تغيير جريان الكتريكي مدار برداشت كننده انرژي مجهز به مقاومت متغير بگونه¬اي انجام مي¬شود كه نيروي خروجي ميراگر نيروي محاسبه شده توسط الگوريتم كنترلي را تعقيب نمايد. در بخش پاياني رساله، از نوسانات چرخشي اجباري استوانه به منظور كاهش ارتعاشات عرضي آن در قالب يك سيستم كنترل فعال VIV حلقه بسته استفاده مي¬شود. در اين روش، كنترل كننده تناسبي ميزان نوسانات چرخشي استوانه را صرفاً بر اساس سيگنال بازخورد ضريب برآي استوانه محاسبه كرده، كه اين نوسانات مي¬تواند از پديده تطابق (تشديد) فركانسي برمبناي تغيير فركانس جدايش گردابه¬ها جلوگيري نمايد. در نهايت به منظور كاهش دامنه ضرايب برآ و پساي استوانه هنگاميكه كنترل كننده بطور ناگهاني روشن مي¬شود و دامنه ارتعاشات استوانه به بيشترين مقدار خود رسيده¬ است، از يك سيستم فازي براي تنظيم بهره كنترلي استفاده مي¬شود. براي اعمال استراتژي¬هاي فوق¬الذكر، شبيه سازي مشترك با ارتباط برخط و همزمان اجزاي مختلف سيستم¬هاي كنترلي بكارگرفته شده (AFSMC، ابزار كنترليEM، مقاومت الكتريكي متغير، سيستم تنظيم فازي، و مدارهاي برداشت انرژي غيرفعال، فعال و نيمه فعال) كه در متلب/سيمولينك ايجاد شده به مدل سيستم تحت كنترل كه در فلوئنت ساخته شده، انجام مي¬شود.

1396/04/20

1/1/1900 12:00:00 AM

In present thesis, intelligentactive and semi-active control strategies are applied to suppress the two-dimensional vortex-induced vibrations (VIV) of an elastically mounted cylinder, at low Reynolds numbers using time domain collaborative simulations. In addition energy regenerating auxiliary system equipped with dual functional electromagnetic (EM) control device is investigated. In the first step, an adaptive fuzzy sliding mode control (AFSMC) scheme is applied to actively annihilate the2dof VIV of an elastically mounted circular cylinder, free to move in in-line and cross-flow directions. The strongly coupled unsteady fluid/cylinder interactions are captured by implementing the moving mesh technologythrough integration of an in-house developed User Define Function(UDF) into the main code of the commercial CFD solver Fluent. The AFSMC approach comprises of a fuzzy system designed to mimic an ideal sliding-mode controller, and a robust controller intended to compensate for the difference between the fuzzy controller and the ideal one. The fuzzy system parameters as well as the uncertainty bound of the robust controller are adaptively tuned online. In the second step,a self-powered active support system, which produces a control force using the energy regenerated by a transversely mounted linear electromagnetic damper,is considered.In addition, a passive energy generating system is devised that achieves a proper trade-off between VIV suppression and energy harvesting actions with the EM damper acting either in the regeneration or dissipation mode. Next as a third step, the concept of energy-regenerative damping is adopted in semi-active vortex induced vibration suppression of an elastically supported inclined impenetrable elliptical cylinder in laminar cross-flow at low Reynolds numbers.It is based on the intelligent control strategy in conjunction with switch-based energy regenerating circuit of a tunable electromagnetic damper.The AFSM controller initially calculates the desired transverse control force for suppression of the cylinder VIV. Consequently, by smart adjustment of the variable circuit load resistance, the current flow through EM damper circuit is adaptively modulated in such a way that the damping force continually tracks its active counterpart in a semi-active manner.Furthermore, when the damper is operating in the regeneration mode, the mechanical vibration energy that is traditionally dissipated as heat in conventional viscous dampers will be stored as electric charge in a capacitor. As a final step in present thesis, an active rotary oscillation feedback control methodology is investigated. The closed-loop VIV control action is realized by active forced rotational oscillations of the circular cylinder about its axis based on the feedback signal of lift coefficient. This prevents the occurrence of resonance by shifting the vortex shedding frequency away from the natural oscillator frequency. Three different active closed-loop proportional controllers are implemented and their superior performance in cylinder VIV suppression is demonstrated against that of a representative open-loop control system with pre-specified rotational oscillations