23397

كنترل فعال ارتعاشات ناشي از جريان اطراف استوانه الاستيك مستغرق در سيال غيرنيوتني مدل تواني

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- طراحي كاربردي

1399-1400

1399/12/16

سيدمحمد هاشمي نژاد

مهندسي مكانيك

هدف رساله حاضر شبيه سازي عددي كنترل فعال ارتعاشات ناشي از جريان دو بعدي رينولدز پائين سيال غيرنيوتني (مدل تواني) حول استوانه دايروي مستقر بر روي يك بستر الاستيك در حوزه زمان مي باشد. شبيه سازي مورد نظر در قالب يك يك چارچوب برخط مشترك مابين نرم افزارهاي متلب/سيمولينك (بخش كنترلي) و فلوئنت (بخش سيالاتي) اجرا مي شود. جريان اطراف استوانه از نوع جريان آرام، تراكم ناپذير و ناپاياي غيرنيوتني مدل تواني در نظر گرفته شده است و گسسته سازي معادلات جريان بر اساس روش حجم محدود در نرم افزار فلوئنت انجام مي گردد. همچنين، از روش مش متحرك (برمبناي يك كد به زبان C++ به عنوان تابع تعريف كاربر) براي كوپل حركت استوانه با ميدان جريان و محاسبه جابجايي هاي عرضي و طولي استوانه استفاده شده است. در اين شبيه سازي، جابجايي هاي عرضي و طولي بدست آمده در هر گام زماني بصورت برخط وارد نرم افزار متلب/سيمولينك شده و با اعمال سيستم كنترلي مورد نظر سبب كاهش ارتعاشات طولي و عرضي استوانه مي شود. جهت كنترل ارتعاشات استوانه، با توجه به عدم قطعيت در مدل سيستم، مي توان از روش هاي كنترلي مستقل از مدل (Model Free) مانند كنترلر PID و يا فازي-PID استفاده نمود. در بخش اول، با اعمال مستقيم نيروي كنترلي عرضي برمبناي استراتژي كنترلي هوشمند فازي-PID، ارتعاشات ناشي از جريان سيال غيرنيوتني بر روي استوانه الاستيك كه آزادانه در دو جهت طولي و عرضي نوسان مي كند، بصورت فعال كنترل مي گردد. در بخش دوم، پس از اعمال مستقيم نيروي كنترلي عرضي، از نوسانات چرخشي اجباري نيز به منظور كاهش ارتعاشات استوانه در قالب يك سيستم كنترل فعال VIV حلقه بسته استفاده شده است. در روش نوسانات چرخشي اجباري، يك كنترل كننده تناسبي ميزان نوسانات چرخشي موردنياز را صرفا براساس سيگنال بازخورد نيروي برآي استوانه محاسبه مي كند در حاليكه بر مبناي روش اعمال نيروي عرضي، ميزان نوسانات نيرويي اعمال شده بر اساس سيگنال بازخورد جابجايي عرضي استوانه تنظيم مي گردد. نهايتا، هدف اصلي تحقيقات، مقايسه عملكرد دو روش كنترلي فوق از نظر توان مصرفي عملگر مي باشد. نتايج نشان مي دهد كه سيستم كنترل فعال حلقه بسته بر مبناي نوسانات چرخشي اجباري، عملكرد بسيار بهتري در كاهش ارتعاشات استوانه در مقايسه با روش نيروي كنترلي عرضي ارائه مي كند. به عبارت ديگر، عملگر چرخشي با صرف توان (انرژي) به مراتب كمتري ارتعاشات استوانه را به مقدار قابل توجهي كاهش مي دهند.

1400/02/02

Active control of vibrations caused by the flow around the submerged elastic cylinder in a powerlaw Non-Newtonian fluid

3/7/2022 12:00:00 AM

The present thesis aim is to numerically simulate the active control of vibrations due to the low Reynolds two-dimensional flow of Non-Newtonian (power-law) fluid past a circular cylinder positioned on an elastic substrate in the time domain. The simulation is performed in the procedure of a common online framework between MATLAB Simulink (control section) and Fluent (fluid section) software. The flow around the cylinder is considered to be a laminar, incompressible, and power-law non-Newtonian unsteady flow and the discretization of flow equations is accomplished based on the finite volume method in Fluent software. Also, the moving mesh method (based on a C++ code as a user defined function) is used to couple the movement of the cylinder with the flow field and calculate the transverse and in-line displacements of the cylinder. In this simulation, the transverse and in-line displacements obtained in each time step are entered online in MATLAB Simulink software and by applying the desired control system, the in-line and transverse vibrations of the cylinder are reduced. To control the vibrations of the cylinder, owing to the uncertainty in the system model, control methods independent of the model (model-free) such as PID controller or Fuzzy-PID can be used. In the first part, by applying direct transverse control force based on the intelligent Fuzzy-PID control strategy, the vibrations caused by the flow of non-Newtonian fluid on the elastic cylinder, which oscillates freely in both in-line and transverse directions, are actively controlled. In the second part, after direct application of transverse control force, forced rotational oscillations are used to reduce the vibrations of the cylinder in the scheme of an active closed-loop VIV control system. In the forced rotational oscillations method, a proportional controller computes the required rotational oscillations based especially on the feedback signal of the lift force on the cylinder, while based on the transverse force application method, the amount of applied force oscillations is adjusted depend on the transverse displacement feedback signal of the cylinder. Lastly, the main purpose of the research is to compare the performance of the above two control methods in terms of actuator power consumption. The results show that the active closed-loop control system based on the forced rotational oscillations method, suggestions much better performance in reducing cylinder vibrations compared to the transverse control force method. In other word, rotational actuators significantly reduce cylinder vibrations by consuming far less power (energy).

برهم كنش سازه و سيال , جريان رينولدز پائين , سيالات غيرنيوتني مدل تواني , كنترل فعال ارتعاشات , عملگرهاي نيروي عرضي و چرخشي

Fluid-structure interaction , Low Reynolds flow , Power-law non-Newtonian fluids , Active vibration control , Transverse force and rotational actuators