شماره ركورد
34687
پديد آورنده
ميلاد نادري
عنوان
مطالعه برهمكنش سيال-سازه جريان عبوري از روي سازه هاي مجاور و نصب شده بر ديوار
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
سال تحصيل
1400
تاريخ دفاع
1404/12/5
استاد راهنما
سيد محمد هاشمي نژاد
استاد مشاور
ياسين معصومي
دانشكده
مهندسي مكانيك
چكيده
در اين رساله، مجموعهاي از مطالعات عددي جامع و گامبهگام بهمنظور توسعه و بهينهسازي سامانههاي كنترل و برداشت انرژي از ارتعاشات ناشي از جريان (FIV) در پيرامون استوانههاي نزديك بستر در جريانهاي آشفته ارائه شده است. در گام نخست، يك روش نوين براي كنترل پديدهي ارتعاشات ناشي از گردابه (VIV) يك استوانه دايره¬اي كشسان مجاور ديواره تحت جريان عرضي آشفته با Re=〖10〗^4 در بازه سرعت¬هاي كاهش¬يافته 2≤U^*≤9 معرفي و تحليل شده ¬است. راهبرد كنترلي شامل استفاده از يك ورق صلب يا انعطافپذير (هوشمند) پيزوالكتريك نصبشده در پايين¬دست استوانه است و شبيهسازيها در چارچوب يك مدل جفتشده¬ي دوطرفهي چندفيزيكي شامل حل¬گر المان محدود براي سازه و حل¬گر حجم محدود براي سيال انجام گرفتهاند. نتايج بدست آمده كاهش بيشينه جابجايي استوانه (تا حدود 96 درصد) در حالت قفلشدگي VIV را نشان مي-دهد كه اين امر ميتواند عمر خستگي سازه را تا 99 درصد افزايش دهد، همچنين با جايگزيني ورق كنترلي صلب (غيرفعال) با يك ورق انعطافپذير پيزوالكتريك، عملكرد كلي كاهش ارتعاشات، بهطور محسوسي بهبود مي¬يابد. هدف گام دوم رساله، توسعهي سامانهاي دو منظوره با قابليت همزمان برداشت انرژي و كنترل ارتعاشات براي تأمين انرژي شبكههاي حسگر بيسيم زيرآبي (UWSNs) و سامانههاي اينترنت اشياء زيرآبي (IoUTs) مي¬باشد. در اين راستا، يك پيكربندي تركيبي نوين شامل استوانهي كشسان نزديك ديوار مجهز به يك مبدل الكترومغناطيسي (EM) با يك ورق برداشت¬كننده پيزوالكتريكي (PVDF) در پايين دست نصب¬شده بر ديوار در بازه¬ عدد رينولدز 5×〖10〗^3≤Re≤3×〖10〗^4 طراحي و شبيهسازي گرديده است. نتايج حاصله نشان مي¬دهند كه ميانگين توان برداشتشده سيستم تركيبي حاضر در حالت قفلشدگي در Re=〖10〗^4 حدود 66 درصد و در بالاترين عدد رينولدز بررسيشده (Re=3×〖10〗^4) تا 92 درصد بيش از مجموع رياضي توان حاصل از دو سامانهي منفرد EM و PVDF است. اين افزايش غالباً ناشي از اثرات همافزايي ميدان جريان بين دو مبدل و برهمكنش هيدروديناميكي بين آنها مي¬باشد. در گام سوم، عملكرد يك برداشتكنندهي انرژي استوانهاي مجهز به دو ميلهي كمكي ثابت يا چرخان با زواياي گوناگون (θ_0=30°, 60°, 90°, 120°) و سرعت زاويهاي 0≤ω_R≤8 راديان بر ثانيه در شرايط جريان كمعمق واقعي (U_∞=1m/s,H=1.5m,Re=3×〖10〗^5,Fr=0.58)، بهمنظور توسعهي سامانههاي برداشت انرژي مقياس كوچك، مورد بررسي قرار گرفته است. شبيهسازيهاي دوبعدي گسترده در اين بخش آشكار مي¬كنند كه افزودن ميلههاي كمكي ثابت ميتواند توان خروجي سيستم را در بهينه¬ترين زاويه آن تا 56 درصد نسبت به استوانه منفرد افزايش دهد. علاوه براين، در صورت چرخش اين ميله¬ها در بهينه¬ترين سرعت، توان خروجي تا حدود 109 درصد افزايش مي¬يابد. در مجموع، نتايج اين رساله اثبات مي¬كند كه تركيب روشهاي كنترل غيرفعال و فعال با سازوكارهاي برداشت انرژي الكترومغناطيسي و پيزوالكتريك ميتواند بهطور چشمگيري بازدهي، پايداري و قابليت كاربرد سامانههاي انرژي سبز مبتني بر ارتعاشات ناشي از گردابه را در مقياسهاي گوناگون، از بسترهاي دريايي تا جريانهاي كمعمق سطحي، بهبود بخشد.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/01/26
عنوان به انگليسي
Study of Fluid–Structure Interaction of Flow over Adjacent and Wall-Mounted Structures
تاريخ بهره برداري
2/24/2027 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
ميلاد نادري
چكيده به لاتين
In this Thesis, a comprehensive and step-by-step numerical investigation has been carried out to develop and optimize control and energy-harvesting systems based on flow-induced vibrations (FIV) around near-bed cylindrical structures in turbulent flows. In the first step, a novel method is proposed and analyzed for suppressing vortex-induced vibrations (VIV) of an elastically mounted near-wall circular cylinder subjected to turbulent cross-flow at Re=〖10〗^4 over the reduced velocity range 2≤U^*≤9. The control strategy employs a rigid or a flexible (smart) piezoelectric plate installed downstream of the cylinder, and the simulations are performed within a fully two-way coupled multiphysics framework integrating a finite-element structural solver with a finite-volume fluid solver. The obtained results demonstrate that the proposed method can reduce the maximum cylinder displacement by up to approximately 96% at the VIV lock-in condition, which may increase the structural fatigue life by up to 99%. Furthermore, replacing the rigid (passive) control plate with a flexible piezoelectric plate significantly enhances the overall vibration suppression performance. The second step of the Thesis aims to develop a dual-functional system capable of simultaneous energy harvesting and vibration control for powering underwater wireless sensor networks (UWSNs) and Internet of Underwater Things (IoUTs). To this, a novel hybrid configuration consisting of a near-wall elastically mounted cylinder equipped with an electromagnetic (EM) energy harvester and a downstream wall-mounted piezoelectric (PVDF) plate is designed and numerically simulated over the Reynolds number range 5×〖10〗^3≤Re≤3×〖10〗^4. The results show that the time-averaged harvested power of the proposed hybrid system at the lock-in condition (Re=〖10〗^4) increases by approximately 66%, and up to 92% at the highest examined Reynolds number (Re=3×〖10〗^4), compared with the mathematical sum of the power outputs of the individual EM and PVDF harvesters. This enhancement originates primarily from the synergistic flow-field interactions and hydrodynamic coupling between the two transducers. In the third step, the performance of a cylindrical energy harvester equipped with two stationary or rotating rods at various angular positions (θ_0=30°,60°,90°,120) and angular velocities (0≤ω_R≤8rad/s) is simulated under realistic shallow-water flow conditions (U_∞=1m/s,H=1.5m,Re=3×〖10〗^5,Fr=0.58) to advance small-scale shallow-flow energy-harvesting systems. Extensive two-dimensional simulations demonstrate that incorporating stationary auxiliary rods can increase the output power of the system by up to 56% at the optimal angular configuration compared to the bare cylinder. Moreover, when the rods rotate at their optimal angular velocity, the output power increases by approximately 109%. These findings highlight the strong potential of the proposed system for harvesting energy from ultra-low-head shallow flows in rural and agricultural areas lacking access to centralized electrical infrastructure. Overall, the results of this Thesis confirm that combining passive and active control strategies with electromagnetic and piezoelectric energy-harvesting mechanisms can significantly enhance the efficiency, robustness, and practical applicability of green energy systems based on vortex-induced vibrations across a wide range of operating environments from seabed pipelines to shallow surface flows.
كليدواژه هاي فارسي
برهمكنش سيال-سازه , ارتعاشات ناشي از گردابه , برداشت تركيبي انرژي , مبدل الكترومغناطيس , برداشت¬كننده پيزوالكتريك , كنترل¬ فعال و غيرفعال , ميله چرخان , كشاورزي هوشمند
كليدواژه هاي لاتين
Fluid–structure interaction , vortex-induced vibration (VIV) , energy harvesting , electromagnetic transducer , piezoelectric transducer , active and passive controller , rotating rods , circular cylinder , smart agriculture
Author
Milad Naderi
SuperVisor
S.M. Hasheminejad