۲۰-آموزش شبیه‌سازی ارتعاش ناشی از گرداب (VIV) در آباکوس – شبیه سازان امیرکبیر و Vortex Induced Vibration
۲۰-Vortex Induced Vibration
چکیده
حل یک مسئله VIV سه‌بعدی عموماً نیازمند شبیه‌سازی عددی است و چالش‌های مدل‌سازی وجود دارد که برای انجام کارآمد این کار باید بر آنها غلبه کرد. کاربردهای معمول VIV معمولاً شامل سازه‌های نسبتاً بلند و باریک مانند لوله‌ها/بالابرها/کابل‌ها می‌شود. برای کنترل کارایی راه‌حل هنگام مش‌بندی دامنه سیال (FMK) و دامنه سازه (SYE) توجه دقیقی لازم است. ماهیت حل‌کننده سیال و حرکت مورد انتظار سازه مستلزم آن است که هرگونه تغییر شکل با «ریخت‌زایی مش» تطبیق داده شود، زیرا عناصر نمی‌توانند ایجاد یا از بین بروند و FMK شامل قابلیت‌هایی برای کمک به کنترل این فرآیند است.
کلید عملکرد و کیفیت شبیه‌سازی مشترک، اتصال بین حل‌کننده‌های سیال و جامد است و تعدادی روش برای تأمین این فرآیند در دسترس است. بسته به ماهیت فیزیک مدل‌سازی شده، اتصال در شبیه‌سازی‌های مشترک VIV ممکن است به عنوان اتصال متوسط طبقه‌بندی شود که برای اطمینان از سطوح معقول دقت، به یک تکنیک اتصال ضمنی نیاز دارد.
بررسی مسائل VIV سه‌بعدی دشوار است زیرا ماهیت مسئله، تنظیمات تجربی را پرهزینه می‌کند، اما مقایسه‌ای با نتایج منتشر شده از مقاله‌ای که یک لوله کامپوزیتی عمودی تحت کشش را در یک مخزن آزمایشی در نظر می‌گیرد، انجام شده است.
نکات برجسته:
روش‌شناسی ساخت شبیه‌سازی مشترک VIV در 3DX
ویژگی‌های کلیدی مؤثر بر فرآیند
مقایسه شبیه‌سازی با نتایج منتشر شده
سمینارهای الکترونیکی ۲۰۲۲ Abaqus
این گفتگوی فنی در این پست، در انجمن SIMULIA ما برگزار خواهد شد و به شما امکان می‌دهد تا به صورت زنده با ارائه‌دهنده ما تعامل داشته باشید و همچنین در صورت تمایل، ارائه را دوباره تماشا کنید.
ارتعاش القایی گردابی (VIV): شبیه‌سازی دقیق سازه‌ها در محیط‌های سیال با 3DEXPERIENCE
[موسیقی: آرام و متفکرانه، با زیرمتن هیجان‌انگیز]
صبح بخیر، عصر بخیر، شب بخیر به تمامی شرکت‌کنندگان در این کاوش عمیق درباره ارتعاش القایی گردابی (Vortex Induced Vibration – VIV). انگیزه اصلی این ارائه، توسعه چشمگیر روش‌های کوپلینگ ضمنی (Implicit Coupling) در سالیان اخیر است که امکان انجام این نوع شبیه‌سازی‌های پیچیده را به شیوه‌ای دقیق و کارآمد فراهم آورده است. VIV یک پدیده فیزیکی حیاتی است که در کاربردهای مختلف مهندسی، از پل‌ها و دودکش‌ها گرفته تا خطوط لوله زیردریایی، نقش تعیین‌کننده‌ای ایفا می‌کند.
در این مقاله، قصد داریم با ارائه چندین مثال از ارتعاش القایی گردابی، که با استفاده از نقش‌های مهندس دینامیک سیالات (Fluid Mechanics Engineer – FMK) و مهندس تحلیل سازه (Structural Analysis Engineer – SYE) در پلتفرم 3DEXPERIENCE داسو سیستمز انجام شده‌اند، این پدیده را تشریح کنیم.
مقدمه‌ای بر VIV: درس‌های تاریخی و پدیده‌های فیزیکی
تصویر یک خط لوله معلق که در معرض جریان آب قرار دارد، برای بسیاری از مهندسان آشناست. اما شاید هیچ نمونه‌ای به اندازه فاجعه پل تاکوما ناروز در سال ۱۹۴۰، اهمیت درک VIV را به وضوح نشان ندهد. این پل ۶ میلیون دلاری، تنها چند ماه پس از افتتاح، در معرض باد جانبی ۳۵ مایل بر ساعت قرار گرفت و فرو ریخت. علت اصلی؟ ارتعاش القایی گردابی، که در نهایت به فلاتر آیروالاستیک (Aeroelastic Flutter) منجر شد. این حادثه، یکی از بزرگترین نمونه‌های طراحی ناکافی در تاریخ مهندسی سازه است و تاکید می‌کند که چگونه یک پدیده فیزیکی شناخته شده، در صورت عدم کنترل، می‌تواند منجر به نتایج ویرانگر شود.
VIV چیست؟
ارتعاش القایی گردابی، یک فرآیند فیزیکی است که هرگاه جسمی در معرض جریان متقاطع سیال (مانند هوا یا آب) قرار گیرد، رخ می‌دهد. در سرعت‌های پایین جریان، گردابه‌ها به صورت متقارن از سطح جسم جدا می‌شوند. اما با افزایش سرعت و در نتیجه افزایش عدد رینولدز، گردابه‌ها به طور متناوب از طرف‌های مخالف جسم جدا می‌شوند. این پدیده‌ای است که به “خیابان گردابه‌ای کارمن” (Karman Vortex Street) معروف است.
این جدایش متناوب گردابه‌ها، منجر به نوسان فشار در دو طرف جسم می‌شود. اگر جسم قابلیت حرکت داشته باشد، این نوسان فشار می‌تواند باعث ارتعاش آن شود. این پدیده را می‌توان در دودکش‌های بلند دید، جایی که شیارهایی برای برهم زدن تشکیل این گردابه‌ها طراحی می‌شوند تا از مشکلات ارتعاش جلوگیری کنند.
VIV در کاربردهای زیردریایی: چالش‌های خطوط لوله دریایی
همان فرآیندی که در هوا (مانند پل‌ها و دودکش‌ها) رخ می‌دهد، دقیقاً در محیط‌های آبی نیز، به ویژه در تأسیسات زیردریایی، اتفاق می‌افتد. به عنوان مثال، در نصب خطوط لوله در بستر دریا، هدف طراحی این است که لوله به صورت صاف روی بستر قرار گیرد. اما حتی با بررسی‌های دقیق بستر دریا، ممکن است بخش‌هایی از لوله بین دو نقطه تکیه‌گاه، معلق بماند. علاوه بر این، با گذشت زمان، فرآیندی به نام “آب‌شویی بستر دریا” (Seabed Scour) می‌تواند رخ دهد که در آن، حرکت جزر و مد باعث فرسایش و حذف تکیه‌گاه زیر خط لوله می‌شود و منجر به ایجاد طول‌های بدون تکیه‌گاه می‌شود. این بخش‌های معلق، کاندیدای اصلی برای ارتعاش القایی گردابی ناشی از جریان آب هستند.
فیزیک VIV برای خطوط لوله به خوبی درک شده است، به ویژه با توجه به هندسه نسبتاً ساده (مقطع دایره‌ای) و اعداد رینولدز پایین در جریان‌های معمولی. بسیاری از کارهای نظری و تجربی در این زمینه بر اساس جریان‌های دوبعدی استوار هستند که برای اطمینان از نصب صحیح خط لوله کافی است. اما برای بررسی دقیق‌تر اثرات سه‌بعدی، نیاز به یک روش شبیه‌سازی جامع داریم.
شبیه‌سازی VIV سه‌بعدی با 3DEXPERIENCE: چالش‌ها و راه حل‌ها
برای مدل‌سازی یک مسئله VIV سه‌بعدی، به سه عنصر کلیدی نیاز داریم:
- مدل سیال سه‌بعدی: برای نمایش جریان آب دریا بر روی خط لوله، با در نظر گرفتن اثرات آشفتگی و تولید گردابه‌ها.
- مدل سازه‌ای سه‌بعدی: برای نمایش رفتار غیرخطی احتمالی خط لوله تحت بارهای متناوب.
- روش اندرکنش سیال-سازه (Fluid-Structure Interaction – FSI): برای کوپلینگ دقیق پاسخ مدل‌های سیال و سازه.
در پلتفرم 3DEXPERIENCE، از نقش‌های FMK (مهندس دینامیک سیالات) و SYE (مهندس تحلیل سازه) برای انجام این شبیه‌سازی‌ها استفاده می‌شود. همچنین، به طور اختیاری می‌توان از نقش MCK (شبیه‌سازی مشترک Multi-Scale) برای پیوند دادن این دو حوزه به یکدیگر بهره برد.
چالش‌های کلیدی در شبیه‌سازی مشترک FSI سه‌بعدی و راه حل‌های 3DEXPERIENCE:
چالش ۱: شبکه‌بندی کارآمد دامنه سیال ایجاد یک شبکه (Mesh) کافی و در عین حال کارآمد برای حوزه سیال، یک چالش بزرگ است. به ویژه در مدل‌های طولانی خط لوله که نیاز به المان‌های بسیار کوچک در نزدیکی لایه مرزی دارند، تکنیک‌های مش‌بندی سنتی (مانند Hex Dominant) می‌توانند ناکارآمد باشند.
- راه حل 3DEXPERIENCE: استفاده از تکنیک‌های مش‌بندی Swept (رفت و برگشتی) که امکان تولید المان‌های با نسبت ابعاد بالا را فراهم می‌کند. این روش اجازه می‌دهد که المان‌ها در جهت شعاعی کوچک و در جهت طولی بزرگ باشند، که برای جریان‌های عمدتاً مسطح (مانند جریان در امتداد لوله) کارآمد است. استفاده از مش‌های ساختمانی (Construction Meshes) نیز این فرآیند را ساده می‌کند.
چالش ۲: تطبیق حرکت لوله با شبکه سیال لوله در طول شبیه‌سازی ارتعاش خواهد کرد، و شبکه سیال باید این حرکت را بدون اعوجاج شدید یا از بین رفتن المان‌ها تطبیق دهد.
- راه حل 3DEXPERIENCE: در FMK، از یک قانون سختی تعریف‌شده توسط کاربر (User-Defined Stiffness Law) برای شبکه استفاده می‌شود که به شبکه اجازه می‌دهد تا مانند یک فوم الاستیک تغییر شکل دهد. این روش به طور خاص طراحی شده تا المان‌های نزدیک به مرز (مانند لایه مرزی) شکل خود را حفظ کنند، در حالی که اعوجاج بیشتر در المان‌های دورتر رخ می‌دهد. این فرآیند کاملاً داخلی است و هیچ نیروی اضافی به حل سیال یا سازه منتقل نمی‌کند.
چالش ۳: کوپلینگ قوی بین سیال و سازه انتقال دقیق داده‌ها (جابجایی‌ها، نیروها، سرعت‌ها) بین حوزه سیال و جامد از طریق یک رابط (Port Region) برای مسائل با کوپل قوی (مانند VIV) بسیار مهم است. این چالش زمانی دشوارتر می‌شود که نسبت چگالی سیال و جامد در یک مرتبه باشند و فرکانس و دامنه نوسانات بالا باشد.
- راه حل 3DEXPERIENCE: پلتفرم 3DEXPERIENCE یک طرح کوپلینگ ضمنی (Implicit Coupling Scheme) پیشرفته را ارائه می‌دهد. این طرح تکراری است و در هر گام زمانی، نه تنها شرایط جریان و ساختاری، بلکه شرط تعادل دینامیکی در سطح مشترک نیز حل می‌شود تا به همگرایی برسد. روش‌هایی مانند “Similar Accelerated Relaxation” به بهبود استحکام، سرعت و همگرایی در مسائل با کوپل قوی کمک می‌کنند. این طرح کوپلینگ، راهی قوی و دقیق برای پیوند دادن حوزه‌های سیال و جامد فراهم می‌کند.
مطالعه موردی: شبیه‌سازی VIV در یک خط لوله زیردریایی و مقایسه با آزمایش‌ها
برای نشان دادن کاربرد این روش، یک خط لوله فولادی به طول ۳۰ متر (به دلیل تقارن ۱۵ متر مدل‌سازی شد) که بین دو تکیه‌گاه در بستر دریا معلق است و تحت تأثیر جریان متقاطع آب با سرعت ۲ متر بر ثانیه قرار دارد، شبیه‌سازی شد. پارامترهای این شبیه‌سازی از داده‌های واقعی (مشتریان Petrobras) الهام گرفته شده‌اند.
نتایج و اعتبارسنجی:
- مشاهدات کیفی: انیمیشن‌ها، “خیابان گردابه‌ای کارمن” مورد انتظار و حرکات قابل توجه خط لوله را در سرعت پایین ۲ متر بر ثانیه آب نشان دادند. این نتایج به صورت کیفی معتبر به نظر می‌رسند.
- بررسی کمی: برای افزایش اعتماد به نفس، نتایج با یک فرمول تجربی ارائه شده توسط وینسن جنسن استرو (Wincent Jensen Strouhal) مقایسه شدند. این فرمول فرکانس ریزش گردابه‌ها را به قطر مقطع و سرعت جریان مرتبط می‌کند. در حالی که فرمول استروهال برای استوانه ثابت، فرکانس ۲ هرتز را پیش‌بینی می‌کند، برای استوانه‌ای که در حال نوسان است، انتظار فرکانس کمی پایین‌تر داریم. فرکانس ۱.۵ هرتز که در شبیه‌سازی به دست آمد، با این نظریه مطابقت دارد.
- مقایسه با داده‌های آزمایشگاهی: یک مطالعه موردی دیگر، شبیه‌سازی یک آزمایش آزمایشگاهی منتشر شده توسط Hara و Hata (2009) بود که شامل یک استوانه بلند انعطاف‌پذیر در یک کانال آب می‌شد. این شبیه‌سازی با مدل‌سازی دقیق ویژگی‌های استوانه (مانند سختی خمشی و محوری) و استفاده از تکنیک‌های کوپلینگ ضمنی، نتایج قابل قبولی را در مقایسه با داده‌های تجربی فرکانس ارتعاش و دامنه‌های جابجایی ارائه داد.
نتیجه‌گیری: آینده شبیه‌سازی VIV با 3DEXPERIENCE
توانایی پلتفرم 3DEXPERIENCE در تولید شبکه‌های کارآمد با نسبت ابعاد بالا، مدیریت حرکت مش بدون تخریب راه‌حل، و ارائه طرح‌های کوپلینگ ضمنی قوی، امکان انجام شبیه‌سازی‌های FSI پیچیده، از جمله VIV، را فراهم می‌کند. این پیشرفت‌ها به مهندسان این امکان را می‌دهند که نه تنها پدیده‌های فیزیکی را با دقت بی‌نظیری مدل‌سازی کنند، بلکه ابزاری قدرتمند برای پیش‌بینی و کاهش ریسک‌های مرتبط با VIV در طراحی سازه‌های حیاتی در محیط‌های سیال در اختیار داشته باشند.
این نوع تحلیل‌ها، به ویژه برای صنایعی مانند نفت و گاز (برای خطوط لوله و رایزرها)، انرژی‌های تجدیدپذیر دریایی و طراحی پل‌ها، حیاتی هستند و به مهندسان کمک می‌کنند تا با چالش‌های پیچیده دنیای واقعی مقابله کنند و به طراحی‌های ایمن‌تر و کارآمدتر دست یابند.
