fluid-structure interaction
در نشریات گروه مکانیک-
در این مقاله تاثیر پارامترهای هندسی بر رفتار مولد گردابه انعطاف پذیر و انتقال حرارت در یک میکروکانال سه بعدی مورد بررسی قرار گرفته است. هدف اصلی این مطالعه، تحلیل اثرات پارامترهای هندسی مولد گردابه بر انتقال حرارت و افت فشار در میکروکانال است. شبیه سازی های عددی با استفاده از نرم افزار کامسول انجام شده است تا تاثیر تغییرات پهنا و عرض مقطع مولد گردابه و همچنین سرعت جریان ورودی بررسی گردد. در این پژوهش، پهنا و عرض مقطع مولد گردابه در محدوده 15/0 تا 3/0 میلی متر بررسی شده است. نتایج نشان داد که با افزایش عرض مولد در سرعت ثابت، عدد ناسلت حداکثر تا 3 درصد افزایش یافته است. علاوه بر این، افزایش پهنای مولد از 15/0 میلی متر به 3/0 میلی متر منجر به افزایش جابجایی نوک مولد شد که این امر نشان دهنده کاهش مقاومت جریان و افزایش کارایی در جلوگیری از تشکیل لایه مرزی می باشد. در این مطالعه، سه محدوده سرعت جریان (71/1، 28/2، و 42/3 متر بر ثانیه) نیز مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش سرعت جریان، عدد ناسلت افزایش و ضریب اصطکاک کاهش یافته که منجر به کاهش افت فشار سیستم می شود.کلید واژگان: مولد گردابه انعطاف پذیر، مطالعه عددی، میکروکانال، تعامل سازه و سیالIn this paper, the impact of geometric parameters on the behavior of a flexible vortex generator and heat transfer in a three-dimensional microchannel is investigated. The primary objective of this study is to analyze the effects of the geometric parameters of the vortex generator on heat transfer and pressure drop within the microchannel. Numerical simulations were conducted using COMSOL software to examine the influence of variations in the width and height of the vortex generator cross-section, as well as the inlet flow velocity. In this research, the width and height of the vortex generator cross-section were analyzed within the range of 0.15 to 0.3 mm. The results indicated that increasing the width of the generator at a constant velocity resulted in up to a 3% increase in the Nusselt number. Additionally, increasing the width of the generator from 0.15 mm to 0.3 mm led to an increase in the generator tip displacement, indicating reduced flow resistance and enhanced efficiency in preventing boundary layer formation. The study also examined three ranges of flow velocity (1.71, 2.28, and 3.42 m/s). The results showed that as the flow velocity increased, the Nusselt number increased, while the friction coefficient decreased, and leading to a reduction in the system's pressure drop.Keywords: Flexible Vortex Generator, Numerical Study, Microchannel, Fluid-Structure Interaction
-
This paper compares the cavitation of a pump-jet propulsor under different launch conditions and discusses the effects of cavitation on the performance and noise of the pump-jet propulsor rotor blade. At the same time, the load and deformation of the rotor blade under the conditions of cavitation are studied via the one-way fluid-structure interaction (FSI) approach. The results show that the cavitation of the pump-jet propulsor decreases with increasing launch depth and speed. The performance decreases with increasing launch speed at large depths, whereas the performance improves with increasing launch speed at small depths due to the improvement of the cavitation on the rotor blades. Increasing launch speed and depth increase the noise caused by the rotor of the pump-jet propulsor, and the increase in flow rate caused by the improvement of cavitation also increases the noise level. Moreover, increasing launch depth increases the overall load of the blade and produces a larger deformation, while the speed affects the distribution of the load on the blade. In addition, with the improvement of cavitation caused by increasing launch speed, the deformation of the blade decreases.Keywords: Pump-Jet Propulsor, Cavitation, Vortex, Noise, Fluid-Structure Interaction
-
روش تقسیم بندی شده برای حل مسائل اندرکنش سیال-سازه مستعد بروز ناپایداری های عددی هستند که می توانند منجر به عدم همگرایی در فرایند حل شوند. برای غلبه بر این چالش ها، استفاده از تکنیک های پایدارسازی و کاهش گام زمانی ضروری است. با این حال، این رویکردها به طور قابل توجهی هزینه های محاسباتی را افزایش می دهد. در این پژوهش به منظور تحلیل مسائل اندرکنش سیال-سازه فرمول بندی یکپارچه ای در چهارچوب توصیف لاگرانژی-اویلری دلخواه به منظور ردیابی مرزهای متحرک ارائه شده است. بدین منظور، معادلات ناویه-استوکس در حالت ناپایدار برای سیال و معادله الاستیسیته خطی برای سازه به صورت یکپارچه با جفت سازی قوی حل شده اند. با مقایسه عملکرد رویکرد پیشنهادی با روش تقسیم بندی شده مشخص گردید که میانگین زمان تحلیل هر گام در روش تقسیم بندی شده 51 ثانیه و در روش پیشنهادی 7 ثانیه به طول انجامید، که بیانگر برتری رویکرد ارائه شده در کاهش زمان محاسبات می-باشد. رویکرد ارائه شده با حذف اثرات جرم افزوده دقت حل را افزایش داده و از نوسانات ناگهانی موجود در رویکرد تقسیم بندی شده جلوگیری می نماید. همچنین با بررسی اثر وابستگی مش مشخص گردید افزایش تعداد درجات آزادی از 85452 به 1141027، باعث افزایش تنها دو درصدی فشار و جابجایی می شود که نشان دهنده وابستگی ناچیز حل مسئله به اندازه مش است.
کلید واژگان: اندرکنش سیال-سازه، معادلات ناویه-استوکس، معادله الاستیسیته خطی، توصیف لاگرانژی-اویلری دلخواه (ALE)، فرمول بندی یکپارچهThe partitioned approach for solving fluid-structure interaction problems is prone to numerical instabilities, often leading to a lack of convergence. Overcoming these challenges requires stabilization techniques and reduced time steps, significantly increasing computational costs. In this study, a monolithic formulation within the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) framework is proposed for analyzing fluid-structure interaction problems, enabling efficient tracking of moving boundaries. The Navier-Stokes equations for unsteady fluid flow and the linear elasticity equations for the structure are solved in a strongly coupled manner. Comparison with the partitioned approach revealed that the average computational time per step in the partitioned method was 51 seconds, while the proposed approach required only 7 seconds, demonstrating its computational efficiency. Furthermore, the proposed method eliminates the added mass effect, enhances solution accuracy, and prevents sudden oscillations observed in the partitioned approach.Additionally, mesh dependency analysis showed that increasing the degrees of freedom from 85,452 to 1,141,027 resulted in only a 2% increase in pressure and displacement, indicating minimal sensitivity to mesh size. This highlights the robustness and efficiency of the proposed method in solving fluid-structure interaction problems.
Keywords: Fluid-Structure Interaction, Navier-Stokes Equation, Linear Elasticity, Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE), Monolithic Approach -
در این مطالعه، رفتار هیدرودینامیکی و انتقال گرمای جریان سیال جاری در یک کانال با دیواره های گرم در حضور پره های انعطاف پذیر (مولد گردابه) مورد بررسی قرار گرفته است. جریان سیال ورودی به کانال با پروفیل سینوسی تعریف شده است که منجر به نوسان پره های الاستیک و ایجاد گردابه هایی در جریان سیال می شود. معادلات حاکم بر جریان سیال و تغییر شکل پره های الاستیک با استفاده از روش المان محدود همراه با تکنیک لاگرانژی-اولری حل شده اند. تحلیل عددی شامل مطالعه رفتار پره های انعطاف پذیر و تاثیر آن ها بر روی نیروی پسا، عدد ناسلت و افت فشار در کانال است. نتایج نشان می دهد که افزایش مدول الاستیسیته پره ها باعث افزایش نیروی پسا، عدد ناسلت و کاهش جابجایی نوک انتهایی پره ها می شود. همچنین با افزایش طول پره های الاستیک، انتقال گرما بر روی دیواره های گرم بهبود یافته و افت فشار در داخل کانال افزایش می یابد. به عنوان مثال، حضور پره های انعطاف پذیر به طول mm 3 منجر به افزایش عددناسلت به میزان 82% و بهبود شاخص نسبت عملکرد گرمایی به میزان 10% نسبت به حالت پایه (در غیاب پره های انعطاف پذیر) گردیده است.
کلید واژگان: تعامل سازه-سیال، پره انعطاف پذیر، انتقال گرما، جریان سینوسی سیال، کانال، مولد گردابهIn this study, the hydrodynamic behavior and heat transfer of fluid flow inside a channel with heated walls in the presence of flexible fins (vortex generators) have been investigated. The inlet fluid flow into the channel is defined with a sinusoidal profile, which causes the elastic fins to oscillate and generate vortices in the fluid flow. The governing equations of fluid flow and the deformation of the elastic fins have been solved using the finite element method combined with the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) technique. The numerical analysis includes the study of the fins' behavior and their impact on drag force, Nusselt number, and pressure drop within the channel. The results show that increasing the fins' modulus of elasticity leads to an increase in drag force, Nusselt number, and a decrease in the tip displacement of the fins. Furthermore, the results indicate that by increasing the length of the elastic fins, heat transfer on the heated walls is enhanced, and the pressure drop inside the channel is increased. For example, the presence of flexible fins with a length of 3 mm resulted in an 82% increase in the Nusselt number and a 10% improvement in the thermal performance ratio compared to the baseline case (without flexible fins).
Keywords: Fluid-Structure Interaction, Flexible Fin, Heat Transfer, Sinusoidal Fluid Flow, Channel, Vortex Generator -
The water-entry process of solid and hollow hyperelastic spheres was numerically simulated using the arbitrary Lagrange–Euler method, based on the finite element analysis software LS-DYNA. The effect of the different initial velocities on the cavity evolution and deformation of the sphere in a range of low Froude (Fr) numbers was investigated. The evolution of the cavity, deformation of the hyperelastic sphere and parameters at the time of cavity closure were analysed. In addition, the difference in the water-entry process between solid and hollow spheres was given. The numerical results shows that the size of the cavity, fluctuation on the cavity profile, closure time and closure depth increased with Fr and that the closure time was proportional to Fr1/2 for both solid and hollow spheres. However, the relationship between the closure depth and Fr of the hollow sphere differed from that of the solid one. Within the investigated low Froude numbers, whether for the solid or hollow spheres, the deformation amplitude increased with the Froude number. However, the deformation period remained nearly the same for different conditions. Under the same physical and motion parameters, the hollow sphere exhibited larger deformations compared with the solid sphere. The deformation period for the hollow sphere was also longer than that for the solid one.Keywords: Water Entry, Fluid-Structure Interaction, Deformation, Cavity, Closure Time
-
این پژوهش به بهینه سازی توپولوژی مسائل اندرکنش سیال-سازه به روش مجموعه سطوح تراز می پردازد. به-منظور جفت کردن معادلات سیال-سازه از روش توصیف لاگرانژی-اویلری دلخواه (ALE) در فرمول بندی یکپارچه استفاده شده است. استفاده از توصیف ALE تحت فرمول بندی یکپارچه برای مسائل FSI، ضمن حذف ناپایداری های عددی ناشی از ترم همرفت، باعث افزایش سرعت و دقت حل اجزای محدود مسائل اندرکنش سیال-سازه خواهد شد. همچنین در نظر گرفتن سیال در حالت ناپایا (Unstaedy) امکان تفسیر توپولوژی بهینه را در هر لحظه از تحلیل فراهم می آورد. تابع هدف مسئله طراحی بهینه توپولوژی سازه، به حداقل رساندن نرمی سازه در حالت خشک تحت حجم معینی از دامنه طراحی سازه در نظر گرفته شده است. به منظور یافتن سرعت نرمال معادله واکنش- انتشار (RDE) از آنالیز حساسیت الحاقی مبتنی بر گرادیان نقطه ای استفاده شده است. نتایج حاصله از این رویکرد در مقایسه با سایر رویکردهای بهینه سازی توپولوژی موجود در ادبیات فنی نشان از دقت بالاتر و تشکیل مرزهای سازه ای واضح تر دارد.
کلید واژگان: بهینه سازی توپولوژی، اندرکنش سیال-سازه، روش مجموعه سطوح تراز، آنالیز حساسیت الحاقی، معادله واکنش-انتشار، روش اجزای محدودThis research focuses on topology optimization of fluid-structure interaction (FSI) problems using the level set method. To couple the fluid and structure equations, the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) description is employed within a monolithic formulation. The use of ALE in FSI problems, while eliminating numerical instabilities caused by the convective term, enhances the speed and accuracy of finite element solutions in fluid-structure interaction. Additionally, considering the fluid in the unsteady state allows for the interpretation of optimal topology at any given moment of the analysis. The objective function of the optimal topology design problem is to minimize the structural compliance in the dry state, subject to a fixed volume of the design domain. To determine the normal velocity in the reaction-diffusion equation (RDE), adjoint sensitivity analysis based on pointwise gradients is used. The results obtained from this approach, compared to other topology optimization methods in the literature, demonstrate higher accuracy and clearer definition of structural boundaries.
Keywords: Topology Optimization, Fluid-Structure Interaction, Level Set Method, Adjoint Sensitivity Analisys, Reaction-Diffusion Equation, Finite Element Method -
پژوهش حال حاضر حسگر تیغه پیزوالکتریک را از مناظر گوناگون به منظور کنترل نوسانات سیلندر دایروی حاضر در بالادست تیغه پیزوالکتریک و کنترل جریان نوسانی سیال اطراف تیغه با استفاده از نیروی برآ بر روی تیغه پیزوالکتریک را مورد مطالعه قرار داده است. چیدمان مورد نظر یک تیغه پیزوالکتریک در پایین دست یک سیلندر دایروی قرار گرفته و به کمک حد خاصی از نوسانات تیغه، ضریب سختی فنر سیلندر با فرض از مقدار (N/M) 65 در حالت عادی به (N/M) 100 در حالت لزوم اعمال کنترل کننده و همچنین در حالات دیگر نرخ میرایی با فرض از مقدار صفر به (Nm/S)02/0 افزایش می یابد و از این طریق، نوسانات سیلندر کنترل می شود. به همین ترتیب با کنترل نوسانات سیلندر اثر آن بر نوسانات تیغه که در پایین دست واقع شده، تحت عنوان اثرات بازخورد مورد بررسی واقع شده است. با کنترل بازخورد نیروی وارد بر روی تیغه پیزوالکتریک در یک حلقه بسته می توان بر میزان جا به جایی نوک تیغه و نیروی برآ بر روی تیغه پیزوالکتریک نظارت داشت. در این بررسی ها مشخص شده که در حالتی که حد خاص اعمال کنترل کننده 7/0 میلیمتر نوسانات نوک تیغه پیزوالکتریک باشد، به دلیل اعمال زودتر کنترل کننده نسبت به حد خاص 1 و 2 میلیمتر نوسانات نوک تیغه، نوسانات سیلندر بیشتر کنترل شده و محدوده نوسانات آن کمتر است. همچنین با مقایسه حالتی که کنترل کننده وارد مدار شده است نسبت به حالت بدون کنترل کننده مشخص است نوسانات تیغه و سیلندر تا حدی تحت کنترل قرار گرفته اند.
کلید واژگان: دینامیک سیالات محاسباتی، برداشت انرژی، تعامل سازه و سیال، ارتعاشات القایی، حسگرهای پیزوالکتریکThe current research has studied the piezoelectric blade sensor from different views in order to control the oscillations of the circular cylinder present upstream of the piezoelectric blade and to control the fluctuating fluid flow around the blade using the force on the piezoelectric blade. The desired arrangement of a piezoelectric blade is placed downstream of a circular cylinder and with the help of a certain limit of blade oscillations, the hardness coefficient of the cylinder spring is applied from 65 (N/M) in normal condition to 100 (N/M) in the necessary condition. The controller as well as in other cases, the damping rate increases from zero to 0.02 (Nm/S) and in this way, the oscillations of the cylinder are controlled. In the same way, by controlling the oscillations of the cylinder, its effect on the oscillations of the blade, which is located downstream, has been investigated under the title of feedback effects. By controlling the feedback of the force on the piezoelectric blade in a closed loop, it is possible to monitor the displacement of the tip of the blade and the force on the piezoelectric blade. In these studies, it has been determined that in the case where the specific limit of the controller is 0.7 mm of the oscillations of the piezoelectric blade tip, due to the earlier application of the controller compared to the specific limit of 1 and 2 mm of the oscillations of the blade tip, the oscillations of the cylinder are Also, by comparing the state where the controller is included in the circuit compared to the state without the controller, it is clear that the oscillations of the blade and cylinder have been controlled to some extent.
Keywords: Computational Fluid Dynamics, Energy Harvesting, Fluid-Structure Interaction, Induced Vibrations, Piezoelectric Sensors -
In the present investigation, a detailed numerical investigation of the flow and heat transfer characteristics of a channel with an elastic fin (vortex generator) and an elastic wall has been carried out using finite element method. The Fluid-Structure Interaction (FSI) model is used to capture the interaction between the fluid and the solid structure. A sinusoidal time dependent velocity profile has been imposed at the inlet of the channel and the right half of the upper wall of the channel is heated and exposed to constant temperature boundary condition. Due to the sinusoidal velocity profile at the inlet, the elastic fin oscillates periodically and act as a vortex generator, which causes more turbulence in the flow. The obtained results showed that the Nusselt number over the heated wall is affected by the position of the flexible fin, height of flexible fin and elasticity modulus of elastic fin. Moreover, due to the elasticity of the elastic wall and sinusoidal behavior of the inlet velocity, the elastic wall oscillates periodically upward and downward. The Nusselt number values over the heated wall are increased with decrease of the elastic modulus value of the elastic wall. However, the decrease in elastic modulus value of the elastic wall contributes to an increase in the pressure drop inside the channel. It should be added that the interplay between the fluid motion and the deformable structures leads to enhanced turbulence, as the flexible fin and elastic wall introduce additional disturbances and fluctuations into the flow regime. Consequently, this heightened turbulence level has profound implications for heat transfer processes within the system.Keywords: Fluid-Structure Interaction, Elastic Wall, Vortex Generator, Heat Transfer, Flexible Fin
-
Measuring flow rate precisely in laminar flow has been a difficult task, especially when utilizing a Coriolis mass flow meter (CMFM) for low flow rate measurements. The meter often under reads the mass flow rate, making it less useful in these conditions. The dominant factor affecting the CMFM's performance in laminar regions is secondary flow, which overshadows the generated Coriolis force, leading to an under-reading of flow rate. Previous studies have indicated that tube curvature is the most significant parameter affecting secondary flow generation and the overall performance of the meter. An omega-shaped tube configuration featuring a continuous curvature has been identified as the optimal shape for maximizing a CMFM device’s performance in laminar flow. The purpose of the investigation is to study and compare the efficiency of various Omega tube designs that have undergone slight geometric alterations. Four different configurations were evaluated for maximum time lag by vibrating at their respective natural frequencies and keeping the sensor position along the centerline of the tube configuration.Keywords: Coriolis mass flow meter, Omega tube configuration, Fluid-structure interaction, Experimentation, Laminar flow regime
-
Journal of Analytical and Numerical Methods in Mechanical Design, Volume:1 Issue: 2, Spring 2022, PP 59 -69
Lid-driven cavity flow is characterized by large-scale energetic eddies which are potential for energy harvesting purposes. The present article deals with numerical study of vortex-induced autorotation of an elliptic blade hinged at the center of a lid-driven cavity.Immersed boundary method is utilized to solve the governing equations for this moving boundary problem. Four different blade dimensions are considered at a fairly high-Reynolds number to evaluate the impact of various vortex types and flow unsteadiness on the blade dynamics. Small-amplitude fluttering, clockwise autorotation and counter-clockwise autorotation are three dominant modes observed at various configurations and different temporal stages. The average-length blade is equally characterized by vortices at both directions, and consequently experiences a fluttering mode. In contrast, short (long) bladeis mainly affected by one dominant vortex type, leading to steady autorotation in counter-clockwise (clockwise) direction. At stable autorotation of blade in both directions, regular cyclic temporal oscillations are observed in the rotational speed, which are due to cyclic evolution of the near-blade vortices and their alternating moment applied to the blade.
Keywords: Lid-Driven Cavity, Immersed Boundary Method, Fluid-Structure Interaction, Dynamic Modes, Vortex-Inducedautorotation -
بروز شکست در خطوط لوله سبب خسارات زیادی از جمله آسیب به محیط زیست و منابع طبیعی و تحمیل هزینه های بالای تعمیرات می گردد. لذا در این پژوهش با بهره گیری از شبیهسازی اجزاء محدود پدیده برهمکنش سیال- جامد بین سیال عبوری و لوله آسیب دیده، توزیع تنش و خرابی در لوله آسیب دیده مورد بررسی شده است. با توجه به زمانبر بودن شبیه سازی برهمکنش سازه-سیال با روش اجزاء محدود، از یک شبکه عصبی مصنوعی نیز به منظور پیش بینی رفتار خطوط لوله آسیب دیده استفاده شده تا بتواند با تغییر شرایط کاری یا آسیب لوله رفتار آن را پیشبینی نماید. جهت آموزش این شبکه عصبی مصنوعی از الگوریتم انتشار بازگشتی بهره گرفته شده است. به این منظور، ابتدا بیشینه تنش ها در لوله معیوب برای مقادیر مختلف سرعت سیال، اندازه، فاصله و عمق آسیب با روش اجزاء محدود محاسبه و به عنوان تابع هدف در نظر گرفته شده است. سپس از مقادیر به دست آمده برای آموزش شبکه عصبی استفاده گردیده است. برای بدست آوردن ساختار بهینه شبکه عصبی و افزایش دقت آن، مقادیر پارامترهای طراحی با روش تاگوچی تعیین شده است. نتایج به دست آمده نشان دادند که ترکیب روش اجزا، محدود برای تحلیل برهمکنش سازه-سیال و روش شبکه عصبی مصنوعی، ابزار مناسبی برای بررسی و پیش بینی شکست در لوله های معیوب است.کلید واژگان: عیوب لوله های انتقال سیال، برهمکنش سازه-سیال، شبکه عصبی مصنوعی، تحلیل شکستThe occurrence of pipeline failures can lead to significant damage to the environment and natural resources, as well as high repair costs. In this study, the finite element simulation is employed to model the fluid-structure interaction between the fluid flow and the damaged pipe wall to investigate stress distribution and failure in damaged pipes. Given the time-consuming nature of this simulation, an artificial neural network is also used to predict the behavior of the damaged pipe. This neural network is trained using a recurrent backpropagation algorithm. To this end, the maximum stress in the damaged pipe is considered as the objective function and is calculated by the finite element method for different values of the flow velocity, size, distance, and depth of the defects. The design parameters are selected by Taguchi method to optimize the neural network structure and increase its accuracy. The results have suggested that combining the finite element and artificial neural network methods is an effective approach for failure prediction in defective pipelines.Keywords: Defects of fluid transmission pipes, Fluid-Structure Interaction, Artificial natural network, Failure prediction
-
As one of the essential components of the conventional island in a nuclear power plant, the ejector supplies cooling water to the reactor core in an accident state. It needs serious maintenance for its structural stability. The flow-induced vibration of an ejector in service was numerically examined in this research while taking the cavitation phenomenon into account. To achieve this goal, a bidirectional fluid–structure interaction simulation based on the ANSYS platform was run. In our lab, an experimental loop was also set up to validate the fluid model. Then, under specific circumstances, it was possible to monitor the cavitation revolution process, pressure variation, and ejector vibration. According to the numerical results, the distribution of the vapor phase is largely found in the mixing and diverging portions, and it changes over time. In the ejector, a significant wideband excitation was observed. Additionally, the von Mises stress and flow-induced vibrational features of the ejector structure were investigated.Keywords: Numerical simulation, Flow induced vibration, Fluid-structure interaction, Ejector system, Cavitation
-
This study investigates numerical simulation for fluid-structure interaction in wind turbine blades, emphasizing the influence of dimensionless numbers. Utilizing OpenFoam, the Navier-Stokes equation is accurately solved with the PISO algorithm, ensuring proper interface conditions. The icoFsiFoam solver is validated through dynamic testing, demonstrating its effectiveness. In contrast to the widely adopted Blade Element Momentum Theory (BEMT), our approach focuses on analyzing blade deformation and resonance phenomena, capturing intricate deformations and stress concentrations. Our investigation explores the impact of reduced velocity on blade behavior across a range of 0.105 to 0.145, while consistently maintaining crucial dimensionless numbers such as Reynolds number (Re = 10⁶), Froude number (Fr = 4.93), and Cauchy number ( Cy = 10-5). The outcomes of this study significantly contribute to the understanding of fluid-structure interaction in wind turbine blades. By examining the oscillatory behavior of the blades, we observe trends similar to those predicted by BEMT. However, our approach surpasses BEMT by providing additional insights into stress concentrations and deformation modes. This advancement enables superior performance optimization and facilitates advanced blade analysis. The implications of our research are paramount for optimizing blade design and performance under varying reduced velocities. By incorporating the findings of this study, blade designers can make well-informed decisions to enhance the efficiency and durability of wind turbine technologies. The presented methodology and results provide a comprehensive investigation into the fluid-structure interaction of wind turbine blades, highlighting the importance of dimensionless numbers and their influence on blade behavior. Overall, this study offers valuable insights for improving wind turbine design and performance.Keywords: Fluid-structure interaction, Wind blade turbine, Dimensionless analysis, Numerical simulation, OpenFOAM
-
یکی از چالش بر انگیزترین پدیده های مشاهده شده در محیط پیرامون، برهم کنش سیال-سازه است که می تواند نقش عمده ای در انتقال حرارت، کاهش نیروی پسا و برآ و همچنین برداشت انرژی داشته باشد. امروزه از این پدیده که برگرفته از پدیده های مشابه در طبیعت است برای افزایش بازده تجهیزات در حوزه مهندسی همچون توربین های بادی استفاده می شود. رفتار دینامیکی سازه های انعطاف پذیر در کنش با سیالات، به عنوان یک بحث در حال تکامل مهندسی در حوزه های صنعتی شامل سازه های استاتیکی، وسایل و شناورهای دریایی، مبدل های حرارتی و همچنین انتقال سیال شناخته می شود. در این پژوهش اثر بکارگیری پره ی انعطاف پذیر غیر متصل به استوانه دایره ای در جریان تراکم ناپذیر ناپایا با رژیم آشفته در حالت دوبعدی بررسی می گردد. همچنین جهت شبیه سازی عددی این مسئله، از روش عددی حجم محدود و روش اجزای محدود به صورت هم زمان و همچنین برای بررسی جریان آشفته از مدل کا-امگا اس اس تی باتوجه به قابلیت های آن استفاده می شود. اثر فاصله پره منعطف (0/5، 1و1/5 برابر قطر استوانه)، موقعیت قرار گرفتن آن (بالادست یا پایین دست استوانه) و مدول یانگ بر مشخصات حرارتی و هیدرودینامیکی جسم بررسی گردید. نتایج نشان داد تاثیر موارد بررسی شده بر الگوی جریان، عدد ناسلت و ضرایب پسا و برا قابل توجه است. همچنین مقایسه حالت انعطاف پذیر پره با حالت صلب آن، نشان داد که انتقال حرارت تا 5% افزایش می یابد.کلید واژگان: بر همکنش سیال-سازه، پره انعطاف پذیر غیر متصل، ریزش ورتیسیته، انتقال حرارت، جریان آشفتهFluid-structural interaction is one of the most challenging phenomena observed in the surrounding environment, which can play a major role in increasing heat transfer, reducing drag and lift coefficients, energy dissipation, and reducing pressure drop. By inspiration from similar phenomena in nature, the dynamic behavior of flexible structures that interact with fluid is recognized as a novel application in industrial processes such as marine equipment, heat exchangers, and fluid transports. So, this phenomenon should be considered as a way to increase efficiency, eliminate defects, and prevent possible damage in industrial issues on a smaller scale. In this study, the effect of a detached flexible plate, which is placed at a specific distance from a circular cylinder, on aerodynamic and thermal parameters is investigated. This study is simulated by the finite volume method and the finite element method, simultaneously, and also kw-SST model is considered as the turbulent flow model. The fin is placed at different distances of 0.5D, 1D, and 1.5D in upstream and downstream of the circular cylinder, where D is the diameter of the cylinder. The results show that placing the fin at a distance 1D from cylinder downstream increases the Nusselt up to 5%. Moreover, the maximum reduction of the drag coefficient is obtained in this situation.Keywords: Fluid-Structure Interaction, Flexible Fin, Vortex Shedding, Heat Transfer, Turbulent Flow
-
کاربردهای مهندسی زیادی از لوله ها در مقیاس های مختلف برای حمل سیال وجود دارد. در این مطالعه، مشخصات دینامیکی یک لوله دوار حامل سیال قایم مجهز به وصله های پیزوالکتریک، تحلیل شده است. بر اساس تیوری تیر اویلر - برنولی، با استفاده از اصل همیلتون، معادلات حاکم بر حرکت سیستم استخراج شده اند. در این معادلات، کوپلینگ ژیروسکوپی، کوپلینگ الکترومکانیکی و اثرات گرانشی در نظر گرفته شده اند. روش گالرکین برای گسسته سازی معادلات حرکت، به کار گرفته شده است. نتایج عددی برای پیشبینی اثرات پارامترهای زاویه قرارگیری لایه پیزوالکتریک، سرعت دورانی، طول لوله و سرعت جریان روی پاسخ نابالانسی سیستم بررسی شده اند. نتایج نشان می دهد که بسته به مقدار فرکانس تحریک، دامنه ارتعاشات می تواند با افزایش زاویه قرارگیری لایه پیزوالکتریک، کاهش یا افزایش یابد. نتایج این تحقیق می تواند در طراحی لوله پیزوالکتریک و پیشبینی های عملکردی برای کنترل ارتعاشات و کاربردهای برداشت کننده های انرژی در آینده استفاده شود.کلید واژگان: لوله دوار، پیکربندی قائم، پیزوالکتریک، برهم کنش سیال-سازه، ارتعاشاتThere are many engineering applications of pipes at different scales for conveying fluid. The dynamic characteristics of a spinning pipe conveying fluid in vertical configuration equipped with piezoelectric patches are analyzed in this study. Based on Euler–Bernoulli beam theory, the governing equations of the system are derived by applying Hamilton’s variational principle. In this equations, the gyroscopic coupling, electromechanical coupling and gravitational effects are considered. The Galerkin’s method is used to discretize the governing equations of motions. Numerical results are investigated to predict the influences of the piezoelectric layer spanning angle, spinning speed, pipe length and flow velocity, on the unbalance response of the system. The results indicate that, depending on excitation frequency, the vibration amplitude can be decreased or increased by increasing the piezoelectric layer spanning angle. The results of this research can be used to conduct piezoelectric pipe design and performance predictions for future pipe vibration control and energy harvesting applications.Keywords: Spinning pipe, Vertical configuration, Piezoelectric, Fluid–structure interaction, Vibration
-
Elevated cylindrical and conical steel tanks are widely used to conserve water or chemical liquids. These important structures are required to stay protected and operative at any time. The wall angle inclination of conical tank part, as well as the presence of the vertical earthquake component, can cause damage to this structure and even lead to its failure. The purpose of this study is to examine the effect of wall angle inclination of the tank and the vertical earthquake acceleration component on the nonlinear dynamic stability of the elevated steel conical tanks under seismic excitation. The elevated steel conical tank is simulated utilizing the finite element analysis method using ANSYS software. The fluid-structure interaction is considered using a suitable interface that allows the fluid to apply hydrodynamic pressures on the structure. Three different models, namely Model –A-30°, Model –B-45°and Model –C-60° are investigated; it has been concluded that the impact of inclination of the tank wall significantly affects the nonlinear stability of the elevated steel conical tank. While considering the vertical ground acceleration, inclination plays a significant role in the design of this type of structures. Therefore, it should be appropriately included in the seismic analysis of elevated steel conical tanks to satisfy the safety of the elevated steel conical tank response under seismic loading.
Keywords: Non-Linear dynamic analysis, Fluid-structure interaction, Steel conical tanks, Stability, Vertical acceleration -
یکی از مهمترین مسائل پیش روی جامعه امروزی موضوع تولید انرژی و چالش های پیرامون آن می باشد. به همین دلیل پرداختن به مسئله برداشت انرژی از روش های گوناگون بسیار حائز اهمیت است. یکی از همین روش ها، برداشت انرژی از ارتعاشات ناشی از جریان سیال می باشد. ارتعاشات به وجود آمده از جریان تراکم ناپذیر سیال هوا اطراف یک سیلندر که در پشت آن سه تیغه از جنس پیزوالکتریک در ساختارهای مختلف قرار دارد می تواند یکی از بهترین گزینه ها برای بررسی و ارزیابی مقدار نیروی الکتریکی بدست آمده از ارتعاشات تیغه پیزوالکتریکی باشد. مطابق این پژوهش، حالتی که در آن تیغه پیزوالکتریک میانی به اندازه نصف طول تیغه به سمت راست تغییر مکان داده و جهت گیره نگهدارنده آن مخالف جهت گیره نگهدارنده تیغه های بالا و پایین است، هم از نظر میزان تولید ولتاژ و هم از نظر کاهش احتمال برخورد تیغه ها با یکدیگر بهترین ساختار معرفی می شود. با توجه به کاهش احتمال برخورد تیغه ها با یکدیگر در این حالت بهینه، بیشترین عدد رینولدز بدون برخورد تیغه ها از 2400 در ساختارهای غیر بهینه به 2600 در ساختار بهینه رسیده و همین موضوع موجب افزایش 12 درصدی تولید ولتاژ در تیغه میانی و حدودا 14 درصدی در تیغه های بالا و پایین شده است.کلید واژگان: دینامیک سیالات محاسباتی، برداشت انرژی، تعامل سازه و سیال، تیغه های پیزوالکتریک، نوسانات فرکانس پایینOne of the most important issues facing today's society is the issue of energy production and the challenges surrounding it. For this reason, it is very important to address the issue of energy harvesting from various methods. One of these methods is energy harvesting from vibrations caused by fluid flow. Vibrations generated by the incompressible air fluid flow around three parallel piezoelectric blades behind a circular cylinder at different longitudinal distances can be one of the best options for examining and evaluating the amount of electrical voltage generated by piezoelectric blade vibrations. According to this study, a situation in which the middle piezoelectric blade is shifted by half the length of the blade to the right and the direction of the clamp is opposite to the direction of the clamp of the up and down blades is the optimal structure for voltage output and reducing collision probability. Due to the reduced probability of the blades colliding with each other in this optimal case, the maximum Reynolds number without the blades colliding increased from 2400 in non-optimal structures to 2600 in the optimal structure, which increased the voltage output in the middle blade by 12% and about 14% for up and down blades.Keywords: Computational Fluid Dynamics, Energy Harvesting, Fluid-Structure Interaction, Piezoelectric Blades, Low Frequency Oscillations
-
Few analytical approaches have been proposed so far for solving FluidStructure Interaction (FSI) problems in the literature. In fact, FSI is generally so complicated that its analytical solution remains almost unavailable. Inspired by this fact, here an analytical methodology is presented for modeling steady-state fluid-structure interaction problems in axisymmetric domains. For this purpose, the Navier-Stokes equations for the flow of the incompressible viscous fluid, and the linear elasticity equations for the deformation of the solid structure are expressed in axisymmetric coordinates. Appropriate boundary conditions are also employed that are capable of coupling the fluid and solid domains by imposing kinematic and dynamic constraints on the fluid-structure interaction interface. The set of fluid and structure equations are solved by MATLAB symbolic toolbox. The accuracy of the presented analytical approach is verified in two different ways. First, by specializing the results for the simple case of a thick cylindrical pressure vessel, second, by comparing the analytical results for flow through a nozzle with numerical results obtained by ANSYS/CFX simulation. Variation of the stress components is obtained in the nozzle wall. The results of the analytical approach are in good agreement with those of the numerical modeling. The proposed methodology can be used for fast yet efficient solution of fluid-structure interaction problems in axisymmetric configuration.Keywords: Fluid-structure interaction, Analytical solution, Axisymmetric domain, Stress variation
-
در این مقاله عملکرد یک نمونه از پمپ های دیافراگمی تزریق که در سیستم های بودارکننده تزریقی ایستگاه های تقلیل فشار گاز استفاده می شود، با در نظر گرفتن تاثیرات برهمکنش سیال و سازه، شبیه سازی شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی با نتایج آزمایشگاهی اعتبارسنجی شده و حداکثر خطای محاسبه دبی پمپ، 16 درصد به دست آمده است. شبیه سازی عملکرد پمپ دیافراگمی مورد مطالعه در نوسان دیافراگم با دوره تناوب یک ثانیه و سه دامنه حرکت 0.8 و 0.5 و 0.2 میلی متر، نشان می دهد که با افزایش دامنه نوسان دیافراگم، سرعت سیال و دبی سیال خروجی از پمپ افزایش می یابد. به طوریکه میزان دبی متوسط خروجی پمپ در دامنه های مذکور به ترتیب برابر با 0.002، 0.0013 و 0.0005 کیلوگرم بر ثانیه است. البته با افزایش دامنه نوسان دیافراگم از 0.2 به 0.8 میلی متر، مقدار تنش حداکثر اعمالی به دیافراگم نیز از 32.2 به 92.2 مگاپاسکال افزایش می یابد (معادل 208 درصد). همچنین تاثیر فرکانس نوسان دیافراگم بر عملکرد پمپ بررسی شده و نتایج نشان می دهد که دبی پمپ نسبت مستقیم و خطی با فرکانس نوسان دیافراگم دارد، در صورتیکه تنش اعمالی بر دیافراگم وابسته به فرکانس نیست و در نسبت های یکسانی از دوره تناوب، تنش تقریبا ثابت است. بر اساس نتایج به دست آمده اگر به جای آنکه پمپ در دامنه حرکت دیافراگم 0.8 میلی متر و فرکانس 1 هرتز کارکند، دامنه حرکت دیافراگم بر روی 0.5 میلی متر و فرکانس 1.6 هرتز تنظیم شود، مقدار دبی پمپ دقیقا یکسان خواهد بود، در حالیکه مقدار تنش حداکثر در دیافراگم حدود 30 درصد کاهش یافته و احتمال آسیب آن کمتر می شود.
کلید واژگان: پمپ های دیافراگمی، مدل سازی عددی، برهمکنش سیال و سازه، پمپ تزریقIn this paper, the performance of a diaphragm dosing pump of the injection odorizers is simulated with the fluid-structure interaction analysis. The simulation results are validated with experimental data and the largest relative error is 16% for the average flow rate. Performance simulation of the diaphragm pump for the diaphragm oscillation period of 1 second and three different diaphragm displacement amplitudes of 0.8, 0.5, and 0.2 mm, shows that as the amplitude increases, the fluid velocity and consequently the flow rate of the pump increases. The average flow rate of the pump in the mentioned amplitudes is equal to 0.002, 0.0013, and 0.0005 kg/s, respectively. As the amplitude increases from 0.2 to 0.8 mm, the maximum stress applied to the diaphragm increases from 32.2 to 99.2 MPa (equivalent to 208%). Also, the effect of diaphragm oscillation frequency on pump performance is investigated. The results show that the pump's flow rate directly and linearly relates to the diaphragm oscillation frequency. In contrast, the applied stress on the diaphragm is not frequency-dependent and in the same ratios of the period, the applied stress is almost constant. According to the results, if the pump amplitude is set to 0.5 mm and the frequency is 1.6 Hz, instead of operating at a diaphragm amplitude of 0.8 mm and a frequency of 1 Hz, the pump's flow rate will be the same. While the maximum amount of stress in the diaphragm will be reduced by about 30% and the probability of damage will be reduced.
Keywords: Diaphragm Pumps, Numerical Modeling, Fluid-Structure Interaction, Dosing Pumps -
Serpentine nozzle can effectively suppress the infrared radiation signatures of the aero-engine exhaust system. However, it experiences the remarkable fluid-structure interaction (FSI) process at the work condition. In this paper, the deformation behavior of the serpentine nozzle and its flow characteristic were investigated numerically. Then, the influences of the wall thickness and the geometric configuration on the FSI effect were also explored. The results show that, the mechanism of the fluid-structure interaction is formed through the data transfer of the force and the displacement at the FSI interface. Under the FSI effect, there occur the ballon-like swellings at the second S passage, and the linear section bends upward along the Y direction. They induce the special flow features including the flow separation, the shock wave and the plume vector angle. As the value of the wall thickness increases from 3mm to 6mm, the maximum of the deformation displacement of the serpentine nozzle decreases 68.5mm. As compared to the uncoupled state, the variation of the axial thrust decreases from 2.70% to 0.70% at the coupled state. The circular-to-rectangular profile and the S-shaped passage enlarge the deformation behavior of the nozzle structure. The value of the axial thrust of the serpentine nozzle with 5mm wall thickness for the coupled state is lower 1.92% than these for the uncoupled state.Keywords: Serpentine nozzle, Fluid-structure interaction, Deformation behavior, Flow characteristic, Wall thickness, Circular-to-rectangular profile, S-shaped passage
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.