فرکانس های طبیعی پرتوهای غوطه ور

امروز از وبلاگ نویس مهمان، نگی عباسی از مهندسی Veryst دعوت می کنیم تا نمونه ای از مدل سازی تیرهای غوطه ور را به اشتراک بگذارد.

هنگامی که ساختارهای نازکی مانند تیرها، صفحات یا پوسته ها در یک سیال غوطه ور می شوند، فرکانس طبیعی آنها کاهش می یابد. سیال همچنین بر شکل حالت آنها تأثیر می گذارد و منبع میرایی است. این پدیده سازه‌ها را در طیف وسیعی از صنایع و اندازه‌ها، از سازه‌های در مقیاس خرد (مثلاً محرک‌های MEMS) تا سازه‌های بزرگ‌تر (مانند کشتی‌ها) تحت تأثیر قرار می‌دهد.

مدل: پرتوی غوطه‌ور شده

امروز نگاهی به مدلی از تیرهای کنسول غوطه ور در یک سیال خواهیم داشت:

یک راه حل تحلیلی تقریبی از شکل زیر اغلب برای تخمین فرکانس های طبیعی پرتو غوطه ور استفاده می شود. این بر اساس فرکانس های طبیعی فقط ساختار ، هندسه پرتو، و نسبت چگالی سیال به پرتو تخمین زده می شود. عبارت تحلیلی تقریباً جرم اضافه شده سیال را که توسط پرتو جابجا می شود، محاسبه می کند. اثرات چسبناک را در نظر نمی گیرد.

یک رویکرد چندفیزیکی برای تعیین فرکانس‌های طبیعی و شکل‌های حالت

ما در Veryst Engineering از COMSOL Multiphysics برای تعیین فرکانس‌های طبیعی و شکل حالت یک پرتوی غوطه‌ور شده استفاده کردیم. سپس نتایج را با تقریب تحلیلی مقایسه کردیم.

ما مشکل را به عنوان یک تحلیل ارزش ویژه ساختار آکوستیک جفت شده تنظیم کردیم. برای محاسبه جرم سیال، یک فرمول آکوستیک فشار انتخاب کردیم و میرایی ناشی از ویسکوزیته سیال را با گنجاندن یک اصطلاح افت چسبناک در نظر گرفتیم. ما فضای سیال را آب بندی فرض کردیم. نرم افزار COMSOL به طور خودکار مرز سیال جامد را تشخیص می دهد و شرایط مرزی لازم را در رابط مایع جامد اعمال می کند.

راه حل

در زیر جدولی با اولین و چهارمین فرکانس طبیعی (بر حسب کیلوهرتز) پرتوها در خلاء، هوا و آب را مشاهده می کنید:

همانطور که انتظار می رفت، نتایج نشان می دهد که هوا تأثیر جزئی بر پرتو دارد، در حالی که آب کمترین فرکانس طبیعی پرتو را حدود 20٪ کاهش می دهد. همچنین در جدول تخمین تحلیلی برای یک تیر غوطه ور در آب نشان داده شده است. برآورد تحلیلی نزدیک به پیش‌بینی COMSOL Multiphysics برای این پیکربندی پرتو نسبتاً استاندارد است.

در مرحله بعد، می توانیم به چند انیمیشن از نتایج خود نگاهی بیندازیم.

اولین انیمیشن حالت چهارم تغییر شکل پرتو غوطه ور در آب را به تصویر می کشد:

شکل حالت چهارم تیر کنسول غوطه ور در آب.

انیمیشن دوم خطوط فشار سیال و فلش های سرعت سیال را در قسمتی در امتداد پرتو نشان می دهد، دوباره برای چهارمین فرکانس طبیعی پرتو.

خطوط سرعت و فشار برای فرکانس طبیعی پرتو چهارم.

این مثال مدل سازی شامل یک کنسول ساده برای نشان دادن مفهوم بود. با این حال، رویکرد مدل‌سازی ساختاری-آکوستیک همراه مورد استفاده برای هندسه‌های واقعی‌تر، مانند بدنه کشتی و محرک‌های MEMS نیز قابل استفاده است.

درباره نویسنده مهمان

دکتر نگی عباسی، مهندس مدیر شرکت Veryst Engineering LLC است . حوزه اصلی تخصص Nagi مدل سازی و شبیه سازی سیستم های چندفیزیکی است. او تجربه گسترده ای در مدل سازی اجزای محدود ساختاری، CFD، انتقال حرارت، و سیستم های جفت شده، از جمله برهم کنش سیال-ساختار، انتقال حرارت مزدوج، و جفت سازه-آکوستیک دارد. Veryst Engineering خدماتی را در زمینه توسعه محصول، آزمایش و مدل‌سازی مواد، و تجزیه و تحلیل خرابی ارائه می‌دهد و عضو برنامه مشاور خبره COMSOL است.