Analytical and Numerical Methods in Mining Engineering (Sep 2024)
تحلیل اثر نانوذرات در پایداری لوله‌های بتنی متخلخل مدفون حاوی جریان سیال به کمک روش عددی
Abstract
با توجه به کاربردهای گسترده‌ی لوله‌های بتنی مدفون متخلخل حاوی جریان سیال در زمینهٔ مهندسی عمران، ارائه یک مدل ریاضی مناسب جهت تحلیل پایداری و عملکرد دینامیکی آنها امری اساسی است. در این راستا، یک لوله بتنی مدفون با در نظر گرفتن تخلخل در مصالح بتنی و بستر اطراف تدوین می‌شود که به‌وسیله نانوذرات سیلیس تقویت شده است. سازه با استفاده از المان‌های پوسته استوانه و با بهره‌گیری از تئوری ردی مدل‌سازی می‌شود. برای محاسبه نیروی ناشی از جریان سیال درونی لوله، از معادله ناویراستوکس استفاده می‌گردد. تأثیر نانوذرات در لوله با استفاده از مدل اختلاط مدل‌نمایی می‌شود، و بستر خاک نیز با بهره‌گیری از فنرهای عمودی و لایه‌های برشی شبیه‌سازی می‌گردد. در نهایت، با بهره‌گیری از اصل همیلتون، معادلات حاکم بر سازه استخراج می‌شوند. برای تحلیل سازه از روش عددی المان محدود بزیر استفاده می‌شود و تأثیر پارامترهایی همچون درصد حجمی نانو ذرات، تخلخل بتن، بستر خاک، سیال درون لوله، و پارامترهای هندسی بررسی می‌شود. نتایج حاصل از تحلیل نشان می‌دهند که با افزایش درصد حجمی نانوذرات از صفر به 3 درصد، بیشینه فرکانس و سرعت بحرانی سیال به ترتیب 35 درصد و 38 درصد افزایش می‌یابد. همچنین، با افزایش تخلخل بتن از صفر به 6/0، فرکانس بیشینه و سرعت بحرانی سیال به ترتیب 26 درصد و 18 درصد کاهش می‌یابد. این نتایج می‌توانند به بهبود در طراحی و بهینه‌سازی لوله‌های بتنی حاوی جریان سیال منجر شوند و در فهم بهتر رفتار دینامیکی این سازه‌ها کمک نمایند.
Keywords
