تحلیل اثر نانوذرات در پایداری لوله های بتنی متخلخل مدفون حاوی جریان سیال به کمک روش عددی

با توجه به کاربردهای گسترده ی لوله های بتنی مدفون متخلخل حاوی جریان سیال در زمینه 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 می شود که به وسیله نانوذرات سیلیس تقویت شده است. سازه با استفاده از المان های پوسته استوانه و با بهره گیری از تئوری ردی مدل سازی می شود. برای محاسبه نیروی ناشی از جریان سیال درونی لوله، از معادله ناویراستوکس استفاده می گردد. تاثیر نانوذرات در لوله با استفاده از مدل اختلاط مدل نمایی می شود، و بستر خاک نیز با بهره گیری از فنرهای عمودی و لایه های برشی شبیه سازی می گردد. در نهایت، با بهره گیری از اصل همیلتون، معادلات حاکم بر سازه استخراج می شوند. برای تحلیل سازه از روش عددی المان محدود بزیر استفاده می شود و تاثیر پارامترهایی همچون درصد حجمی نانو ذرات، تخلخل بتن، بستر خاک، سیال درون لوله، و پارامترهای هندسی بررسی می شود. نتایج حاصل از تحلیل نشان می دهند که با افزایش درصد حجمی نانوذرات از صفر به ۳ درصد، بیشینه فرکانس و سرعت بحرانی سیال به ترتیب ۳۵ درصد و ۳۸ درصد افزایش می یابد. همچنین، با افزایش تخلخل بتن از صفر به ۶/۰، فرکانس بیشینه و سرعت بحرانی سیال به ترتیب ۲۶ درصد و ۱۸ درصد کاهش می یابد. این نتایج می توانند به بهبود در طراحی و بهینه سازی لوله های بتنی حاوی جریان سیال منجر شوند و در فهم بهتر رفتار دینامیکی این سازه ها کمک نمایند.

کلیدواژه ها:

لوله بتنی مدفون ، معادله ناویر-استوکس ، نانو ذرات سیلیس ، تخلخل ، تئوری برشی مرتبه بالا ، روش عددی المان محدود بزیر