عنوان پایان‌نامه
تحلیل عددی جریان گذرای سریع سیالات نیوتنی و غیر نیوتنی درلوله های ویسکو الاستیک
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی-ماشینهای آبی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 2298;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 57237
- تاریخ دفاع
- ۲۰ دی ۱۳۹۱
- دانشجو
- پدرام تزرئی
- استاد راهنما
- علیرضا ریاسی
- چکیده
- سیالاتی که در تئوری کلاسیک چکش آبی مورد تحلیل قرار می¬گیرند، سیالات نیوتنی هستند. در سیالات نیوتنی رابط? بین تنش برشی و نرخ برش خطی بوده و لزجت مستقل از نرخ برش است. اگرچه رفتار بسیاری از سیالات واقعی که در صنعت و مکانیک زیستی با آنها برخورد می¬کنیم را نمی¬توان با مدل نیوتنی تشریح کرد. این بدان معنی است که دیگر بین تنش برشی و گرادیان سرعت رابط? خطی برقرار نیست. بعبارت بهتر لزجت اینگونه سیالات بشدت به نرخ برش و خواص سیال بستگی دارد. در قسمتی از این رساله معادلات حاکم بر جریان گذرای دو بعدی در لوله توسط روش ضمنی مشخصه¬ها حل می¬شوند. برای تشریح رفتار سیال غیرنیوتنی، مدل کارو و برای تبدیل جملات غیرخطی تنش موجود در معادل? اندازه حرکت به جملات خطی، روش نیوتن کانترویچ بکار گرفته شده¬اند. اعتبار نتایج عددی با توجه به داده¬های تجربی موجود اثبات شده است. در سیستم¬های متشکل از لوله¬های ویسکوالاستیک، مدلسازی سیستم توسط روابط کلاسیک چکش آبی اختلاف فشارهای سیستم را کمتر از مقدار واقعی بدست می¬دهد. بنابراین فشارهای گذرا طی جریان گذرای سریع و در لوله¬های پلاستیکی توسط تئوری کلاسیک بدقت کافی توصیف نمی¬شوند. به همین رو برای تحلیل دقیقتر جریانها، جمله¬ای به معادلات حاکم اضافه شده¬ است تا تأثیر این عامل در رفتار سیستم مورد مطالعه قرار گیرد. امروزه این مدل برای شبیه¬سازیهای مکانیک زیستی خصوصاً جریان خون در رگهای بدن و تأثیر ویسکوالاستیسیت? دیوار? رگ روی رفتار خون اهمیت فراوانی دارد. در واقعیت دیوار? رگ رفتاری ویسکوالاستیک از خود نشان می¬دهد، از طرفی، از لحاظ فیزیولوژیکی بوقوع پیوستن پدید? چکش خونی در سیستم خون¬رسانی بدن امری غیرقابل اجتناب است، بنابراین مطالع? دقیق این پدیده می¬تواند افقی پهناور پیش روی مهندسین پزشکی برای ساخت رگهای مصنوعی با کیفیتی نزدیک به کیفیت ایده¬آل بگستراند. نتایج بوضوح آشکار می¬کنند که مشخص? غیر نیوتنی بودن سیالات تأثیر چشمگیری روی رفتار جریان گذرا، اعم از پاسخ ارتفاع فشاری سیستم، پروفیلهای سرعت و تنش جریان گذرای سریع و مقدار تنش برشی دیواره دارند. همچنین در لوله¬های ویسکوالاستیک اختلاف فشار ایجاد شده بسرعت میرا می¬شود و موج فشار گذرا بعلت تغیر شکل تأخیری دیواره نسبت به زمان دچار تغییر فاز می¬شود.
- Abstract
- Fluids treated in the classical theory of fast transient flow are Newtonian. Newtonian fluids exhibit a linear relationship between shear stress and shear rate, and the viscosity is independent of shear rate. While the behavior of many factual fluids used in the mechanical industries and biomechanics is not adequately described by that model. It means that the shear stress is no longer linearly proportional to the velocity gradient; indeed, their viscosity depends strongly upon shear rate. Research is needed to further understand and be able to predict the flow behavior of such materials in fast transient phenomenon, and to investigate ways of improving their processing. In a major part of this study the behavior of unsteady velocity and shear stress profiles in laminar shear thinning fast transient flows caused by sudden closure of the valve in a piping system are numerically investigated. In this way, the governing equations for the two-dimensional modeling of transient flow in pipe are solved by using a modified implicit characteristics method. The Carreau model is used to illuminate the actions of such fluids; moreover, to convert the nonlinear terms available in the momentum equation into the linear ones, the Newton-Kantorovich method is implemented. The numerical results have been validated through accessible experimental data. In pipeline systems comprising viscoelastic wall, the simulation of systems yields overpressures less than actual values, if the classic analysis of water hammer is used. So a new unconventional approach is needed to circumvent those shortcomings. To achieve a more accurate analysis of flows, an additional term representing viscoelastic behavior of the pipe-wall has been added to the continuity equation. This model can be used to simulate blood flow in vessels in times of occurring blood hammer. In fact, the blood vessels demonstrate a viscoelastic behavior; besides, physiologically speaking, taking place of blood hammer in our body is unavoidable. Hence, a close study of this phenomenon broadens biomedical engineers’ horizon to make artificial vessels with a quality much closer to an ideal one. Numerical results show that the non-Newtonian characteristics of fluids significantly affect the behavior of transient flow, i.e. pressure responses of the system, velocity and shear stress profiles, and the magnitude of wall shear stress. Moreover, in the case of flow through a viscoelastic pipe, the formed overpressures quickly damp, and due to the retarded deformation of the wall, transient pressure wave disperses in time.
