در سالهای اخیر، پلهای معلق بلنددهانه و پلهای کابلی به سبب عملکرد سازهای و ظاهر زیبایشان در سطح گستردهای در کشورهای مختلف جهان ساخته شدند. مؤلفههای کلیدی پلهای کابلی، کابلهای شیبدار، اغلب ارتعاش تحت نیروی باد و باران است که بطور معمول به ترتیب از آن به ارتعاش ناشی از گرداب (VIV) (ماین و جونز 1999، ماتسوموتو و همکاران 2003، ژو و همکاران 2008، ژو و جونز 2010) و ارتعاش ناشی از باد و باران[1] (RWIV) یاد میشود (هیکامی و شیرایشی 1988). هرچند VIV در کابلها خود محدود کننده است، معمولاً در سرعتهای پائین باد رخ میدهد. ارتعاش معمول ناشی باز باد میتواند سبب ایجاد آسیب ناشی از خستگی در کابلها شود. بنابراین، بسیار مطلوب است که ارتعاشات ناشی از باد را برای طراحی و دوام بهینه پلهای کابلی کاهش دهیم. علاوه براین، در سالیان اخیر نیز شماری از مطالعات آزمایشگاهی (ژو و جونز، ژو و همکاران) با استفاده از اندازه گیریهای میدانی جهت پایش VIV در کابلهای تمام مقیاس پلهای کابلی با مدلهای مقطع محدود کابل (یعنی مدلهای استوانه) انجام شدهاند تا پدیدههای VIV را بررسی کنند و روشهای مؤثر فرونشانی VIV در کابلهای پلها را واکاوی نمایند. برای مثال، فریور (19819، ساکاموتو و آری (1983)، بابان و سو (19919 و زراوکوویچ و همکاران (1989) آزمایشهای آزمایشگاهی را جهت تعیین کمّی پاسخهای ارتعاش و خصوصیات جریان حول مدلهای کابل مهار استوانهای با طولهای محدود به انجام رساندند.
میراگرهای ویسکوز نیز در کنترل VIV و RWIV کابل مهار پلهای کابلی به شکلی گسترده استفاده شدهاند (ماین و جونز، پرسون و نوورلاندر 1999، ژو و زو 2007). ماین و جونز (2001) به نسبت میرایی بهینه دیگری برای کابل مهار پی بردند که با میراگر ویسکوز تأمین میشود وانگ و زو (2007) روش کنترل سختی فعال را برای فرونشانی ارتعاشات ناشی از باد و باران در نمونههای اولیه کابل مهار بکار بستند. لی و همکارانش (2007) و لئو و همکارانش (2007) با استفاده از میراگرهای سیال مغناطیسی – رئولوژیکی به تحقیق درمورد نظریه، الگوریتم و آزمایش مدل کنترل نیمه فعال ارتعاشات کابل مهار در اثر باد پرداختند، میراگرهایی که میتوانند به شکلی کارآمد ارتعاشات کابل را کاهش و نسبت میرایی سیستم کابل مهار را افزایش دهند. به تازگی، ایده جالبی نیز جای کنترل یا فرونشانی VIV ها برای گرفتن انرژی باد از VIV ها پیشنهاد شده است. برنیتساس و همکاران (2008) مبدل انرژی پاک آبی ارتعاش ناشی از گرداب (VIVACE) را طراحی کردند. این مبدل بر پایه ایده به حداکثر رسانی انتشار گرداب (جای کاهش آن) و استفاده از VIV (جای فرونشانی آن) است. این ایده ضمن حفظ VIV در دامنه گسترده همگام سازی انتشار گرداب میرایی بهینهای برای تبدیل انرژی بوجود آورد.
ضمن اینکه مکانیزم های کنترلی هر نوع میراگری که در بالا درموردش شرح دادیم میرایی اضافی برای کابلهای مهار فراهم کرد و توانایی آنها را برای مقاومت در برابر ارتعاشات ناشی از باد بالا برد، این روشها سبب تغییر یا کاهش بارهای باد بر کابلهای مهار شدند. روشهای آیرودینامیکی از جمله روشهای کنترل منفعل و فعال، برای کاهش بارهای باد بر کابلهای مهار قابل استفادهاند. این روشها هم چنین نسبت میرایی طبیعی کابلهای مهار را میافزایند. ماتسوموتو و همکارانش (1992) و فلاماند (1995) استفاده از برآمدگی (در مقطع) را برای فرونشانی گرداب ناشی از باد و باران در کابل مهار پیشنهاد کردند. جو و دوو (2005) آزمایشهای تونل باد را با استفاده از سیمهای دوبل مارپیچ برای کاهش ارتعاش انجام دادند. اون و بیرمن (2001) برجستگیهای نیمه کروی را به سطح استوانه دایروی متصل کردند تا دامنه ارتعاشات ناشی از گرداب کابلهای مدل شده را کنترل کنند. بائو و تائو (2013) صفحات دوبل موازی را بکار گرفتند که بصورت متقارن در سطح پشتی متصل میشدند تا جریان برگشتی[2] استوانه دایروی را کنترل کنند. اوروک (2012) روش کنترل منفعل را برای ساختارهای جریان حول استوانهای دایروی با استفاده از پردهای مقاوم در برابر جریان هوا که استوانه دایروی را احاطه میکرد اجرا کرد. وو و همکاران (2012) با بهره گیری از چند میله کنترل مطالعهای آزمایشگاهی در رابطه با فرونشانی VIV در لوله رایزر انعطاف پذیر بلندی انجام دادند.
بسیاری از روشهای جریان فعال نیز برای کنترل تفکیک جریان و ارتعاش ناشی از جریان بکار گرفته شدند. وو و همکارانش (2007) روش کنترل دیوار متحرک مانند موج عرضی متحرک مناسب را جهت مدیریت جریان تفکیک شده ناپایدار بر روی استوانهای دایروی ابداع کردند. این روش به جریان سراسری اجازه میدهد زمانی که یک گرادیان فشار ناسازگار قوی وجود دارد ارتباط اش را حفظ کند و انتشار گرداب را از بین ببرد. مؤدی (1997)، مونشی و همکاران (1997)، پاتنایک و وی (2002) و کورکیشکو و منفینی (2012) از روش تزریق مومنتوم[3] برای کنترل میدان جریان حول مقطع های آیرودینامیکی، صفحات مسطح، منشورهای مستطیلی، منشورهای با مقطع D شکل و استوانههای دایروی بهره گرفتند. آنها پی بردند که روش تزریق مومنتوم به شکلی مؤثر میتواند در مقابل گرداب ناشی از باد و ناپایداریهای سریع مقاومت کند. گراگر و همکارانش (2011) با جلوگیری از ترکیدن حباب جداسازی لبه جلویی که دارای عدد رینولدز پایینی بود از صفحه کنترل ترکش دینامیکی جهت کاهش واماندگی در یک مقطع آیرودینامیکی بهره گرفتند. تشیو و لئونارد (2012) محرکهای جت مصنوعی را برای کنترل ساختارهای جریان حول مقطعی آیرودینامیکی بکار گرفتند. فنگ و همکارانش (2010) و فنگ و وانگ (2010) سری مطالعات آزمایشگاهی را برای بررسی اثرات جت مصنوعی بر انتشار گرداب ناپایدار در ناحیه ویک[4] استوانه دایروی انجام دادند. آنها گزارش دادند جت مصنوعی در نقطه ایستایی پشتی استوانه زوج گردابی را تولید میکند که میتواند تأثیر بسزایی بر حالات انتشار گرداب در ناحیه یک استوانه دایروی داشته باشد.
کنترلهای جریان مکش در فرونشانی جداسازی جریان مقاطع آیرودینامیکی (کوئین و همکاران 1998، گرین بلات و همکاران 2006، گبادبو و همکاران 2008، چنگ و همکاران 2009)، ورقها (آرکاس و ردکوپ 2004، فرانسون و آلفردسون 2003، سیل و اسمیت 1999) و استوانههای دایروی (دلایونای و کایکتسیس 2001، فرانسون و همکاران 2004، لی و همکاران 2003، پاتیل و انجی 2010) کاربرد گستردهای داشته است. دلایونای و کایکتسیس (2001) به مطالعه اثرات مکش و دمش اولیه بر پایداری و دینامیک جریان حول استوانه دایروی در اعداد رینولدز کم (Re<=90) پرداخت. دمش اندک میتواند سبب پایداری ناحیه ویک و کاهش ناپایداری مطلق در ناحیه ویک نزدیک شود؛ مکش زیاد کافی نیز میتواند جریان برگشتی را در اعداد رینولدز بیش از 47 پایدار سازد. لی و همکارانش (2003) کنترل کامل انتشار گرداب را درازای اعداد رینولدز حداکثر 110 از طریق مکش یا دمش بر پایه شبیه سازی های عددی انجام دادند. مشاهده شد که بازه زمانی کوتاه کنترل جریان میتواند برای فرونشانی انتشار گرداب کافی باشد. فرانسون و همکارانش (2004) و همچنین پاتیل و انجی (2010) به تحقیق کنترل جریان مکش بر پایه تخلخل کل یا جزئی از سطح پرداختند. این موضوع مشخص شده است که کنترل جریان مکش سبب کاهش پسا، کاهش تشکیل گردابهای دهانهای، کاهش میزان نوسان سرعت و از بین رفتن نوسان جریان بالارونده میشود.
در این مقاله، روش کنترل جریان مکش ثابت به منظور فرونشانی VIV استوانهای دایروی انتخاب شده است. ترتیب بخشهای متن این تحقیق بدین صورت است. در بخش 2، آزمایش تونل باد برای VIV استوانه دایروی راه اندازی میشود تا بازدهی سیستم کنترل مکش برای فرونشانی VIV ارزیابی شود. در بخشهای 3 تا 5، نتایج اندازه گیری برحسب نوسانات استوانه، توزیعهای فشار و نیروهای آیرودینامیکی مؤثر بر استوانه بدون کنترل جریان مکش تحلیل و تشریح میشوند. در بخش 6 به نتایج اندازه گیری با کنترل جریان مکش میپردازیم و پس از آن در بخش پایانی نتیجه گیریهای حاصل تحقیق حاضر را ارائه میکنیم.