Thiết bị giảm chấn sử dụng chất lỏng thiết lập bài toán và một số kết quả mô phỏng số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Phan Thị Thu Phƣơng THIẾT BỊ GIẢM CHẤN SỬ DỤNG CHẤT LỎNG: THIẾT LẬP BÀI TOÁN VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2008 ChuChuChuyênCCCChuyeCC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CƠ HỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN CƠ HỌC Phan Thị Thu Phƣơng THIẾT BỊ GIẢM CHẤN SỬ DỤNG CHẤT LỎNG: THIẾT LẬP BÀI TOÁN VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ Chuyên ngành: Cơ học chất lỏng Mã số: 60.44.22 LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TSKH Nguyễn Đông Anh LLL Hà Nội - 2008 ChuChuChuyênCCCChuyeCC LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn khoa học, GS TSKH Nguyễn Đông Anh hướng dẫn tận tình quý báu thầy với lời động viên góp phần lớn giúp tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới PGS TS Trần Văn Trản giúp đỡ to lớn thầy kiến thức chuyên môn nhiệt tình bảo thầy, điều giúp tác giả nhiều việc hoàn thành luận văn Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Hoàng Văn Lai TS Đặng Hữu Chung cho tác giả lời khuyên gợi ý có gợi mở lớn Tác giả xin phép bảy tỏ lời cảm ơn thời gian học tập cao học khoa Cơ học kỹ thuật Tự động hóa, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, dạy bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tận tình thầy cô giáo trực tiếp giảng dạy thầy cô giáo khoa bác, cô chú, anh chị công tác Viện Cơ học tạo điều kiện giúp đỡ tác giả nhiều thời gian học tập làm việc khoa Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, người bên cạnh động viên, nâng đỡ tinh thần, tạo điều kiện làm việc tốt giúp đỡ tác giả nhiều việc thu thập tài liệu liên quan Tác giả MỤC LỤC Mở đầu…………………………………………………………………….… Chương 1: Thiết lập mô hình ………………………………………………… 1.1 Thiết lập mô hình số khái niệm……………………… 1.2 Hệ phương trình cho trường hợp chiều………………… … .19 1.2.1 Hệ phương trình với chất lỏng lý tưởng ……… ………….19 1.2.2 Hệ phương trình với chất lỏng thực…………………… 19 Chương 2: Giải số hệ phương trình cho trường hợp chất lỏng lý tưởng…… 21 2.1 Phương pháp sai phân……………………………………… … …21 2.1.1 Liên hệ phân tán thu nhận từ rời rạc hoá 22 2.1.2 Rời rạc hoá 24 2.2 Điều kiện biên điều kiện ban đầu……………………………… 26 2.3 Cách giải …………………………………… 27 2.4 So sánh kết tính phương pháp số với phương pháp giải tích………… .………………… 28 2.5 Kết luận …………………………………………………… .30 Chương 3: Giải số hệ phương trình 2D cho trường hợp chất lỏng thực……… 31 3.1 Phương pháp sai phân…………………………………………… …31 3.2 Điều kiện biên điều kiện ban đầu…………………………… ….31 3.3 Cách giải……………………………………………………… …32 3.4 Kết luận 33 Kết luận chung …………………………………………………………………34 Phụ lục………………………………………………………………………… 35 Danh mục công trình tác giả……………………………………………… 42 Tài liệu tham khảo…………………………………………… MỞ ĐẦU Vấn đề dao động nghiên cứu từ lâu, với nghiên cứu thiết bị giảm dao động Khi xu xây dựng công trình ngày đòi hỏi phải cao áp dụng loại vật liệu nhẹ, bền, kết cấu thường nhạy cảm với yếu tố môi trường gió, động đất, Ngoài ra, ứng dụng cho công trình biển tàu thủy nhằm giảm dao động tròng trành sóng, gió biển, yếu tố thiên nhiên phát triển khoa học vũ trụ đưa vấn đề giảm chấn cho thiết bị không gian (như tàu vũ trụ), thiết bị giảm chấn chất lỏng (Tuned Liquid Damper - TLD) nghiên cứu, cải tiến ứng dụng ngày nhiều sống bên cạnh loại khác thiết bị giảm chấn dùng khối nặng (Tuned Mass Damper), bị giảm chấn dùng ma sát nhớt (Viscoelastic Dampers), Một hệ thống giảm chấn sử dụng chất lỏng (Tuned Liquid Damper – TLD) hay gọi hệ thống giảm chấn sử dụng dao động chất lỏng (Tuned Sloshing Damper - TSD) (có thể gọi thay cho khóa luận này) bao gồm bể chứa đầy chất lỏng Khác với thiết bị giảm chấn dùng khối nặng - TMD - hoạt động nguyên lý quán tính, bao gồm khối nặng gắn với nhà lò xo thiết bị giảm xóc Để thiết bị hoạt động hiệu quả, tham số cần phải phù hợp với đặc tính động học nhà, gián tiếp giảm chấn thông qua biến động hệ thống kết cấu gắn liền với (những hệ thống loại sử dụng số nhà tháp John Hancock Boston nhà Citicorp New York), hệ thống giảm chấn dùng chất lỏng gián tiếp giảm chấn kết cấu lượng hao tổn xuất thông qua cấu biến thiên: tác động nhớt chất lỏng, tượng sóng đổ, tượng nhiễu mặt thoáng bọt, hình dạng bình chứa độ nhám Tuy nhiên không giống với thiết bị TMD, thiết bị TLD có biên độ phụ thuộc biến thiên theo hàm phi tuyến tính phức tạp dao động chất lỏng sóng đổ [8] Ban đầu, thiết bị TLDs Kareen Sun (1987), Modi et al (1987) Fujino et al (1988) đề xuất ứng dụng cho kết cấu ứng dụng lĩnh khoa học vũ trụ, cụ thể cho vệ tinh nhân tạo[8] Thiết bị TLD chia thành hai loại chính: thiết bị có mực nước nông thiết bị có mực nước sâu Sự phân chia dựa tỉ lệ mực nước so với chiều dài bể theo chiều chuyển động Tỉ số nhỏ 0.15 tương ứng với trường hợp nước nông Trong trường hợp này, thiết bị TLD bắt đầu giảm chấn từ lượng hao tổn thông qua tác dụng lực nhớt chất lỏng bên từ sóng đổ Trong trường hợp nước sâu, người ta dùng vách ngăn hay chắn để tăng khả giảm chấn, chế giảm chấn phụ thuộc vào biên độ chuyển động chất lỏng, dạng sóng đổ hình dạng màng ngăn [3] Trong thực tế, thiết bị dạng nước sâu có hạn chế phần lớn nước không chuyển động sóng sánh mà thêm vào khối lượng chết kết cấu Ở độ sâu trung gian, bể chứa tận dụng để đựng nước cung cấp cho nhà Nếu không tận dụng để đựng nước được, không gian bị chiếm bể đựng nước sử dụng nhà, nhiên thực tế, người ta lắp đặt TLD nhiều bể chứa nhỏ để tăng tối đa ảnh hưởng khối lượng chất lỏng tham gia dao động sóng sánh Một dạng đặc biệt thiết bị TLD thiết bị giảm chấn sử dụng cột nước (Tuned Liquid Column Dampers – TLCDs) [8] Ý tưởng xuất hầu hết công trình chịu ảnh hưởng nhân tố môi trường thường chịu tải trọng chuyển động dãn xoắn, giải pháp đưa thiết bị TLCDs riêng rẽ định hướng theo hướng khác đơn giản hơn, người ta dùng ống hình chữ U [8] Kết cấu gồm hộp chứa có ống đứng dạng nến bình chứa bị ngăn gồm ống hình chữ U mở hai hướng chứa chất lỏng bên Hình dạng khử trọng lượng bổ sung cách xếp hai ống chữ U độc lập trực giao với nhau, cho thêm lỗ phần (Kareem, 1993) Thiết bị dạng có nguyên lý hoạt động dựa vào chuyển động cột nước ống chứa hình chữ U để trung hoà lực tác dụng lên kết cấu, với giảm chấn thông qua van lỗ thông ống Biên độ dao động phụ thuộc vào độ cản van lỗ làm triệt tiêu động lực chất lỏng cách phi tuyến Thiết bị thường ứng dụng cho tháp cầu treo hay cho cấu trúc chịu ảnh hưởng gió Hình (a) Bể chứa giảm lắc Fraham (b) Thiết bị giảm chấn ứng dụng cho vệ tinh nhân tạo Mộ t số ứng dụng thực tế thiế t bị TLD a) Các ứng dụng cho tàu thuyền khơi: Quá trình hoạt động tàu thuyền thường bị ảnh hưởng chuyển động lực tròng trành, gây hư hại đến hàng hoá, bất tiện cho hành khách giảm hiệu làm việc thuỷ thủ đoàn Việc sử dụng thiết bị ổn định chuyển động tầu có từ sau năm 1862 sau đề xuất W Froude, sau đó, vào năm 1880, P Watts đưa ứng dụng thực tế Năm 1911, H Frahm đưa thiết kế bể chứa hình chữ U để giảm lắc Từ cách lắp đặt ban đầu bể giảm lắc thụ động năm 1950, thiết bị ứng dụng rộng rãi cho tàu thuyền thương mại lớn Thiết bị ổn định tàu sử dụng bể nước có khả điều khiển đuôi sống tàu tròng trành tàu Các tần số dao động khác triệt tiêu mực nước bình thay đổi [7] Hiện tượng cộng hưởng hầu hết công trình biển chủ yếu gió, sóng hải lưu Dao động tròng trành chất lỏng bình chứa đặt cố định công trình biển ảnh hưởng đến phản hồi động học Khi lựa chọn hình dáng bể chứa cách khéo léo, giảm phản hồi cách sử dụng bể chứa thiết bị giảm chấn động lực Vì không cần thêm thiết bị phụ trợ khác cấu hình tối ưu bể chứa chứa nước, nhiên liệu hay dầu thô (Vandiver Mitome, 1978) Các hệ thống giảm dao động chủ động, bị động, bán chủ động thiết bị ổn định dạng bể chứa, hệ thống mỏ neo động, nệm không khí điều khiển không điều khiển được, thuyền phao cột có đục lỗ với bể chứa khí đàn hồi dạng thuỷ triều nghiên cứu ứng dụng cho kết cấu công trình biển (Ehlers, 1987) Đối với công trình biển TLPs (Tension Leg Platforms), hệ thống giảm chấn có ứng suất neo buộc điều khiển vị trí buộc neo thay đổi Dao động với tần 10 số thấp theo phương ngang TPLs triệt giảm linh hoạt việc sử dụng vị trí đặt hệ thống tải trọng Những hệ khác bao gồm máy tạo xung động, bể có đáy mở đệm khí nén Có thể tìm thấy nghiên cứu việc sử dụng bệ biển có gắn thiết bị giảm chấn tải trọng, thiết bị nén dây chằng báo Suhardjo Kareem (1997) b) Các ứng dụng cho kết cấu Ở Nhật, thiết bị TLDs ứng dụng số lĩnh vực, ví dụ thiết bị giảm chấn MCC Aqua tháp Gold Chiba (Hình 2) [8] Thiết bị giảm chấn Aqua (Aqua Damper) bể chữ nhật chứa đầy nước có mạng lưới thép cắt ngang dao động nước Tần số thiết bị TLD điều chỉnh chiều dài bể mực nước vận động lưới giảm chấn Trên tầng thượng Tháp Gold cao 15m đặt 16 tổ hợp thiết bị giảm chấn Aqua chứa tổng số 10 nước (xấp xỉ 1% trọng lượng tháp) Hình Thiết bị giảm chấn Aqua 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh Baoyin Hexi, Li Yunfeng, Gao Junfeng and Wang Zhaolin, (2003), “Damping computation of liquids sloshing in containers aboard spacecraft”, ACTA MECHANICA SINICA, Chinese Journal of Mechanics Press, Vol 19, No 2, pp 189-192 Franklin T Dodge, (200), “The New “Dynamic Behavior of Liquids in moving containers ””, Southwest Research Insitute, San Antonio, Texas, pp 1202 J Lucassen (1967), “Longitudinal Capillary Waves”, Unilever Reseach Laboratory, Vlaardingen, The Netherlands, pp 2221-2235 Jan Riess Hogsberg, (2005), “Modelling of Dampers and Damping in Structures”, PHD Thesis, Department of Mechannical Engineering, Technical University of Denmark L M Sun, Y Fujino, B M Pacheco, and P Chaiseri (1992), “Modelling of Tuned Liquid Damper (TLD)”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 41-44, pp 1883-1894 L M Sun, Y Fujino, P Chaiseri and B M Pacheco, (1995), “The properties of tuned liquid dampers using a TMD analogy”, Earthquake engineering and sStructural Dynamics, Vol 24, pp 967-976 P Roche, G Deville, K O Keshihev, N J Appleyard and F I B Williams, (1995), “Low Damping of Micro Capillary Waves on Superfluid”, Physical Review Letters, Vol 75, No 18, pp 3316-3319 Qiao Jin, Xin Li, Ning Sun, Jing Zhou and Jiong Guan, (2007), “Experimental and numerical study on tuned liquid dampers for controlling earthquake response of jacket offshore platform”, Marine Structure, Article in Press, Science Direct, pp 1-17 Swaroop Krishna Yalla, B Tech, M S, (2001), “Liquid Dampers for Mitigation of Structural Response: Theoretical development and Experimental validation”, A Dissertation Submitted to the Graduate School of the University of Notre Dame in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy, pp 1-193 Takashi Shimizu and Shinji Hayama (1987), “Nonlinear Responses of Sloshing Based on the Shallow Water Wave Theory”, JSME International Jounmal, Vol 30, No 263, pp 896-813 Tiếng Việt 10 Nguyễn Đông Anh, Lã Đức Việt,