مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مدلسازی جریان گذرا در لوله‌های ویسکوالاستیک و تعیین پارامترهای بهینه بر پایه داده‌های تجربی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل
2 دانشکده مهندسی مکانیک - دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل
3 دانشکده مهندسی مکانیک - د انشگاه صنعتی نوشیروانی بابل
10.48311/mme.2026.120796.83019
چکیده
پدیده‌های گذرا، به‌ویژه ضربه قوچ، از چالش‌های اساسی در سیستم‌های انتقال سیالات هستند که به دلیل نوسانات شدید فشار، موجب آسیب به شبکه آبرسانی می‌شوند. در این پژوهش، رفتار جریان گذرا با در نظر گرفتن همزمان اثرات ویسکوالاستیسیته و اصطکاک ناپایا مدل‌سازی شد. با توجه به کارایی مدل «کلوین-ویت» در توصیف رفتار لوله‌های پلاستیکی، این مدل در محیط نرم‌افزار متلب پیاده‌سازی و با داده‌های تجربی کالیبره شد. نوآوری این مطالعه ارائه یک چارچوب بهینه‌سازی مبتنی بر الگوریتم ژنتیک برای کالیبراسیون همزمان پارامترهای ویسکوالاستیک شامل ضرایب θ، α، خزش (J)، زمان تأخیر (τ)، سرعت موج (a) و تعداد المان‌های فنر و میراگر است. نتایج نشان داد که این مدل با دستیابی به مقادیر پایین RMSE (2320/0 و4315/0 برای دبی‌های 06/1 و ۲ لیتر بر ثانیه)، دقت بالایی در بازتولید رفتار جریان گذرا دارد. تحلیل‌ها نشان داد که افزایش ضرایب α و خزش، انطباق نتایج عددی با داده‌های تجربی را بهبود می‌بخشد. بر اساس تحلیل اندرکنش پارامترها، مقدار بهینه‌ی پارامتر تطبیقی θ و ویژگی‌های المان‌های فنر و میراگر در دبی‌های مورد مطالعه، به‌ترتیب برابر با 8/0 و ۲ واحد تعیین گردید. همچنین پارامتر «زمان تأخیر» حساسیت بالایی به تغییرات دبی نشان داد؛ به‌طوری که با افزایش دبی از 06/1 به ۲ لیتر بر ثانیه، مقدار بهینه‌ی آن از 454/0 به 959/0 ثانیه افزایش یافت. در نهایت، مشخص شد که تعیین دقیق زمان سیکل و انتخاب تعداد بهینه‌ی المان‌های فنر و میراگر، نقشی تعیین‌کننده در افزایش دقت و قابلیت اطمینان مدل‌سازی ایفا می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Transient Flow Modeling in Viscoelastic Pipes and Determination of Optimal Parameters Based on Experimental Data

نویسندگان English

Rouzbeh Shafaghat 1
Mohammadreza Gooran Orimi 2
Saeid Mohammadzadeh Negharchi 3
1 Babol Noshirvani University of Technology
2 Department of Mechanical Engineering - Babol Noshirvani University of Technology
3 Department of Mechanical Engineering - Babol Noshirvani University of Technology
چکیده English

Transient phenomena, especially water hammer, are among the fundamental challenges in fluid transmission systems, causing damage to water distribution networks due to severe pressure fluctuations. In this research, transient flow behavior was modeled by simultaneously considering viscoelasticity and unsteady friction. Given the effectiveness of the Kelvin–Voigt model for plastic pipes, this model was implemented in MATLAB and calibrated with experimental data. The innovation is an optimization framework based on the genetic algorithm for simultaneous calibration of viscoelastic parameters, including coefficients θ and α, creep compliance (J), retardation time (τ), wave speed (a), and the number of spring–dashpot elements. Results showed that the model achieves low RMSE values (0.2320 and 0.4315 for flow rates of 1.06 and 2 L/s), confirming high accuracy in reproducing transient flow behavior. Increasing α and J improved agreement between numerical and experimental results. Parameter interaction analysis determined optimal θ and element number as 0.8 and 2 units, respectively. The retardation time exhibited significant sensitivity to flow rate, rising from 0.454 to 0.959 seconds when the flow rate increased from 1.06 to 2 L/s. Finally, accurate determination of cycle time and optimal selection of spring–dashpot elements were found to play a decisive role in enhancing both accuracy and reliability of transient flow modeling.

کلیدواژه‌ها English

Transient Flow
Water Hammer
Viscoelastic Pipe
Kelvin–Voigt
Retardation Time

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 20 تیر 1405