Boundary element method for fluid-solid interaction analysis

Abstract

öz AKIŞKAN-KATI SİSTEMİNİN ETKİLEŞİMLİ ANALİZİ İÇİN SINIR ELEMAN METODU Çetin, Mehmet Doktora, Mühendislik Bilimleri Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Yalçın Mengi Ağustos 2000, 137 sayfa Akışkan-katı sisteminin etkileşimli analizi için çeşitli sınır eleman modelleri geliştirilmiştir. Katı kısmın doğrusal ve visko-elastik olduğu kabul edilmiştir. Katı kısımdaki dissipatif etkiler histeretik sönüm mekanizması yardımı ile göz önüne alınmıştır. Akışkan kısımda, akımın Stokes akımı ve akışkanın viskoz veya viskoz olmayan sıkıştırılabilir, veya viskoz sıkıştırılamayan akışkan olduğu kabul edilmiştir. Sımr eleman modelleri, önce sınır integral denklemlerin sıvı ve katı kısımlar için ayrı ayrı yazılarak ve bu denklemlerin süreklilik koşullarını sağlayacak şekilde birleştirilerek geliştirilmiştir. Sınır eleman fomülasyonu Fourier uzayında yapılmıştır. Modellerde, ortamın sonsuza uzadığı yönlerde dalgaların radyasyonuna müsade eden (dalga iletebilen) çeşitli sınır şartlan kullanılmıştır. Baraj-su haznesi-temel sistemlerinin ve yüzen katı cisimler üzerine etki eden dalga yüklerinin analizinde, bu tip sınır şartlarının kullanılmasına ihtiyaç bulunmaktadır. Önerilen modellerin doğruluğu değişik örnek problemlerin analizi ve literatürdebulunan veriler ile karşılaştırılması ile gösterilmiştir. Bu çalışmanın akışkan-katı sistemlerinin etkileşimli analizi konusuna yaptığı katkılar arasında aşağıdaki hususlar sayılabilir: - viskoz sıkıştırılabilir bir akışkan için yeni bir sınır elemanı formülasyonunun geliştirilmesi - sonsuz bir akışkan tabakası için, yatay yönde ilerleyen dalgaların radyasyonuna izin veren (dalga iletebilen) yeni sınır şartlarmın geliştirilmesi; bu sınır şartları, sımr eleman yöntemi için uygun olup baraj-su haznesi sistemlerinin ve yüzen katı cisimler üzerine etki eden dalga yüklerinin analizinde kullanılabilir - yüzen cisimlere etki eden dalga kuvvetlerinin hesaplanması için yeni bir metodun geliştirilmesi; bu method sımr elemanı analizi için uygun olup rijit ve şekil değiştirebilen olan katı cisimler üzerine etki eden dalga yüklerinin hesaplanmasında kullanılabilir. Anahtar Kelimeler : Sınır Elemam Yöntemi, Akışkan-Katı Etkileşimi, Fourier Dönüşümü, Stokes Akımı, Viskoelastik, Dalga İletebilen Sınır Şartları, Dalga Yükleri vı

ABSTRACT BOUNDARY ELEMENT METHOD FOR FLUID-SOLD) INTERACTION ANALYSIS Çetin, Mehmet Ph. D. Department of Engineering Sciences Supervisor: Prof. Dr. Yalçın Mengi August 2000, 137 pages Various models are developed for boundary element analysis of fluid-solid interaction. The solid part is assumed to be linear viscoelastic, where the dissipative effects are accounted for through the use of hysteretic damping mechanism. For the fluid part, linear Stokes flow is assumed, where the fluid might be inviscid compressible or viscous compressible or viscous incompressible. The developments of the models involve writing boundary integral equations for fluid and solid parts, and combining them so that interface conditions are satisfied. Boundary element formulations are presented in Fourier space. Various types of transmitting boundary conditions are included in the models to accommodate the radiation of waves in the directions of the solution region extending to infinity. The inclusion of these transmitting boundary conditions is necessary to perform the analysis of dam-reservoir-soil foundation system and the wave load analysis for floating and submerged bodies. The proposed models are assessed by comparing their predictions, through some example problems, with the data iuavailable in literature analytically or numerically. A good agreement is observed in all of the comparisons. The present study, we think, has three main contributions in the area considered in the thesis work, which are - a new boundary element formulation developed for a compressible viscous fluid - development of a new type of transmitting boundary conditions for a fluid layer, permitting the radiation of waves in the horizontal direction along the fluid layer; these transmitting boundary conditions are suitable for boundary element analysis and can be used effectively in the analyses of dam-reservoir systems and of wave loads acting on floating or submerged bodies - development of a new method for wave load analysis; this method is suitable for boundary element analysis and can be used for the evaluation of wave loads for both rigid and deformable bodies Keywords: Boundary Element Method, Fluid-Solid Interaction, Fourier Transform, Stokes Flow, Viscoelastic, Transmitting Boundary Conditions, Wave Loads IV