Fluid structure interaction modeling of a monopile subjected to wave load

العناوين الأخرى

نمذجة التفاعل المتبادل ما بين المانع و المنشأ لعامود فردي معرض لأحمال الأمواج

مقدم أطروحة جامعية

al-Dafai, Husayn Ali Husayn

مشرف أطروحة جامعية

Arafah, Muhammad Husni
al-Qudrah, Mamun Abd al-Hamid

أعضاء اللجنة

Said, Jamal Muhammad
Abu al-Tif, Mazin Taha

الجامعة

الجامعة الإسلامية

الكلية

كلية الهندسة

القسم الأكاديمي

قسم الهندسة المدنية

دولة الجامعة

فلسطين (قطاع غزة)

الدرجة العلمية

ماجستير

تاريخ الدرجة العلمية

2014

الملخص العربي

في هذه الأطروحة تم بناء نموذج عددي يعتمد مبدأ التفاعل بين المائع و الهيكل، لدراسة تأثير أمواج البحر على العناصر الإنشائية المستخدمة في المنشآت البحرية، و تم التحقق من نتائج النموذج العددي عبر مقارنتها بنتائج نموذج رياضي تحليلي.

يستند النموذج العددي على معادلات نافييه ستوكس التي تصف تصرف الموائع، تم استخدام برنامج حاسوبي ANSYS CFX لديه المقدرة على حل معادلات نافييه ستوكس للنموذج قيد الدراسة باستخدام طريقة عددية هي طريقة الحجم المحدود.

النموذج قيد الدراسة يحتوي أكثر من مائع : الماء و الهواء و بالتالي لزم تحديد شكل و مكان السطح الحر، برنامج ANSYS CFXيستخدم طريقة حجم السوائل لتحديد شكل و مكان السطح الحر.

لتوفير الجهد الحسابي، و للوصول إلى النتائج المرغوبة بشكل أسرع، تم اعتماد توجيهات الباحثان (فينيجان و جوجينز، 2012) لبناء النموذج العددي الأمثل من حيث اختيار أقل أبعاد ممكنة للنموذج باستخدام ANSYS CFX دون التأثير على النتائج، و أيضا اختيار حجم العناصر المستخدمة في الشكل الشبكي الذي يستخدم في الحل العددي.

تم بناء خمسة نماذج لدراسة تصرف الأمواج و تأثيرها على المنشآت، النموذج الأول و هو نموذج ثنائي الأبعاد استخدم للتأكد من استطاعة برنامج ANSYS CFX نمذجة حوض الأمواج العددي، حيث تم الاستناد في بنائه على توصيات الباحث (سيلفا، 2010) و باقي الأربعة نماذج استخدمت لمعرفة القوى المؤثرة على المنشأ حيث احتوى كل منها على عامود كابولي يختلف في الطول و في شكل المقطع، و ذلك لدراسة تأثير تغيير هذه المتغيرات في النتائج.

تم توليد الأمواج عدديا باستخدام (مولد أمواج) من نوع (المكبس)، يخضع لنظرية (مولد الأمواج)، في كل من النماذج الخمس.

فيما يتعلق بالنماذج المحتوية على المنشأ، احتوى النموذج الأول على عامود ذو مقطع دائري 0.5 متر و يبلغ ارتفاعه 4.35 مترا، أما النموذج الثاني فقد احتوى على عامود بنفس شكل المقطع لكن بطول 3.25 متر، النموذجين الثالث و الرابع احتويا على عامود مربع المقطع بطول ضلع 0.5 مترا، و بطول 4.35 متر و 3.25 مترا بالترتيب، حيث تمت مقارنة تأثير هذه الاختلافات على القوى المؤثرة على كل من الأعمدة.

النتائج المستقاة من النموذج-الخاص بالتأكد من مقدرة CFX على تمثيل الأمواج عدديا-بيّنت اتفاقا في شكل الموجة المولدة بين الحل التحليلي (نظرية الأمواج الخطية)، و الحل العددي باستخدام CFX حيث اتفقت الموجتان في ارتفاع السطح الحر و في التردد.

لوحظ وجود اتفاق في النموذج الأول بين النتائج العددية و التحليلية فيما يتعلق بارتفاع سطح الموجة، و شكلها و كذلك ترددها، أما بالنسبة للقوى و العزوم المؤثرة على العامود في النموذج الأول فقد أعطى الحل العددي قيمة أكبر من الحل التحليلي.

في النموذج الثاني لم يختلف الأمر كثيرا عن النموذج الأول و كانت نتائج التحليل مقاربة جدا نظرا لعدم وجود قوة ذات قيمة مؤثرة من قبل الرياح تؤدي إلى وجود اختلاف في النتيجة.

في النموذج الثالث كانت النتيجة مقاربة جدا للحل العددي و شبه مطابقة له، نتيجة الشكل المربع لمقطع العامود و الذي له معامل سحب أكبر أدى إلى ارتفاع قيمة القوى و العزوم المؤثرة عليه.

في النموذج الرابع كانت النتائج مشابهة للنموذج الأول و اتفق ارتفاع سطح الموجة و القوى و العزوم المؤثرة على العامود في الحلين العددي و التحليلي، مع وجود فارق بسيط في القيمة بسبب وجود تداخل بين السطح الحر و العامود.

الملخص الإنجليزي

Offshore monopile foundations are one of the most commonly used foundation structures, especially in areas with relatively shallow water.

One of the most significant aspects is associated with the wave effect on the structural behavior of monopile foundations.

In this work, a developed numerical method for water-wave body interaction was used to study the water wave’s effects on the structural behavior of the monopiles.

A validation procedure was conducted by comparing the numerical results with analytical wave mathematical model results.

The numerical model is based on Reynolds Averaged Navier Stokes equations (RANS) considering the effects of energy dissipation.

ANSYS CFX was used to solve (RANS) using finite volume method.

The free surface displacements are tracked by the volume of fluid method.

The numerical model is used to simulate periodic first order waves and their interaction with a vertical slender monopile.

The geometry and mesh of the numerical model were optimized using the guidelines of Finnegan and Goggins (2012) [1]to save the computational effort.

Five models were built in this study to obtain the behavior of waves and their effect on structures.

The first model is a bi-dimensional model used to test the ability of ANSYS CFX to simulate Numerical Wave Tanks accurately; a piston wavemaker is created to generate waves according to the recommendations of Silva et al.

(2010) [2]for this model.

The rest of the four models used to determine the forces acting on the studied structures, where each of them contained a monopile of different length and cross section.

The first and second models represented a monopile of length 4.35m and 3.25m, respectively with a cross section of a circle with a diameter of 0.5m, whereas the third and fourth models represented a monopile of the same length and a cross section of a square with a side length of 0.5m.

Very good agreement between the analytical results and numerical results are observed for the time history of free surface displacement, hydrodynamic forces and moments on the monopile

التخصصات الرئيسية

الهندسة المدنية

الموضوعات

• النماذج الرياضية

عدد الصفحات

73

قائمة المحتويات

• APA
• MLA
• AMA

لغة النص

الإنجليزية

نوع البيانات

رسائل جامعية

رقم السجل

BIM-530235