Title of article :
Investigation of Fluid-structure Interaction by Explicit Central Finite Difference Methods
Author/Authors :
Khalighi, F Department of Civil Engineering - Shahrood University of Technology , Ahmadi, A Department of Civil Engineering - Shahrood University of Technology , Keramat, A Department of Civil Engineering - Jundi-shapur University of Technology
Abstract :
Fluid-structure interaction (FSI) occurs when the dynamic water hammer forces; cause vibrations in the pipe wall. FSI in pipe systems due to Poisson and junction coupling has been the center of attention in recent years. It causes fluctuations in pressure heads and vibrations in the pipe wall. The governing equations of this phenomenon include a system of first order hyperbolic partial differential equations (PDEs) in terms of hydraulic and structural quantities. In the present paper, a two-step variant of the Lax-Friedrichs (LxF) method, and a method based on the Nessyahu-Tadmor (NT) are used to simulate FSI in a reservoir-pipe-valve system. The computational results are compared with those of the Method of Characteristics (MOC), Godunov's scheme and also with the exact solution of linear hyperbolic four-equation system to verify the proposed numerical solution. The results reveal that the proposed LxF and NT schemes can predict discontinuous in fluid pressure with an acceptable order of accuracy. The independency of time and space steps allows for setting different spatial grid size with a unique time step, thus increasing the accuracy with respect to the conventional MOC. In these schemes, no Riemann problems were solved and hence field-by-field decompositions were avoided which led to reduced run times compared with Godunov scheme.
Farsi abstract :
در حين پديده ضربه قوچ، نيروهاي ديناميكي قابل توجهي به سازه لوله وارد ميشود، چنانچه اين نيروها باعث حركت و تغيير شكل شبكه لولهها شوند، پديدهاي به نام تداخل سيال-سازه (FSI) اتفاق خواهد افتاد. مباحث تداخلي سيال- سازه، مانند كوپله پواسن و اتصال و اثرات آنها بر نتايج پديده ضربه قوچ همواره مورد توجه بوده است زيرا اين اثرات به صورت ايجاد نوسان و افزايش در هدهاي فشار و همچنين جابه جايي هاي ديواره لوله مشاهده مي شود. معادلات حاكم بر اين پديده از نوع معادلات ديفرانسيل جزيي هذلولوي مرتبه اول ميباشند و به دو دسته معادلات هيدروليكي و سازهاي تقسيم ميشوند. در تحقيق حاضر به منظور مدل سازي پديده اندركنش سيال-سازه در يك سيستم مخزن-لوله-شير، روش هاي دوگام زماني لاكس-فردريش(LxF) و روشي مبتني بر نسياهو-تادمور (NT)مورد استفاده قرار گرفته است. به منظور صحت سنجي، نتايج عددي حاصل از اين دو روش حاضر با نتايج بدست آمده از روشهاي خطوط مشخصه ((MOC، گودونو و حل دقيق سيستم چهار معادله هذلولوي خطي مورد مقايسه قرار گرفت. نتايج ثابت نمود كه روشهاي LxF و NT توانايي مدلسازي ناپيوستگي در فشار سيال را با دقت قابل قبولي داراست. عدم وابستگي اندازه گامهاي زماني و مكاني در روشهاي به كارگرفته شده، امكان انتخاب گامهاي مكاني مختلف به ازاي يك گام زماني مشخص را ميدهد كه سبب افزايش دقت مدلسازي نسبت به روش معمول خطوط مشخصه ميشود. از سويي ديگر در اين روشها به علت عدم حل مسئله ريمان از تجزيه ناحيه-ناحيه خودداري ميشود كه منجر به كاهش مدت زمان حل در مقايسه با روش گودونو ميشود
Keywords :
Fluid-structure interaction , Lax-Friedrichs method , Nessyahu-Tadmor method , Water hammer
Journal title :
Astroparticle Physics