Akışkan-yapı etkileşimi problemlerinin deneysel ve sayısal incelenmesi

Abstract

Akışkan-Yapı Etkileşimi (FSI) birçok mühendislik uygulamasında karşılaşılan yaygın bir mühendislik problemidir. Bünyelerinde barındırdıkları non-lineerite ve çoklu fizik olgusu nedeniyle, bu alandaki deneysel ve sayısal çalışmalar problemin ana karakteristiklerinin belirlenmesinde büyük öneme sahiptir. Bu tez çalışmasında, serbest yüzeyli akışkanların elastik katı cisim ile etkileşimini içeren bir Akışkan-Yapı Etkileşimi (FSI) problemi deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Sayısal metot olarak akışkanların Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), katı cisimlerin ise Finite Element Method (FEM) kullanılarak modellendiği hibrit SPH-FEM metodu kullanılmıştır. İlk olarak SPH metodunun serbest yüzeyli akımları modelleyebilme etkinliğinin belirlenmesi amacı ile klasik bir baraj yıkılması deneyi gerçekleştirilmiştir. Akabinde SPH metodu FEM ile birleştirilmiş ve bir FSI probleminin incelemesinde kullanılmıştır. SPH-FEM metodunun etkinliği çeşitli noktalardaki zamana bağlı noktasal su derinlikleri ve katı cisim deplasman değerleri kullanılarak araştırılmıştır. Katı cisim deplasman değerleri görüntü işleme tekniği kullanılarak elde edilirken zamana bağlı noktasal su seviyesi değişimleri görüntü işleme tekniğinin yanı sıra ultrasonik sensörler kullanılarak elde edilmiştir. Deneysel veriler ile sayısal sonuçlar karşılaştırıldığında, sayısal analiz sonuçlarının deneysel veriler ile genel olarak makul bir uyum içerisinde olduğu görülmüştür.

Fluid-Structure Interaction (FSI) is a common engineering problem faced in many engineering application. Because of the nature of the phenomenon including nonlinearity and multi-physics, experimental and numerical studies in this field have great importance to determine the main characteristics of the problem. In this thesis study, a Fluid-Structure Interaction (FSI) problem including the interaction of freesurface flows with the elastic solid body was investigated experimentally and numerically. As the numerical model, the coupled Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)-Finite Element Method (FEM), where the fluid flow was modeled using SPH and the solid body was modeled using FEM, was used. At first, in order to determine the efficiency of SPH in modeling of free surface flows, an experiment of a classic dam-break problem was carried out. Following that, the SPH method was coupled with FEM and used to investigate a FSI problem. The efficiency of SPH-FEM method was investigated using time evolution of water level and deformation of the solid body at various points. While deformation of the solid body was obtained using image processing technique, the time evolution of water level was obtained using image processing technique and also ultrasonic distance sensor. When the experimental data are compared with the numerical results, it was seen that numerical results are generally in reasonable agreement with the experimental data.