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May 28, 2023

일반 모드 확장을 기반으로 파이프 벤드를 통해 전파되는 유도파의 산란

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12488(2022) 이 기사 인용 820 측정항목 세부정보 액세스 파이프 굴곡을 통해 전파되는 유도파의 산란은 법선을 통해 연구됩니다.

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12488(2022) 이 기사 인용

820 액세스

측정항목 세부정보

파이프 벤드를 통해 전파되는 유도파의 산란은 일반 모드 확장을 통해 연구됩니다. 먼저, 파이프 벤드의 일반 모드에 대한 양방향 직교 관계가 도출되었으며, 이를 기반으로 직선 부분과 곡선 부분 사이의 경계면에서의 변위 및 응력 필드가 두 부분의 일반 모드로 확장됩니다. 그런 다음 변위 및 응력장 연속성 원리를 기반으로 산란 문제는 전달 행렬의 고유 문제로 간주되며, 이에 대한 솔루션은 인터페이스에서 모드 변환을 제공합니다. 파이프 벤드에 입사하는 저주파 종방향 모드에 대한 사례 연구가 제시되었으며, 주요 모드 변환은 L(0,1) 반사와 L(0,1)에서 F(1)로의 모드 변환인 것으로 나타났습니다. 1). 유한요소 시뮬레이션과 실험도 수행됩니다. L(0,1) 벤드 반사와 모드 변환 F(1,1)이 명확하게 관찰되었으며 이는 이론적 예측과 잘 일치합니다.

유도파 기술은 매우 효율적이고 다른 방법으로는 접근할 수 없는 구역을 감지할 수 있기 때문에 유도파 기술1,2,3은 파이프라인 검사에 광범위하게 사용됩니다. 그러나 실제 파이프라인에는 항상 입사 유도파의 전파를 방해하는 여러 굴곡이 있어 테스트 신호를 상당히 복잡하게 만들고 심지어 해석이 불가능하게 만듭니다. 따라서 파이프 벤드를 통해 전파되는 유도파의 산란 메커니즘은 복잡한 파이프라인을 검사할 때 필수적입니다.

파이프 벤드의 곡선 축 때문에 그 안의 파동 운동은 훨씬 더 복잡하며 분석적이기보다는 수치적으로 조사해야 합니다. Demma 등4은 상업용 유한 요소 소프트웨어의 모드 분석 방법5을 사용하여 파이프 벤드에서 유도파의 분산 곡선과 모드 구조를 처음 도출했지만 분산 관계는 이산 주파수에서만 계산할 수 있습니다. Hayashi et al.6은 먼저 파이프 단면만 이산화하면 되는 SAFE(semi-analytic finite-element method)6,7,8,9,10를 사용하여 파이프 벤드에서 유도파의 분산 곡선을 계산했습니다. 이를 통해 3차원(3D) 문제를 2차원(2D) 문제로 전환하여 계산 시간과 메모리를 절약할 수 있습니다. 곡선 파이프 영역에 대해 곡선 원통형 좌표계가 도입되었으며, 파이프 굴곡의 파동 운동 지배 방정식이 도출되고 SAFE 방법으로 해결됩니다. 이 방법은 나선형 구조8 및 레일9 및 사각 튜브10와 같이 단면이 일정한 구조의 분산 계산에도 적용됩니다.

직선 파이프의 유도파 분산 곡선과 비교하여 파이프 벤드의 분산 곡선은 기본 모드 [L(0,1) 및 T(0,1)]에 대한 차단 주파수, 모드 분할11, 모드 반발력9, 자연스러운 포커싱12. Demma et al.11은 모드 분할 기능을 연구하고 직선 파이프의 원래 동일한 모드가 파이프 굽힘의 축 대칭 손실로 인해 두 개의 다른 모드로 분할되었다고 설명했습니다. 곡판13,14, 나선형 도파관8, 레일9 등의 분산 곡선에서도 모드 반발이 관찰되었습니다. Loveday et al.9는 레일에서 유도파의 반발 모드를 연구했으며, Wu et al.15는 파이프 벤드에서 동일한 연구를 수행했습니다. 두 곡선이 서로 접근함에 따라 파수에 대한 주파수의 2차 도함수가 무한대에 접근할 때 모드 반발이 발생하는 것으로 나타났습니다. 또한 모드 반발은 동일한 유형의 모드(예: 대칭 또는 반대칭 모드) 간에만 발생하고 다른 유형의 모드(예: 대칭 및 반대칭 모드) 간에는 발생하지 않는 것으로 나타났습니다.

파이프 벤드에서 유도파의 전파 특성은 잘 알려져 있지만 해당 산란 메커니즘은 아직 잘 알려져 있지 않습니다. 산란 역학에 대한 대부분의 연구는 수치 시뮬레이션16,17,18,19,20 및 실험21,22,23,24,25을 기반으로 합니다. 3D 유한 요소 시뮬레이션을 통해 Aristegui et al.16은 파이프 벤드를 가로질러 이동하는 L(0,2) 모드를 시뮬레이션하고 L(0,2)에서 F(1,3) 및 F(2)로의 모드 변환을 관찰했습니다. 삼). Demma et al.11은 비틀림 T(0,1) 모드의 산란을 연구한 결과 F(1,2)로 변환될 가능성이 더 높다는 것을 발견했습니다. Brath et al.12는 곡선형 튜브의 이동 시간 보존 직교 파라메트릭 표현의 정의를 기반으로 2차원 접근 방식을 사용하여 굽은 부분에서 유도파 전파 및 산란을 모델링합니다. Qi et al.17과 Heinlein et al.18은 각각 파이프 벤드의 원주 방향 결함과 축 방향 결함으로부터 T(0,1) 모드의 반사를 조사했습니다. 유한 요소 방법뿐만 아니라 다른 수치 방법도 사용됩니다. Rudd et al.19는 파이프 굴곡의 유도파를 시뮬레이션하기 위해 탄성 역학적 유한 통합을 사용했으며 Zhou et al.20은 파동 유한 요소 방법을 사용하여 산란을 연구했습니다. 파이프 벤드의 역학.