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研究生: 陳建瑋
Chen, Chien-Wei
論文名稱: 輸送液體的厚管之波動及能量傳遞
Energy transmission and wave propagation of a thick tube conveying fluid
指導教授: 李森墉
Lee, Sen-Yung
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 78
中文關鍵詞: 能量分布動脈厚殼壓力波衰減
外文關鍵詞: energy distribution, thick walled, pressure wave, decay, artery
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  • 本文提出一個更為接近動脈血管的數學模型,描述壓力波在血管中的傳遞模態。本模型把管壁視為等向性圓柱厚殼,並將管內流體視為層流,且為不可壓縮的黏滯流體。由傳統彈性理論來描述管壁運動,而且配合流體的線動量方程以及連續條件,推導出統御方程式。由於本文是考慮波動行為,因此求解過程中,將代入波的諧和條件,最終可由特徵方程式得到三組有意義的特徵值--波數(wave number)。本文將個別討論此三組特徵值,來說明三組壓力波的傳遞模態,其中包括波速,以及波的衰減;由於在動脈的能量分布中,由管壁振動的彈性位能佔了98%,遠超過血液本身流動的2%,因此再討論此三組模態,個別在彈性管的能量分布。然而藉著不同參數的影響來更加了解這些模態的特性。

    A mathematical model closer to the artery is proposed to describe the pressure wave propagating in the artery. We treat the wall as an isotropic and thick walled cylindrical shell and the fluid as an incompressible and laminar. The motion of the wall is described by the classical elasticity theory and the motion of fluid by the linear momentum equation and the continuity equation, and therefore, the governing equations are derived. We consider the propagation of harmonic waves in the governing equations. In that way, we can get three significant eigenvalues(wave number). The thesis discusses three eigenvalues individually and explains the pressure wave propagation of three modes, includes wave speed, wave decay and energy distribution. Since the elastic potential energy occupies more than 98% of mechanical energy in the arteries, which is larger than 2% of kinetic energy of flowing blood. Then, we could realize the property of these modes further by the different parameters.

    目 錄 摘要 I ABSTRACT II 誌謝 III 目錄 IV 表目錄 VI 圖目錄 VI 符號說明 X 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 研究動機與目的 5 1.4 論文架構 7 第二章 物理模型架構 8 2.1彈性管壁的統御方程式推導 8 2.1.1應變-位移關係式 9 2.1.2應力-應變關係式 10 2.1.3平衡方程式 12 2.2管內流體的統御方程式推導 15 2.2.1線動量守恆 15 2.2.2連續方程式 18 2.3 總結 19 第三章 解法 21 3.1統御方程式的簡化 21 3.2流體未流動之下的壓力波 24 3.3流體未流動之下的能量分布 32 第四章 數值分析與比較 40 4.1模態分析 40 4.2文獻比較 41 4.3波速模擬 42 4.4能量分布模擬 45 4.5能量衰減模擬 47 第五章 結論 49 參考文獻 75 自述 78 表目錄 表4-1:參數模擬值對照表 40 圖目錄 圖2-1: 圓柱殼座標與位移示意圖 8 圖2-2: 圓柱殼元素各方向力量示意圖 12 圖2-3: 管內流體的控制體圖 15 圖2-4: 流速分佈圖 16 圖3-1: B與W和U與W之間相位差示意圖 33 圖4-1: 模態一位移振幅比 51 圖4-2: 模態二位移振幅比 51 圖4-3: 模態三位移振幅比 52 圖4-4 : 模態一的振動行為。虛線為振動前;實線為振動後 53 圖4-5 : 模態二的振動行為。虛線為振動前;實線為振動後 53 圖4-6 : 模態三的振動行為。虛線為振動前;實線為振動後 53 圖4-7 : 模態一的管壁位移擾動。P點為內徑質點;Q點為外徑質點 54 圖4-8 : 模態一的流體速度擾動。縱軸(r)為管壁厚度;P點為管壁內徑質點 54 圖4-9 : 模態二的管壁位移擾動。P點為內徑質點,管壁內徑與外徑擾動大小、方向一樣55 圖4-10 :模態二的流體速度擾動。縱軸(r)為管壁厚度;P點為管壁內徑質點 55 圖4-11 :模態三的管壁位移擾動。P點為內徑質點,管壁內徑與外徑擾動大小、方向一樣56 圖4-12 :模態三的流體速度擾動。縱軸(r)為管壁厚度;P點為管壁內徑質點 56 圖4-13 :模態一對於薄殼理論與厚殼理論的波速比較 57 圖4-14 :模態二對於薄殼理論與厚殼理論的波速比較 57 圖4-15 :模態三對於薄殼理論與厚殼理論的波速比較 58 圖4-16 :模態一對於薄殼理論與厚殼理論的管壁所佔能量百分比 58 圖4-17 :模態二對於薄殼理論與厚殼理論的管壁所佔能量百分比 59 圖4-18 :模態三對於薄殼理論與厚殼理論的管壁所佔能量百分比 59 圖4-19 :模態一對於薄殼理論與厚殼理論的能量衰減 60 圖4-20 :模態二對於薄殼理論與厚殼理論的能量衰減 60 圖4-21 :模態三對於薄殼理論與厚殼理論的能量衰減 61 圖4-22 :模態二波速,薄殼理論、厚殼理論與文獻比較 61 圖4-23 :模態二能量衰減,薄殼理論、厚殼理論與文獻比較 62 圖4-24 :三個模態的波速 62 圖4-25 :模態二波速與理論比較 63 圖4-26 :模態三波速與理論比較 63 圖4-27 :模態一對於不同蒲松比的波速 64 圖4-28 :模態一對於不同黏滯係數的波速 64 圖4-29 :模態二對於不同蒲松比的波速 65 圖4-30 :模態二對於不同黏滯係數的波速 65 圖4-31 :模態三對於不同蒲松比的波速 66 圖4-32 :模態三對於不同黏滯係數的波速 66 圖4-33 :三個模態的能量在管壁所佔百分比 67 圖4-34 :模態一管壁與流體的擾動速度。P點為管壁內徑質點;Q點管壁為外徑質點 67 圖4-35 :模態二管壁與流體的擾動速度。P點為管壁內徑質點 68 圖4-36 :模態三管壁與流體的擾動速度。P點為管壁內徑質點 68 圖4-37 :模態一對於不同蒲松比的管壁所佔能量百分比 69 圖4-38 :模態一對於不同黏滯係數的管壁所佔能量百分比 69 圖4-39 :模態二對於不同蒲松比的管壁所佔能量百分比 70 圖4-40 :模態二對於不同黏滯係數的管壁所佔能量百分比 70 圖4-41 :模態三對於不同蒲松比的管壁所佔能量百分比 71 圖4-42 :模態三對於不同黏滯係數的管壁所佔能量百分比 71 圖4-43 :模態一對於不同蒲松比的能量衰減 72 圖4-44 :模態一對於不同黏滯係數的能量衰減 72 圖4-45 :模態二對於不同蒲松比的能量衰減 73 圖4-46 :模態二對於不同黏滯係數的能量衰減 73 圖4-47 :模態三對於不同蒲松比的能量衰減 74 圖4-48 :模態三對於不同黏滯係數的能量衰減 74

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    下載圖示 校內:立即公開
    校外:2006-07-28公開
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