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May 28, 2023

ノーマルモード展開に基づくパイプの曲がりを通って伝播する誘導波の散乱

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12488 (2022) この記事を引用 820 アクセス メトリクスの詳細 パイプの曲がりを通って伝播する誘導波の散乱は、法線法によって研究されます。

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12488 (2022) この記事を引用

820 アクセス

メトリクスの詳細

パイプの曲がりを通って伝播する誘導波の散乱を、通常モード展開によって研究します。 まず、パイプ曲げにおける法線モードの双直交関係が導出され、これに基づいて、直線部分と曲線部分の間の界面の変位フィールドと応力場が両方の部分の法線モードで拡張されます。 次に,変位と応力場の連続原理に基づいて,散乱問題は伝達行列の固有問題とみなされ,その解は界面でのモード変換を与える。 パイプベンドに入射する低周波縦モードのケーススタディが示されており、主なモード変換は L(0,1) 反射と L(0,1) から F(1,1) へのモード変換であることがわかります。 1)。 有限要素法によるシミュレーションや実験も行われます。 L(0,1) の曲げ反射とモード変換された F(1,1) が明確に観察され、理論的予測とよく一致しています。

誘導波技術は効率が高く、他の方法ではアクセスできないゾーンを検出できるため、パイプラインの検査に広く使用されています1、2、3。 ただし、実際のパイプラインには常に複数の曲がりがあり、入射誘導波の伝播を妨げるため、テスト信号が大幅に複雑になり、解釈が不可能になることさえあります。 したがって、複雑なパイプラインを検査する場合には、パイプの曲がり部分を伝播する誘導波の散乱メカニズムが不可欠です。

パイプベンドの軸は湾曲しているため、その中の波の動きははるかに複雑であり、分析ではなく数値的に調査する必要があります。 Demma et al.4 は、市販の有限要素ソフトウェアのモード解析法 5 を使用して、パイプベンド内の導波の分散曲線とモード構造を最初に導き出しましたが、分散関係は離散周波数でのみ計算できます。 林ら 6 は、最初に半解析有限要素法 (SAFE) 6、7、8、9、10 を使用して、パイプの曲げにおける導波の分散曲線を計算しました。この方法では、パイプの断面のみを離散化する必要があります。これにより、3 次元 (3D) 問題が 2 次元 (2D) 問題に変換され、計算時間とメモリが節約されます。 湾曲した円筒座標系を湾曲したパイプ領域に導入し、これに基づいてパイプ曲がりの波動の支配方程式を導出し、SAFE 法で解きます。 この方法は、らせん構造8や、レール9や角管10などの断面が一定の構造の分散計算にも適用されます。

直線パイプ内の導波の分散曲線と比較すると、パイプの曲がりの分散曲線は、基本モード [L(0,1) および T(0,1)] のカットオフ周波数、モード分割 11、モード反発9、および自然な焦点合わせ12。 Demma et al.11 はモード分割の特徴を研究し、直線パイプ内の元々同一のモードが、パイプの曲がり部分での軸対称性の喪失により 2 つの異なるモードに分割されると説明しました。 モード反発は、特に曲面プレート 13、14、らせん導波路 8、レール 9 などの分散曲線でも観察されています。 Loveday ら 9 はレール内の誘導波のモード反発を研究し、続いて Wu ら 15 もパイプの曲がり部分で同じことを研究しました。 2 つの曲線が互いに近づくにつれて、波数に対する周波数の 2 階導関数が無限大に近づくと、モード反発が発生することがわかります。 また、モード反発は、同じタイプのモード（例えば、対称モードまたは反対称モード）間でのみ発生し、異なるタイプのモード（例えば、対称モードと反対称モード）間では発生しないことも判明した。

パイプの曲がり部分における誘導波の伝播特性はよく知られていますが、対応する散乱の仕組みについてはほとんど理解されていません。 散乱力学のほとんどの研究は、数値シミュレーション 16、17、18、19、20 および実験 21、22、23、24、25 に基づいています。 Aristegui et al.16 は、3D 有限要素シミュレーションを使用して、パイプの曲がりを通過する L(0,2) モードをシミュレートし、L(0,2) から F(1,3) および F(2,2) へのモード変換を観察しました。 3)。 Demma et al.11 は、ねじれ T(0,1) モードの散乱を研究し、F(1,2) に変換される可能性が高いことを発見しました。 Brath et al.12 は、湾曲したチューブの移動時間を保存する直交パラメトリック表現の定義に基づいて、2 次元アプローチを使用して、屈曲部での誘導波の伝播と散乱をモデル化しています。 Qi et al.17 と Heinlein et al.18 は、それぞれパイプ曲げ部の円周方向および軸方向の欠陥からの T(0,1) モードの反射を調査しました。 有限要素法と同様に、他の数値法も使用されます。Rudd et al.19 は弾性力学的有限積分を使用してパイプの曲がりにおける誘導波をシミュレートし、Zhou et al.20 は波動有限要素法を使用して散乱を研究しました。パイプの曲げの力学。