بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي تجربي و شبيه سازي عددي نيروي پسا سيال بر هيدروفويل نمونه مغروق در حوضچه کشش
چکيده :
هدف از تحقيق حاضر بررسي تجربي -عددي نيروي پسا وارده بر هيدروفويل نمونه مغروق در حوضچه کشش است . بدين منظور هيدروفويل در زواياي حملة مختلف و با سرعت هاي مختلف مورد بررسي تجربي و عددي قرار گرفته است . نيروهاي وارده بر هيدروفويل توسط دينامومتر که مجهز به سنسورهاي با دقت بالا است اندازه گيري مي شود. نتايج بررسي تجربي حاضر با نتايج تجربي که اخيرًا گزارش شده است ، مقايسه شده و تطابق خوبي مشاهده شده است . علاوه بر تست هاي تجربي ، تحليل هاي عددي در رابطه با نيروي پسا انجام شده است و وابستگي نيروي پسا به زواياي حمله و عدد رينولدز بررسي گرديد. در شبيه سازي هاي سه بعدي شرايط تست در حوضچه شامل سطح آزاد و ميله هاي نگهدارنده ، مدل شده است .
نتايج حاصل از شبيه سازي عددي تطابق خوبي را با نتايج حاصل از تست هاي تجربي در تخمين ضريب پسا نشان مي دهد. نتايج ، چگونگي وابستگي ضريب پسا١ به عدد رينولدز و زاويه حمله هيدروفويل را نشان مي دهد. نتايج نشان مي دهد که ضريب پسا به شدت به عدد رينولدز وابسته است و اين وابستگي با افزايش زاويه حمله هيدروفويل بيشتر مي گردد. همچنين شيب نمودار ضريب پسا نسبت به زاويه حمله هيدروفويل از ٠ تا ٤٠ درجه همواره صعودي مي باشد.
مقدمه
از پارامترهاي مهم و اساسي در رابطه با ويژگي هاي هيدروديناميکي هيدروفويل ها يافتن نيروهاي وارد بر آنها مي باشد. اين نيروها از نقطه نظر صنعتي و کاربردي حائز اهميت مي باشند. از هيدروفويل ها در طيف گسترده اي از شناورها به ويژه در انواع زيردريايي هاي کوچک و بزرگ استفاده مي شود. به عنوان نمونه سطوح کنترلي سينه ٢، سکان ٣ و بالکهاي افقي ٤ زيردريايي که وظيفه کنترل مسير حرکت و مانور٥ را بر عهده دارند به صورت هيدروفويل ساخته مي شوند. با توجه به اينکه سطوح کنترلي و برجک نقش مهمي در توليد نيروي پسا دارد بايستي در انتخاب نوع هيدروفويل دقت نمود. شکل ١کاربرد هيدروفويل ها را در زيردريايي نشان مي دهد (شکل ١).
تحقيقات گسترده اي در رابطه با ايرفويل ها و هيدروفويل ها صورت گرفته است . لايتون ١ در سال ١٩٩٧ توانست طي يکسري آزمايشات با موفقيت ، نيروهاي برا و پسا متوسط را در و در زواياي حملة کوچکتر از ٣٠ درجه اندازه گيري کند[١]. برندل ٢ و مولر٣ در سال ١٩٨٨ تحقيقات گسترده اي را بر روي آيروديناميک پرواز پرنده انجام دادند[٢]. در سال ٢٠٠٢، يوشرهود٤ و الينگتون ٥ نيروهاي عمل کننده بر روي بال پروانه و زنبور را بررسي کردند. آزمايشات در رينولدزهاي صورت گرفت و تحقيقات نشان داد که شکل مقطع بال ها و ميزان رينولدز و زاويه حمله بال ها اثر بسيار زيادي بر روي سرعت و قدرت پرواز دارد[٣]. دويننت ٦ طي تحقيقي در سال ٢٠٠٢ نشان داد که نيروي برا از از مقدار صفر تا يک مقدار حداکثري افزايش مي يابد که اين مقدار حداکثر، زاويه واماندگي ٧ نام دارد و نيز نشان داد که زاويه واماندگي که در بازه است وابسته به عدد رينولدز مي باشد. از طرف ديگر نيروي پسا به صورت يکنواخت با افزايش زاويه α، افزايش مي يابد[٤]. ابرت در سال ٢٠٠٤ تحقيقي را بر روي مراحل عملکردي توربين باد W٥٠٠ انجام داد. در اين تحقيق عدد رينولدز نوک پره (Re) از تا افزايش مي يابد و زاويه حمله به تدريج از ٨٦ تا ٢٠ درجه کاهش مي يابد[٥]. در سال ٢٠٠٨ ليو ژن ٩ تست هاي تجربي را بر روي يک هيدروفويل نوساني و در داخل يک تانک آب مجهز به سيستم PIV انجام داد و توانست ضرايب برا و پسا را استخراج نمايد. او در اين تحقيق شبيه سازي هاي عددي را براي تمامي تست ها انجام داد. نتايج نشان داد در زواياي ٥ درجه هيچ گونه جدايش جريان و ورتکس نداريم . اما در زواياي بزرگتر از ٥ درجه جدايش جريان و ورتکس مشاهده گرديد و نشان داد ضريب پسا به شدت تابع زاويه حمله و شدت نوسانات است [٦]. امير اعلايي ١٠ و همکاران در سال ٢٠١٠ تحقيقاتي را بر روي ايرفويل NACA٠٠١٢ و به روش شبيه سازي عددي و با استفاده از معادلات ناويه - استوکس انجام دادند. نتايج نشان دادند که ضرايب برا و پسا کاملا وابسته به عدد رينولدز و پارامترهاي نوساني جريان است [٧]. ژو١١ در سال ٢٠١٠ آزمايشاتي را بر روي يک هيدروفويل با مقطع NACA٠٠١٢ و در داخل تونل آب انجام داد. اندازه گيري ها در و در زواياي حملة انجام شد. تحليل هاي تئوري و عملي بر روي ضرايب برا و پسا ، ميزان نيروي برا و پسا متوسط را دادند. نتايج نشان داد که در اعداد رينولدز پايين افت شديدي در ضريب برا و افزايش شديد در ضريب پسا نداريم و مقادير ضرايب برا و پسا به شدت به زاويه α بستگي دارد. مقدار ضريب پسا به طور يکنواخت با افزايش α افزايش مي يابد. همچنين اثر رينولدز بر روي ضرايب برا و پسا بستگي به α دارد[٨].
هدف از تحقيق حاضر، بررسي رابطه ميان ضريب پسا، عدد رينولدز و زاويه حمله هيدروفويل با مقطع NACA٠٠١٢ که کاربرد زيادي در شناورهاي زيرسطحي دارد مي باشد. با توجه به اينکه نيروي پساي ضمائم بدنه زيردريايي ها نقش موثري در ايجاد مقاومت اصطکاکي و در نهايت در مقاومت کل شناور دارد، لذا بررسي رفتار نيروي پسا هيدروفويل با سرعت داراي اهميت فراواني است . تمامي تست ها در حوضچه کشش و با استفاده از مکانيزم ارابه و دينامومتر انجام شده است . هيدروفويل نمونه در رينولدز و در زاويه مورد تست قرار گرفته است . علاوه بر اين تحليل هاي عددي نيز بر روي هيدروفويل نمونه انجام شده است . اهميت تحقيق حاضر در اجراي تست ها و همچنين انجام شبيه سازي عددي هيدروفويل در حالت مغروق و نه چندان دور از سطح آزاد است . بدين صورت که تاثير سطح آزاد در نتايج وجود دارد. در شبيه سازي عددي ، شرايط تست دقيقاّ مدلسازي شده و اثر بازوهاي نگهدارنده مدل و سطح آزاد در نتايج مورد توجه بوده است .
جزئيات تست
تجهيزات تست و نحوه راه اندازي
آزمايشات حاضر در يک حوضچه کشش با ابعاد به طول ١٠٨ متر، عرض ٣ متر و عمق ٢.٢ متر انجام شده است (شکل ٢). حوضچه مجهز به يک ارابه ١٢ است که مي تواند از سرعت توسط دو الکترو موتور ٧.٥کيلو وات و با دقت متر بر ثانيه حرکت کند. دقت اندازه گيري سرعت با توجه به انکودرهاي ١ استفاده شده در سروو موتورها(٥٠٠٠ پالس در دقيقه ) و نيز انکودرهاي متصل به چرخ هاي ارابه به ٠.١% مي رسد.
نيروهاي اندازه گيري شده توسط يک دينامومتر٢ سه درجه آزادي و از طريق سيستم داده برداري ٣ ذخيره مي شود و در واحد پردازش ٤ مورد آناليز آناليز قرار مي گيرد. جهت تقويت سيگنال لودسل ها و کاهش حساسيت به نويز از مجموعه اي از آمپلي فاير استفاده مي گردد. سپس خروجي آنالوگ آمپلي فايرها وارد يک کارت آنالوگ به ديجيتال (A.D) ١٢ بيتي مي گردد. نرم افزار اطلاعات ، کارت (A.D) را پردازش کرده و نتايج خروجي را در رايانه با فرمت مناسب ذخيره مي کند. سيستم داده برداري ارابه با فرکانس HZ٥٠ و به مدت ١٥ ثانيه با سرعت ثابت داده برداري مي کند. نتايج خام استخراج شده جهت حذف حرکات ابتدايي و انتهايي ارابه که شتابدار هستند فيلتر مي شوند.
حوضچه و تجهيزات آن مطابق با دستورالعمل هاي بين المللي حوضچه کشش ٥ تجهيز شده است [١٤]. کنترل ارابه به صورت بدون سيم و از اتاق کنترل مي باشد. دينامومتر متصل به ارابه مذکور مجهز به يک عدد نيروسنج N١٠٠ است .
108 m
شکل ٢: مشخصات حوضچه کشش و نحوه قرار گرفتن نمونه در آب
هيدروفويل استفاده شده در تست ها داراي مقطع NACA٠٠١٢ است که طول پهناي ٦ آن ٠.١ متر و طول بال ٧ آن ٢٧ سانتي متر مي باشد و توسط توسط دو صفحه انتهايي ٨، طول بال آن محدود شده است (شکل ٣).
شکل ٣: نمونه هيدروفويل تست شده در حوضچه کشش
براي اتصال هيدروفويل به دينامومتر از دوپايه نگه دارنده ١ در دو طرف هيدروفويل استفاده شده است که با توجه به اين که بايستي هيدروفويل کاملاً مغروق باشد به گونه اي که اثر سطح و کف و ديواره ها حداقل باشد، طول پايه ها ٠.٦ متر از سطح آب مي باشد(شکل ٤). همچنين براي کاهش مقاومت پايه هاي نگه دارنده عرض (پهنا) آنها ٠.٠٢ متر و ضخامت آنها که در راستاي جريان قرار مي گيرد ٠.٠٠٢ متر و از جنس فولاد با مقاومت
بالا در نظر گرفته شده است .
شکل ٤: نماي سطح مقطع حوضچه
شرايط تست
در آزمايشات انجام شده هيدروفويل نمونه در محدوده رينولدز مورد تست قرار گرفته است . زاويه حمله هيدروفويل از ٠ تا ٤٠ درجه تغيير مي کند. تست ها در سرعت هاي ٢،١، ٣و ٤ متر بر ثانيه انجام گرديد.
در اين تست ها تنها نيروي پسا مورد ارزيابي قرار گرفته است . براي به دست آوردن نيروي خالص وارده بر هيدروفويل يک بار تمامي تست ها با هيدروفويل و پايه هاي نگه دارنده انجام گرديد و يک بار پايه هاي نگه دارنده به تنهايي در تمامي سرعت ها مورد آزمايش قرار گرفته است تا نيروي پايه ها به تنهايي استخراج شوند. نسبت انسداد حداقل ٠.٠٠٠٨٩ و حداکثر در زاوية حملة ٤٠ درجه ، برابر با ٠.٠٠٢٩٩مي باشد که از رابطه زير محاسبه مي گردد[١٥].
به دليل کوچک بودن اثر انسداد در اين تست ها اثرات ناشي از آن بسيار ناچيز و قابل چشم پوشي است . شروع تمامي تستها در شرايط آب کاملاً راکد انجام گرديده است . دماي آب حوضچه کشش در تمام طول تست ثابت و٢١٠سانتي گراد است . نقطة شروع حرکت ارابه براي تمامي تست ها از يک نقطه و هر تست ٦ بار مورد تکرار قرار گرفته است که مقدار متوسط ٦ بار تست به عنوان نيروي پسا نهايي در هر سرعت ثبت گرديد. پيش از انجام تست نيروسنج در مسير پسا با استفاده از وزنه هاي مخصوص به دقت مورد آزمايش دقت نيرو قرار گرفت .
شبيه سازي عددي
معادلات حاکم
براي بررسي نتايج تست هاي تجربي انجام شده در حوضچه کشش ، شبيه سازي عددي تحقق پذيري انجام شده است . براي تحليل ، معادلات دو
بعدي N-S به کار رفته است . معادلات پيوستگي و مومنتوم متوسط گيري شده را مي توان چنين نوشت :
که ρ و μ چگالي و ويسکوزيته موثر سيال ، P فشار سيال ، u سرعت سيال ، S قسمت متقارن تانسور گراديان سرعت ،K انرژي جنبشي توربولانس و g نيروي حجمي مخصوص مي باشد.
براي مدلسازي اغتشاش از شکل اصلاح شدة معادلة به شکل زيراستفاده شده است :
در اين رابطه عدد پرانتل متلاطم ، نرخ استهلاک انرژي جنبشي اغتشاشي ، Prk عدد پرانتل نـرخ اسـتهلاک انرژي جنبشي اغتشاشي و ثابتهاي مدل در جدول ١ آورده شده است .
مقدار ويسکوزيته موثر در معادلات فوق از رابطه زير قابل محاسبه است .
ويسکوزيتة ملکولي است .
در مطالعات انجام شده ترم هاي هدايتي و ديفيوزيو، بر اساس مشتق درجه دوم استفاده شده است . اين مدل شامل تاثيرات چرخش متوسط بر روي تنش هاي توربولانس است که عملکرد بهتري نسبت به مدل استاندارد k-ε سنتي در شبيه سازي جريان برشي همگن چرخشي و جريانات برشي آزاد مرزي دارد. براي اصلاحات سرعت -فشار و راه حل تکراري از معادلات گسسته سازي استفاده شده است . مشخصات هندسي هيدروفويل و ابعاد کانال تست شبيه سازي شده در جدول ١ آمده است .
توليد شبکه و شرايط مرزي
به منظور شبيه سازي جريان حول جسم ، شبکه محاسباتي در اطراف هيدرو فويل ايجاد شده است . در اين شبيه سازي از سلول هاي ٣ بعدي تتراهدرال جهت شبکه بندي اطراف جسم استفاده شده است . شکل ٥ نمايي از هندسه هيدروفويل و بازوهاي نگه دارنده را نمايش مي دهد.
شکل ٥: هندسه هيدروفويل و نگه دارنده ها
شکل ٦: نمايي از ميدان محاسباتي و شرايط مرزي اعمال شده
براي حل عددي ، سرعت به عنوان شرط مرزي ورودي و فشار استاتيک که به عنوان فشار مرجع به کار رفته به عنوان شرط مرزي خروجي در نظر گرفته مي شود. البته بايد توجه کرد که براي محاسبه همواره فشار در ورودي به عنوان فشار مرجع در نظر گرفته مي شود. ولي در اينجا به علت افت فشار ناچيزي که بين ورودي و خروجي وجود دارد، فشار خروجي را نيز همان فشار مرجع در نظر مي گيريم . شرط لغزش صفر نيز روي ديواره جسم قرار داده شده است (شکل ٦).
هيدروفويل در سرعت هاي افقي ٣،٢،١و٤ متر بر ثانيه و در زاويه حمله ٠ ، ١٠ ،١٣ ،٢٠ ، ٢٥ ، ٣٠ و٤٠درجه و به صورت سه بعدي مورد تحليل قرار مي گيرد. در اين شبيه سازي سعي شده تمام شرايط کانال در نظر گرفته شود. جدول ٢ شرايط جريان و جدول ٣ شرايط حل را نشان مي دهد.
