بخشی از مقاله
چکیده
بازدهی دینامیکی حرکات شناورهای تندرو از موضوعات پر اهمیت در سالهای اخیر بوده است. مشخصات دینامیکی بخصوص در شناورهای تندرو نظامی و مسافربری در چرخه طراحی شناورها، جای مخصوص به خود را یافته است. در طول قرن گذشته تحقیقات بسیاری بر روی شناورهای تندرو از نوع پروازی در آب آرام و امواج بصورت تئوری و تجربی انجام گرفته است. اکثر کارهایی که در این زمینه انجام گرفته است، مربوط به آب آرام می باشد. یکی از عوامل بسیار مهم و موثر در بازدهی دینامیکی شناورهای تندرو ، بحث کاربرد سیستم پیشرفته اسپری ریلها در آنها میباشد. امروزه اسپری ریلها به طور گسترده و در اشکال هندسی مختلف و بهینه شده حاصل از کارهای تجربی و تئوری، به کار گرفته می شوند .
در روش تخمینی مقاومت شناورهای پلنینگ که در اکتبر 1964 توسط ساویتسکی منتشر شده است وتاکنون نیز مورد استفاده میباشد، تنها به بررسی مولفههای نیروی مقاومت لزجی و فشاری پرداخته است. این نیروها به سطح کف بدنه پلنینگ، آن هم بعد از خط سکون وارد میشوند. بنابراین لازم است مؤلفههای دیگر مقاومت را که سبب بروز خطا در روش ساویتسکی میشوند نیز بررسی نمود. یکی از مهمترین این مؤلفهها، نیروی مقاومت ناشی از اسپری است که در جلوی خط سکون اتفاق میافتد. این درحالی است که در روش مذکور این مولفه به حساب نیامده است. البته در مطالعات قبلی ارائه شده توسط ساویتسکی اشاراتی راجع به این موضوع شده است، همچنین در تحقیقات ساویتسکی-راس - 1952 - و ساویتسکی-نیدینگر - 1954 - نیز در مورد مولفه نیروی مقاومت اسپری اشاراتی شده است.
تعریف اسپری
شکل 1 نمایی از مساحت خیس شده کف بدنه را در زمان پلنینگ نشان میدهد همانگونه که دیده میشود این مساحت بطور کامل به دو بخش تقسیم میشود. یک ناحیه که در عقب خط ایستائی قرار دارد و با نام مساحت فشاری نامیده میشود و دیگری ناحیهای است که در جلوی این قسمت وجود دارداصولاً. سرعت جریان در طول خط ریشه اسپری، در جهت خط ایستائی است. معمولاً. در مقیاس مدل، اسپری به شکل یک ورقه ممتد دیده میشود. این در حالی است که در مقیاس کامل ورقههای اسپری شکسته شده و به قطرات ریز بیشماری تبدیل میشوند.
شکل :1 نمای کف بدنه پلنینگ و جریان های عبوری از روی آن
اصول هیدرودینامیکی و چگونگی عملکرد اسپری ریل
یک روش برای ایجاد نیروی لیفت هیدرودینامیکی بیشتر در شناورهای تندرو اضافه نمودن اسپری ریل در راستای طولی بدنه می باشد. هنگامیکه آب به طرف ساید شناور جریان می یابد، با استفاده از اسپری ریل جریان آب به سمت پایین هدایت داده شده که با این عمل علاوه بر اینکه نیروی لیفت هیدرودینامیکی افزایش می یابد به دلیل کاهش سطح خیس شناور به دلیل جدا شدن صفحه اسپری ایجاد شده توسط ناحیه جلوی شناور، مقاومت کل شناور به طور چشمگیری کاهش مییابد .
همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، در نقطه A جایی که آب بدنه را ترک میکند، تا آنجایی که امکان دارد تیز ساخته میشود. ولی در نقطه B باید بصورت منحنی باشد تا باعث ازدیاد مقدار مقاومت شناور نشود - آنهایی که درون آب قرار می گیرند - و نقطهC باید بصورت منحنی ساخته شود که باعث زیاد شدن مقاومت شناور نگردد. برای افزایش مقدار لیفت هیدرودینامیکی، سطح بین نقاط BوA بصورت منحنی و رو به پایین ساخته میشود. مقدار طول AB برابر 0.06[b/2] میباشد که b همان عرض شناور در همان مقطع می باشد - عرض Spray Rail در طول شناور متغیر میباشد .
نمای عرضی اسپریل ریل
از آنجایی که در ناحیه جلوی شناور آب به سمت سایدها بالا میآید، عملکرد اسپری ریلها در این ناحیه خیلی موثر هستند .در صورتی که جریان آب خیلی موازی کیل شناور باشد، ممکن است اسپری ریلها قطع شوند، ادامه دادن اسپری ریلها در این نواحی باعث زیاد شدن مقاومت شناورمی شود ولی میتوان از آنها جهت کاهش رول شناور - Anti-Rolling Device - استفاده نمود.
انواع فرم هندسی سیستم های پیشرفته اسپری ریل
مقاومت حاصل از اسپری
درگ اسپری در بسیاری از فرمهای بدنه مقدار قابل ملاحظهای از مقاومت کل شناور را تشکیل میدهد که معمولا مقدار آن را کمتر از مقدار واقعی آن در محاسبات به کار میبرند . انواع بدنه شناور تندرو، هیدروفویلها، و اسپری حاصل از ورود شفت به داخل آب نمونههایی از تولید مقاومت اسپری میباشد. در مورد بدنه شناورها، امروزه در طراحیهای جدید با استفاده از سیستم بهینه اسپری ریل میتوان مقدار این مقاومت را به حداقل رساند. طبق روابط ارائه شده توسط muller-graf مقاومت اسپری به دو بخش تقسیم می شود
که RSP نیروی مقاومت اسپری فشاری و RSF نیروی مقاومت اسپری اصطکاکی است. ترم اصطکاکی مقاومت اسپری تابع عدد رینولدز و وبر میباشد و ترم فشاری تابع عدد فرود است .
RSP به دلیل گرادیان فشار زیاد در ناحیه جلوی شناور در نزدیکی سطح آزاد آب، به دلیل شکلگیری Spray root و گسترش اسپری به سمت بالاو عقب شناور به وجود میآید . بنابرین RSP با تولیدSpray root به وجود میآید. ترم اصطکاکی درگ اسپری نیز به دلیل اصطکاک سیال روی بدنه در قسمت بالای سطح آب میباشد .
در سال 1984 ، ITTC پیشنهاد داد که شناور های نیمه پلنینگ با فرم هندسی Round bildge با سیستم اسپری ریل جهت امکان سنجی کاهش مقاومت شناور تست شود که علت آن را کاهش سطح خیس شناور تا 50 الی 60% سطح خیس حالت rest - سکون - شناور عنوان کرد . Muller-Graf با انجام آزمایش های بسیار نشان دادند که استفاده از سیستم اسپری ریل با شکل هندسی مناسب و بهینه در صورتی که با گوه پاشنه ترکیب شود عامل بسیار موثر در کاهش مقاومت شناور می باشد.
تاثیر اسپری ریلها در کاهش درگ
پرفسور کلمنت آزمایشاتی را در حوضچه کشش برای دو نمونه مدل طراحی کرده که در آنها اثرات افزودن نوارهای اسپری در کف شناور مورد بررسی قرار گرفته است. این اسپری ریلها به گونهای در کف بدنه قرار گرفتهاندکه از مقاومت هیدرودینامیکی کل بکاهند. او در این آزمایشها با تغییر در هندسه، مقیاس مدل، بارگذاری، اندازه و موقعیت اسپری ریلها موفق به ارائه نتایجی شده است که میتوان با کمک آن یک مقایسه مناسب را بین مقادیر محاسباتی و اندازه گیری شده مربوط به مقاومت اسپری ارائه کرد.[4] مدل مورد استفاده برای این آزمایشها یک شناور پلنینگ با طول 20,7 متر بوده که با مقیاس 1/6 آزمایش شده بود.
نمای روبروی این بدنه و جابجایی ریلهای منحرفکننده اسپری در شکل4 و شکل 5 نمایش داده شده است. در این شناور زاویه ددرایز کف برابر 20,5 درجه و در شناور واقعی عرض چاین های شناور برابر 4,75 متر - مدل 0. 8 متر - میباشد. هر یک از این ریلها، بخشی از اسپری جلویی را از کف شناور منحرف میکند و سبب ایجاد نواحی خشک محلی در سطح کف شناور میشود. بطوریکه حتی این خشکی از لبههای خارجی اسپری ریل تا چاینها نیز ادامه پیدا میکند. با انتخاب و جایگذاری هوشمندانه تعدادی از این اسپری ریلهای کوچک، میتوان تا حدود زیادی از برخورد اسپری با کف شناور جلوگیری کرد.
در این مدل تستها کلمنت فرض کرد که لایه مرزی اسپری ترکیبی از جریانهای لایهای و مغشوش است و به همین علت میتوان از یک ضریب اصطکاکی گذرا استفاده کرد و بدینوسیله ضریب اصطکاکی را بعنوان تابعی از عدد رینولدز اسپری بیان کرد. البته یک واقعیت که نباید آن را فراموش کرد این است که هنوز تجربیات بیشتر و مطالعات تحلیلی دقیقتری نیاز است تا بتوان این رژیم ناشناخته جریان و ضرایب لزجت مربوط به آن را هم برای اعداد رینولدز شناور مقیاس کامل و هم مدل بکار برد.
شکل:4 نمای روبروی بدنه استفاده شده در آزمایش کلمنت
شکل:5 اسپری ریلهای پیشنهاد شده توسط کلمنت و نحوه عبور جریان از روی آنها
نمونهای از نتایج آزمایش مدل را با استفاده این اسپری ریلها نیز در شکل6 ارائه شده است. از این نمودارها بطور واضح مشخص است که افزودن اسپری ریلها، بدون افزایش مقاومت در سرعتهای پایین، در سرعتهای بالا حتی بدون تغییر در مقادیر تریم و ددرایز شناور میتواند تا حدود %7 از مقاومت کل شناور بکاهد. از اینجا میتوان اختلاف بین مقاومت کل بدنه در شناور بدنه لخت و بدنه دارای اسپری ریل را به عنوان اثر مقاومت اسپری در نظر گرفت. لازم به یادآوری است که در سرعتهای بالاتر مقاومت اسپری تقریبا %15 از کل نیروی مقاومت را شامل میشود و این مقدار بسیار قابل ملاحظه است.
تعیین معادله درگ حاصل از اسپری
طبق قاعده بازتاب، شکل سطح خیس شده اسپری ریل بصورت یک مثلث متساوی الساقین خواهد بود که اضلاع آن برابر با طول خط سکون و زاویه بین آنها برابر میباشد. که تصویر سطح اسپری چنین خواهد بود
