بخشی از مقاله
در این مقاله، از نتایج یک آزمایش، نیروها و ممان وارده بر یک پرتابه استوانهای سوپرکاویتاسیونی استخراج شده است. این پرتابه بعد از خروج از یک پرتابکننده و حرکت در فاصله کم در هوا، با زاویه کم نسبت به سطح آزاد، وارد آب شده است. این آزمایش با توجه به سرعت بالای پرتابه و زاویه ورود کم نسبت به آب، کم نظیر است و پردازش نتایج این آزمایش، اطلاعات با ارزشی را در اختیار طراحان این وسایل قرار میدهد. با توجه به در اختیار بودن فیلمسرعت بالای این آزمایش و پردازش تصویر، مقادیر سرعت و شتاب پرتابه در هر زمان بدست آمد و در مرحله بعد، نیروها، ممانها و ضرایب ، و استخراج شدند. مقدار با پیشبینیهای منابع گذشته همخوانی نسبی دارد. نتایج مربوط به مقادیر و در هر دو فاز حرکت پرتابه - فاز بدون برخورد دمی و فاز با برخورد دمی - اطلاعات مهم و کم نظیر است و فرضیات گذشته را تغییر میدهند. نتایج آزمایش همچنین اطلاعات خوبی در ارتباط با تغییرات سرعت زاویهای پرتابه در اختیار قرار داد که در بحث پایداری این وسایل کاربرد دارد.
مسئله ورود به آب یک رونده با سرعت زیاد و زاویه کم دارای کاربرد زیاد میباشد و تحقیقات زیادی بر روی این موضوع شده است. ولی اکثر این تحقیقات منتشر نشده است. بنابراین مطالعه بر روی این مسئله دارای اهمیت زیادی است . یک مطالعه آزمایشگاهی نادر و مفید در مسئله ذکر شده در منبع در انجام شده است و فیلم برداری سرعت بالای انجام شده، در دسترس میباشد. این فیلم سرعت بالا از ورود پرتابه به آب، در تحقیق حاضر مبنای کار قرار خواهد گرفت.
با توجه به آخرین اطلاعات مولفین، هیچ تحقیق آزمایشگاهی منتشر شده که تغییرات سرعت زاویه پرتابه سوپرکاویتاسیونی در آن استخراج شده باشد، انجام نشده است در تحقیق حاضر تغییرات سرعت زاویه پرتابه مورد توجه خاص قرار میگیرد و ممان وارده بر پرتابه استخراج میشود. این موضوع در بررسی پایداری پرتابه سوپرکاویتاسیون بسیار مهم است. به منظور تجزیه و تحلیل حرکت پرتابههای سوپرکاویتاسیونی، لازم است که نیروها و گشتاورهای وارد به پرتابه در حین حرکت ، محاسبه شوند. محاسبه این نیروها به علت سرعت بالای پرتابه و عدم شناخت خوب از پدیده سوپرکاویتاسیون، امر بسیار دشواری است. در سالهای اخیر کارهای زیادی بر روی تحلیل پرتابه های سوپرکاویتاسیونی و نیروهای وارد بر آن انجام شده است.اکثر کارهای صورت گرفته در این حوزه، تحلیلی میباشد. برای اعتبار بخشی به نتایج تحلیل و همچنین مطالعه دقیق پدیده سوپرکاویتاسیون، چندین تست برای چند پرتابه انجام داده است . فیلم های سرعت بالای این تست ها موجود میباشد.
در این مقاله، به علت بالا بودن هزینه های تست و همچنین عدم وجود زیرساختهای لازم برای انجام تستهای شلیک پرتابه های سوپرکاویتاسیونی ، از دادههای تست ، برای تجزیه و تحلیل پرتابههای سوپرکاویتاسیونی استفاده شده است. در زمینه تحقیق حاضر، چنیدن مطالعه انجام شده است این تحقیقات هم در ایران و هم در کشورهای دیگر انجام شده است که در ادامه شرح مختصری از نتایج آنها ارائه میشود. شفچنکو1 و همکارانش در با استفاده از نتایج آزمایشگاهی حرکت اجسام با سرعت زیاد در آب، یک رابطه تجربی برای تخمین شکل حباب سوپرکاویتاسیون متقارن محوری ارائه کرده اند. وانگ2 و همکارانش در ارتباط بین شکل حباب سوپرکاویتاسیون و پارامترهای یک نمونه کاویتاتور را بررسی کرده و یک رابطه تجربی جهت محاسبه طول و ضخامت حباب سوپرکاویتاسیون طبیعی ناشی از شلیک یک پرتابه را ارائه کرده اند. پینگ3 و همکارانش در با استفاده از نرمافزار فلوئنت، به شبیه سازی عددی شکل حباب سوپرکاویتاسیون همراه تزریق هوا پرداخته و نیروی پسای پرتابه را محاسبه نموده است.
ربیعی و همکارانش در 6] و [7 به بررسی آزمایشگاهی و عددی پدیده سوپرکاویتاسیون یک جسم متحرک شتابدار پرداختند. آنها نشان دادند که نرمافزار فلوئنت قابلیت مدل سازی میدان جریان سوپرکاویتاسیون را داشته و نتایج حاصل از حل عددی با داده های تجربی تطابق خوبی دارند. همچنین ربیعی و همکارانش در چندین تست برای مطالعه بر روی پدیده سوپرکاویتاسیون حاصل از ورود و حرکت پرتابه سرعت بالا به داخل آب، انجام دادهاند. آزمایشهای انجام شده بر روی چندین پرتابه با شکل سر مختلف و برای سرعت و زاویه ورود مختلف میباشد. وی مشاهده کرد که با افزایش سرعت دهانه و کاهش زاویه ورود پرتابه به آب، در پرتابههای با نوک نیم کرهای تغییر جهت حرکت وجود ندارد . این در حالی است که برای پرتابههای با نوک تخت، تغییر مسیر حرکت زیادی مشاهده شد. ربیعی علت این موضوع را مربوط به نحوه جدا شدن و تشکیل حباب کاویتی میداند. همچنین مدل عددی ارائه شده نیز این موضوع را تصدیق میکند. تروسکات و همکارانش در ورود به آب پرتابههای بالستیک را با استفاده از دوربینهای سرعت بالا مورد مطالعه قرار داده اند. پرتابه مورد استفاده دارای کالیبر 0,22 و زاویههای ورود مورد بررسی بین 5 تا 15 میباشد. همچنین عدد ماخ بین 0,3 تا 1 میباشد. وی در این مطالعه در مییابد که ورود موفق پرتابه به آب تابع شکل سر پرتابه و نسبت طول به قطر پرتابه میباشد. وی مشاهده کرد که با کاهش نسبت طول به قطر پرتابه، ورود به آب پرتابه کاهش مییابد.
حسن فروزانی و همکارانش در برخورد زمانمند الاستوپلاستیک پرتابه پرسرعت با سطح آب را به صورت عددی و با استفاده از روش اختیاری لاگرانژ-اویلر شبیهسازی کرده اند. پرتابه یک جامد الاستوپلاستیک در نظر گرفته شده، شبکه آن به روش لاگرانژ ایجاد شده است. آب نیز یک سیال تراکم پذیر فرض شده است و شبکه آن با روش اویلر تولید میشود. در این کار، شبیهسازی در سه گام انجام شده است. تحلیل تنش استاتیکی، دینامیکی و همچنین تحلیل برخورد پرتابه با درجات آزادی کامل به سطح آب. به منظور صحه گذاری نتایج، انتشار موج تنش ایجاد شده در پرتابه ناشی از برخورد با آب، با نتایج تحلیل مقایسه شده است. نتایج نشان میدهد که بیشترین خطا در مقایسه با نتایج تحلیل حدود %5 است. همچنین مقدار بیشینه تنش و مکان/مسیر شکست در پرتابه با دادههای آزمایشگاهی مقایسه شده است. تطابق خوب بین مقادیر پیشبینی شده و آزمایشگاهی و تحلیلی نشاندهنده دقت این الگوریتم عددی است. برخورد پرتابه با سطح آب با زوایای مختلف نیز، شبیهسازی شده و محدوده ایمن زاویه پرتاب بدست آورده شده است.
همچنین حسن فروزانی و همکارانش در نحوه شکل گیری و سیر تکامل حباب سوپرکاویتاسیون و تاثیر آن بر کاهش نیروی مقاوم برای یک جسم متحرک زیرسطحی را به صورت عددی و آزمایشگاهی بررسی کردهاند. به منظور شبیه سازی عددی جسم متحرک زیرسطحی، از معادلات میانگینگیری شده ناویراستوکس زمانمند چندفازی، همراه با مدل شش درجه آزادی حرکت جسم صلب استفاده شده است. با توجه به عدم وجود نتایج آزمایشگاهی در مورد پرتابههای پر سرعت زیرسطحی، حل عددی زمانمند برای پرتابهای با سرعت 100 متر بر ثانیه انجام و نتایج آن در راستای تنظیم کد عددی، با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است. نتایج حاصل از حل عددی نشان میدهد که حباب سوپرکاویتاسیون در زمانی کمتر از 2 میلی ثانیه، پرتابه سرعت بالا را به طور کامل احاطه کرده و نیروی پسای وارد به پرتابه را %66 کاهش میدهد.
چانگ زو4 و همکارانش در به صورت تجربی و با استفاده از فیلم برداری سرعت بالا، ورود به آب مایل چندین پرتابه با سرهای مختلف را بررسی کرده اند. آنها مشاهده کردند که برای ورود به آب با سرعت بالا - بیشتر از 50 متر بر ثانیه - کاویتی تشکیل شده متقارن بوده و اثر جاذبه بر آن دیده نمیشود. زو یو وی5 و همکارانش در یک سری مطالعات تجربی بر روی ورود به آب چندین سیلندر دایرهای سه بعدی در عدد فرود کم انجام داده اند. تاکید مطالعات زو یو وی بر روی اثر زاویههای ورود مایل میباشد. همچنین اثرات نسبت تراکم و نسبت طول به قطر پرتابه را بررسی کردهاند. همچنین در این مقاله، نیروی برآ، نیروی پسا و گشتاور وارد به پرتابه توسط تجزیه و تحلیل نتایج تجربی، تخمین زده شده است. محمد رضا عرفانی و همکارانش در مسئله ورود به آب یک پرتابه با سر کروی را به صورت عددی و تجربی مورد مطالعه قرار داده است. وی شبیهسازی حرکت را توسط یک مدل 3 بعدی با 6 درجه آزادی انجام داده است. نتایج شبیه سازی عرفانی مانند شکل کاویتی، مسیر حرکت پرتابه، همخوانی خوبی با نتایج تجربی دارد.
در ادامه مقاله، در ابتدا به چگونگی استخراج موقعیت مکانی و زاویهای پرتابه در زمانهای مختلف میپردازیم سپس با مشتقگیری از منحنی های منطبق شده بر نتایج آزمایش، سرعت و شتاب پرتابه استخراج میشود. در مرحله بعد، نیروها و ممانهای وارده بر پرتابه استخراج و بر اساس آنها، برخی از ضرایب هیدرودینامیک پرتابه استخراج میشود و نتایج بدست آمده بحث میشود. در بخش آخر، نتایج مهم و پیشنهادات ارائه میشود. استخراج موقعیت پرتابه در هر لحظه با استفاده از تحلیل فیلم سرعت بالای شلیک پرتابه در این قسمت،روش مورد استفاده در این مقاله برای استخراج موقعیت پرتابههای سوپرکاویتاسیونی از فیلم سرعت بالا، توضیح داده می شود. بدین منظور در ابتدا از تک تک فریم های فیلم سرعت بالای حرکت پرتابه، توسط نرم افزار KMplayer و یا نرم افزارهای مشابه، عکس گرفته میشود. باید دقت شود که این تصاویر به ترتیب ذخیره شوند. سپس تصاویر تهیه شده از فیلم سرعت بالا را، داخل نرمافزار AUTOCAD میبریم. شکل 1 چند فریم از فیلم سرعت بالای شلیک پرتابه را نشان میدهد.
از آنجا که ابعاد پرتابه تست شده معلوم میباشد، نسبت تصاویر ذخیره شده در نرمافزار AUTOCAD را چنان تغییر میدهیم تا ابعاد تصویر پرتابه با ابعاد پرتابه تست شده یکسان شود. حال با اندازه گیری فاصله افقی و عمودی مرکز پرتابه نسبت به یک مرجع مشخص موقعیت پرتابه در هر فریم تعیین می شود. همچنین با اندازهگیری زاویه بدنه نسبت به افق، زاویه پیچش پرتابه در هر فریم محاسبه میشود. شکل 3 یکی از فریم های فیلم سرعت بالای شلیک پرتابه سوپرکاویتاسیون را نشان میدهد. در شکل طریقه اندازه گیری فاصله افقی و عمودی پرتابه از مرجع مورد نظر و همچنین زاویه پیچش پرتابه مشخص است. از آنجا که فاصله زمانی هر فریم مشخص میباشد، میتوان نمودار جابجایی وسیله را نسبت به زمان تعیین کرد. شکل 4 نمودار های موقعیت و وضعیت پرتابه را نشان میدهد. اندازه گیریها به منظور تحلیل خطای اندازهگیری، توسط دو نفر و به صورت جداگانه انجام شده است.
