بخشی از مقاله
چکیده
شرایط محیطی دریا شامل موج و باد بر بسیاری از پارامترها و مشخصههای عملکردی شناور مانند سرعت، ایمنی دریانوردی، نیروهای دینامیکی وارد بر سازه و غیره تاثیرگذار است. از این رو بررسی حرکات در موج شدید، جهت افزایش قابلیت عملیاتپذیری و ایمنی شناور و خدمه، از مسائل مهمی میباشد که لازم است مورد توجه طراحان قرار گیرد. در این مقاله به صورت مطالعه موردی حرکات یک شناور سهبدنه در موج شرایط دریایی6 و در سرعتهای مختلف، از حالت سکون تا سرعت 16 نات با استفاده از نرمافزار فلوتریدی1 که یک نرم افزار عددی جهت حل جریان سیالات میباشد، شبیه سازی گردیده است. روش به کار گرفته شده در این مقاله با شبیهسازی یک شناور تک بدنه مشابه در نرمافزار مکسرف مورد صحتسنجی قرار گرفته است. نتایج به دست آمده نشان میدهند در زاویه برخود موج جانبی، رفتار شناورهای سه بدنه کمی متفاوت از شناورهای تک بدنه موجود میباشد. در این شرایط شناور دارای حرکت رول کم و هیو بیشتری نسبت به آنچه در گزارشات آمده، میباشد.
کلمات کلیدی: تحلیل دریامانی، شناور سه بدنه، فلوتریدی، دینامیک سیالات محاسباتی
مقدمه
شناورهای سه بدنه بعلت عملکرد مطلوب در شرایط مختلف دریا، در سالیان اخیر مورد توجه بسیاری از طراحان قرار گرفتهاند. از ویژگی های منحصر به فرد این نوع شناورها میتوان به مقاومت پایین در سرعتهای بالا ، پایداری بسیار زیاد در حالت سالم و صدمه دیده به دلیل وجود بدنه-های کناری، توانایی داشتن عرشه بزرگ، شرایط دریامانی بهتر و غیره اشاره نمود. اهمیت این موضوع از آنجا بیشتر میشود که کشورهای پیشرفته در صنایع نظامی، مطالعات و آزمایشات گستردهای را در این زمینه انجام داده و برای ساخت شناورهای خود از پلتفرمهای سه بدنه استفاده کردهاند - شناور LCS کشور آمریکا - . از این رو شناور سه بدنه به وسیلهای با کارایی بالا، به خصوص در صنایع نظامی، تبدیل شده است.
مطالعه حرکات دینامیکی و بارهای وارد شده بر یک شناور از سوی امواج، در شناورهای تک بدنه، با استفاده از تئوری نواری توسط محققین بسیاری مورد توجه قرار گرفته است، 1]و.[2 کارهای محدودی نیز در حوزه شناورهای دوبدنه با استفاده از تئوری نواری یا تئوری سه بعدی انجام شده است 3]و.[4در شناورهای سه بدنه - تریماران - به دلیل تأثیرات قابل توجه بین بدنه میانی و بدنههای جانبی، استفاده از تئوری نواری با محدودیتهایی همراه خواهد بود و نتایج به دست آمده قابل اعتماد نمیباشند. محققان معدودی نیز از این تئوری برای تحلیل مسائل مرتبط با شناورهای سه بدنه استفاده نمودهاند .[5]
به منظور برطرف نمودن مشکلات تئوریهای موجود گذشته و دستیابی به نتایجی قابل قبول، بینقام و همپشیر در سال 2001 و فانگ و چن در سال 2005 از تئوریهای سه بعدی برای تحلیل شناورهای سهبدنه استفاده نمودند، 7]،. [6 در سال2012 آقای رودریگو به روش تئوری نواری و محاسبات عددی جریان سیال دریامانی یک شناور سهبدنه و تکبدنه را محاسبه و مقایسه کرد که نتایج نشان داد رفتار دینامیکی شناور سهبدنه نسبت به شناور تکبدنه مشابه بهتر میباشد و نتایج بدست آمده از محاسبات عددی به دلیل شبیهسازی بهتر اندرکنش بین بدنههای شناور روش مناسبتری برای شبیهسازی حرکت شناورهای سهبدنه میباشد.[8]
در این مقاله به منظور محاسبه و بررسی دقیقتر پارامترهای هیدرودینامیکی، به مدل سازی و تحلیل یک شناور سه بدنه در نرمافزار فلوتریدی که مبتنی بر روش عددی حجم محدود2 میباشد، پرداخته میشود. جهت انجام تحلیلهای دریامانی از الگوی موج منظم بر اساس شرایط دریایی 6،موج 5 متر و پریود 9,5 ثانیه، بهره برده شده است. نتایج مربوط به حرکات شناور در راستاهای پیچ، هیو و رول برای زوایای برخورد مختلف اندازه-گیری شده و نمودارهای آن ارائه گردیده است.
معادلات حاکم
شناور مورد مطالعه در این مقاله، از نوع شناورهای سه بدنه با مشخصات ابعادی داده شده در جدول 1 میباشد. جهت مثبت محور x به سمت سینه شناور و جهت مثبت محور z نیز به سمت بالا میباشد. همچنین جهت موج از روبرو با عنوان زاویه موج 180 درجه تعریف میگردد.جهت بررسی رفتار جسمی که با سرعت ⃗ در جریان سیال حرکت میکند، لازم است در ابتدا کلیه نیروهای وارد بر آن مشخص گردند. در این مقاله از اندیس برای بیان اندازه نیروی کل وارد بر شناور استفاده میشود که در آن 1 2 3 بیانگر مولفههای نیرو در راستای x,y,z و 4 5 6 نشان دهنده مومنتم در همان راستاهای مذکور میباشد. مقدار نیروی کل از مجموع دو نوع نیروی کلی به نام نیروهای گرانش و سیال به دست میآید.
1 2 6× - 1 - نیروهای وارد شده از سوی سیال از ترکیب نیروی هیدرواستاتیک1 و نیروهای هیدرودینامیکی2 به دست میآیند. همانگونه که از تعاریف داده شده در مراجع مشخص است، نیروهای هیدرودینامیکی مربوط به عکسالعمل سیال اطراف جسم متحرک و نیروهای هیدرواستاتیک مربوط به نیروهای فشار استاتیکی وارد از دریا بر شناور میباشد. جریان سیال در اطراف شناورها مغشوش فرض میشود و با اعمال شرایط اولیه و مرزی، معادلات مربوط به آن به صورت عددی حل میگردد. در هنگام اعمال شرایط مرزی، جریان ویسکوز فقط در مرز جسم در نظر گرفته میشود. برای بیان ریاضی جریان اطراف جسم، از معادله ناویراستوکس و پیوستگی استفاده میشود که برای همین مدل از جریان ارائه شدهاند. معادله ناویر استوکس در حالت کلی به صورت زیر ارائه شده است.
در این رابطه ⃗ نیروی گرانش، ⃗ نیروی فشاری و ⃗ نیروی ویسکوز است که در آن تانسور تنش میباشد. چنانچه سیال غیرقابل تراکم
در نظر گرفته شود، آنگاه معادلات ناویراستوکس مطابق زیر بدست میآید:
نرمافزار فلوتریدی یک نرمافزار تجاری میباشد که به وسیله حل معادلات ذکر شده در بالا به روش عددی، معادلات حرکت و پارامترهای موردنیاز حل آنها را استخراج میکند. یکی از قابلیتهای عمده این نرمافزار، توانایی مدل کردن جریانهای دارای سطح آزاد با روش 1VOF است که در فرآیند شبیهسازی حرکت شناور در دریا پرکاربرد میباشد. اصول کلی اجرا و استخراج نتایج از این نرمافزار مانند اکثر نرم افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی بر اساس رسم مدل فیزیکی، خصوصیات فیزیکی مسئله مانند بررسی گرانش، نوع آشفتگی ، شرایط مرزی و اولیه، نحوه مش-بندی مسئله و ویژگی های سیال میباشد.
ارائه فرضیات و روش حل
در نرم افزارهای شبیهسازی، اعمال شرایط مرزی و اولیه مناسب برای جریان سیال در اطراف شناور، بسیار حائز اهمیت است. با اعمال این شرایط به صورت دقیق میتوان شرایط واقعی مورد انتظار دریا را برای شناور مورد بررسی بوجود آورد. در مورد شرایط مرزی سطح آزاد در این نرم افزار، لازم به ذکر است که شرایط عدم عبور جریان عمودی2 و فشار ثابت اتمسفر در سطح به وسیله تعیین آبخور شناور اعمال میشود و لذا تنها لازم است شرایط مرزی 6 وجه حجم کنترل یا همان محدوده حل مسئله مشخص گردد. در وجه که جهت ورود جریان و موج میباشد، شرط مرزی موج3 تعریف میشود.
جهت بررسی حرکت شناور در آب آرام و قابلیت مقایسه دامنه حرکات مختلف، مسئله به گونهای تنظیم شده است که شناور در ابتدا در آب آرام تحلیل شود و در ادامه در شرایط موج مورد نظر قرار گیرد. نرم افزار فلوتریدی توانایی تعیین نوع موج، یعنی منظم و نامنظم بودن را دارد و مشخصههایی مانند ارتفاع موج، پریود و طول موج را میتوان برای آن تعیین نمود. در شکل 2 پارامترهای موج منظم و الگوی تغییرات آن نشان داده شده است.در وجهشرط مرزی خروج سیال4 اعمال میشود تا به جریان سیال اجازه خروج از قلمرو داده شود. این شرط مرزی برای هنگامی که سیال غیرقابل تراکم است و مقدار فشار و سرعت خروجی سیال در اختیار نیست، بسیار مناسب است. در وجوه جهت نشان دادن وسعت شبکه محاسباتی در آن راستا، شرط مرزی تقارن5 اعمال میگردد. نکته حائز اهمیت در اعمال این شرط مرزی این است که لازم است.
