بخشی از مقاله
چکیده
تحلیل حرکت شتابدار یک زیرسطحی نیازمند آشنایی با معادلات حرکت وسیله در دو حالت دائم و غیردائم است. دو نیروی مقاومت هیدرودینامیکی و جرم افزوده از جمله مجهولات معادلات حرکت است که به صورت ضرایب هیدرودینامیکی بیان میشوند. شرایط مرزی و محیطی دو عامل تاثیر گذار در محاسبه این ضرایب هستند. نمونهای از این موارد، حرکت پرتابهها در داخل محفظهای با انتهای باز است. در این حرکت به علت اینکه پرتابه دارای حرکت شتابدار است؛ نیروی وارد بر پرتابه متفاوت از حرکت در فضای آزاد است. ضرایب هیدرودینامیکی یک پرتابه با استفاده از نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی محاسبه شده است.
در ابتدا ضرایب دائم وسیله با استفاده از حرکت بدون شتاب زیرسطحی در راستای محوری تعیین میشود. برای محاسبه ضرایب غیر دائم از حرکت شتابدار در راستای محوری وسیله الگو گرفته و اختلاف نیروی حاصل با نیروی حالت دائم، به عنوان عامل ضریب جرم افزوده تعیین شده است. با نزدیک شدن مرزهای جامد به بدنه یک پرتابه ضرایب مقاومت هیدرودینامیکی و جرم افزوده افزایش مییابد.
نتایج شبیهسازی یک پرتابه با بدنه مشخص نشان میدهد که نزدیکی مرزهای جامد به بدنه در لحظه خروج از محفظهی پرتاب باعث رفتار غیرخطی در روند افزایشی ضریب درگ میشود. این رفتار حاصل از تغییرات توزیع فشار در اطراف بدنه و تداخل لایه مرزی سطح بدنه و محفظه پرتاب در این نواحی است. همچنین ورود آب به داخل محفظه باعث تغییر در رفتار ضریب درگ میشود که با کاهش قطر محفظه پرتاب، تغییرات ضریب درگ بهبود مییابد.
مقدمه
یکی از بخشهای مهم آنالیز نیرویی در سامانههای دریایی بررسی نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر بدنه آن است. نیروها و گشتاورهای حول بدنه در زوایای مختلف جریان ناشی از توزیع فشار و اصطکاک روی بدنه هستند که به صورت نیروهای بازگرداننده، بازدارنده و جرم اضافی طبقه بندی می شوند . نیروی بازگرداننده شامل تقابل نیروی بویانسی و وزن وسیله است که به شرایط هیدرواستاتیکی سامانه بستگی دارد. نیروهای بازدارنده در جهت بازداشتن اجسام از حرکت در درون سیالات عمل میکنند.
زمانی که جسمی درون سیال حرکت میکند بر هم کنشی بین جسم و سیال رخ میدهد. تنش برشی که به علت اثرات گرانروی به وجود میآید عامل اصلی به وجود آمدن نیروی بازدارنده است. این نیرو یکی از عوامل اصلی در تعیین مقدار توان لازم در سیستم رانش وسیله است. نیروها و گشتاورهای جرم افزوده، هنگام شتاب گرفتن وسیله ظاهر میشوند. در حقیقت هنگامی که یک جسم درون سیال، شتاب میگیرد، سیال اطراف جسم، متلاطم شده و آن نیز شتاب میگیرد. حرکت دادن سیال اطراف جسم، نیازمند نیرویی بیشتر و اضافهتر از آنچه برای شتاب دادن خود جسم میباشد، مورد نیاز است.
جرم افزوده یک ضریب تناسب مربوط به نیروی اضافی مورد نیاز برای شتاب دادن به جسم است. ذکر این نکته مهم است که هیچ جرم مشخص و متمایزی از آب وجود ندارد که با وسیله در حال حرکت باشد. جرم افزوده تنها یک جرم فرضی است و به بیان دیگر یک روش مناسب برای توصیف نیروی اضافی برای حرکت دادن شتابدار یک جسم درون یک سیال است. جرم افزوده برای محاسبه دقیق حرکت شتابدار وسیله، بسیار با اهمیت است. انرژی جنبشی مورد نیاز برای حرکت دادن سیال، از طریق نیروهای فشاری تأمین میشود و از آنجایی که فشار سیال به صورت عمود بر بدنه جسم وارد میشود، هندسه جسم، پارامتر اصلی تأثیرگذار در تعیین جرم افزوده است
روش تحقیق
تانگ - Tang, 1999 - ، پرسترو - Prestero, 2001 - و ریدلی - Ridley et al, 2003 - با مقایسه نتایج تحلیلی، عددی و آزمایشگاهی یک زیرسطحی دقت ضرایب هیدرودینامیکی محاسبه شده را بررسی کردند. تیاگی - Tyagi and Sen, 2014 - اثر تغییر نسبت طول به قطر زیردریایی در محاسبه ضرایب هیدرودینامیکی به روش دینامیک سیالات محاسباتی را مورد تحقیق قرار داد.
ویلیامز و همکاران - Williams et al, 2006 - در پژوهش خود به بررسی رفتار هیدرودینامیکی 5 بدنهی استوانهای با نسبت طول به عرض 8/5 تا 12/5 بهصورت تجربی پرداختند. از نتایج مهم پژوهشهای انجام شده میتوان به استخراج رابطهای برای تخمین نیروی درگ محوری اشاره کرد.
صادق زاده پراپری - Sadeghzadeh Parapari et al, 2012 - ضرایب هیدرودینامیکی زیرسطحی هوشمند اسیوتی1 2 را با آزمایش بر روی مدلی با نسبت یک چهارم نمونه اصلی به دست آوردند . آنها با توجه به امکانات آزمایشگاهی که در اختیار داشتند مدل و متعلقات را تست کردند و 3 ضریب جرم افزوده و 9 ضریب ماتریس میرایی زیرسطحی بدنه متقارن خود را به دست آوردند.
مونسان و همکاران - Moonesun et al, 2013 - مقایسهای بین نتایج آزمایش مدل در حوضچه کشش، نتایج دینامیک سیالات محاسباتی و نتایج تجربی یک زیرسطحی انجام دادند. آنها ضرایب مقاومت بدنه را بهوسیله چهار روش مختلف تجربی به دست آورند و نتایج خود را با تست مدل و دینامیک سیالات محاسباتی مقایسه کردند. در پایان آنها نشان دادند که نتایج دینامیک سیالات محاسباتی و روش تجربی برترام - Bertram, 2011 - 2 به نتایج آزمایشگاهی بسیار نزدیک است.
هندسه مسئله
انتخاب بدنه نیازمند تحلیل هیدرواستاتیکی و کنترل شرایط دینامیک حرکت وسیله دارد. برای کاهش محاسبات مربوط به این بخش در این پژوهش از مشخصات زیرسطحی ریموس استفاده شد - . - Prestero, 2001 این زیرسطحی دارای بدنهای استوانه ای است که باعث سادهسازی معادلات حرکت میشود و دارای پروفیل دماغه و دم بهینهسازی شدهی مایرینگ است
روابطی که مایرینگ برای فرم دماغه و دم بدنه زیردریایی ارائه نمود به فرم معادله - 1 - و - 2 - است
شکل : 1 پارامترهای مورد نیاز برای فرم بدنه زیرسطحی هوشمند برای روابط مایرینگ - - Prestero, 2001
مشخصات ابعادی این بدنه در جدول 1 آورده شده است؛ همچنین محورهای مختصات در نظر گرفته شده برای بدنه در را در شکل 2 میتوان مشاهده کرد.
شکل :2 تعریف دستگاه مختصات بدنه
جدول :1 مشخصات ابعادی بدنه مورد تحلیل
دینامیک حرکت
حرکت یک زیرسطحی شامل دو بخش سینماتیک و سینتیک است. سینماتیک وسیله معرف جنبه هندسی حرکت یا به عبارت دیگر ترم سرعت و شتاب معادلات حرکت است. بخش سینتیک شامل نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر زیرسطحی از جمله نیروی لیفت و درگ است .تحلیل این نیروها برای کنترل وسیله لازم است.
