بخشی از مقاله
چکیده :
امروزه بررسی هایی جهت دست یابی به حداکثر سرعت، پایداری و مصرف بهینه انرژی در شناورهای دریایی حائز اهمیت است .در این پژوهش حرکت یک هیدروفویل متقارن در سیال آب در نزدیکی سطح آزاد در حالت جریان دائم و در عمق نامحدود تو سط رو شهای عددی شبیه سازی گ شته و تاثیرات امواج ت شع شعی ، عمق فرورفتگی هیدروفویل غوطه ور در آب و همچنین اثر سطح آزاد آب بر نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر هیدروفویل مطالعه شده است. روش عددی استفاده شده فشار مبنا بوده و از تکنیک سیمپل برای حل معادلات ناویر ا ستوکس و از مدل اغت شا شی SST k-w و روش حجم محدود برای حل جریان مغ شوش ا ستفاده می شود، همچنین جهت بدست آوردن شکل و ارتفاع سطح آزاد روش کسر حجمی بکار گرفته شده است.
به منظور بررسی صحت روند حل عددی شبیه سازی عددی بر روی یک هیدروفویل NACA0012 با طول وتر 20/3 cm انجام و نتایج با کارهای تجربی موجود در مقالات مقای سه و روند کار تایید شده است. هدف ا صلی این پژوهش برر سی میزان تاثیر مقدار عمق غوطه وری هیدروفویل و تعداد سلول های شبکه بندی بر شکل و ارتفاع سطح آزاد آب می با شد. نتایج ن شان می دهند که در یک سرعت ثابت 0/8 m/s زمانی که هیدروفویل خیلی به سطح آزاد نزدیک می شود ،با شکست موج مواجه هستیم و با افزایش عمق شناوری شاهد کاهش دامنه و افزایش طول موج حاصله می باشیم.
-1 مقدمه :
شناورهای تندرو یکی از مهمترین سی ستم های دریایی می با شدکه در چند دهه اخیر کاربرد رو به گ ستر شی یافته ا ست. علاوه بر شناورهای تندرو از هیدروفویل ها در طیف گ سترده ای از شناورها به ویژه در انواع زیردریایی های کوچک و بزرگ ا ستفاده می شود. عمده هدف از طراحی این گونه و سایل، د ست یابی به حداکثر سرعت،پایداری و م صرف بهینه انرژی ا ست. لذا برای د ستیابی به این هدف باید از روش هایی استفاده کرد که تا حد ممکن نیروی پسای وارده را کاهش و نیروی رانش را افزایش دهند.
یکی از این روش ها تزریق میکروحباب ها و پایمرها به داخل لایه مرزی سطوح و فویل های متصل به بدنه شناورها می باشد ولی این روش فقط در سرعت های کم عملکر د منا سب دارد و درجریان های ناپایا با افزایش سرعت ،جدایش لایه های هوا و گاز صورت می گیرد که موجب افزایش نیروی پ سا می گردد. [1] روش دیگر کاهش پ سا ا ستفاده از هیدروفویل در سطوح زیرین شناورها ا ست که با ایجاد نیروی برآ ،سبب می شود که بدنه شناور تا حدودی از سطح آب جدا شده و درنتیجه پسا کاهش یابد.
شناورهای هیدروفویلی گونه ای از شناورهای تندرو ا ست که علاوه بر قابلیت حرکت با سرعت بالا دارای قدرت مانوردهی بالا، پایداری خوب و عملکرد مناسبی در برابر امواج هستند،شناورهای هیدروفویلی از نظر شکل و کارکرد به دو دسته تقسیم می شوند: اگر حدودا %65 وزن و یا بی شتر از آن در ماکزیمم سرعت شناور تو سط فویل عقب تامین گردد، به آن سی ستم مر سوم و اگر این مقدار توسط فویل جلو تامین شود به آن سیستم معمولی گویند.
در بیشتر موارد از سیستم مرسوم استفاده می شود، سیستم مرسوم همانند فویل هایی است که در هواپیما به کار رفته است. [3] یکی از دلایل تفاوت بین ایرفویل و هیدروفویل از نظر محیط کاری حضور هیدروفویل در نزدیکی سطح آزاد آب می با شد. هنگامی که یک هیدروفویل به سطح آب نزدیک ، امواجی بر روی آب ایجاد می کند که امواج ایجاد شده ممکن ا ست ملائم و بدون شک ست و یا امواج شک سته با شند که بی تاثیر بر نیروی لیفت هیدروفویل نی ستند، هنگامی که شکست امواج رخ نمی دهد جریان اطراف هیدروفویل به حالت دائم خواهد بود.
در سال 1898فورلانینی برای افزایش سرعت قایق از هیدروفویل استفاده کرد. درسال 1911گویدونی نیز هیدروفویل را در وسایل پرنده دریایی جایگزین کرد .[4] دلیل اصلی استفاده از هیدروفویل تولید نیروی برا می باشد که به دلیل سرعت نسبی بین آن و سیال لزج غیرقابل تراکم می باشد. از اینرو جریان پتانسیل و نیز روش تصویری توسط ولادیمیروف 1937[5]،کرتچین1951[6]و وادلین [7]1955 توسعه داده شد.
پارکین و همکاران1956 توزیع فشار بر روی یک مقطع متقارن جوکوفسکس که دارای ضخامت % 12بود را با استفاده از روش پتانسیل در حالات مختلف مورد بررسی قرار دادند. [8] در سال 1983 ویلسون آزمایش های گسترده ای بر روی عملکرد هیدروفویل انجام داد، آزمایشهای او در زوایای حمله و سرعتهای مختلف در دو حالت آب آرام و مواج منظم انجام گرفت . نتایج بصورت مقادیر نیروی برآ و پسا ارائه داده شد.. [9] دانکن در سال 1983 یک نوع فویل naca0012 را در عمق های مختلف و در سرعت م شخص مورد آزمایش قرار داد و شکل موج در سطح آزاد را در حالت دو بعدی بد ست آورد.
نتایج ارائه شده تو سط دانکن به عنوان یک شرایط فیزیکی واقعی برای اعتبار سنجی و مقایسه نتایج کدهای عددی تا کنون مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است و در اینجا نیز ما برای اعتبار سنجی به آن استناد می کنیم .وسایل آزمایشگاهی او متشکل از یک حوضچه کشش به ابعاد 24متر در 61 سانتیمتر در 61 سانتی متر بود. یک هیدروفویل naca0012 با طول کورد 20,3 سانتیمتر و عرض 60 سانتیمتر با زاویه حمله 5درجه و با سرعت 0,8متر بر ثانیه مورد ت ست قرار گرفت .
[10] در سال 1994بای وهن جریان حول یک هیدروفویل دو بعدی تحت شرایط خطی و غیر خطی سطح آزاد را با روش المان محدود حل کرد. [11] و نیز در سال 2000 دا سکاوی سکی اثر نزدیکی سطح بر روی نیروی برا تولیدی تو سط هیدروفویل را ب صورت تجربی و تئوری مورد برر سی قرار داد [12]،کیو و همکاران نیز در سال 2002به تحلیل عملکرد یک هیدروفویل دو بعدی تحت سطح آزاد پرداختند.[13]
یکی از مهمترین م سائل هیدرودینامیک کاربردی برر سی هیدروفویل متحرک در نزدیکی سطح آزاد ا ست. وقتی عمق فرو رفتگی هیدروفویل کم می شود، اثر سطح آزاد اهمیت یافته و باید در محاسبات در نظر گرفته شود. هنگامی که جسمی در یک سیال ایده آل حرکت می کند،پتانسیل سرعت ذرات سیال در نقاط مختلف تغییر می کند و این به این معنی است که بر اساس قانون برنولی ، فشار در نقاط مختلف متفاوت می باشد.
بنابراین ج سمی که در نزدیکی سطح آزاد حرکت می کند ، باعث اغت شاش در سطح افقی مایع و به وجود آمدن امواج می گردد، که به صورت بالاآمدگی یا فرورفتگی در سطح آب نمایان می شوند. هدف از این تحقیق بررسی رابطه میان عمق غوطه وری هیدروفویل با مقطع Naca0012 و امواج ایجاد شده در سطح آزاد آب می با شد . نتایج حا صل از شبیه سازی تو سط نرم افزار Ansice cfx جهت اعتبار سنجی با نتایج تجربی دانکن مقای سه گ شته ا ست،در این تحقیق توجه خاص بر تاثیرات سطح آزاد بر روی هیدروفویل مغروق و بالعکس بوده است.
حل معادلات ناویرا ستوکس ب صورت تحلیلی تنها برای جریان های ساده و با در نظر گرفتن شرایط ایده آل قابل حل می با شد و برای شرایط واقعی بایستی معادلات با تقریب هایی به صورت معادلات جبری به روش عددی قابل حل گردند. برای حل عددی با استفاده از روش حجم محدود اقدام به گسسته سازی معادلات می کنیم: برای حل معادلات به روش حجم محدود ابتدا باید انتگرال معادلات حاکم را بر روی تمام حجم کنترل ها بد ست بیاوریم.
سپس با گسسته سازی معادلات انتگرالی را به معادلات جبری تبدیل می کنیم و در آخر معادلات جبری حا صل را به روش های تکرار پی در پی حل می نماییم. در نرم افزار ANSYS CFX،پس از گ س سته سازی معادلات حوزه سیال به مجموعه محدودی از حجم کنترل ها ،در روش حجم محدود معادلات اساسی روی حجم کنترل انتگرال گیری می شوند. ما برای مدل سازی جریان مغشوش حول هیدروفویل از مدل اغتشاشی RANS دو معادله ای SST k-wبهره می گیریم.
-3روش های حل معادلات حاکم برای جریان آشفته:
سه روش مختلف برای حل معادلات - اصلاح شده بمنظور مدلسازی جریان آشفته - ناویر استوکس اغتشاشی وجود دارد: شبیه سازی مستقیم عددی - : - DNS در این روش معادلات ناویر-استوکس باید بطور مستقیم به روش عددی حل شوند که دارای هزینه محاسباتی بالایی می باشد که استفاده از این روش را کمرنگ کرده است. شبیه سازی ادی های بزرگ - : - LES این روش به ن سبت روش قبل دارای هزینه محا سباتی کمتری ا ست اما نیاز به محا سبات سنگینی دارد.
در این روش گردابه های بزرگ ایجاد شده بطور م ستقیم حل می شوند ولی گردابه های کوچکتر از اندازه شبکه ، مدل می شوند. مدل های ناویر استوکس متوسط گیری شده به روش رینولدز - : - RANS برخی روشها نیز سعی دارند تا در کنار حداقل نگه داشتن هزینه محاسباتی، طیف وسیعی از فیزیک جریان را نیز در سیطره توانمندی محاسباتی خود نگه دارند.از مهمترین و معروفترین آنها می توان به مدل های RANS اشاره نمود.[2]
-1-3 مدل متوسط گیری از معادلات ناویر استوکس - : - RANS
در این روش از معادلات حرکت متوسط گیری زمانی انجام می شود و خواص جریان به دو مولفه متوسط و نوسانی تقسیم می شوند و سپس در معادلات ناویر استوکس، جایگزین می شوند. انتخاب مدل از بین مدل های موجود به موارد زیر بستگی دارد:
.1فیزیک جریان
.2وجود یا عدم وجود رژیم متفاوت جریانی در کنار یکدیگر
.3میزان دقت و زمان مورد نیاز
.4امکانات محاسباتی موجود
