بخشی از مقاله
چکیده
امروزه از پروانههای نازلدار در بسیاری از شناورها خصوصا در شناورهای ماهیگیر و یدک کش ها و حتی شناورهای بزرگ مانند تانکرها بدلیل بازدهی بالایی که فراهم می نمایند، مورد استفاده قرار میگیرد. سعی داریم در این مقاله اثر تغییر طول نازل را مورد بررسی قرار دهیم و اینکه افزایش طول نازل چه اثراتی بر عملکرد پروانه خواهد داشت. ابتدا به مدلسازی نازل 19A همراه با دادههای مربوط، پرداخته شده است. سپس عملکرد پروانه کاپلان همراه با نازل 19A از روش توربولانسی SST-K ورد تحلیل قرار گرفته و با نتایج آزمایشگاهی اعتبارسنجی شده است که دقت قابل قبولی را نشان میدهد. در نهایت با تغییر در طول نازل به میزان 10% و 20% طول اولیه نازل و همچنین تغییر در زاویه نازل، اثرات این تغییرات نازل را مورد بررسی و تحلیل قرار دادیم.
مقدمه
یک پروانه نازلدار متشکل از یک پروانه، احاطه شده با یک نازل - نازل یا غلاف - بدون حرکت یا متحرک میباشدکه معمولاً به شکل حلقوی با مقطع آیرودینامیک به شکل ایرفویل و فاصله بسیار کم بین نوک پره و سطح داخلی نازل است، میباشد. مفهوم پروانههای نازلدار برگرفته از Stipa - 1931 - و Kort - 1934 - می باشد. این نازل ها دو نوع هستند: نازل های شتاب دهنده که جریان داخل پروانه را افزایش میدهند و نازلهای شتابگیرنده که جریان ورودی داخل پروانه را کاهش میدهند. نازلهای شتاب دهنده که غالباً نازل های Kort نامیده میشوند، از آزمایشهای گسترده Kort در توسعه چنین نازلهایی اتخاذ شدهاند.
پیش بینی دقیق مقدار تراست و گشتاور پروانه ها و مخصوصا پروانه های نازلدار در شرایط آب آزاد اهمیت زیادی در محاسبات فرایند طراحی دارد. در دهههای اخیر روشهای دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - بر مبنای معادلات ناویر- استوکس برای تحلیل پروانههای دریایی به طور قابل ملاحظهای گسترش یافته است. اگر چه تحلیل پروانه های دریایی به دلیل شکل پیچیده، اغتشاشات جریان، جدایش جریان، تاثیرلایه مرزی و احتمال وقوع کاویتاسیون، قدری مشکل است، با این حال در زمینه پروانه های نازلدار کارهایی انجام شده است.
به عنوان مثال Sanchez-Caja و همکاران [1] با استفاده از معادلات RANS به شبیه سازی جریان ویسکوز غیر قابل تراکم اطراف پروانه نازلدار پرداختند و Krasilnikov به همراه همکارانش[2] به تکنیک های تولید مش برای آنالیز جریان گذرنده از پروانه نازلدار به روش حلگر RANSE پرداختند. تمامی این تحقیقات از روش RANSE انجام گرفت که با توجه به پیچیدگی و زمان مورد نیاز نسبی آنها، هنوز اغلب در فرایند طراحی استفاده از روش جریان غیر لزج مورد استفاده قرار میگیرد.
روشهای مختلف عددی بر اساس تئوری جریان غیر لزج برای تجزیه و تحلیل پروانه نازلدار ارائه شده است. به عنوان نمونه: Kerwin و همکاران[3] ترکیبی از روش پانل، که به عنوان روش المان مرزی شناخته شده است، به مدل نازل با روش شبکه گردابه برای پروانه ارائه دادند، Lee و[4] Kinnas از روش پانل برای عملکرد سیستم پروانه کانالی کامل در شرایط جریان ناپایدار شامل کاویتاسیون صفحه ای پره ارائه دادند.
هر دو روش یک مدل انتقالی سرعت برای جریان بین نوک پره و سطح داخلی نازل ارائه دادند و یک نازل با لبه فرار تیز را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. این منابع نشان می دهد که استفاده از مدل جریان غیر لزج به پروانه نازلدار، به همراه مزایای زیادی که دارد، ممکن است برخی از محدودیت های جدی مربوط به وقوع مناطقی از جریان که در آن اثرات لزجت را نمی توان نادیده گرفت را دارا باشد و برای پیش بینی درست تراست و گشتاور پروانههای نازلدار باید مدلسازی شوند.
یکی از این مناطق مربوط به جریان، که دارای تاثیر زیادی بر پروانه و توزیع چرخشی نازل، و در نتیجه، در توزیع بارگذاری بین پروانه و نازل دارد، با جزئیات توسط بالتازار و فالکائو [5] مطالعه شده است. علاوه بر این، ممکن است یک تعامل قابل توجه بین گردابه ایجاد شده از اثر تیغه پروانه و لایه مرزی در قسمت سطح داخلی نازل وجود داشته باشد، همانطور که در مطالعات Krasilnikov و همکاران و Rijpkema و [6] Vaz مشاهده گردید. این اثر پیش از این با روش جریان پتانسیل مورد مطالعه قرار نگرفته و اهمیت آن ناشناخته است.
در زمینه طراحی پروانههای نازلدار نیز کارهایی انجام گرفت. Bobo و همکارانش [7] بر روی طراحی پروانه نازلدار و مدل تست بر روی یک شناور ماهیگیری مربوط به کشتی سازی M. Cies کارهایی انجام دادند. [8] Hughes و Moon به همراه همکارانش [9] یک روش خاص برای مدل کردن جریان در فاصله بین نوک پره تا صفحه داخلی نازل را ارائه داد. Falco و [10] Campos بر روی محاسبات پروانه نازلدار در شرایط جریان متقارن محوری تحقیقاتی انجام دادند.
Hoekstra در راستای محاسبات مربوط به پروانه های نازلدار، نرم افزاری تحلیلی بر پایه کد RANS برای محاسبات پروانه نازلدار در شرایط آب آزاد ارائه داد. Zondervan، Hoekstra و [11] Holtrop بر روی آنالیز جریان، طراحی و مدل تست پروانه های نازلدار تحقیقاتی انجام دادند. Gu و [12] Kinnas جریان اطراف پروانه نازل دار را با استفاده از یک شبکه گردابه ای و روش های تحلیل عددی حجم محدود مورد تحلیل قرار دادند.
یک سری محاسبات نیز بر پایه هر دو روش پتانسیل و معادلات RANS برای بهینه سازی پروانه های نازل دار با اهداف چندگانه توسط Abdel Maksoud و همکارانش [13] و همچنین Steden و همکارانش [14] انجام گرفته است. در این تحقیق ما سعی داریم تا نشان دهیم که امروزه با وجود نرم افزار تحلیل عددی امکان پیش بینی و تحلیل انواع پروانه وجود دارد و با اعتبار سنجی یکی از این نرم افزارها، اثرات تغییر ابعادی در طول نازل یک پروانه نازلدار را بررسی خواهیم کرد.
.2 مدل سازی هندسی
مرسوم ترین پروانه برای پروانه نازلدار، پروانه کاپلان است. مدلسازی هندسی پروانه کاپلان با استفاده از نرمافزارهای Procad و Solidworks انجام شده است. در کارهای تجاری نازل های 19A و 37 به دلیل داشتن ویژگیهای مطلوب هیدرودینامیکی، رایج ترین نوع نازل ها به شمار می آیند مانند شکل . - 1 - در این مقاله از نازل 19A - که یک نازل شتاب دهنده می باشد - استفاده شده است. طول نازل برابر نصف قطر پروانه و فاصله بین نوک پره پروانه و سطح داخلی نازل برابر یک درصد قطر پروانه می باشد - . - 0.3m داده های مربوط به نازل 19A از کتاب سیستم رانش و پروانه های دریایی1 استفاده شده است. با استفاده از این داده ها، مقطع نازل مورد نظر به صورت شکل - 2 - در می آید. در اینجا نازل مورد نظر در فاصله 0.153 قرار دارد. همچنین مدل پروانه مورد نظر بصورت شکل - 3 - می باشد.
.1-2 تولید مش و تنظیمات شرایط مرزی
در تحلیل های عددی، مدل های ایجاد شده می باید به سلول های کوچک جهت محاسبات دقیق عددی توسط معادلات دیفرانسیل جزئی، گسسته شوند که به این فرآیند تولید مش گویند. در اینجا از نرم افزار ICEM که یکی از نرم افزار های قدرتمند در این زمینه محسوب می شود، برای تولید مش استفاده شده است. پروانه نازل دار در یک میدان جریان استوانه ای به عنوان دامنه محاسباتی قرار دارد به طوری که ورودی جریان به اندازه3D - جایی که D قطر پروانه است - ، خروجی به اندازه 6D و قطر دامنه محاسباتی به اندازه 4.5D در نظر گرفته شده است.
