بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از سیستم واترجت جهت رانش شناورها رشد چشمگیري داشته است. برتري هایی نظیر تراست زیاد در سرعت کم، قابلیت مانور بالا و عملکرد مناسب در آب هاي کم عمق سبب شده این سیستم در رانش شناورهاي تندرو کاربرد داشته باشد. در این تحقیق به بررسی عددي کاویتاسیون بر روي پره هاي پروانه واترجت پرداخته شده است . بدین منظور از نرم افزار تجاري فلوئنت براي حل میدان جریان سیال لزج، تراکم ناپذیر و دوفازي استفاده شده است.چرخش پروانه براي جریان دایمی بوسیله مدل دستگاه مرجع چرخان مدلسازي شده است.
براي مدلسازي جریان از مدل RNG K- و مولتی فاز استفاده شده است. براي اعتبار سنجی نتایج حل بدون کاویتاسیون با منحنی عملکرد مقایسه شده است که نتایج عددي از تطابق خوبی برخوردار بوده و شبیه سازي را تایید می نماید. نتایج حاصل از حل عددي نشان می دهد با افزایش دور پروانه ، کاهش فشار در پشت پروانه و باعث ایجادحبابهاي کاویتاسیون از نوع حبابی می شود و با افزایش دور پروانه به تغییر نوع کاویتاسیون و حرکت حبابها به سمت نوك پره و تولید کاویتاسیونی از نوع ورتکس نوك می شود.
-1 مقدمه
پدیده کاویتاسیون یکی از مسائل مهم در طراحی پروانه است و از آن می توان به عنوان معیاري جهت طراحی نام برد.کاویتاسیون به صورت پدیده گسیختگی سیال در اثر کم شدن فشار در دماي تقرباًی ثابت تعریف می شود. این گسیختگی باعث ایجاد حبابهاي میکروسکوپیک و ماکروسکوپیک در سیال می شود. پدید آمدن کاویتاسیون به خواصی از قبیل کشش سطحی مایع ، دماي مایع، گازهاي محلول در مایع و همچنین به توزیع و اندازه هسته ها وابسته است.
این هسته ها حبابهاي میکروسکوپی و زیر میکروسکوپی هستند که از گازهاي نامحلول در آب تشکیل شده اند و باعث ایجاد حبابهاي بزرگتر می شوند، حفره هاي بخار در سیال در نواحیی ایجاد می شوند که فشار در آنجا کمتر از استحکام کشش سیال باشد. این حفره ها ممکن است به سطوح جامد متصل شوند یا به سمت پایین دست جریان حرکت کنند. این حفره ها در پایین دست و در نقاطی که فشار بیشتري دارد از هم می پاشد و امواج فشاري، ضربه اي و حرارتی ایجاد می کنند.
[1] با توجه به قانون هنري میزان حلالیت یک گاز نامحلول ، مانند هواي نامحلول در آب ، نسبت مستقیم با فشار سیال دارد. کاهش فشار سیال می تواند منجر به کاهش حلالیت گاز و در نتیجه آزاد شدن بخشی از گازهاي محلول در آب به صورت نامحلول و تشکیل حباب گازي شود. وقتی سیستم مجددا تحت فشار قرار می گیرد گاز - همراه با تولید حرارت - به شکل محلول در می آید . به این فرآینداصطلاحاً کاویتاسیون گازي گفته می شود. چنانچه فشار جریان در یک سیستم به زیر فشار بحرانی سیال برسد که فشار تقرباًی برابر فشار بخار سیال است، حبابهاي بخار شکل خواهند گرفت که به این حالت اصطلاحاً کاویتاسیون بخاري گفته می شود.
این حبابهاي بخاري چنانچه در معرض تراکم مجدد قرار بگیرند، نابود خواهند شد که می توان باعث به وجود آمدن ضربات فشار سهمگین شوند. بدین سبب کاویتاسیون بخاري می تواند باعث به وجود آمدن تخریب و فرسایش کاویتاسیونی شود. حبابهایی که ترکیده اند ، به سرعت در میان سیال ناپدید می گردند. ناپدید شدن حبابها در داخل مایع به دو گونه است: یا حبابها پس از ترکیدن به حبابهاي ریز تبدیل شده و در سیال حل می گردند و یا در اثر پدیده تقطیر بخار به مایع تبدیل می گردند و حبابی که شامل گاز می باشد در اثر این عمل به مایع تبدیل می شود.
-2تئوري و پیشینه تحقیق
مدل سازي عددي کاویتاسیون نیز طی سال هاي اخیر انجام شده است . از اولین کارها می توان به کار کوبوتا در سال 1992 اشاره کرد او به مدل سازي کاویتاسیون در جریان تراکم پذیر روي هیدروفویل پرداخت و دریافت که در چگالی هاي بالا جواب هاي عددي داراي ناپایداري هستند[2] در سال هاي اخیر با استفاد از بسته نرم افزاري فلوئنت به مدل سازي کاویتاسیون پرداخته شده است. مدل کاویتاسیون ارایه شده تمام این اثرات مرتبه اول را درنظر می گیرد و به همین دلیل مدل کاویتاسیون کامل نامیده می شود. عبارتهاي نرخ تغییر فاز از فرم کاهش یافته معادله رایلی – پلست براي دینامیک حباب بدست می آیند.
این نرخ ها به شرایط محلی جریان - فشار ، سرعت ، آشفتگی - و خصوصیات سیال - فشار اشباع، چگالی ، کشش سطحی - بستگی دارد. سالواتور از یک روش ترکیبی از جریانهاي لزج و پتانسیلی براي پیش بینی جریان و کاویتاسیون اطراف پره استفاده کرد. در این روش ابتدا ضخامت لایه ي مرزي به پروانه اضافه شده و در این حالت جریان اطراف آن به صورت پتانسیلی و با استفاده از روشهاي المان مرزي حل می شود. سپس لایه ي مرزي بصورت لزج حل می گردد. این امر منجر به معادلات کلاسیک ون کارمن در حالت دو بعدي می شود که باید به حالت سه بعدي بسط داده شود. [3] گاهینه به بررسی دینامیک کاویتاسیون صفحه اي روي پره هاي پروانه پرداخت.
روش عددي مورد استفاده شده یک روش حل ترکیبی است بطوریکه از معادله ي ناویر استوکس در محدوده ي لزج و از روش المان مرزي در محدوده ي پتانسیل بهره می گیرد. با این طریق از مزیت هاي هر کدام از روشها استفاده می شود. اساس این کار بر پایه ي تجزیه ي هلمهلتز استوار است که سرعت جریان را به دو قسمت پتانسیلی و قسمت ورتیسی تقسیم می کند. از معادله ي ناویر استوکس در تحلیل جریان آشفته اطراف پره استفاده می شود که منجر به پیدا شدن میدان سرعت، ورتیسی و میدان فشار در کل دامنه ي محاسباتی می گردد. و از المان مرزي در تعیین تغییر شکل غیر خطی سطح آزاد کاویتاسیون استفاده می شود. [4]
واتانبا و ري با استفاده از حل کامل معادله ي ناویر استوکس و به کمک مدل کاویتاسیونی به نام مدل کاویتاسیون کامل جریان کاویتاسیون در اطراف پروانه کشتی در شرایط آب باز و جریان ویک پشت شناور پرداختند. در این مدل از معادله ي رایلی- پلست و همچنین مفهوم مخلوط همگن استفاده شده است تا بتواند عباراتی را براي نرخ تولید و از بین رفتن بخار در نظر بگیرد. مدل کاویتاسیون استفاده شده از آن جهت مدل کامل نامیده می شود که می تواند تمام اثرات یک بعدي را در نظر بگیرد. این اثرها شامل تغییر فاز ، دینامیک حباب ، نوسانات فشار توربولانس، و گازهاي مخلوط می باشند. 5]و[6
-3 مواد و روشها
1-3 معادلات حاکم و روش هاي عددي
جریانهاي کاویتاسیونی بسیار پیچیده بوده و هندسه ي آنها در زمان و مکان به سرعت تغییر می کند. بنابراین لازم است که براي مطالعه ي چنین جریانهایی از مدلهاي ایده آل استفاده شود. از بین مدلهاي ارایه شده ، مدل رایلی1 در 1917 سودمندترین آنها در توضیح رفتار کلی پدیده در بسیاري از موقعیت هاي عملی است. در تئوري رشد حباب که تاثیر فشار متغیر است می تواند بخوبی مدل شود. رفتار شعاع در مقابل زمان چنین حبابهایی با استفاده از معادله ي رایلی پلست مشخص می شود.
این معادله رشد یک تک حباب را در محدوده ي وسیعی2 از سیال بیان می کند. [7] در تحقیق حاضر، شبیه سازي عددي جریان کاویتاسیونی با استفاده از ایده جریان همگن تعادلی و حل معادلات اویلر چند فازي صورت گرفته است. انتقال جرم بین فازها با استفاده از مدل پیشنهادي مرکل[8] انجام می شود. اثرات تراکم پذیري تنها در مرز بین دو فاز مؤثر است. بنابراین، خواص هیدرودینامیکی با فرض تراکم ناپذیري جریان کاویتاسیونی چندان تحت تأثیر قرار نمی گیرند ، به همین دلیل هر یک از فازهاي موجود تراکم ناپذیر در نظر گرفته شده است.
جهت تعیین میدان چگالی علاوه بر معادلات پیوستگی و مومنتوم نیاز به معادله دیگري می باشد که با نوشتن معادله انتقال براي جزء حجمی مایع این معادله نیز به سیستم معادلات اضافه شده و دستگاه معادلات تکمیل می گردد. به منظور در نظر گرفتن انتقال جرم بین فازها مختلف عباراتی به عنوان جملات چشمه و چاه به معادلات پیوستگی مایع و مخلوط اضافه می شوند. این روش ، از آنجا که فرض می شود در سطح مشترك دوفاز تعادل گرمایی ، دینامیکی و پیوستگی سرعت جریان وجود دارد به نام روش " جریان تعادلی همگن" شناخته می شود. [9] مدل مخلوط معادلات پیوستگی ، ممنتوم را براي مخلوط، و معادله ي کسر حجمی را براي فاز ثانویه و همچنین عبارات جبري را براي سرعت هاي نسبی بین فازها - اگر فاز ها با سرعت هاي متفاوتی حرکت کنند - حل می کند.
