بخشی از مقاله
چکیده
طراحی و ساخت شناورهای چندبدنه یکی از اهداف مهم آیندهی شناورهای سطحی میباشد که در همین راستا بهبود رفتار دینامیکی این شناورها با استفاده از روشهای مناسب طراحی میتواند تاثیر عمیقی بر روی مسیر پیشرو ایجاد کند. در شناورهای سهبدنه، بدنههای جانبی درصد کمتری از مقاومت کل شناور را به خود اختصاص دادهاند ولی با طراحی درست و بهینه میتوانند نقش بسزایی را در کاهش مقاومت کل و نیز رفتار هیدرودینامیکی شناور ایفا کنند. در این مقاله با استفاده از شبیهسازی عددی، حرکت یک شناور سطحی سهبدنه با فرمهای مختلف بدنههای جانبی مورد بررسی قرار میگیرد. بدنههای جانبی در سه فرم مختلف در کنار بدنه اصلی قرار گرفته و در هر حالت مقدار مقاومت کل، تریم و سینکیج شناور محاسبه شده است. شبیهسازی با استفاده از نرمافزار استار سیسیام1 با حل معادلات رنس2، در شرایط آب آرام و اعداد فرود مختلف انجام و نتایج بهدست آمده از شبیهسازی با نتایج حاصل از تستهای آزمایشگاهی مقایسه شده است. با توجه به نتایج حاصل شده، بدنههای جانبی با فرم متقارن رفتار هیدرودینامیکی بهتری از خود نشان داده و دارای مقاومت کمتری نسبت به سایر فرمها میباشند.
کلمات کلیدی: شناور سطحی، سهبدنه، مقاومت، تریم ،سینکیج، رفتار هیدرودینامیکی، ترایماران
مقدمه
ارزیابی مقدار مقاومت یک شناور سطحی در فازهای اولیه طراحی یکی از مهمترین اقداماتی میباشد که محاسبه صحیح آن، این امکان را فراهم میسازد تا طراحان بتوانند عوامل تاثیرگذار را در افزایش و کاهش مقاومت مورد بررسی قرار بدهند و پارامترهای مطلوبی را در راستای بهینهسازی رفتار هیدرودینامیکی بدنه اعمال کنند. در گذشته این فعالیت از طریق آزمایشات و انجام تست در حوضچههای کشش انجام میشد اما امروزه در جهت کاهش هزینهها، روشهای عددی با دقت بالایی میتوانند مقدار مقاومت را محاسبه کنند. مسالهای که در طراحی یک شناور در فازهای اولیه بسیار مهم میباشد بهینه کردن رفتار هیدرودینامیکی شناور است به طوری که منجر به کاهش مقاومت کل و به تبع آن کاهش بسیاری از هزینه-های آتی شود.
پارامترهای متعددی وجود دارند که با بررسی و مطالعه بر روی آنها میتوان رفتار شناور را بهینه کرد. مطالعات فراوانی پیرامون برخی از این پارامترها انجام شدهاست. سون3 و همکارانش برای کاهش مقاومت شناورها بر روی خطوط بدنه تمرکز کردند و با انجام مطالعات و بررسیهای متعدد بر اساس الگوی نرو-رسپونس4 به خطوط و فرم بدنه بهینهای دست یافتند.[1] اکبری و همکارانش به تحلیل فرم انحنای سینه پاشنه شناور نظامی DTMB5115 پرداختند و پس از بررسی نمونههای مختلف به فرم بهینهای دست یافتند.[2] ایگین5 و همکارانش نیز فرم قوس سینه و فرم پاشنه را برای شناور تجاری KCS به کمک روشهای عددی و الگوریتم ژنتیک بررسی کرده و بدنههایی با فرم سینه و پاشنه بهینه را ارائه دادند.[3]
چوی6 از طریق تابع اصلاحی بل7 و الگوریتمهای برنامهنویسی به بهینهسازی فرم بدنه یک شناور کانتینربر پرداخته و نتایج حاصل از شبیهسازی را با نتایج آزمایشگاهی مقایسه کرده است.[4] لو8 و همکارانش برای کاهش مقاومت یک شناور کانتینربر به بهینهسازی فرم بالب سینه پرداخته و از طریق روشهای عددی و الگوریتم ژنتیک به فرم بهینه دست یافتند.[5] در مطالعهی اتلار1 و همکاران، تاثیر ویژگیهای سینه و پاشنه در عملکرد شناورهای کاتاماران وی شکل2 مورد بررسی قرار گرفت. سپس با محاسبه مقاومت شناور با استفاده از روش عددی، فرم بهینه سینه ضد اسلمینگ3 و پاشنه برای این نوع شناورها پیشنهاد گردید .6[]گُرسکی4 و همکاران تاثیرات پارامترهای سرعت، آبخور میانگین و تریم را بر روی راندمان عملیاتی شناورها مورد بررسی قرار دادند.
نتایج آنها نشان داد برای شناورهای جابهجایی با سرعت ثابت، تغییرات تریم می-تواند حدود 3 تا 7 درصد مصرف سوخت را کاهش دهد که از لحاظ کاهش میزان هزینه بسیار حائز اهمیت میباشد .[7]در این مقاله سعی شده است تا تاثیر فرم بدنههای جانبی بر روی رفتار هیدرودینامیکی شناور سطحی سهبدنه مورد بررسی قرار گیرد و با انجام شبیهسازیهای عددی و محاسبه مقدار مقاومت کل، تریم و سینکیج شناور، فرم مناسب بدنههای جانبی ارائه گردد. شبیهسازی عددی بوسیلهی نرمافزار استار سیسیام به همراه معادلات رنس در شرایط آب آرام و اعداد فرود مختلف انجام شده است. جهت صحتسنجی روش عددی بهکار رفته، نتایج به دست آمده برای مقاومت شناور با نتایج حاصل از تستهای آزمایشگاهی مقایسه شده و تطابق خوبی به دست آمده است.
مدل هندسی
شناور مورد مطالعه در این مقاله یک شناور سطحی سهبدنه با طول تقریبی 140 متر میباشد که در دانشگاه صنعتی مالک اشتر، پژوهشکدهی علوم و فناوری دفاعی شمال طراحی شده است. بدنههای جانبی که مورد استفاده قرار گرفتهاند دارای ابعاد تقریبا یکسانی هستند اما فرمهای متفاوتی دارند. تستهای انجام شده برای ارزیابی رفتار هیدرودینامیکی این شناور برای مدل 4 متری و در حوضچهی کشش کوثر به طول 400، عرض 7 و عمق 3 متر در دانشگاه صنعتی مالک اشتر و مجتمع هوادریای شیراز انجام شده است.شناور مورد مطالعه دارای سه سناریوی مختلف است که هر سناریو دارای بدنه وسط یکسان اما بدنههای جانبی با فرمهای متفاوت میباشد. در سناریوی اول بدنههای جانبی دارای حجمی به سمت داخل5 ، در سناریوی دوم بدنههای جانبی دارای فرم متقارن6 و در سناریوی سوم بدنههای جانبی دارای حجمی به سمت خارج7 شناور میباشند.
مشخصات مدل استفاده شده در این مطالعه در جدول 1 آمده است. همانطور که در جدول 1 مشاهده میشود، بدنهجانبی دارای مشخصات ثابتی برای هر سه سناریو میباشد، در واقع در هر سه سناریو وزن، عمق آبخور، طول و عرض بدنههای جانبی کاملا ثابت است و تغیر فرمها به گونهای انجام شده است که تغییری در پارامترهای اصلی به وجود نیاید و فقط فرم و شکل ظاهر بدنههای جانبی تغییر میکند. بدنهی وسط هم همانطور که ذکر شد در هر سه سناریو کاملا یکسان است یعنی هم مشخصات پارامتری یکسان و هم فرم و شکل ظااهری یکسانی دارد. در این جدول جرم شناور تریماران برابر با جرم بدنه وسط به اضافهی جرم بدنههای جانبی میباشد.
معادلات حاکم
با فرض جریان تراکمناپذیر، لزج و پایدار، معادلات پیوستگی و مومنتوم مطابق روابط 1 و 2 خواهد بود.در معادلات فوق ، و مولفههای سرعت سیال در راستای ، و میباشند. همچنین ، ، g و p به ترتیب چگالی، لزجت دینامیکی، شتاب ثقل و فشار سیال میباشند. رژیم جریان در اطراف شناور تابعی از عدد رینولدز میباشد و از نوع جریان آشفته میباشد. مقدار رینولدز ازهمانطور که ذکر شد جریان اطراف شناور از نوع جریان آشفته میباشد. حل مستقیم این معادلات با وجود پارامترهای نوسانی بسیار هزینهبر و مشکل میباشد به همین خاطر از روش متوسط گیری رینولدز - RANS - استفاده میشود. با قرار دادن مولفههای متوسط و نوسانی، معادلات پیوستگی و مومنتم متوسطگیری شده به فرم زیر تبدیل میشود.
