بخشی از مقاله
چکیده
مانورپذیری مناسب باعث افزایش ایمنی، کاهش هزینه سفرهای دریایی، کاهش احتمال سوانح دریایی و آلودگی محیطزیست میگردد . در مراحل اولیه طراحی با کمک مدلهای ریاضی مانور شناور را پیشبینی نمود. برای شبیهسازی مانور شناور باید ضرایب هیدرودینامیکی بدنه و سکان در مدلها تعیین شود. با انجام آزمایشهای مانور کپتیو یا روابط تجربی میتوان این ضرایب را بهدست آورد. در این مقاله با شبیهسازی آزمایش کشش استاتیکی بدنه در محیط دینامیک سیالات محاسباتی ضرایب هیدرودینامیکی سکان محاسبه شده است.
برای پیش بینی اثرات ناشی از جدایی جریان در زوایای حمله بالا و محاسبه ضرایب هیدرودینامیکی غیرخطی سکان شبیهسازیها تا زاویه 30 درجه انجام شده است. نتایج نشان میدهد که در زوایای بیش از 15 درجه نمودار تغییرات نیروی عرضی و ممان یاو بر حسب زاویه حمله از حالت خطی خارج میشود. مقایسه ضرایب هیدرودینامیکی بدست آمده با دادههای آزمایشگاهی موجود، نشان دهنده دقت قابل قبول نتایج است.
مقدمه
مشابه دیگر بخشهای طراحی شناور، مانورپذیری یک شناور باید در مراحل اولیه طراحی نیز مورد بررسی قرار گیرد. متداولترین مدل ریاضی در شبیهسازی مانور کشتی، مدلهای ضرایب هیدرودینامیکی است. این مدلها بر مبنای بسط نیروهای هیدرودینامیکی بدنه و سکان با شرایط اولیه معلوم محاسبه میگردد . در این مدل نیروهای هیدرودینامیکی سرج، سوی و ممان یاو با استفاده از بسط تیلور به صورت تابعی از مشخصات سینماتیک کشتی حول شرایط اولیه معلوم بیان میشوند. ضرایب بسط تیلور در این توابع مشتقات هیدرودینامیکی یا ضرایب هیدرودینامیکی هستند که برای حل معادلات حرکت کشتی در صفحه افق باید این ضرایب را تعیین کرد.
روشهای تعیین ضرایب هیدرودینامیکی بدنه و سکان ، آزمایش مانور کپتیو، روابط تجربی، روشهای تحلیلی و عددی هستند. عدم امکان آزمایش مانور کپتیو در مراحل اولیه طراحی مقدماتی، هزینه و زمان بالای انجام این آزمایشها و اثرات قابل توجه مدلسازی بر نتایج از معایب انجام آزمایش مانور کپتیو است. روابط تجربی که عموما از نتایج آزمایش مانور شناورهای قدیمی بهدست آمدهاند برای شناورهای امروزی دقت کافی ندارند و همچنین در بیشتر آنها تنها ضرایب خطی قابل محاسبه است. شبیهسازی آزمایشهای مانور کپتیو با حل معادلات دقیق حاکم بر جریان سیال بهترین گزینه برای استخراج ضرایب هیدرودینامیکی خطی و غیرخطی بدنه و سکان است.
قابلیت استفاده برای شناور با ابعاد اصلی، در نظر گرفتن اثرات لزجت، قابلیت استفاده در مراحل اولیه طراحی، هزینه و زمان کمتر، قابلیت مطالعه رفتار سیال در اطراف بدنه در زمان شبیهسازی از مزایای این روش است. تحقیقات محدودی جهت محاسبه ضرایب هیدرودینامیکی یک شناور دریایی باوجود سطح آزاد انجامشده است که پروفسور استرن و همکاران[1] این تحقیقات را مرور کردهاند. در 2012 سیمنسون و همکاران[2] آزمایش کشش مورب را با نرمافزار استارسیسیامپلاس شبیهسازی کردهاند و ضرایب خطی و غیرخطی وابسته بهسرعت عرضی را محاسبه نمودهاند. در این مقاله با شبیهسازی تست کشش استاتیکی در زاویای مختلف سکان علاوه بر مطالعه رفتار جریان در پاشنه شناور و سکان، ضرایب هیدرودینامیکی خطی و غیرخطی سکان برای یک شناور نظامی مجهز به دو سکان محاسبه شده است و با نتایج آزمایشگاهی مقایسه گردیده است که دقت بالای محاسبات مشاهده میشود.
مواد و روشها
برای بررسی مانور یک شناور دریایی معادلات حرکت آن در صفحه افق و در سه درجه آزادی سرج، اسوی و یاو و در دستگاه مختصات متصل بیان میشود. دستگاه مختصات متصل به بدنه oxyz،با توجه به اینکه تقریباً تمام وسایل دریایی تقارن عرضی دارند، بهگونهای تعریف میشود که صفحه oxz بر صفحه تقارن بدنه منطبق گردد. در دستگاه مختصات،oxyz ، محور oz محور عمودی بوده و به سمت پایین مثبت، محور ox محور طولی و در جهت جلوی شناور مثبت و محور oy محور عرضی و در جهت راست مثبت در نظر گرفته میشود.
با توجه به تقارن هندسی بدنه شناور نسبت به صفحه oxz و اینکه مختصه عرضی مرکز جرم برابر صفر است معادلات حرکت کشتی به صورت معادلات - 1 - بیان میشود. که در آن m جرم شناور و Iz به ممان اینرسی شناور نسبت به محور z است.xG موقعیت طولی مرکز جرم شناور را بیان میکند. u و v به ترتیب نشاندهنده سرعتهای سرج، سوای و u ، v و w به ترتیب نشاندهنده شتاب سرج، سوای است. r نشاندهنده سرعت یاو و r نشاندهنده شتاب یاو است. در معادلات - 1.2 - ، YT وXT به ترتیب برآیند نیروهای وارد به شناور در جهتهای سرج، سوای هستند و NT برآیند ممانهای وارد به شناور نسبت به محور z است.
با مدلسازی ریاضی نیروهای YT, XT و ممان NT و حل معادله - 2 - میتوان مانور پذیری یک شناور را در مرحله طراحی بررسی نمود. در شرایط آب آرام این نیروها شامل نیروهای هیدرودینامیکی و نیرهای تولید شده توسط سطوح کنترلی و تراسترها است. نیروهای هیدرودینامیکی خود شامل دو بخش وابسته به شتاب، نیروهای جرم افزوده، و نیروهای وابسته به سرعت، نیروهای میرایی، است. این نیروها توسط مدلهای ریاضی تخمینزده میشوند. روابط آبکویتز که از نوع مدلهای ضرایب هیدرودینامیکی است متداول-ترین روش برای بیان نیروهای هیدرودینامیکی است. در این مدل نیروهای هیدرودینامیکی بر اساس مشخصات سینماتیکی حرکت کشتی بسط داده میشوند.
نیروهای ناشی از سطوح کنترلی و تراسترها شامل X C ، YC و NC که به تعداد، نوع و موقعیت این المانها بستگی دارد. در مانور دور زدن نیروهای کنترلی ناشی از نیروی طولی، عرضی و ممان یاو ایجادشده توسط سکان در نظر گرفتهشده است. اگر نیروهای کنترلی بهصورت X R , YR , NR در نظر گرفته شوند با استفاده از بسط تیلور مؤلفههای این نیرو بهصورت بیان میشوند. در این روابط زاویه انحراف سکان و ضرایب سمت راست، ضرایب هیدرودینامیکی سکان است. هدف این مقاله محاسبه این ضرایب با استفاده از شبیهسازی آزمایش کشش استاتیکی سکان است.
معرفی مدل
برای اعتبارسنجی نتایج شبیهسازی آزمایشهای کپتیو در محیط دینامیک سیالات محاسباتی، شبیهسازیها بر روی مدل یک شناور نظامی به نام دیتیامبی5512 1 انجامشده است. دادههای آزمایشگاهی و ضرایب هیدرودینامیکی به دست آمده از نتایج آزمایش بهمنظور استفاده در معتبر سازی شبیهسازیهای عددی در دسترس قرارگرفته است. شناور مدل مجهز به بیلج کیل، سیستم شفت و براکت و دو سکان است. مساحت هر کدام از سکانها برابر 0/187 متر مربع و از نوع سکان اسپید2 است که دارای یک بخش ثابت و یک بخش متحرک است، تصویر بدنه شناور در - شکل - 1، تصویر سکان در - شکل - 2 و مشخصات آن در - جدول - 1 مشاهده میشود.
