بخشی از مقاله
چکیده
امروزه بهره برداري از شناورهاي چند بدنه در حوزه نظامی و حمل ونقل دریایی کاربرد بسیار زیادي پیدا کرده است. طراحان کشتی ها علاقه بسیار زیادي بر روي تحلیل رفتار اینگونه شناور ها دارند. در این تحقیق سعی شده است پارامترهاي هیدرودینامیکی مختلف شناور تریماران مورد بررسی قرار گیرد. در کار حاضر ابتدا با استفاده از آنالیز ابعادي، مقادیر طول و ابعاد هندسی بدنه بر اساس عدد بی بعد فرود نسبت به مقادیر واقعی بدست آمده اند و سپس در سه سرعت متفاوت 10 ، 20 و 30 متر بر ثانیه به شبیه سازي مسئله پرداخته شده است.
از طرف دیگر در کار حاضر سعی شده است به تاثیر بدنه هاي جانبی تریماران بر روي میزان ضریب درگ پرداخته شود. روش عددي استفاده شده بر اساس الگوریتم فشار مبنا بوده و از تکنیک پیزو براي حل معادلات ناویر استوکس، و از ایده VOF براي شبیه سازي دو فاز آب و هوا بهره گرفته شده است. از مدل توربولانسی k و طرح مرتبه دوم بالادست براي روش هاي تفاضلی استفاده شده است. همانگونه که می توان از نتایج دریافت با افزایش میزان فرود و افزایش توربولانسی جریان، میزان ضریب درگ افزایش می یابد. همچنین با اضافه کردن بدنه هاي جانبی میزان نیروي درگ، بصورت چشمگیري کاهش می یابد.
مقدمه
در سال هاي اخیر همانند حمل و نقل زمینی و هوایی، در زمینه حمل ونقل دریایی نیز دستیابی به سرعت هاي بالا مورد توجه قرار گرفته است. از این رو تحقیقات زیادي در دنیا براي بهینه کردن طراحی شناورها به منظور بر آورده ساختن نیازهاي کاربران در تناسب بین سرعت و هزینه حمل و نقل صورت گرفته است. با دستیابی مهندسین به اصول طراحی شناورهاي جدید سیر تکاملی شناورهاي تندرو آغاز گردید. در چند دهه اخیر روند صعودي ساخت نمونه هاي پیشرفته از شناورهاي تندرو و ارائه مدل هاي مهندسی مناسب نشان دهنده اهمیت این بخش از صنعت دریایی است.
از اولین ملاحظات طراحی این گونه شناورها، مینیمم کردن مقاومت شناورها به خصوص مقاومت موج سازي می باشد بنابراین کاهش مقاومت موج، نیاز به افزایش نسبت لاغري - که بیان کننده نسبت طول به ریشه سوم حجم آب جابجاشده است - یا افزایش نیروي برآي دینامیکی بدنه میباشد. افزایش نیروي برآي دینامیکی براي شناورهاي بزرگ جهت کاهش مقاومت موج سازي با محدودیت هاي زیادي همراه است. هنگامی که سرعت و وزن کشتی با همدیگر افزایش می یابد، شکل بدنه هاي متداول باید تغییر کند و بدنه هاي باریک تري مورد استفاده قرار گیرد.
بیشترین مقدار ضریب لاغري که در آن پایداري شناور بحرانی می شود حدود 9 می باشد، در نتیجه پیکربندي بدنه باید تغییر کند و شناورهاي چندبدنه1 مورد استفاده قرار گیرند. طراحی و ساخت شناورهاي چند بدنه گامی نوین در زمینه ساخت شناورهاي تندرو بوده است. این شناورها داراي کاربري در شرایط سخت دریایی بوده و علاوه بر سرعت بالا از قابلیت مانور پذیري مناسبی نیز برخوردار می باشند. شناورهاي چند بدنه حجم داخلی زیاد، مساحت عرشه بزرگ، پایداري عرضی بالا، قابلیت بالاي حفظ مسیر و قابلیت تغییر فرم بدنه براي کاهش مقاومت موج را دارا می باشند.
این شناورها الگویی موفق در زمینه طراحی شناورهاي جدید بوده و شناورهاي تندرو از این کلاس داراي کاربردهاي گسترده نظامی می باشند. شناورهاي چند بدنه، شامل شناورهاي دو بدنه، سه بدنه، چهاربدنه و پنج بدنه می باشند. پیکربندي شناور سه بدنه اي - تریماران - ، متشکل از بدنه مرکزي باریک و دو بدنه جانبی است. پایداري مورد نیاز را میانتو با استفاده از بدنه هاي نسبتاً کوچک و باریک کناري بدست آورد.
در زمینه هیدرودینامیک شناورها، اولین حل تحلیلی براي مسئله مقاومت موج توسط میشل2 در سال 1898 براي کشتی هاي باریک که در سطح آزاد یک سیال لزج حرکت می کند ارائه شده است، این حل به انتگرال میشل معروف است. سپس کلوین در سال 1905 نظریه بنیادي موج شناورها را ارائه نمود. از آن پس مطالعات تئوري در زمینه هیدرودینامیک شناور مورد بررسی قرار گرفت، اما بدلیل در دسترس نبودن کامپیوترهاي پیشرفته در آن سالها، محاسبات عددي حتی بر مبناي تقریب مرتبه اول نیز بسیار مشکل بود.
حرکت شناورهاي با تک بدنه و تاثیر نیروهاي وارده بر آن ناشی از امواج دریا، و در محدوده فرکانسی وسیعی توسط محققان مختلفی و با استفاده از تئوري استریپ مورد بررسی قرار گرفته شده است - سالوسن3 و همکاران در سال [1]1970، کیم4 و همکاران در سال . - [2]1980 تئوري هاي سه بعدي نیز براي طراحی شناورهاي با بدنه واحد و در امواج بزرگ نیز توسط اینگلیس[3] 5 در سال 1981 و برترام[4] 6 در سال 1990 توسعه داده شد. تحقیقات بر روي شناورهاي داراي دو بدنه نیز بر پایه تئوري استریپ و تئوري سه بعدي توسط لی[5] 7و همکاران در سال 1973 و 2000 صورت گرفته شد. لازم به ذکر است که اساس تئوري استریپ بر پایه نازکی بدنه می باشد. دان[6]8 در سال 2001، از تئوري 2/5 بعدي براي آنالیز این گونه مسائل استفاده نموده است.
در این تئوري از شرط مرزي سه بعدي براي حل معادلات دو بعدي حاکم استفاده می نماید و حرکت شناور تریماران را تخمین می زند. بگوویچ[7]9 در سال 2003 از روش 2/5 براي طراحی تریماران استفاده نمود. بینگهام10 و همپشیر[8] 11 در سال 2001 و فانگ12 و چن[9]13 در سال 2005 از تئوري سه بعدي استفاده نموده اند و نشان داده شد که اثرات برهم کنش بین بدنه هاي تریماران را بخوبی مدل می کند. تئوري سه بعدي که چشمه ضربانی انتقالی14 را بکار می برد از تئوري که تنها از چشمه ضربانی استفاده می کند دقیق تر می باشد.
محققان زیادي به بررسی حرکت تریماران پرداخته اند اما تعداد کمی به مطالعه جزئیات نیروهاي درگ موج وارد بر آن پرداخته اند. - مانند بینگهام و همپشیر در سال . - 2001 بطور کلی نیروهاي درگ موج شناورهاي تریماران شامل نیروهاي برشی، ممان هاي خمشی و ممان هاي پیچشی در حرکت انتقالی بدنه اصلی و اتصال بدنه جانبی به بدنه اصلی می باشد.
مینگ و چن [10]در سال 2008 به بررسی نیروهاي موج وارد بر شناور تریماران و با قرارگیري مناسب بدنه جانبی آن با استفاده از آنالیز طیفی پرداختند. آنها با استفاده از روش توزیع چشمه سه بعدي، نیروهاي موج وارد بر تریماران را تخمین زدند. محققان مختلفی توانستند بصورت آزمایشگاهی و عددي نشان دهند که کل نیروي درگ وارد بر تریماران نسبت به شناورهاي با هندسه واحد 20 درصد کاهش می یابد.[11] محاسبه عددي مقاومت آب در شناورهاي تریماران از اواخر سال 1990 آغاز گردید، و روش المان مرزي ابزار مناسبی براي تعیین نیروي درگ وارد بر شناور گردید.
باتوجه به برهم کنش بین بدنه اصلی و بدنه هاي جانبی، قرارگیري مختلف بدنه جانبی و طولهاي گوناگون آن بر روي مقدار نیروي درگ موج وارد بر شناور تاثیر می گذارند. بنابراین ژو مین15 و ژانگ[14]16 در سال 2010 با استفاده از تئوري جریان پتانسیل و تابع گرین به محاسبه نیروي درگ موج که شامل نیروي برشی عمودي و ممان خمشی در نقاط مختلف بدنه اصلی و ممان خمشی در نقطه اتصال بدنه جانبی به بدنه اصلی پرداختند. هریس17 و برنر[15] 18در سال 2011 به بررسی یک نوع شناور تریماران یدك کش با سرعت بالا - HSTI - پرداختند. مهدي روشن و همکارانش [16] در سال 1384 با استفاده از روش تحلیلی لیاخفسکی ضریب مقاومت موج سازي براي دو شناور تریماران مختلف بدست آوردند.
در مقاله جوانمردي و همکاران]أز[، مقاومت هیدرودینامیکی شناور تریماران با فرم بدنه ویگلی مورد بررسی قرار گرفته است و تاثیر موقعیت طولی بدنه هاي جانبی نسبت به بدنه اصلی براي چهار موقعیت طولی و در محدوده عدد فرود 0/810-0/589 در میزان مقاومت فشاري و ویسکوز مورد بررسی قرار گرفته است. در کار زارع[18]، کارایی روش هاي عددي در محاسبه مقاومت هیدرودینامیکی جریان سطح آزاد، همراه با پدیده تداخل و شکست امواج در اطراف شناور تریماران مورد بررسی قرار گرفته است.
با توجه به فیزیک مسئله شناورهاي تریماران عواملی همچون لزجت، آشفتگی جریان و اثر سطح آزاد، حل تحلیلی جریان اطراف آنها را دشوار ساخته است و در صورت استفاده از حل هاي تحلیلی، نیاز به فرضیات ساده کننده مختلفی می باشد و در برخی شرایط نتایج مناسب ارائه نمی شود. به همین منظور در این مقاله از نرم افزار تجاري فلوئنت براي شبیه سازي جریان کمک گرفته شده است، به عبارت دیگر در کار حاضر حل جریان سه بعدي متلاطم اطراف یک شناور تریماران بصورت دوفازي و با استفاده از مدل آشفتگی k ، در نرم افزار فلوئنت انجام گرفته است و اثرات اضافه کردن و موقعیت بدنه هاي جانبی برروي نیروي مقاومت هیدرودینامیک و ضریب درگ وارد بر بدنه در سه سرعت متفاوت 10، 20 و 30 متر بر ثانیه بر روي سطح آزاد محاسبه گردیده است و با یکدیگر مقایسه شده اند.
