بخشی از مقاله
چکیده: تغییر بازدارندگی شناورهای تندرو با ایجاد تغییر در ساختار بدنه شناور، ایده اصلی استفاده از شکستگی پلهای در کف این نوع شناورها را تشکیل میدهد که بهبود کارآیی و افزایش بازده را از طریق کاهش بازدارندگیهای اصطکاکی به دلیل کاهش مساحت سطح تر و کاهش بازدارندگی فشاری به دلیل کاهش دنباله به همراه خواهد داشت. لذا بررسی دقیق تاثیرات شکستگی پلهای شکل در کف شناور بر روی عملکرد آن مشتمل بر تعیین موقعیت پله و ارتفاع پله به منظور دستیابی به بهترین طراحی از اهمیت به سزایی برخوردار است.
شبیهسازی دقیق شناورهای تندرو با توجه به رفتار غیرخطی جریان و آشفتگی آن نیازمند استفاده از مدلهای دقیق و پیچیده است. در این تحقیق از تحلیل عددی به همراه مدل توربولانس غیرخطی به منظور ارزیابی عملکرد شناور مدل 4667 از سری 62 استفاده گردید. نتایج به دست آمده نشان داد که در حالتی که پلهها در نیمه انتهایی شناور قرار داشته باشند با افزایش ارتفاع پله از نیروی بازدارندگی اصطکاکی و فشاری کاسته میشود و کاهش بازدارندگی در بهترین حالت در حدود 39 درصد محاسبه گردید.
.1 مقدمه1
یکی از مشکلات اصلی در صنعت دریانوردی پایین بودن سرعت شناورها ناشی از بازدارندگی بالاست لذا از بین بردن یا کم کردن بازدارندگی شناورها از جمله شناورهای با بدنه پروازی موضوع تحقیقات بسیاری بوده است. شناورهای تندرو، تغییر و تحول قابل توجهی در صنایع دریایی ایجاد نمودهاند و به یکی از اجزای حیاتی در این صنعت و صنایع وابسته با مقاصد حمل و نقل، نظامی، تفریحی- ورزشی و امداد و نجات بدل گردیدهاند. مدلسازی رفتار شناورهای تندرو به دلیل ظهور پدیدههای غیرخطی با پیچیدگیهای فراوانی همراه است. حل تحلیلی معادلات حاکم بر چنین جریانی امکانپذیر نبوده و از طرفی اندازهگیریهای آزمایشگاهی نیز با هزینههای بالایی روبرو هستند که این امر موید ضرورت استفاده از روشهای عددی است.
تحقیقات عددی و آزمایشگاهی بسیاری برای بررسی رفتار شناورها و اندازهگیری پارامترهای موثر به ویژه برای شناورهای پروازی صورت پذیرفته است. یاماموتو [1] برای محاسبه حرکات و مقاومت طولی شناور در برابر اسلمینگ در دریای ناآرام تئوری پتانسیل را به کار گرفت. در این حالت نیروهای هیدرودینامیکی وارد شونده بر روی شناور تحت تاثیر خصوصیات غیرخطی شکل بدنه شناور و ضربه هیدرودینامیکی بحرانی وارد بر کف شناور میباشند. در این روش با توجه به وجود این قبیل اثرات غیرخطی، جملات مشتق زمانی در محاسبات به کار گرفته شدند که برای هر مرحله زمانی از نوسانات شناور، به ازای آبخوری معین برای حالت پایدار این جملات محاسبه گردیدند.
پاین [2] نرم افزاری برای محاسبه حرکات شناورهای پروازی به نام BOAT3D طراحی نمود و به کمک آن جریان اطراف یک بدنه پروازی را در حالت پایدار تشریح کرد و توانست مقادیر جرم افزوده را برای رفتار شناورهای پروازی محاسبه نماید. به منظور کاهش تاثیر خطای ناشی از نیروی عمودی لیفت دینامیکی، کاتایاما [3] روشی را ارائه داد که برخی از نیروهای هیدرودینامیکی به ویژه ضرایب دمپینگ و نیروهای آزاد شده را با مقادیر به دست آمده از طریق آزمایش جایگزین نمود. کاتایاما و همکاران [ 4] به اندازهگیری حرکات شناورهای با سرعت خیلی زیاد - - 2 < < 5 - - در حضور امواج منظم در حوضچه کشش پرداختند و رفتار شناورها را به حرکت خطی، حرکت غیرخطی با پرش و بدون پرش تقسیمبندی کردند.
معیار طبقهبندی بر اساس شرایط اجرا، عدد فرود، دوره موج و ارتفاع موج محاسبه گردید و نتایج حاصله با برنامه کامپیوتری مبتنی بر تئوری پتانسیل مقایسه گردیدند که تطابق بسیار خوبی بین نتایج مشاهده گردید. روش جریان پتانسیل توسط باری و همکاران [5] برای مدلسازی ویژگیهای پایدار هیدرودینامیکی شناورهای دوبدنهای کاتاماران مورد استفاده قرار گرفت. محاسبات پارامتری برای بدنه متقارن در محدوده سرعتهای مختلف به ازای فواصل بدنه، نسبتهای بدنه و زوایای خیز عرضی متعدد صورت پذیرفت و نتایج با محاسبه ضریب بالابر و مرکز فشار مورد بررسی قرار گرفت. در این تحقیق نشان داده شد که ضریب بالابر با کاهش فاصله بین دو بدنه یا افزایش نسبت بدنه در اعداد فرود متوسط و زیاد افزایش مییابد.
روش RANS توسط کاپونتو [ 6] برای بررسی شناوری که جابجایی و مرکز ثقل آن نامعلوم است مورد استفاده قرار گرفت. در هر سرعت 9 شبیهسازی به ازای 3 زاویه تریم و 3 غوطهوری مختلف انجام شد و نتایج حاصل برای مرکز فشار طولی با نتایج روش ساویتسکی [7] مقایسه گردید. ساویتسکی و مورابیتو [ 8] به بررسی تجربی پروفیلهای گردابی سطحی طولی در قسمت پاشنه شناور با شکل بدنه منشوری در زوایای خیز عرضی 10 ، 20 و 30 درجه پرداختند.
در این مطالعه روابطی تجربی برای توصیف کمی این پروفیلها ارایه گردید که به ازای تغییرات قابل انتظار در زاویه تریم و ضریب سرعت در شناورها قابل استفاده میباشند. اخیرا نعیمی [9] به بررسی تاثیر یک شکستگی پلهای شکل در کف شناور پروازی سری 62 پرداخت. در این تحقیق نشان داده شد که انتقال پله از نیمه ابتدایی به نیمه انتهایی و نیز به یک چهارم انتهایی شناور سبب کاهش بازدارندگی کل میگردد. همچنین افزایش ارتفاع پله سبب کاهش نیروی بازدارندگی در بهترین موقعیت پله گردید و کاهش بازدارندگی در بهترین موقعیت در حدود 25 درصد محاسبه گردید.
شناورهای پروازی به دلیل مقدار کم حجم بدنه داخل آب، گشتاورهای برگرداننده هیدروستاتیکی ضعیفی دارند و تعادل عرضی آنها بیشتر توسط توزیع فشار هیدرودینامیکی تامین می شود. از طرفی دستیابی به سرعتهای بالاتر مستلزم کاهش بازدارندگی کل مشتمل بر بازدارندگی اصطکاکی و فشاری در این نوع از شناور میباشد. ایجاد شکستگی پلهای در کف شناور به کاهش مساحت سطح تر و کاهش طول دنباله میانجامد و این استراتژی کاهش بازدارندگیهای اصطکاکی و فشاری را به دنبال خواهد داشت.
متاسفانه در اغلب تحقیقات صورت گرفته در خصوص این گروه از شناورها، از مدلهای توربولانس خطی به منظور تحلیل جریان حول شناور استفاده شده و همچنین نقش موقعیت پله و نیز ارتفاع شکستگی پلهای مورد بررسی قرار نگرفته است. در تحقیق حاضر شبیهسازی عددی شناور مدل 4667 از سری 62 با استفاده از روش عددی حجم محدود و به کمک مدل توربولانس غیرخطی [10] انجام خواهد شد.
.2 توصیف مساله
.1-2 هندسه شناور
شناوری که در این تحقیق مورد بررسی قرار خواهد گرفت، مدل 4667 از سری 62 میباشد که در شکل 1 نشان داده شده و مشخصات هندسی آن در جدول 1 ارائه گردیده است.
.2-2 شبکه محاسباتی
در تحقیق حاضر از آرایش شبکه منطبق بر بدنه با ساختار مثلثی نامنظم مطابق شکل 2 استفاده شده است به نحوی که بیشترین تمرکز سلولهای شبکه در نزدیک بدنه شناور و در حدفاصل بین دو فاز آب و هوا بوده و در نواحی کماهمیت دور از بدنه از تراکم شبکه کاسته شده است. این امر از افزایش نامعقول زمان محاسباتی تا حد امکان جلوگیری میکند. همچنین به دلیل تقارن تنها کافیست نیمی از هندسه حل مورد تحلیل قرار گیرد. به منظور ارزیابی دقت نتایج، پروفیل فشار بر روی سطح تقارن بدنه شناور با استفاده از سه شبکه درشت، متوسط و ریز که هر یک به ترتیب دارای 1400000، 1900000 و 2100000 سلول شبکه هستند محاسبه گردید.
پروفیل فشار روی سطح بدنه شناور برای سه شبکه فوق در شکل 3 ترسیم و با یکدیگر مقایسه گردیده است. همانگونه که در این شکل ملاحظه میشود توزیع فشار برای شبکه ریز تقرباًی منطبق بر پروفیل فشار محاسبه شده با استفاده از شبکه متوسط است و بیانگر این موضوع است که از این مرحله به بعد افزایش تعداد سلولهای شبکه تاثیر ناچیزی بر دقت نتایج خواهد داشت و وابستگی حل به شبکه محاسباتی تقرباًی از بین رفته است.
