بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، بدنه کشتی برای شبیهسازی حرکت چرخشی عرضی کشتی با سرعتهای پیشروی مختلف آن جهت مطالعه حرکات کشتی در جهات آزادی مختلف مورد بررسی قرار گرفته و نتایج عددی با دادههای آزمایشگاهی اعتبارسنجی شده است. با توجه به نمودار حرکت چرخش عرضی بر حسب زمان، نتایج شبیهسازی با انطباق روش حل مناسب، تطابق بسیار خوبی با دادههای آزمایشگاهی ارائه نمود.
سرعت پیشروی کشتی سبب انتقال سریعتر گردابهها به پایین دست جریان شده و در نتیجه مدت زمان کمتری روی سطح بدنه کشتی باقی میمانند و در نتیجه تاثیر کمتری بر توزیع فشار روی بدنه کشتی میگذارند. حرکت طولی کشتی سبب افزایش استهلاک حرکت چرخشی عرضی شده ولی اثر اندکی بر روی اینرسی حرکتی دارد. نتایج شبیهسازی حرکت نوسانی کشتی با زاویه انحراف اولیه 15 درجه و سرعت پیشروی صفر با چهار درجه آزادی به دست آمده است.
-1 مقدمه
در نظر گرفتن ویژگیهای پایداری دینامیکی و استاتیکی کشتی از مبانی اولیه طراحی و عملکرد ایمن آن محسوب میگردد. پایداری کشتی از لحاظ عدم واژگونی آن به صورت مستقیم به حرکت چرخشی عرضی1 کشتی وابسته است. ادغام امواج هم جهت و هم فرکانس که سبب افزایش توان تخریبی امواج و یا افزودن درجه آزادی-های حرکتی متفاوت به کشتی میشود، میتواند آسیبهای جدی و خطرناکی را به همراه داشته باشد.
در مواقعی که شرایط وقوع پدیده تشدید حرکت چرخش عرضی فراهم میگردد، استفاده از قسمت شلجمی2 در جلو و زیر بدنه کشتی یکی از روشهای سنتی پیشنهادی برای افزایش پایداری سیستم است که افزایش مقاومت هیدرودینامیکی در برابر چرخش کشتی را نیز به دنبال داشته و همچنین اندکی هزینههای ساخت و تولید را نیز به سیستم تحمیل مینماید. یکی دیگر از جنبههای به کارگیری دینامیک سیالات محاسباتی در زمینه صنعت کشتیرانی به منظور طراحی بدنه کشتی از جهت کاهش صدای تولیدی میباشد.
به منظور انجام این طراحی، شبیهسازی دقیق سطح آزاد آشفته پیرامون سطح بدنه کشتی نقش اساسی را بر عهده دارد. شبیهسازی جریان در مسائل مرتبط با این صنعت، دارای پیچیدگی و تنوع فراوانی میباشد زیرا مدلها و طرحهای بسیاری به منظور شکست موج در برخورد با بدنه کشتی و اندرکنش دوفازی با لایه مرزی آرام و یا آشفته ارائه شده است. در حالت کلی دو روش کلی مجزا به نامهای روشهای پوشش دهنده سطح3 و روشهای تطبیقدهنده سطح1 برای توصیف سطح آزاد در معادلات جریان سیال، وجود دارد. میتوان ادعا کرد که هدف نهایی هر دو روش تعیین دقیق پروفیل موج میباشد زیرا مساحت سطح خیس در محاسبه نیروی درگ اعمالی بر حرکت کشتی اثر گذار است. در روش تطبیق دهنده سطح یک شرط مرزی سینماتیکی در سطح آزاد اعمال شده و معادلات حاکم تنها برای فاز مایع حل میگردند
این روش برای جریانهایی با عدد فرود بالا شامل امواجی با دامنه زیاد، به دلیل نیاز به تطابق شکل سطح آزاد بر شبکه محاسباتی، کاربردی نمیباشد. روشهای پوششدهنده سطح قابلیت تطبیقپذیری بیشتری برای شرایط جریان سطح آزاد را دارا بوده و معادلات حاکم بر مسئله برای هر دو فاز هوا و آب حل میگردند. روش حجم سیال[3] 2، روش تنظیم سطح [4] و روش دنبال کننده پیشرونده از روش-های رایج در این دسته میباشند. ساختار و رفتار جریان آشفته در همسایگی سطح آزاد بسیار پیچیدهتر از رفتار جریان آشفته در جریان تک فاز است. مشخص شده است که در مورد امواج آشفته4، اثرات تنش سطحی در ابعاد کوچکتر و اثرات گرانشی در ابعاد بزرگتر دارای اهمیت میباشند
اغلب مدلهای آشفتگی موجود برای جریانهای تک فازی پیشنهاد شده و قادر به توصیف رفتار آشفته سطح آزاد نیستند و نیازمند به تعریف توابع 5 UDF در کد تجاری فلوئنت میباشند. با توجه به موارد ذکر شده، برای استفاده از مدلهای آشفتگی موجود، نیاز است تا به ارزیابی شبیهسازی جریانهای آشفته در سطح آزاد پرداخته شود. نرمافزار فلوئنت قادر است تا معادلات RANS را با روش حجم محدود بر روش شبکه بیسازمان هیبرید6 حل نماید. الگوریتمهای متنوعی بر پایه فشار در این نرمافزار موجود میباشد.
برای محاسبات حالت پایای7 موجود، الگوریتم سیمپل8 قابل قبول است [7] و روش حجم سیال برای شبیهسازی حرکت سطح آزاد به کار گرفته میشود. از طرح اختلاف بالادست9 مرتبه دوم برای گسستهسازی عبارتهای جابجایی در معادلات مومنتوم استفاده میشود. مدل k- استاندارد با توابع دیواره10 برای مدلسازی آشفتگی استفاده شده است
سیستم منتج از معادلات برای همگرایی سریعتر با استفاده از یک روش چند شبکهای جبری حل شده است. حرکت جریان سطح آزاد توسط نیروهای اینرسی و گرانشی شبیهسازی میشود. بنابراین، شرایط مرزی باید تحت تاثیر نیروی گرانشی نیز قرار گیرد
بررسی الگوی موجهای تولید شده به واسطه حرکت کشتی در میان آب یکی از مهمترین موضوعات در مطالعات هیدرودینامیکی کشتی و طراحی آن میباشد. این امواج تولیدی دارای انرژی بوده که در سیال پیرامون آن مستهلک میگردد. در واقع یکی از مقاومتهای پیشروی کشتی، مقاومت ناشی از امواج تولیدی است. روشهای جریان پتانسیلی و آشفته برای شبیهسازی الگوی جریان پیرامون کشتی مورد استفاده قرار میگیرند. کدهای جریان پتانسیلی بر پایه روش المان مرزی 9] BEM،[10 اغلب برای مطالعه امواج تولیدی در سطح آزاد مورد استفاده قرار میگیرند.
اثرات لزجت سیال در این روش نادیده گرفته شده و محاسبات جریان به نسبت ساده، سریع و دقیق میباشند. بدنه کشتی و سطح آب در کدهای جریان پتانسیلی اغلب با مشهای مثلثی و مربعی گسسته میشوند، بنابراین جریان با حل معادله لاپلاس حل میگردد. برای شبیهسازی مقاومت موج در جریان پتانسیلی، استفاده از روش منبع رانکین11 بسیار رایج میباشد
روش پیشنهادی داوسن[12] 12 برای شبیه- سازی پدیده غیر خطی شرط مرزی سطح آزاد نیز قابل استفاده میباشد. روش RANS قادر به شبیهسازی جریان آشفته پیرامون کشتی با در نظر گرفتن یا صرف نظر کردن از اثرات سطح آزاد میباشد که نتایج نسبتا دقیقی را به همراه دارد. استفاده از توابع UDF مرتبط با لزجت سیال برای بررسی برخی از مشخصههای جریان همچون جدایش روی سطح در انتهای بدنه کشتی بسیار ضروری میباشد زیرا تنها این توابع قادر به تعیین الگوی جریان در انتهای بدنه کشتی میباشد.
در جریان لزج با توجه به اینکه تا چه حد شبکه مش زده شده بر سطح آزاد منطبق گردد، با استفاده از این توابع قادر به شبیهسازی دقیقتر خواهیم بود. برگ و مارکو [13] از الگوریتمی غیر خطی برای سطح آزاد به همراه مشبندی بیسازمان بر اساس مدل RANS و حجم محدود، برای شبیهسازی جریان پیرامون بدنه DTMB-5415 استفاده نمودند.
لی [14] مقالهای مشابه مقاله برگ و مارکو [13] ارائه داده است که تفاوت آن در تولید مش با سازمان میباشد. یکی از مزایای روشهای تطبیق دهنده سطح، تعریف نمودن سطوح آزاد با دقت بالا میباشد. از معایب این روشها نیز عدم توانایی مناسب در شبیهسازی با حضور امواج به دلیل تغییر شکل زیاد ایجاد شده در شبکه است. بطوریکه، بدون تغییر در جانمایی1 سلولهای شبکه، تغییر شکلهای2 شدیدی در سلولها رخ داده و محاسبات را به نتایج نادرستی سوق میدهد. به دلیل وجود این معایب، معایب، استفاده از روشهای پوشش دهنده سطح برای شبیهسازی حرکت پایا و ناپایای کشتی در زمینه مطالعات هیدرودینامیک آن، روز به روز در حال افزایش میباشد.
چن و همکاران [15] و ری و اسکینر [16] با استفاده از روش حجم سیال جریان پیرامون بدنه کشتی DTMB-5415 را با موفقیت شبیهسازی نمودند. در روش تنظیم سطح، سطح تماس بین دو سیال با مجموعهای از نقاط با توابع درجه بالا تعریف شدهاند. از معایب این روش، عدم ارضای دقیق معادله پایستگی جرم برای هر یک از سیالات در محدوده مشبندی برای شبیهسازیهای وابسته به زمان میباشد.
در روش تنظیم سطح دو فازی، هر دو سیال هوا و آب به عنوان یک سیال مجزا بوده که خواص آنها در طول سطح تماس متغیر است، در حالیکه در روش تنظیم سطح، حل عددی تنها در فاز مایع انجام می-شود. در سالهای اخیر پیشرفتهایی در کاربرد روش تنظیم سطح در مسائل هیدرودینامیکی کشتیها صورت گرفته است.
دیماسیو و همکاران [17] از روش تنظیم سطح برای شبیهسازی جریان پیرامون بدنه DTMB-5415 با وجود و عدم وجود امواج استفاده نمودند. کاریکا و همکاران [18] از روش تنظیم سطح تک فازی با الگوریتم شش درجه آزادی بمنظور شبیهسازی حرکات عمودی بدنه استفاده کردند.
-2 روش تحقیق
پارامترهای هندسه بدنه یک نمونه کشتی در شکل - 1 - آمده است. هندسه این مدل از بدنه کشتی شامل قسمت شلجمی3 در بخش زیرین جلوی آن میباشد. پیشرانش به وسیله پروانههای دو قلو در انتهای زیرین بدنه کشتی که توسط تیری نگهداری شده است، تامین میگردد. ابعاد اصلی این طرح هندسی برای مدل بدنه کشتی DTMB-5415 در جدول - 2 - آمده است
حل عددی و تست آزمایشگاهی تنها بر روی بدنه کشتی و بدون تعلقات آن انجام گرفته است. پارامترهای l w ، p p و f به ترتیب بیانگر طول در خط آب، طول بین تعامدها و ارتفاع کشتی بیرون از آب میباشند. ضریب بلوک Cb در واقع نشان دهنده نسبت حجم بدنه به حجم مکعب مستطیلی با همان طول، عرض و ارتفاع میباشد. برای توصیف موقعیت و وضعیت بدنه کشتی، شش مختصات مستقل مورد نیاز میباشد. این مدل بدنه کشتی پس از برگزیده شدن به عنوان مدل منتخب در کارگاه آموزشی گوتنبرگ در سال 2000 برای شناخت جریانهای اطراف کشتی با استفاده از روشهای دینامیک سیالات محاسباتی به صورت وسیعی مورد شبیهسازی قرار گرفته است.
