بخشی از مقاله
چکیده
شناور پروازی تونلدار یکی از انواع فرم بدنههای پروازی است که با هدف کاهش هر چه بیشتر مقاومت بدنه طراحی شده است. در این مطالعه رفتار هیدرودینامیکی یک شناور پروازی تونلدار به صورت سه بعدی در نرم افزار استار سیسیام شبیهسازی شده است. فرایند شبیهسازی با استفاده از روش حجم محدود- حجم سیال انجام گرفته و مدل دارای دو درجه ازادی در راستای حرکات هیو و پیچ میباشد.
بنابراین برای مشاهده دقیق رفتار هیدرودینامیکی بدنه با توجه آزادی حرکت آن، مش دینامیکی به کار گرفته شده است. سپس نتایج به دست آمده از شبیهسازی با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه شده و دقت مقاومت و زاویهی تریم به دست آمده ارزیابی میگردد. در نهایت سایر خصوصیات هیدرودینامیکی بدنه در سرعتهای مختلف - نظیر توزیع مقاومت، توزیع نیروی لیف، تاثیر تونل، سطح خیس شده، پروفیل موج در تونل و خطوط جریان - جهت پیش بینی دقیق رفتار این نوع فرم بدنه ارائه میشود.
1 مقدمه
گسترش تکنولوژی و نیاز به افزایش سرعت در شناورهای نظامی، مسابقهای و تفریحی منجر به توسعه انواع شناورهای تندرو پروازی جهت نیل به این هدف شده است. شناور پروازی یکی از انواع قایقهای تندرو میباشد که با کاهش مقاومت امکان دستیابی به سرعتهای بالا رافراهم میکند. تاکنون محققان زیادی در زمینهی عوامل تاثیرگذار در کاهش مقاومت شناورهای تندرو فعالیت کردهاند. به عنوان یکی از فعال ترین محققان در این زمینه میتوان به سویتسکی1 اشاره داشت.
سویتسکی مطالعات گستردهای روی بدنههای منشوری انجام داده و اثر پارامترهای مختلف طراحی را در رفتار هیدرودینامیکی شناورهای پروازی ارزیابی کرده است. - [1] تا . - [3] او نشان داد طراحی فرم بدنه تاثیر زیادی در فیزیک جریان اطراف شناور خواهد داشت. به این ترتیب با بهینهسازی طراحی و کنترل فیزیک جریان میتوان مقاومت یک شناور را جهت دستیابی به سرعت بالاتر، کاهش داد. تاکنون روشهای متعدی چون ایجاد پله، تونل و اسپری ریل جهت بهینه سازی بدنههای موجود و کاهش مقاومت یک بدنهی پروازی پیشنهاد شده است.
پله یک ناپیوستگی عرضی در کف شناور است که به صورت های مختلفی چون پلهی عرضی، سویپبک و دایناپلن طراحی شده است. هنگام عبور جریان آب از محل پله، جریان از بدنه جدا شده و پس از طی یک مسافت کوتاه مجددا به بدنه متصل میگردد.
در ناحیهای از پشت پله که خطوط جریان از بدنه فاصله گرفته اند یک حفره از هوا تشکیل میشود که وجود آن در رفتار هیدرودینامیکی شناور بسیار موثر خواهد بود. تشکیل این حفره منجر به کاهش سطح خیس شده و کاهش مقاومت شناور میگردد. به این ترتیب، شرایط لازم برای دستیابی به سرعتهای بالاتر بدون تغییر در سیستم رانش امکان پذیرخواهد بود. مطالعهی رفتار بدنهی پلهدار همواره یکی از موضوعات مورد توجه محققان بوده است
مطالعات گستردهی انجام شده همه حاکی از کاهش قابل توجه مقاومت در شناورهای پلهدار نسبت به انواع مشابه بوده است اما علاوه بر پله روشهای مشابه دیگری چون ایجاد تونل در کف بدنه نیز میتواند به کاهش مقاومت شناور کمک کند.
بدنهی پروازی تونلدار یک نوع خاص از شناورهای پروازی با دو تونل در کف بدنه است که ساختار این شناور را تا حدودی مشابه به شناور تریماران میکند. همچنین، رفتار تونل شباهت زیادی به یک پلهی طولی دارد که اجازهی ورود هوا به کف شناور جهت کاهش سطح خیس شده را میدهد. بنابراین این فرم بدنه امکان دستیابی به سرعت های بالا را فراهم خواهد کرد.
یوسفی [13] با شبیهسازی یک بدنه در حالت تونلدار و بدون تونل نشان داد در سرعت 50 نات استفاده از تونل میتواند تا %14 مقاومت شناور را کاهش دهد. کاظمی مقدم و شفقت [14] نیز اثر ارتفاع تونل در کاهش مقاومت را بررسی کردهاند. با این حال علی رغم مزیتهای زیاد تاکنون تحقیقات کمی روی این نوع بدنه انجام شده است.
به صورت کلی روشهای مختلفی برای بررسی رفتار هیدرودینامیکی شناور وجود دارد که روشهای عددی یکی از مورد توجه ترین آنها است. زیرا بدون تحمیل هزینه و زمان اضافی در جریان تهیهی مدل اولیه و لزوم در اختیار داشتن حوضچهی کشش، امکان بررسی رفتار شناور در هر لحظه از زمان به صورت بسیار دقیق را فراهم میکنند. البته روشهای شبیه سازی عددی نیز خود بر اساس روابط مورد استفاده قابل تفکیک به انواع روش-های المان مرزی2 و حجم محدود 3 خواهند بود.
در هر دو روش المان مرزی و حجم محدود، از مدل حجم سیال4 برای مشخص کردن رفتار شناور تندرو استفاده میشود. این مدل برای مطالعهی دو یا چند سیال مجاور در سطح آزاد طراحی شده است. بنابراین جهت بررسی رفتار شناور در سطح آزاد مناسب خواهد بود
یو مین5 و همکاران [20] از معادلات میانگین رینولدز، ناویر استوکس و حجم سیال با شش درجه آزادی برای تخمین عملکرد قایق پروازی استفاده کرده اند. روش حجم سیال همچنین برای بررسی برخورد استیشن دماغه با سطح آب توسط قدیمی و همکاران [21] مورد استفاده قرار گرفته است.
در این مقاله یک مدل عددی برای پیش بینی رفتار بدنهی تونل دار با دو درجه آزادی - هیو و پیچ - در آب آرام ارائه خواهد شد . پس از ارائهی ابعاد بدنه و مشخصات اولیهی حل عددی چون دامنه محاسباتی و شرایط مرزی، نتایج مقاومت و زاویهی تریم با نتایج حاصل از آزمایشهای ما و همکاران [22] مقایسه میگردد . سپس توزیع مقاومت اصطکاکی، شکل جریان درون تونل، سطح خیس شده و کارایی بدنه در سرعتهای مختلف به تفصیل بررسی خواهد شد به این ترتیب میتوان به درک صحیحی از رفتار فیزیکی جریان در اطراف یک شناور تونل دار دست یافت.
2 معادلات حاکم
اساسا فرم اصلی معادلات مورد استفاده در دینامیک سیالات محاسباتی، معادلات ناویر استوکس است. این معادله با استفاده از میانگین عدد رینولدز و همچنین معادله پیوستگی به صورت معادلات 1و 2 نوشته میشود.
در معادلهی 2، u سرعت جریان بوده و در راستای محورهای مختصات با مولفههای - - u ,v ,wu نشان داده میشود. همچنین x بردار واحد در جهت محورهای مختصات به صورت - j , x k - x i , x x میباشد. در شبیهسازی شناور تونلدار در سطح آزاد، دو سیال آب هوا هر یک با چگالی و ویسکوزیتهی مشخصهی خود به صورت ناپایدار، تراکم ناپذیر و اشفته از نوع k تعریف شدهاند. معادله جریان آشفتهی k برای حل معادلات دیفرانسیل انرژی جنبشی و میرایی انرژی جنبشی - - به صورت زیر به کار گرفته میشود.
در روابط 4 و5، ضرایبC 1 و C 2 به صورت تجربی به دست آمده و kو s نیز به ترتیب عدد پرانتل و اشمیت در جریان آشفته هستند.
شبیهسازی شناور در سطح آزاد در محل تماس دو سیال آب و هوا نیازمند بررسی دقیق جریان در سطح آب میباشد. بنابراین همانطور که در بخش مقدمه نیز اشاره شد از روش حجم سیال در این شبیهسازی استفاده شده است. روش حجم سیال برای مسائل چند فازی طراحی شده و از روابط 6 تا 8 برای محاسبهی چگالی و ویسکوزیته موثر در سطح آزاد استفاده میکند.
در اینجا عددی بین صفر و یک میباشد که مقدار یک برای فاز آب و صفر برای هوا در نظر گرفته شده است. اعداد بین صفر و یک نیز شرایط سطح مشترک آب و هوا را نشان میدهند.
3 حل عددی
1-3 مشخصات مدل
مدل شناور مورد بررسی در این مقاله یک بدنهی پروازی تونلدار است که ابعاد آن در جدول 1 ارائه شده است. شکل 1 نیز نمای رو به رو و خطوط بدنهی این مدل را نشان میدهد. بدنه شامل دو تونل است که در تمام طول شناور امتداد یافته اند. به این ترتیب میتوان شناور مورد بررسی را مشابه یک شناور تریماران با یک بدنهی اصلی و دو بدنهی جانبی که توسط دو تونل از هم جدا شدهاند مشابه در نظر گرفت.
جدول:1 مشخصات اولیهی مدل
شکل :1 نمای روبه رو از خطوط بدنهی شناور تونلدار
با توجه به تقارن مدل در دو نیم بدنهی سمت راست و چپ، تنها یک نیم بدنه شبیه سازی شده و نتایج به کل بدنه تعمیم یافته است. همچنین یک حوضچه کشش مجازی پیرامون شناور در نظر گرفته میشود که رفتار بدنه در این دامنه بررسی خواهد شد. برای کاهش حجم محاسبات و کاهش طول دامنه مورد بررسی بدنه شناور در موقعیت خود ثابت شده و جریان آب از آن عبور داده میشود. این فرآیند مشابه آزمایشات صورت گرفته در تونل باد خواهد بود.
2-3 دامنه محاسباتی
همانطور که اشاره شد برای شبیه سازی شرایط آزمایشگاهی در نرم افزار عددی یک حجم مکعب شکل به عنوان حوضچه کشش مجازی در اطراف بدنه تعریف میشود. ابعاد این دامنه در نتایج به دست آمده از شبیهسازی بسیار موثر است. بنابراین لازم است به گونهای انتخاب گردد که بازتاب امواج برخوردی به دیوارهی این دامنه مجددا به بدنه منعکس نشده و نتایح شبیهسازی را تحت تاثیر قرار ندهد . شکل 2 ابعاد دامنه محاسباتی را نشان میدهد. با توجه به شکل، دامنه به طول 9 متر در پشت شناور امتداد یافته است تا به این وسیله تاثیر ویک ایجاد شده در پشت بدنه در ناحیه مرزی خروجی به حداقل برسد. همچنین برای ایجاد شرایط آب عمیق، عمق دامنه به اندازه 4 متر در زیر سطح آزاد انتخاب شده است.
