بخشی از مقاله
چکیده
تخمین مقاومت افزوده و رسیدن به سرعت مورد نیاز در شرایط دریای واقعی یکی از ارزیابیهای ضروری در عملکرد شناور محسوب میگردد. در این مطالعه با استفاده از شبیهسازی عددی مقاومت افزوده مدل شناور کانتینربر KCS تحت امواج روبرو در شرایط دریایی مختلف تخمین زده میشود. ابتدا شبیهسازی عددی مدل شناور در آب آرام انجام گرفته و سپس حرکات و مقاومت افزوده تحت امواج منظم از روبرو در سرعت طراحی شناور - Fr=0.26 - انجام گردیده که در مقایسه با نتایج تجربی و عددی سایرین تطابق قابل قبولی بدست آمده است.
در نهایت با استفاده از روابط رائو و طیف موج در هر شرایط دریایی، مقاومت افزوده در دریای واقعی تحت امواج نامنظم تخمین زده میگردد. شبیهسازی عددی مطالعه حاضر بر اساس حل معادلات رَنس ناپایدار با استفاده از نرمافزار Star ccm+ میباشد .
جریان پیرامون بدنه شناور بهصورت جریان توربولانسی تراکمناپذیر بوده و جهت شبیهسازی جریان سطح آزاد اطراف بدنه از روش حل جریان دو فازی کسر حجمی سیال استفاده شده است. همچنین جهت بهبود و توسعه حل در قسمتهای پیچیده هندسه - سینه و پاشنه - توزیع شبکهبندی بهصورت جزئیتر در نظر گرفته شده است. نتایج این مطالعه نشان دهنده محدوده مورد نیاز عملکرد شناور در دریای واقعی میباشد که باید در مراحل اولیه طراحی مخصوصا انتخاب سیستم رانش مد نظر قرار گیرد.
مقدمه
مقاومت افزوده در امواج یکی از مهمترین پارامترهای دینامیک کشتی محسوب میگردد. زمانیکه یک شناور در منطقه مواج پیشروی میکند، دو نوع از امواج تولید میگردند. امواجی که در اثر پیشروی شناور در آب آرام تولید میشوند و امواجی که در اثر حرکات شناور زمانیکه موج به آن برخورد میکند، بوجود میآیند. هر دو نوع موج سبب از بین رفتن انرژی شناور میگردد. بدینترتیب میتوان نتیجه گرفت حرکت شناور در امواج سبب از بین رفتن انرژی بیشتری نسبت به حرکت شناور در آب آرام میگردد.
مقدار انرژی اضافی که از بین میرود را با نام مقاومت اضافه1 در موج نامیده میشود - شکل . - 1 در واقع مقاومت اضافه قسمتی از مقاومت کل کشتی است که به دلیل وجود امواج در آبها بوجود میآید. امروزه پیشبینی دقیق مقاومت کشتی در امواج هم برای طراحان و هم برای مالکان کشتی از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا تاثیر زیادی بر انتخاب موتور، سیستم رانش و بازدهی کشتی میگذارد. بنابراین محاسبهی دقیق مقاومت اضافه یک بخش ضروری در محاسبه مقاومت کشتی است.
شکل :1 مقاومت افزوده در موج منظم
با توجه به تئوری کلاسیک دریامانی، اتلاف انرژی یک شناور را میتوان به سه مولفه نسبت داد. که هر سه مولفه به انرژی ذخیره شده میان کشتی و امواج مرتبط میباشد. بجز یک مولفه کوچک که صرف ویسکوز اصطکاکی میگردد، این انرژیها تبدیل و ذخیره در جهت تولید امواج شناور میگردند. این مولفهها عبارتند از:
- اولین مولفه از تداخل میان امواج برخوردی به شناور - که در هنگام برخورد با شناور انکسار پیدا میکنند - با امواج متشعشع شده - که در اثر حرکات کشتی، مخصوصا حرکات هیو و پیچ تولید میشوند - حاصل میگردد. به این مولفه نیروی رانش - دریفت - نیز گفته میشود.
- امواج برخوردی که از بدنه شناور منعکس میشوند و با امواج متشعشع شده تداخل میکنند. به این مولفه اثر انکسار گفته میشود.
- اثر ویسکوز که در دمپ حرکات عمودی استفاده میگردد.
بنابراین نیروی تشعشع که در نتیجه نوسان کشتی در امواج و همچنین نیروی تفرق که در اثر انعکاس موج برخوردی از کشتی بوجود میآید دو عامل اصلی پدید آورنده مقاومت اضافه کشتیها هستند .[1] یکی از اولین تحقیقاتی که جهت بدست آورده مقاومت افزوده انجام گردید توسط Havelock در سال 1942صورت گرفت. وی مقدار میانگین مولفه طولی نیروی فشاری که بر سطح خیس بدنه یک شناور در حال نوسان وارد میشود را محاسبه نمود .[2] اصول اساسی تخمین مقاومت میانگین توسط Maruo در سال 1957 بیان گردید. اثبات آن بعدها توسط Vassilopoulos در سال 1967 نشان داده شد
در سالهای اخیر روشهای محاسباتی زیادی برای حل مسائل شناورها در امواج اعمال گردید. در روشهای نخستین، حرکات شناور در امواج را بصورت سیستم خطی در نظر میگرفتند بطوریکه دامنه پاسخ حرکات با دامنه امواج ورودی بصورت خطی در ارتباط میباشند. این فرض زمانی صادق است که حرکات شناور پیرامون نقطه تعادلش خیلی کوچک بوده و تیزی موج ورودی محدود باشد. اولین روش منطقی و موفق که متناسب با فرض خطی استوار است با نام روش تئوری نواری معرفی میگردد.
در این روش بدنه شناور بهصورت مقاطع عرضی دو بعدی در نظر گرفته شده و نیروهای هیدرودینامیکی در هر نوار بصورت مجزا محاسبه میگردد. تئوری نواری روشی است که به منظور حل مسائل هیدرودینامیکی بکار میرود. فرضیات تئوری نواری به شرح زیر میباشد: - 1 - بدنه شناور کاملا کشیده، لاغر و طویل2 است. به عبارتی دیگر عرض و آبخور آن نسبت به طول شناور کوچک میباشد. - 2 - فرکانس موج زیاد است. - 3 - سرعت شناور صفر و یا کوچک میباشد. - 4 - دامنه موج و دامنه حرکات شناور کوچک است.
در صورتیکه شروط بالا برقرار باشد، آنگاه تئوری نواری بیان میکند که تغییرات سرعت سیال در اطراف بدنه کشتی عمدتا در راستای y-z بوده و در جهت طول شناور و یا محور x ناچیز است. در جدول 1 خلاصهای از تحقیقات صورت گرفته پیرامون مقاومت افزوده و دریامانی شناور ارائه شده است.
جدول :1 خلاصهای از تحقیقات انجام شده در زمینه مقاومت افزوده و دریامانی شناور
موضوع تحقیق
اندازهگیری مقاومت افزوده شناور سری 60 به روش آزمایشگاهی
اندازهگیری مقاومت افزوده شناور کانتینربر S175 به روش آزمایشگاهی
اندازهگیری مقاومت افزوده شناور ویگلی به روش آزمایشگاهی بررسی مقاومت افزوده با استفاده تست مدل مقید و آنالیز موج در حوضچه کشش
بررسی امواج کوتاه با در نظر گرفتن شرایط دریایی آرام جمعآوری نتایج عددی و تجربی پیرامون مقاومت افزوده اعمال تابع گرین موج جهت محاسبه مساله مقاومت افزوده
تحلیل مساله مقاومت افزوده با استفاده از روش پنل رنکین در حوزه زمان - در هر دو میدان نزدیک و دور - روش پنل رنکین جهت محاسبه مقاومت افزوده - با استفاده از میدان نزدیک و دور -
همچنین محاسبه مقاومت افزوده در امواج نامنظم
تحلیل مقاومت افزوده با استفاده از روشهای پنل رنکین و روش RANS - روش ناویراستوکس و رینولدز میانگین -
بررسی عملکرد شناور KCS با استفاده از روش URANS و نرمافزار star ccm
جهت تخمین حرکات هیو، پیچ و مقاومت افزوده
محاسبات عددی و تجربی حرکات شناور KCS تحت امواج منظم مطالعه مقاومت افزوده شناور تانکر در تناژها و شرایط دریایی مختلف محاسبه حرکات هیو و پیچ شناور تحت امواج منظم در آب کم عمق عملکرد شناور در شرایط دریای واقعی نسبت به دریای آرام با در نظر گرفتن یک مارجین ارجحیت بیشتری دارد. بسته به نوع بدنه و شرایط محیطی، مقاومت افزوده در دریا بصورت قابل ملاحظهای افزایش مییابد.
بدینترتیب تخمین مقاومت افزوده یکی از مهمترین پارامترها در صنعت دریایی محسوب گردیده و جایگاه مطالعه حاضر را نشان میدهد بهطوریکه اگر مقاومت افزوده در طراحی سیستم رانش در نظر گرفته نشود، سبب به تاخیر انداختن و از دست دادن صرفه اقتصادی خواهد شد. در این مقاله شبیهسازی عددی شناور KCS تحت امواج صورت گرفته است. بطوری-که ابتدا مقاومت آب آرام و مقاومت افزوده تحت موج منظم مورد بررسی قرار گرفته و نتایج حاصل از آن با نتایج تجربی سایرین مقایسه گردید. سپس طیف موج در چند شرایط دریایی تولید شده و نتایج مقاومت افزوده در شرایط دریایی مختلف محاسبه گردید. شایان ذکر است شبیهسازی عددی شناور در آب آرام و موج منظم با استفاده از نرمافزار Star ccm+ انجام شده و تولید طیف موج و تعمیم نتایج در هر شرایط دریایی با استفاده از کدنویسی در MATLAB صورت گرفته است.
مشخصات شناور
تمامی محاسبات انجام شده در این مطالعه، بر اساس مدل شناور KCS انجام شده است. مشخصات اصلی شناور اصلی و مدل تولید شده در جدول 2 ارائه شده است.
شکل :2 هندسه مدل شناور KCS
جدول :2 مشخصات اصلی شناور اصلی و مدل تولید شده در نرم افزار
شبیهسازی عددی معادلات حاکم
سیال مورد استفاده در این مقاله آب و هوا میباشند که نیوتنی و تراکمناپذیر فرض شدهاند. بنابراین معادلات پیوستگی و معادله مومنتوم بهصورت زیر تعریف میگردد
بهطوریکه V، p و بهترتیب نمایانگر سرعت، فشار و لزجت دینامیکی میباشند. این معادلات فقط میتوانند برای برخی مسائل خاص و برخی مقادیر کوچک بهصورت تحلیلی حل گردند و درنتیجه برای مسائل پیچیدهتر نیاز به حل عددی این معادلات میباشد.
با توجه به اینکه جریان مورد بررسی در اطراف شناور مورد مطالعه، از نوع جریان آشفته است لذا از مدل توربولانسیکِی اِپسیلن جهت اعمال تاثیر آشفتگی بر جریان استفاده شده است. این مدل توربولانسی انتخاب شده بهصورت گسترده در کاربردهای صنعتی استفاده میگردد. همچنین در مقالهی Querard نشان داده شد که مدل K-Epsilon در مقایسه با سایر روشها مقرون به صرفهترین روش در میزان زمان حل توسط CPU میباشد .[25] همچنین برای انجام محاسبات مربوط به سطح آزاد از مدل حجم سیال3 استفاده شده است که معادله مربوط به آن بهصورت معادله 5 میباشد
