بخشی از مقاله
خلاصه
کاربرد نرم افزارهای مهندسی در طراحی و تحلیل سازه های عمرانی بطور روزافزونی در حال توسعه است. در این رابطه نرم افزارهای محاسبات دینامیک سیال برای مطالعه اندرکنش سازه های ساحلی و دریایی با امواج نقش بی بدیلی در اجرای پروژه های دریایی دارند زیرا هزینه اجرا در دریا به طور قابل توجهی بیشتر از خشکی است.
در این تحقیق دو مدل موج شکن شناور پانتونی مدل اول پانتونی ساده و مدل دوم پانتونی پلهای در نرم افزار ANSYS AQWA شبیه سازی شده اند. شاخص اصلی برای عملکرد موج شکن ضریب عبور موج، یعنی نسبت ارتفاع امواج در پشت موج شکن به ارتفاع امواج ورودی به ناحیه ساحلی، با تغییرات پارامترهای فیزیکی از جمله آبخور، پریود و دامنه امواج بررسی می شود.
نرم افزار مساله اندرکنش موج و سازه را به روش المان مرزی و بر اساس معادله لاپلاس حل می کند و کنتورهای تراز آب را به عنوان خروجی نمایش می دهد. در انتها نتایج و خروجیهای نرم افزار عددی با نتایج آزمایشگاهی به منظور صحت سنجی مورد مقایسه قرار گرفته است. داده های آزمایشگاهی توسط همین گروه محققان در دانشگاه علوم و تحقیقات استخراج شد. میزان خطاها و انحرافها به دست آمده و بهترین عملکرد و وضعیت ممکن موج شکنها در امواج مختلف معرفی گردیده است.
مقدمه
ایجاد محیطی امن در سواحل به منظور حفاظت از فرسایش خط ساحلی، پهلوگرفتن شناورها در بنادر، بارگیری و باراندازی آنها همواره مورد توجه بوده است. یکی از مهمترین سازه هایی که جهت ایجاد حوضچه آرامش در بندرگاه برای تأمین ورود مطمئن کشتیها به آبراههها و بنادر، ساخته میشود، موجشکنها هستند. موجشکنها با ایجاد مانعی در برابر امواج، انرژی امواج را مستهلک میکنند و موجب کاهش ارتفاع آنها میشوند. با این عملکرد، محیطی آرام در بخش رو به ساحل موجشکنها به وجود میآید و امکان ساخت و بهرهگیری از سازههای ساحلی و فعالیتهای مربوط به کشتیرانی فراهم میشود. موجشکنها در انواع مختلفی ساخته میشوند و به طور کلی میتوان آنها را به دو نوع ثابت و شناور تقسیم نمود.
هزینهای زیاد و زمان اجرای نسبتاً طولانی موجشکنهای ثابت نسبت به موجشکنهای شناور عمدهترین مزیتی است که موجب شده تا در سال های اخیر تمایل به استفاده از موجشکن های شناور افزایش یابد. علاوه بر این ساخت موجشکنهای ثابت در همه مناطق امکانپذیر نیست. در محل احداث موجشکنهای ثابت بستر دریا می بایست قابلیت اجرای پی را داشته باشد. موجشکنهای شناور را میتوان در شرایطی که خاک بستر دریا از مقاومت بالایی برخوردار نیست، اجرا نمود. البته این نوع موجشکنها نیز باید با استفاده از مهارهایی به بستر متصل شوند، ولی فشار تولید شده در خاک بستر در این حالت بسیار کمتر از موجشکنهای ثابت است.
گسراها و همکاران [1] در سال 2006 به روش مدلسازی عددی عملکرد موجشکنهای شناور شکل را تحت امواج با زوایای برخورد مختلف مورد بررسی قرار دادند. در واقع آنها در مطالعه خود به بررسی امکان بالا بردن راندمان موجشکن شناور مستطیلی با متصل کردن تیغه در لبههای آن پرداختند. در این مطالعه نه تنها ضریب انتقال بلکه نیروها و ضریب جرم و میرایی سازه مورد مطالعه قرار گرفت. آنها به این نتیجه رسیدند که با افزایش ارتفاع تیغه، جرم سازه افزایش می-یابد و ضریب میرایی کاهش یافته و همچنین در جلوی موجشکن استهلاک انرژی بیشتری رخ میدهد که نتیجه این پدیدهها، کاهش ضریب انتقال است. همچنین با افزایش زاویه امواج برخوردی نسبت به حالت قائم ضریب انتقال موجشکن کاهش مییابد.
کاتاندوس و همکاران [2] در سال 2011 در پی تحقیقات قبلی خود، در یک مطالعه عددی به بررسی ویژگیهای هیدرودینامیکی موجشکن شناور با تیغههای متخلخل پرداختند. آنها به این نتیجه رسیدند که با افزایش تخلخل تیغهها، ضریب انتقال نیز افزایش مییابد. اما وجود تیغههای متخلخل در جلوی موجشکن در افزایش استهلاک انرژی موج بسیار کارآمد است.
در داخل کشور نیز مطالعاتی در زمینه موجشکنهای شناور انجام شده است که در ذیل به آنها اشاره میشود: در تحقیق انجام شده توسط تمجیدیان و کتابداری [3] در سال 1386، حرکات موجشکن شناور تحت اثر ضربه امواج در حال شکست مورد بررسی قرارگرفته است. در این پژوهش با یک مدل دوبعدی واکنش موجشکن شناور در تقابل با امواج در حال شکست تحلیل شده است. بر اساس تحقیق انجام گرفته مشخص گردیده که کشش اولیه در مهارهای موج شکن شناور تأثیر بسزایی در عملکرد آن دارد.
در نهایت نتایج بدست آمده از مدل عددی با نتایج آزمایشگاهی سانسیراج* در سال 1996 مقایسه گردیده است که تطابق مناسبی بین نتایج بدست آمده از مدل عددی و نتایج آزمایشگاهی مشاهده میگردد. در پژوهش انجام گرفته توسط خلیلی و شفیعی فر [4] در سال 1389 به بهینه سازی هندسه موج شکن شناور پانتونی برای افزایش بازدهی آن پرداخته شده است.
در مطالعه عددی انجام شده، ابتدا به بررسی میزان کارایی موجشکن شناور پانتونی با شکل مکعب مستطیل پرداخته شده و حساسیت کارایی این موجشکن به مقادیر مختلف آبخور، عرض موجشکن و مشخصات سیستم مهاربندی و همچنین مشخصات مختلف امواج شامل ارتفاع، دوره تناوب و زاویه موج برخوردی بررسی شده است. برای بررسی عملکرد موجشکن شناور پانتونی از نرم افزار Moses استفاده گردیده است.
پس از انجام مطالعات بر روی عملکرد موجشکن شناور پانتونی، به بهینه سازی هندسه این موجشکن شناور برای افزایش بازدهی آن پرداخته شده است. هدف از بهینه سازی انجام شده، کمینه کردن میزان عبور موج از موجشکن است. روش بهینه سازی به کار رفته در این تحقیق الگوریتم ژنتیک است. مطالعه حاضر دارای دو بخش می باشد : -1 مطالعات تجربی - 2 مدل سازی و شبیه سازی عددی. در این تحقیق دو مدل در نظر گرفته شده است :
-1 مدل پانتونی ساده
- 2 مدل پانتونی پله ای .در ابتدای امر، مدلسازی فیزیکی انجام پذیرفته و دو مدل مد نظر در آزمایشگاه ساخته شد. آزمایش های متعددی در فلوم موج دانشگاه علوم و تحقیقات صورت پذیرفت و نتایج آن در مرجع [5] توسط همین گروه محققان گزارش گردید. در ادامه با توجه به مشخصات مدل فیزیکی، مدلسازی کامپیوتری در نرم افزار CAD انجام شده و تحلیل اندرکنش سازه با امواج توسط نرم افزار عددی ANSYS/AQWA شبیه سازی شد. نتایج و خروجی های عددی و آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفته و صحت سنجی انجام پذیرفت، خطاها و انحراف ها به دست آمد و بهترین حالت و وضعیت ممکن در امواج مختلف مشخص شد.
مطالعه عددی
در این مطالعه به منظور بررسی عددی پارامترهای مؤثر بر ضریب انتقال موجشکن شناور از میان نرمافزارهای مختلف مورد استفاده در مهندسی دریا با توجه به جامعیت نرمافزار انسیس آکوا ، این نرمافزار برای مدل سازی جریان در اطراف موجشکنهای شناور انتخاب شده است. نرمافزار انسیس آکوا یکی از بخشهای تحلیل مهندسی در نرمافزار انسیس است که برای بررسی اثرات موج، باد و جریان بر سازههای دریایی ثابت و شناور نظیر یدک کش ها، سکوهای تولید فرآورده نفتی شناور، سازه های نیمهشناور، سکوهای پایه کششی، کشتیها، سیستمهای تولید انرژی تجدیدپذیر و موجشکنها به کار میرود.
پروژه های امروزی نیازمند طراحی و تحلیل مؤثر سازه در فازهای هزینه و زمان هستند. گسترده بودن قابلیتهای مدلسازی و تحلیل در نرمافزار مورد استفاده، باعث کاهش هزینههای کلی پروژه و صرفهجویی در زمان میگردد. قابلیتهای نرمافزار انسیس آکوا فقط به تحلیل اثر انعکاس و انکسار موج بر سازه و یا تحلیل سازههای مهارشده محدود نمیشود. این نرمافزار یک ابزار تحلیل قدرتمند برای حل بسیاری از مسائل هیدرودینامیکی است.
در زیر نمونههایی از قابلیتهای این نرمافزار ارائه گردیده است: تحلیل حرکات سازه، تعیین ارتفاع آزاد سازه، محاسبه اثرات غشایی بدنه اجسام ثابت و شناور در محیط دریا، تحلیل اندرکنش بین چندین سازه، تحلیل دینامیکی کابلهای بکار رفته، محاسبه نیروها در مقاطع، تحلیل سکوهای پایه کششی، محاسبه خط سیر اشیاء معلق، محاسبه و تحلیل سیستمهای موج و باد، شبیهسازی عملیات معلقسازی بین سازههای شناور، تخلیه بار قایق از کشتی اصلی، تحلیل انتقال سازههای بزرگ از ساحل به ناحیه فراساحلی با استفاده از بارج یا کشتی، تحلیل حرکت کشتیهای یدک کش. بطور کلی نرمافزار را میتوان در شش بخش خلاصه نمود:
· آنالیز انعکاس و انکسار موج؛
· پایداری اولیه استاتیکی و دینامیکی شامل تأثیرات سیستمهای مهاری و دیگر اتصالات فیزیکی؛
· تحلیلهای دینامیکی حوزه فرکانس؛
· تحلیلهای حوزه زمان برای امواج نامنظم شامل جابجایی های آرام؛
· تحلیلهای حوزه زمان غیرخطی برای امواج منظم یا نامنظم دامنه بزرگ؛
· انتقال بارگذاری هیدرودینامیکی برای تحلیل المان محدود سازهای.
نحوه مدلسازی موجشکن شناور در انسیس آکوا
مدلسازی موج شکن شناور در دو مرحله صورت میپذیرد: - 1 ترسیم مدل در قسمت Geometry و -2 اعمال شرایط هیدرودینامیکی به محیط و سازه و انجام تحلیل هیدرودینامیکی در قسمت .Hydrodynamic Diffraction برای ترسیم سازه مورد نظر در نرمافزار انسیس آکوا میتوان از دو روش استفاده نمود. روش اول ترسیم سازه در نرمافزار AutoCAD و انتقال آن به نرمافزار انسیس آکوا است.
روش دوم ترسیم سازه در بخش Model Designer نرمافزار انسیس آکوا است. در این بخش امکان ترسیم المانهای مختلف از قبیل ترسیم پنلهای خمیده و غیرخمیده و ترسیم المانهای موریسون شامل Tube، Stub و Disc وجود دارد. شکل های 1 و 2 سازه شناور ترسیم شده در بخش Model Designer نرمافزار انسیس آکوا را نشان میدهد.
