بخشی از مقاله
چکیده
در مقالهی حا ضر به برر سی و مدل سازی عددی نیروهای جانبی1 وارد بر شناور پروازی پلهدار پرداخته می شود. به منظور تحلیل م سئله، معادلات متوسط زمانی ناویراستوکس2 با استفاده از روش حجم محدود 3 حل شده و برای مدلسازی اثر سطح آزاد از معادلات تسخیر حجمی سیال4 استفاده گردیده است. به دلیل آشفته بودن جریان حول بدنهی شناور، از حلگر اغتشاشی دومعادلهای k- استفاده شده است. شناور در زوایای هیل و دریفت 0، 5 و 10 درجه به صورت توامان مورد تحلیل قرار میگیرد.
فرآیند استقلال از شبکه انجام گرفته و به منظور اعتبارسنجی حل، نتایج بدستآمده با دادههای آزمایشگاهیدامِنیک تانتون و همکارانش مقایسه شده و دقت مناسبی مشاهده شده است. هدف مقالهی حاضر، بررسی نیروهای جانبی وارد بر شناور پروازی پلهدار در حالت نامتقارن میباشد. با توجه به محاسبات انجام شده، گشتاور یاوینگ5 با افزایش زاویهی دریفت به ازای زاویهی هیل ثابت افزایش پیدا خواهد کردضریب. نیروی سوِی، کانتور سطح خیسشدهی کف شناور، جدایش آب از چاین و الگوی موج اطراف بدنهی شناور از دیگر نتایج حاصلشده از این تحلیل هستند.
مقدمه
پیشبینی عملکرد شناور پروازی در حالت مانور دارای طبیعتی بهشدت غیرخطی و غیردائمی است، به همین دلیل مدلسازی نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر شناور حین مانور همواره حائز اهمیت بوده و مورد توجه ب سیاری از محققین میبا شد. برای تحلیل و ایجاد درک از پدیدهی جریان حول شناور پروازی میتوان از روشهای تئوری، تجربی و عددی ا ستفاده نمود. از آنجایی که در روش تئوری با محدودیتهایی از قبیل عدم دقت کافی به علت درنظرگرفتن برخی فرضیات جریان حول بدنه مواجه و همچنین هزینهبربودن تجهیزات آزمایشگاهی و مشکلات مربوط به کالیبره کردن آنها در روش تجربی، به منظور غلبه بر محدودیتهای اشارهشده از روش عددی استفاده میشود.
به عبارتی، روش دینامیک سیالات محاسباتی جایگزین مناسبی برای تحلیل هیدرودینامیکی شناور پروازی بوده و نتایج خوبی را ارائه میدهد. از جمله بهروزترین مطالعات عددی انجام گرفته در حیطه شناورهای پروازی میتوان به شبیهسازی عددی کاپُنِتو اشاره نمود .[1] وی با استفاده از کد دینامیک سیالات محاسباتی معادلات ناویراستوکس و معادلات حجمی سیال را به صورت کوپل شده حل کرداَ.زکوِتا [2] به مدلسازی حرکات شناور در حالت پایا و غیرپایا پرداخت. شبیهسازیهای انجام شده توسط وی در آب آرام، موج منظم و موج نامنظم صورت گرفت.
سان وفالتینسِن [3] به شبیهسازی شناور پروازی در آب مواج پرداختند. تئوری دو و نیم بعدی به منظور فراهم آوردن شبیهسازی در حوزه زمان به صورت غیرخطی انجام شده و همزمان روش عددی المان مرزی برای حل مسئله شرایط مرزی در صفحات عرضی اعمال گردید. جرم افزوده و ضرایب دمپینگ بدست آمده و همچنین موج القایی حرکات هیو و پیچ ارائه شدساوندِ.ر و همکاران [4] به بررسی اثر زاویهی ددرایزبر روی عملکرد شناور پروازی در حالت پایدار پرداختند.
شبیه سازی با حلگر نرم افزارهایاِستارسیسیاِمواُپِن6فُوم7 انجام گرفته و مزیتهای هر رویکرد آنالیز گردیده است.بریزولارا و سِرا [5] به بررسی صحت کدهای دینامیک سیالات محاسباتی و مطالعهی مشخصههای هیدرودینامیکی شناور پرداختند. بدین منظور یک حلگر تهیه شده تا بدنهی پروازی منشوری گوهای شکل را مورد تحلیل قرار دهد. فشار در قسمت خیسشدهی بدنه، تنشهای مماسی، خط ریشهیاسپرِی و شکل موج حول بدنه از نتایج بد ستآمده از این شبیه سازی میبا شنداَکِرمَن. و همکاران [6] با ا ستفاده از روش المان محدود مبتنی بر ALE8 به مدلسازی سطح آزاد شناور پروازی در حالت شش درجه آزادی پرداختند.
قاسمی و همکاران [7] به شبیه سازی عددی و مقایسهی شناور پروازی بدون پله و پلهدار - یکپله - پرداخته و نتایج خود را از به صورت توزیع ف شار وارد بر کف شناور، پروفیل ویک پا شنه و الگوی موج حول شناور ارائه نمودند. وانگ و همکاران [8] روش عددیای را برای محا سبه نیروهای هیدرودینامیکی به کار گرفتند. لازم به ذکر ا ست که شناور به صورت شش درجه آزادی با لحاظ کردن اثر موج مورد بررسی قرار گرفت. ماتویو و همکاران [9] با استفاده از روش پانل 9 و درنظرگرفتن چشمههای هیدرودینامیکی مدل سازی یک شناور پروازی پلهدار را انجام دادند. پی شروی شناور، ن سبت نیروهای لیفت به درگ و مولفههای مقاومت به صورت مجزا ارائه شدهاند.
مورابیتو [10] نیروهای جانبی وارد بر شناور پروازی را در حالت یاو با بهرهگرفتن از تئوری نواری پیشبینی کرد. وی با درنظرنگرفتن اثر ثقل و پایهریزی مدل دوبعدی ضربهی مورب بر روی پدیدهی سهیعدی پروازی نیروهای جانبی را به صورت تابعی از پارامترهای سرعت، عرض، سطح خیس شده زاویهی تریم و یاو ارائه کرد. موسویراد و همکاران [11] به بررسی عملکرد هیدرودینامیکی شناور پروازی در آب آرام و همچنین امواج به از ای عمیقبودن و کمعمق بودن شرایط آب حول شناور پرداختنددِلوکا. و همکاران [12] با کد متوسط زمانی ناویراستوکس به صورت غیرپایدار روی سه بدنه متفاوت شبیهسازی خود را انجام دادند.
نتایج آنها حاکی از آن است که قابلیت اطمینان شبیهسازی عددی شناور پروازی وابستگی شدیدی به پیشبینی مقاومت، ویژگیهای پیشروی و الگوی موج دارد. بریزولارا و ورنِنگو [13] با استفاده از روش VLM10 عملکرد هیدرودینامیکی شناورهای کمبردار را در حالت پایدار و به صورت سه بعدی ارائه کردند. نتایج آنها حاکی ن شان میدهد که توزیع طولی کمبر در کف شناور پروازی میتواند باعث بالانس لیفت تولیدشده توسط زاویه حمله شود. جیانگ و همکاران [14] آنالیز مشخصههای یک شناور تریماران تونلدار را به دو شکل آزمایشگاهی و عددی انجام دادند. در ابتدا مقاومت، بالاآمدگی مرکز ثقل و تریم در حوضچه ک شش بد ست آمد و سپس بو سیله روش حجم محدود مدل سازی حرکت شناور دارای دو درجه آزادی هیو و پیچ ارائه گردید.
قدیمی و همکاران [15] عملکرد پایای شناور پروازی هیلشده را در آب آرام با استفاده از روش تئوری دو و نیم بعدی مورد تحلیل قرار دادند. نویسندگان مذکور همچنین با ارائهی روشی مبنی بر پدیدهی واترانترینیروهای11 یاو، سوِی و گشتاور رُلینگ12 را بعلاوه حرکات پیچ و هیو در آب آرام و مواج محا سبه کردند. لازم به ذکر ا ست که حرکات هیو و پیچ به شکل کوپل شده برای شناور دارای نامتقارنی مورد تحلیل قرار گرفت [16]دِمارکو. و همکاران [17] به آنالیز هیدرودینامیکی شناور پروازی پلهدار - یکپله - به صورت عددی و آزمای شگاهی پرداختند و با تکنیک مِش متحرک و روش حل LES13 پدیدهی دینامیک سیال را در ناحیهی خیسنشدهی پشت پله مورد مطالعه قرار دادند.
قدیمی و همکاران [18] به عنوان جدیدترین کار پژوهشی گروه تحقیقاتی خود به مطالعهی هیدرودینامیکی شناور پروازی پلهدار پرداختند. مقاومت شناور، بررسی تفکیکشدهی اجزای مقاومت، سطح خیسشده، کانتور سطح آزاد و جدایش جریان، توزیع فشار حول بدنه و چنینهم ضریب فشار طولی حول سِنتِرلاین از جمله نتایج بدستآمده از تحلیلهای ایشان میباشند. همانطور که در مراجع مختلف م شاهده شد، تاکنون مطالعهی موردی بر روی هیدرودینامیک شناورهای پروازی دوپله انجام نگرفته ا ست.
در این مقاله سعی بر پو شش کا ستیهای موجود و ارائهی یک حو ضچهی عددی برای تحلیل نیروهای جانبی وارد بر شناور میبا شد. در مقالهی حا ضر، با استفاده از روش عددی حجم محدود مبتنی بر المان محدود به بررسی نیروهای جانبی وارد بر شناور پروازی پلهدار - دوپله - پرداخته می شود. بدین منظور معادلات RANS با درنظرگرفتن کسر حجمی سیال به صورت کوپل در نرمافزار انسیس سیافایکس14 حل گردیدهاند. به منظور اعتبارسنجی مدل عددی ارائهشده، مقاومت شناور در سرعتهای مختلف با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده و نهایتا مقادیر گشتاور یاو، ضریب نیروی سوِی و کانتورهای سطح خیسشده، پاشش جریان و الگوی موج حول شناور مورد تحلیل قرار میگیرند.
تعریف مسئله
در پژوهش حاضر، جریان دوفازی حول شناور پروازی یاوشده در حالتی که در زاویهی تریم و طول خیسشدهی ثابتی در حال کشیده شدن است، مورد بررسی قرار میگیرد. شناور مورد بررسی مدل سی2 آزمایشات تانتون و همکاران بوده که مشخصات آن در بخش بعد ذکر خواهد گردید. در ابتدا برای صحت سنجی روش عددی مورد استفاده، مقاومت شناور در سرعتهای مختلف در حالت متقارن شبیه سازی شده و سپس در مرحلهی بعد شناور به ازای زوایای 0 تا 10 درجهی هیل و یاو به طور همزمان و به صورت متقارن و نامتقارن در سرعت 6/25 متربرثانیه مورد تحلیل قرار میگیرد. به عبارت دیگر، این بدان معناست که شناور با سرعت 6/25 متربرثانیه در حوضچهی کشش در راستای سِرج کشیده میشود. برای درک بهتر مسئلهی مورد بررسی شماتیکی از پدیده در شکل 1 نشان داده شده است.
مشخصات مدل تحت بررسی
مطالعهی حاضر بر روی یک مدل بدنه ی شناور پروازی پلهدار به نام مدل سی2 انجام میشود. این مدل در سال 2010 توسط تا نتون و همکاران در گروه تحقیقاتی اندرکنش سازه- سیال دان شگاه ساثهمپتون آزمایش شده ا ست. م شخ صات هند سی این مدل در جدول 1 ارائه شده و یک ت صویر دوبعدی از نمای طولی و عرضی این مدل نیز در شکل 2 نمایش داده شده است.
معادلات حاکم
از آنجایی که جریان تراکمناپذیر ویسکوز در نظر گرفته شده است، معادلات حاکم بر سیال شامل معادلات پیوستگی و ناویراستوکس و اعمال روش رویکرد حجمی سطح آزاد بوده که به شرح ذیل ارائه میگردند.
