بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله به بررسی و مطالعه شناورهای پروازی و مدلسازی اینگونه شناورها در شرایط پایدار متقارن نامتقارن میپردازد. هدف اصلی، بررسی توزیع فشار و اثر جدایی جریان از ناکل بر روی آن است که برای این منظور از نرمافزار ANSYS FLUENT 14 استفادهشده است.
برای دستیابی به توزیع فشار روی بدنه پیش از جدایش جریان و پسازآن، مدلسازی برای دو حالت متقارن و نامتقارن برای زوایای خاص انجام و سپس خروجیها با نتایج کارهای تحلیلی تویاما 1993،واگنر 1932 و پیرسون 1948و همچنین کارهای عددی کلارک و همکاران 2006 و زو و همکاران 2008 مقایسه شده است. نتایج بهدستآمده، تطابق قابل قبولی را با هردوی کارهای تحلیلی و عددی نشان میدادند. درنهایت ممان حاصل در شناور براثر برخورد نامتقارن پایدار درون آب موردبررسی قرارگرفته و در پایان نیز توصیهها و پیشنهادهایی برای بهبود و ادامه کار ارائهشده است.
مقدمه
مسائل ورود به آب مقاطع گوه ای شکل اغلب به منظور بررسی پدیده اسلمینگ و پدیده پروازی موردبررسی قرار میگیرند. تئوریهای جرم افزوده شناورهای پروازی که برای به دست آوردن میزان نیروی لیفت وارده به بدنه شناور گسترش داده شدهاندعموماً، با شبیهسازی گوهای که با سرعت ثابت به آب برخورد می کند مدل سازی می شوند. برخورد مقطعی گوه شکل به صورت متقارن و یا نامتقارن به آب، مشابه مسئله ورود عمودی بدنه شناور پروازی زمانی که به سطح آزاد برخورد می کند، می باشد. با ورود بدنه به آب و افزایش عرض خیس شناور، نیروهای هیدرودینامیکی بزرگی روی بدنه ایجاد میشوند. این نیروها هنگامیکه چاین1 شناور وارد آب میشود بهشدت کاهش میابند.
تئوری جرم افزوده برای مسئله ورود به آب مقطع گوه شکل در ابتدا توسط وان کارمان 1929 و واگنر 1932 گسترش داده شد. افزایش جرم افزوده بدنه گوه شکل در طی ورود به آب منجر به تغییر مومنتم سیال شده و این تغییر مومنتم منجر به ایجاد نیرویی روی بدنه گوه شکل میشود. آزمایش های بسیاری که توسط افراد مختلف ازجمله کروکسفی 1950 و پین 1981 انجام شد نشان میداد که با مغروق شدن چاین شناور نیرویی که بر روی بدنه ایجاد میشود شامل نیروی سیال عبوری2 و نیروی جزئی ناشی از جرم افزوده است. بعدها پین در سال 1992 از ترم جزئی ناشی از جرم افزوده صرفنظر کرده و تنها نیروی وارده بر بدنه هنگام مغروق شدن چاین را نیروی جریان عبوری دانست.
یکی از پدیده های مهمی که در ورود گوه به درون آب مطرح می شود، جدایش جریان از بدنه گوه است. در طول ورود گوه به آب، مقداری آب از دو سوی گوه بالا زده و تشکیل یک موج بالارونده می دهد. این مقدار آب بالا زدهشده سبب افزایش میزان عرض خیس شناور میشود. از طرفی جرم افزوده گوه نیز با توان چهارم عرض خیس رابطه ای مستقیم داشته و بدین ترتیب بالا زدگی آب باعث افزایش جرم افزوده و درنتیجه ایجاد نیروی اضافی بر روی بدنه گوه میشود که به آن نیروی اسپری میگویند.
ژائو و همکاران در سال 1997 دو روش تئوری برای تحلیل مسئلهی ورود به آب ارائه کردند. یک روش مبتنی بر شبیهسازی غیرخطی از حل معادلهی لاپلاس و روش دیگر برگرفته از رابطهی تحلیلی واگنر بود که در سال 1932 ارائهشده بود. آنها برای صحت سنجی این دو روش، آزمایش هایی را بر روی یک گوه با زاویه ورود به آب 30 درجه انجام دادند. تغییرات فشار بروی گوه،تغییرات سطح آزاد، نیروی کوبش و سرعت برخورد از نتایج این آزمایشها بود. وو و همکارانش در سال 2004 آزمایشهایی برای گوهها با زوایای برخورد 20 و 45 درجه انجام دادند. آنها همچنین حل ترکیبی از روش المان مرزی و روشهای تحلیلی ارائه کردند و نتایج خود را با نتایج حاصل از آزمایش مقایسه کردند.
این مطالعه به بررسی توزیع فشار ناشی از برخورد گوه با سرعت ثابت به سطح آب آرام در شرایط متقارن و نامتقارن پرداخته است. برای این منظور از نرمافزار ANSYSY FLUENT 14 استفادهشده است. برای حالت برخورد متقارن ابتدا زاویه 15 درجه با سرعت برخورد 1,5 متر بر ثانیه را بررسی و سپس زوایای 10،5 و30 درجه نیز با سرعت برخورد 0,5 متر بر ثانیه مدلسازی شدهاند. پسازآن برخورد نامتقارن نیز موردبررسی قرارگرفته و برخورد با زوایای 40 و 20 درجه مدلسازی شده است. درنهایت مدلسازیهای خود را با تئوریهای تحلیلی واگنر 1932، تویاما 1992، پیرسون 1948 و همچنین تحلیلهای عددی کلارک و همکاران 2006 و زو و همکاران 2008 مقایسه کردهایم.
حل عددی
بهمنظور حل عددی و مدل سازی مسئله ورود به آب از نرمافزار ANSYS FLUENT نسخه 14 استفاده شده است. نرمافزار فلوئنت از روش حجم محدود برای برقراری بقای مومنتم و جرم در دامنه حل استفاده می کند. این روش توضیح مناسبی از جریان های غیر پایدار ارائه میدهد. تأثیرات ویسکوز نیز می تواند در نظر گرفته شود بااین حال مطالعات اثرشناسی نشان دادهاند که در اینگونه مسئلهها اثر ویسکوز قابل صرفنظر است. به عنوان مثال وروس - 1996 - ، این مطلب را نشان داده است.[6] سطح آزاد بین آب وهوا توسط روش حجم سیال - VOF - مدل سازی می شود. این روش که در طبقه مدلسازی سطح آزاد به روش Surface Capturing قرار میگیرد قابلیت حل جریانات با شکست موج و اسپری را نیز دارا میباشد که این قابلیت در مسائل ورود به آب اهمیت ویژهای پیدا میکند.
مدلسازی مسئله متقارن
در دامنه مسئله، مقطعی گوه شکل با حداکثر عرض B=0,6 متر ثابت در نظر گرفتهشده و آب با سرعت ثابت به سمت بالا حرکت میکند. با توجه به تقارن مسئله میتوان برای کاهش زمان حل نیمی از دامنه را مدل کرد. با استفاده از نرم افزار Gambit 2,2,3 شبکهبندی موردنظر برای دامنه حل صورت پذیرفت. چگالی شبکه موردنیاز بدینصورت به دست میآید که برای چگالیهای مختلف از شبکه، حل مسئله تکرار میشود و این تکرار تا زمانی ادامه پیدا میکند که با تغییر چگالی شبکه تغییری در جوابها حاصل نشود. بدین ترتیب چگالی شبکه حدود 22000 المان در نظر گرفته شد که مشابه نتیجه کلارک - - 2006،[2] است. دامنه حل مسئله با زاویه برخورد 15 درجه و شبکهبندی آن را در شکلهای 1و2 مشاهده میکنید.
شکل.1 دامنه حل مسئله برخورد متقارن با زاویه برخورد 15 درجه [2]
مطابق شکل 1 شرایط مرزی مسئله موردنظر شامل سرعت ثابت در ورودی، شرط دیواره در گوشه سمت راست شکل و بدنه گوه، فشار ثابت در مرز خروجی و درنهایت شرط تقارن - Symmetry - در انتهای سمت چپ شکل میباشد. ابعاد و اندازههای مدنظر در شکل مشخصشدهاند. شروط مرزی دیوار با شرایط بدون لغزش - - no slip، در نظر گرفتهشدهاند. شرط مرز ورودی سیال با سرعت ثابت 1 5 متر بر ثانیه و شرط خروجی نیز فشار اتمسفر در نظر گرفتهشده است. فازهای هوا و آب را نیز به ترتیب با چگالیهای 1 225 و 998 2 کیلوگرم بر مترمکعب در نظر گرفتهایم. همچنین سیال آب، غیرقابل تراکم در نظر گرفتهشده است.
محل سطح آزاد را بهمنظور جلوگیری از ضرایب منظری بزرگ، بایستی مقداری زیر نوک شناور در نظر بگیریم.[1] بدین منظور سطح آزاد را 0 0025 متر زیر نوک گوه در نظر گرفتیم.
شکل.2 شبکهبندی دامنه حل برای برخورد متقارن با زاویه برخورد 15 درجه با استفاده از نرمافزار GAMBIT 2,2,3
در این مدلسازی تأثیرات جاذبه نیز در نظر گرفته شده است و مقدار جاذبه در جهت y ، 9 81 رو به پایین قرار دادهشده است. بااینحال تأثیرات جاذبه بر روی نیروهای هیدرودینامیکی ایجادشده روی شناور بسیار ناچیز است و می توان از آن صرف نظر کرد، اما میبایست توجه داشت که در زوایای برخورد بزرگ این تأثیر افزایش میابد. به طورکلی اثر جاذبه بر روی نیروهای هیدرو استاتیکی است و درنتیجه هر جا نیروهای هیدرو استاتیکی دخیل باشند نمیتوان از جاذبه صرفنظر کرد.
عدد کورانت معیاری از میزان جابهجایی سیال در یک گام زمانی از درون یک سلول است، که به میزان گام زمانی، اندازه سلول و سرعت سیال بستگی دارد. برای اینکه حل بهصورت پایدار صورت بگیرد پیشنهادشده است که عدد کورانت برای همهی سلولها از 0 15 کمتر باشد
نکته دیگری که بایستی با آن توجه کرد مقادیر است. این پارامتر بیبعد درواقع میزان اغتشاش جریان را نشان خواهد داد. این پارامتر در مسائل لایه مرزی نقش مهمی ایفا میکند. تعریف این پارامتر بی بعد بهصورت زیر است :
هر چه میزان این پارامتر بیش تر باشد بدین معناست که جریان در آن سلول آشفته تر است و بالعکس هنگامی که میزان این پارامتر کوچک باشد یعنی جریان آرام خواهد بود. بااین حال برای مدل k- که ما از آن استفاده کرده ایم مقادیر این پارامتر بایستی از 300 کوچکتر باشد. بهمنظور کنترل مقادیر بهترین راه کوچک کردن شبکهبندی در کناره های دیواره است. شکل 3 کوچک کردن شبکه در کناره دیواره گوه را برای حالت 15 درجه نشان میدهد که به کمک یکی از ماژولهای نرمافزار فلوئنت انجامشده است.
