بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از مهم ترین مسائلی که برای طراحی فرایند پرتاب اشیاء مانند زباله ها و شیئها در زیردریایی مورد توجه قرار میگیرد، شناسایی نشدن زیردریایی پس از انجام این فرآیند است. در سیستم های قدیمی، شیی با استفاده از نیروی هوای فشرده به بیرون زیردریایی پرتاب می شود. هوای خروجی در هنگام پرتاب با حجم بیشتر به سطح آب رسیده که باعث شناسایی سریع زیر دریایی میگردد.یکی از روشهای پرتاب، استفاده از نیروی آب است که از ترکیب توربین هوا و پمپ حاصل می شود. مزیت این روش این است که به هنگام پرتاب، آب از لوله خارج می شود و بنابراین شئ شناسایی نمی شود.در این روش فشار بالای هوا باعث حرکت توربین و درنتیجه حرکت پمپ میشود.
پمپ آب را با فشار بالا وارد لوله پرتاب کرده و درنتیجه شیئ با فشار آب به بیرون پرتاب می شود. هدف از انجام این پروژه به دست آوردن فشار مطلوب برای شلیک شیئ برای عمق های 10، 50 و 100 متر از سطح آب است به طوری که سرعت خروجی آن 18 m/s باشد.شبیه سازی عددی با استفاده از یکی از نرم افزارهای در دسترس CFD یعنی FLUENT، با روش مش متحرک و بر اساس رینولدز متوسط، معادلات ناویر استوکس و مدل تلاطم -kاپسیلون انجام شده است. دامنه محاسباتی شامل میدان جریان در لوله پرتاب و جلوی سر زیر دریایی در نظر گرفته شده است. نتایج این شبیه سازی می تواند به عنوان یک مرجع برای طراحی بهینه شیئ و لوله پرتاب مورد استفاده قرار گیرد.
کلمات کلیدی: مش متحرک، پرتاب اشیا، زیردریایی، مطالعه عددی
1.مقدمه
یکی از ویژگی های مهم زیردریایی ها عدم شناسایی و پنهان ماندن آنها از دید شناورهای سطحی می باشد. اگر از این روش برای پرتاب اشیاء استفاده شود، پس از پرتاب با رها شدن هوا به درون آب دریا، خطر شناسایی شدن زیردریایی به شدت افزایش پیدا می کند و از آنجایی که سرعت زیردریایی ها نسبت به سرعت شناورهای سطحی بسیار کمتر می باشد، احتمال انهدام آنها پس از شناسایی بسیار زیاد خواهد بود.به عنوان مثال فرض کنید زیردریایی در عمق h از سطح آب که فشار آب در آن عمق، پنج برابر فشار در سطح آب دریاست - P1 = 5P2 - به سمت هدفی شلیک می کند. در این صورت توده هوایی به حجم V1 در آب دریا رها شده و به طرف سطح حرکت می کند. با استفاده از معادله حالت گازها و با فرض ثابت بودن دمای آب دریا ، حجم توده هوایی که به سطح آب می رسد برابر است با:
ظاهر شدن این کره هوای بزرگ در سطح آب، سبب شناسایی زیردریایی توسط دیده بان های شناورهای سطحی خواهد شد.یکی از روشهای پرتاب، استفاده از نیروی آب است که از ترکیب توربین هوا و پمپ حاصل می شود. مزیت این روش این است که به هنگام پرتاب، آب از لوله خارج می شود و بنابراین شئ شناسایی نمی شود. در این روش فشار بالای هوا باعث حرکت توربین و درنتیجه حرکت پمپ میشود. پمپ آب را با فشار بالا وارد لوله پرتاب کرده و درنتیجه شیئ با فشار آب به بیرون پرتاب می شود. در شکل .2 شماتک از پمپ و لوله پرتاب نشان داده شده است.تعداد کمی از محققان مطالعه روی سیستم متحرک پرتاب انجام داده اند [1-3] اما همه آنان سیستم پرتاب را به صورت یک بعدی - 1D - و به شکل حل معادلات ریاضی مدل کرده اند.
تعداد کمی از انان توانسته اند به صورت گرافیکی شبیه سازی را انجام داده و یا جهت بهینه سازی، بهبود انتقال انرژی و یا کاهش صر و صدا گامی بردارند.خوشبختانه با رشد سریع در بازدهی محاسبات در سال های اخیر، روش CFDبه طور گسترده در تجزیه و تحلیل و طراحی سیستم های سیالی استفاده شده است .کارهایی نیز در شبیه سازی سیستم پرتاب شیئ در زیر آب انجام شده است. از جمله دریک شبیه سازی سه بعدی - - 3-D میدان جریان خارجی از پرتاب شیئ انجام شده است.[4] در این کار، میدان جریان هم در داخل لوله و هم در بیرون از آن از طریق شبیه سازی دو بعدی - 2D - متقارن محوری مورد مطالعه قرار میگیرد. روش مش متحرک برای شبیه سازی شرایط مرزی استفاده شده است.
2.تعریف مساله
در یک میدان جریان شبیه سازی شده، دامنه محاسباتی انتخاب شده نقشی مهم در حل مسئله ایفا می کند.در کار حاضر، به طور عمده چگونگی تاثیر جریان در لوله پرتاب، بر شیئ و تاثیر آن بر سرعت پرتاب بررسی شده است، بنابراین آب در داخل لوله و همچنین در خارج از زیر دریایی در دامنه محاسباتی قرارگرفته استبا توجه به تقارن هندسی لوله و شیئ، مدل متقارن 2Dدر محاسبات مورد استفاده قرار گرفته است .این مسئله موجب کاهش محاسبات و صرفه جویی در وقت شده است. همچنین شبیه سازی را می توان بدون نیاز به امکانات زیاد و فقط با یک کامپیوتر شخصی انجام داد و نتایج را می توان به سرعت به دست آورد.شماتیکی از مدل فیزیکی در شکل.3 نشان داده شده است.
مشخصات فیزیکی شیئ و لوله پرتاب به صورت زیر است:
طول تیوب : 9 متر، طول مدل: 8 متر، جرم مدل: 1750 کیلوگرم.، قطر داخلی : 534 میلی متر، قطر خارجی : 570 میلی متر و فاصله اولیه : 10 سانتی متر زائده های شیئ مانند باله4 به منظور سادگی در محاسبات در نظر گرفته نشده است. اولا به دلیل این واقعیت که زائده ها متقارن نیست و در مدل متقارن 2D گنجانده آن دشوار است و دوما تاثیر زائده در فرایند پرتاب شیئ تقریبا می تواند نادیده گرفته شود. فضای آزاد در خارج از لوله با استفاده از شرط مرزی دیوار برای سطح زیر دریایی و مرز خروجی فشار برای آب دریا مدل شده است.
برای شیئ، مدل محاسباتی ساده در نظر گرفته شده است. تولید مش در این کار با استفاده از Gambit6.3.2 انجام شده است .این نرم افزار یک پیش پردازنده برای تجزیه و تحلیل CFDاز FLUENT می باشد که می تواند برای تولید مش بدون ساختار5 با بازده بالا بکار رود. ا روش 2D متقارن درست مانند 2Dمعمولی است، با این تفاوت که تمام مختصات نقاط شبکه باید جهات Xو Y را پر کند و محور مدل باید محور Xباشد. دامنه محاسباتی به چند زیر ناحیه6 تقسیم شده و با مش های هرمی به حجم کنترل های کوچک تقسیم شده است. شکل .4 بخشی از مش تولید شده را نشان می دهد.در مرحله بعد فایل مش خروجی از گمبیت به وسیله فلوئنت اجرا میشود و سپس شرایط مرزی وارد شده و تحلیل انجام می گیرد.
3.شرایط مرزی
بر اساس شماتیک آورده شده در شکل .3، شرایط مرزی وارد شده در نرم افزار FLUENT در شکل 5 و جدول 1 نشان داده شده است.
