بخشی از مقاله
چکیده
در دنیای کنونی موضوع نویز در زیر آب به موضوع مهمی تبدیل شده است به صورتی که می توان یکی از مهمترین و استراتژیک ترین مباحث در برهمکنش بین سیال و جامد در نظر گرفت. بنابراین در این پژوهش هدف حل عددی میدان اکوستیکی جریان سیال پیرامون یک جسم در اشکال مختلف به صورت دو بعدی و سه بعدی و صحت سنجی میزان نویز تولیدی از روش FWH با استفاده از داده های آزمایشگاهی می باشد. نتایج ارائه شده نشان می دهد که شکل هندسی در انتشار نویز وسایل زیرسطحی اثر قابل توجهی داشته و می تواند با بهینه سازی آن نویز هیدرودینامیکی انتشار یافته از بدنه را کاهش داد.
مقدمه
زیردریایی در حال حرکت منبع تولید نویزهای مختلفی است که با آشکارسازی آنها از نویزهای پسزمینه موجود در دریا میتوان مکان، سرعت و حتی کلاس و نوع زیردریایی را تشخیص داد. از آنجایی که بیشترین کاربرد شناسایی نویزهای زیردریایی نظامی میباشد، کارهای صورت گرفته در این زمینه انتشار نیافته است.
بنابراین در اینجا به بررسی چند نمونه از کارهای در دسترس پرداخته میشود. اگرچه این نمونهها نتایج تجربی اندازهگیری شده برای زیردریاییهای قدیمی هستند، ولی با مشاهده آنها میتوان محدوده و میزان نویزهای انتشار یافته از زیردریایی را در حالت کلی تعیین کرد. در یک بررسی کلی صورت گرفته توسط میاسنیکف، منبع نویزهای تولیدی توسط زیردریایی به سه قسمت کلی نویزهای حاصل از ارتعاش بدنه، نویزهای جریانی و نویزهای پروانه تقسیم شده است.
در این تحقیق که به بررسی نویزهای اندازهگیری تجربی زیردریایی روسی پرداخته شده است، عملکرد انواع مختلف زیردریاییها از لحاظ نویز تولیدی به سه دسته زیردریاییهای پر سروصدا1، زیردریاییهای ساکت2 و زیردریاییهای خیلی ساکت3 تقسیم کرده است.
همچنین در این بررسی ذکر شده است که نویزهای فرکانس پایین از اهمیت بیشتری در شناسایی شناورها از فواصل دور برخوردار هستند. در فرکانسهای پایین به دلیل قابل صرف نظر بودن جذب انرژی آکوستیکی توسط آب دریا، انتشار این نویزها تا هزاران کیلومتر امکانپذیر است. نمونهای از نویزهای فرکانس پایین، نویزهای تولیدی از پروانه زیردریایی میباشند که در محدوده 0/1-10 هرتز قرار دارد.
در پژوهش دیگری که توسط پارکومنکو آمده است، سیر تحولی نویزهای زیردریایی بررسی شده است .[2] در این پژوهش تنها به صورت کیفی دلیل کاهش نویزهای تولیدی از زیردریایی از سال 1970 به بعد را تکنولوژیهای جدید مورد استفاده در ساخت و مونتاژ قطعات آن عنوان شده است. از آنجایی که این تکنولوژی در ساخت و مونتاژ قطعات مختلف موثر در تولید نویز مانند موتور، ژنراتور، چرخدندهها، شفت و پروانه میباشد. نویزهای تولیدی در هر سه قسمت نویزهای مکانیکی، جریانی و پروانه کاهش پیدا میکند.
مقدار این کاهش در این گزارش 30 تا 40 دسیبل ذکر شده است. براساس این گزارش میتوان عنوان کرد که به دو دلیل کلی میزان تولید نویز از زیردریاییهای هستهای بیشتر از نوع دیزلی میباشد. اولین دلیل آن کارکردن رآکتورهای هستهای زیردریایی هنگام حرکت است، که خود منبع تولید نویز اضافی در مقایسه با حرکت آن با شارژ باطریها در سرعت یکسان است. دومین دلیل آن بزرگتر بودن زیردریاییهای هستهای در مقایسه با جابجایی آن نسبت به زیردریاییهای دیزلی است، که نتیجه آن افزایش نسبت قدرت مورد نیاز به وزن بوده و به همین نسبت تولید صوت بیشتر خواهد شد. میزان نویزهای تولیدی از زیردریایی هستهای تقریباَ 10 تا 15 دسیبل بیشتر از نوع دیزلی آن باشد.
در یک تحقیق دیگر، مقادیر نویزهای تولید شده از زیردریایی بر حسب نوع طراحی آن برای زیردریاییهای روسی ارائه شده است
براساس نتایج ارائه شده در این تحقیق از آنجایی که در طرحهای جدیدتر، طراحیهای بهتر و تکنولوژی جدیدتری صورت گرفته است، مقدار نویزهای تولیدی نیز کاهش داشته است. یکی از فاکتورهای مهم در کاهش نویز در مدلهای جدیدتر، کاهش قطر پروانه و افزایش بازدهی آن میباشد. همچنین براساس نتایج ارائه شده به طور متوسط هر طرح جدیدتر نسبت به طرح قدیمیتر آن به طور متوسط 5 دسیبل کاهش نویز داشته است. چند مورد تحقیق بررسی شده در بالا، اندازهگیریهای تجربی را برای زیردریاییهای واقعی نشان میدهد. برای مطالعه کارهای انجام شده در زمینه مدلسازی نویزهای زیردریایی، نیز به چند مورد اشاره میگردد.
برای مدلسازی نویزهای انتشار یافته از زیردریایی، فرمولبندی جدیدی براساس روش المان محدود صورت گرفته است .[4] که حل رابطه هلمهولتز برای اطراف زیردریایی با محیط شبکهبندی بزرگ را امکانپذیر میسازد. از آنجایی که حل مستقیم المان محدود رابطه انتشار موج در حوزه زمان با استفاده از روشهای استاندارد موجود، نیاز به شبکهبندی ریز محیط و حل رابطه در بازههای زمانی مختلف، سرعت محاسبات را بسیار کمتر میکند، استفاده از این روش در حوزه فرکانس برای روش المان محدود بسیار مناسب است. البته باید توجه داشت که روشهای دیگری برای حل رابطه هلمهولتز براساس روش المان مرزی وجود دارد که به دلیل گسستهسازی معادلات تنها روی مرزهای مسئله، زمان حل را بسیار کمتر از روشهای المان محدود کاهش میدهد.
کارایی روش المان مرزی برای فرکانسهای پایین بسیار خوب بوده در حالی که با افزایش فرکانس به بالای چند کیلوهرتز خطای محاسباتی را در این روش افزایش میدهد. تحقیق انجام شده دیگر مربوط میشود به بهینه کردن نسبتهای مختلف طول به قطر و بیشترین ارتفاع به قطر زیردریایی، که توسط دورعلی انجام شده است .[5] در این پژوهش با استفاده از روشهای المان محدود و المان مرزی، نویزهای تولیدی از موتور دیزل برای زیردریایی بررسی شده است. همچنین برای بهینه کردن شکل زیردریایی از روشهای شبکه عصبی و الگوریتم ژنتیکی استفاده شده است. نتایج حاصل از بهینهسازی نشان میدهد که نسبتهای ارائه شده برای این پارامترها، باعث کاهش نویزهای هیدرودینامیکی نیز میگردد.
با توجه به مطالعات صورت گرفته در این پژوهش، با استفاده از روش FWH میزان نویز منتشر شده در حالت دو بعدی و سه بعدی اشکال مختلف مورد بررسی قرار گرفته است به طوری که در نهایت این پژوهش با صحت سنجی تجربی همراه بوده است.
دسته بندی منابع نویز شناور
اصولاَ هرگونه ناهمگنی در محیط سیال و یا ارتعاش جسم در آن، منبع تولید نویز و امواج آکوستیکی در آب خواهد بود. برای شناور متحرک در دریا، عوامل مختلفی موجب ایجاد نویز از آن خواهد شد، که در این قسمت به دستهبندی عوامل مهم و تأثیرگذار پرداخته شده است. بنابراین بطور کلی میتوان منابع نویز حاصل از شناور را با در نظرگیری منبع فیزیکی تولید آن، به دو دسته کلی همراه با زیرمجموعههای آن تقسیمبندی کرد، که در زیر اشاره شده است.
نویزهای مکانیکی
· موتور دیزل
· ماشینهای کمکی مرتبط با دیزل مثل پمپهاا، ژنراتورها و غیره
· جعبه دندهها
· ارتعاش حاصل از اثر پروانه به روی بدنه شناور
نویزهای هیدرودینامیکی
· نویزهای تولیدی حاصل از تداخل بدنه شناور و سیال متحرک اطراف آن
· ورتکسها و جریانهای گردابی پشت جسم متحرک در سیال
· توربولانس جریان اطراف بدنه شناور
· کاویتاسیونهای تولیدی در اثر تداخل جسم متحرک و سیال
· نویزهای تولیدی توسط پروانه
در نمودار ارائه شده در شکل 1 - الف - محدوده فرکانسی مربوط به هریک از عوامل مهم و عمده تولید نویز در شناورها ترسیم شده است. همچنین این شکل نشان میدهد که فرکانس مربوط به منابع مکانیکی از 10 هرتز تا 1 کیلو هرتز گسترده است. در حالتی که فرکانس نویزهای مربوط به کاویتاسیون پروانه حتی از 10 کیلو هرتز هم بیشتر میشود.
شکل 1 - الف - محدوده فرکانسی هر یک از منابع تولید نویز در شناور [6] و - ب - ردهبندی هندسههای مختلف برحسب سطح فشار آکوستیکی
یکی از اولین کارهای انجام شده در زمینه صوت تولید شده از اجسام تحقیق انجام شده توسط فیلیپس [7] در سال 1956 میباشد. نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد که شدت آهنگ صدای ساطع شده از یک سیلندر دو بعدی به بزرگی نوسانات نیروی لیفت یا نوسان فشار روی سطح سیلندر بستگی دارد. بنابراین برای درک بهتر مکانیزم تولید صوت آیرودینامیکی، اندازهگیری نوسانات فشار روی سطح سیلندر از اهمیت بسیار بالایی برخوردار میباشد.
همچنین لیدا و همکاران [8] به مطالعه تجربی رابطهی بین نوسانات فشار سطح و صوت ایجاد شده توسط سیلندر دایروی عمود بر جریان پرداختند. آنها شدت تن صدای آیرودینامیکی را براساس نوسانات فشار سطح اندازهگیریشده و با استفاده از تئوری شناخته شده لایتهیل - کرل پیشبینی کردند که مقادیر به دست آمده با شدت صوت اندازهگیری شده تطابق خوبی را نشان میداد.
بکر و همکاران در سال [9] 2007 به مطالعه تجربی آکوستیکی چند هندسه مختلف پرداختند. مقدار صدای به دست آمده از هندسههای مختلف با یکدیگر مقایسه شده به نحوی که هندسهای با یک گوه مثلثی در جلوی جسم دارای کمترین صدای تولید شده و هندسه با جسم بیضی شکل در پشت سیلندر دارای بیشترین صدا میباشد. بنابراین آنها نتیجه گرفتند که نه تنها هندسهای که از لحاظ آیرودینامیکی بهترین شکل را دارا می-باشد از لحاظ آکوستیکی مناسب نمیباشد بلکه طبق نتایج آنها بهینهترین هندسه از لحاظ آیرودینامیکی، بیشترین تولید صدا را از نظر آکوستیکی دارا میباشد.
همچنین در سال 2008 آفینگر و همکاران [10] به مطالعه تجربی و شبیهسازی عددی جریان حول سیلندر با سطح مقطع مربعی پرداختند. ایشان در مطالعه خود علاوه بر بررسی سیلندر مربعی ساده به مطالعه روی هندسههایی با اضافه کردن گوه و جسم بیضی شکل در جلو و پشت سیلندر مربعی - هندسههای دارای کمترین و بیشترین صدای تولید شده در مطالعات قبلی - پرداختند. آنها نتایج خود را با نتایج تحقیقات قبلی توسط بکر و همکاران مقایسه کردند. آنها در تحقیق خود مقادیر مولفههای سرعت در جهات مختلف و انرژی جنبشی توربولانسی را برای سه هندسه مورد بررسی اندازهگیری کردند. همچنین در این تحقیق با استفاده از روش آشکارسازی جریان، ساختار جریان حول هندسهها را مورد بررسی قرار دادند.
هدف اصلی این تحقیق یافتن رابطهای بین خصوصیات اندازهگیری شده میدان جریان و اندازهگیریهای آکوستیکی ذکر شده در تحقیق بکر و همکارانش بود. آنها میخواستند که دریابند خصوصیات جریان چه تأثیری روی میدان آکوستیک جسم در دوردست دارد. نتایج این تحقیق نشان داد که سطح انرژی جنبشی اغتشاش لزوماَ رابطه مستقیمی با صوت ساطع شده از سطح ندارد. همچنین ضریب درگ اجسام نمیتواند دلیل اصلی سطح فشار به وجود آمده - SPL - باشد.
همچنین نتایج آنها نشان داد که ساختار گردابه تشکیل شده و در نتیجه طول آنها تاثیر مهمی روی مقدار صوت ساطع شده دارد. همچنین ایزوتروپی اغتشاش نقش عمدهای در این میان بازی میکند به طوریکه اگر نوسانات هر سه مولفه سرعت دارای مقادیر مشابهی باشند، تراز فشار صوت به دست آمده مقدار پایینتری در مقایسه با موارد غیرآیزنتروپیک و غیر مشابه دارد. همچنین مقایسه نتایج عددی به دست آمده توسط نرمافزار Ansys CFX با نتایج آزمایشگاهی نشان داد که استفاده از مدل توربولانسی SAS تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد، در حالی که اختلاف نتایج به دست آمده از مدلهای توربولانسی RANS با نتایج تجربی بسیار زیاد است.
