بخشی از مقاله
چکیده
هدف اصلی در طراحی شناورهای دو بدنه سرعت بالا روی ایجاد شناوری با دریامانی مناسب در برخورد موج از روبرو در سرعت های پیشروی بالا بوده است. این موضوع زمانی اهمیت بیشتری پیدا کرد که حرکات پیچ، فرو رفتن سینه شناور در آب و بارهای دینامیکی سازه ای در شناورهای سواث در شرایط دریایی سخت و سرعت های پیشروی بالا، نسبت به شناورهای تک بدنه افزایش ناگهانی پیدا می کند. این موضوع ایمنی و رفاه در این شناورها را تهدید میکند.راه حلهای متنوعی برای بهبود کارایی شناورهای سواث در سرعتهای بالا پیشنهاد شده است.
یکی از این پیشنهادها تولید و یا اصلاح فرم بدنه شناور است. در این گزارش، بدنه اصلاح شده یک شناور سواث که به آن نیمه سواث گفته میشود، تولید و بررسیهای هیدرودینامیک مورد نیاز شامل پیش بینی مقاومت، نیرو های وارد بر بدنه و حرکات هیو و پیچ روی این بدنه انجام شده است.تاثیر فاصله بین دو بدنه بر مقاومت کل شناور و همچنین تاثیر این فاصله بر حرکات دینامیکی شناور مورد بررسی قرار گرفته است.
مقدمه
در شرایط دریایی متفاوت به دلیل نیروهای محیطی به شناور شتاب رول و پیچ متفاوتی وارد میشود. یکی از اهداف طراحی شناور ایجاد توانایی انجام عملیات و کنترل شناور توسط خدمه در بازه زمانی طولانی در برابر نیروهای محیطی تعریف شده است. به این ویژگی، توانایی دریامانی گفته میشود. توانایی دریامانی کشتی های متداول به اندازه و جابجایی آنها بستگی دارد. در مهندسی کشتیسازی تلاش میشود که با بهینه کردن ابعاد و خطوط بدنه رفتار شناور در دریا بهینه شود. نام شناور سواث1 از عبارت شناور دو بدنه با سطح آبخور کوچک استخراج شده است.در این شناورها بویانسی مورد نیاز بوسیله بدنه های کاملا مغروق تامین می شود.
در این شناورها، بیشترین وزن جابجایی شناور در زیر خط آبخور قرار دارند،جایی که میزان تاثیر کمتر امواج قرار دارد.بنابراین این شناور حتی در سرعت های بالا در وضعیت های ناآرام دریا بسیار پایدار است. پیکر بندی عمومی یک شناور سواث متشکل از یک بدنه کامل و دو بدنه نسبتا مغروق است که توسط ستون ها و المآنهایی عمودی به هم متصل شده اند. شمایی از این نوع شناور در شکل 1 مشاهده میشود.
به شناور سواثی که دارای یک استرات کشیده روی هر گوندولا - بدنه های سیلندری شکل مغروق - است، سواث تک استراتی یا داپلوس، گفته میشود . ویژگی اصلی این شناور دارا بودن بیشترین مقدار پایداری عرضی در گونه های مختلف سواث است. زمانیکه استرات روی هر گوندولا، به دو قسمت تقسیم میشود، معروف به مدل کایمالینو، سطح آبخور آن کمتر میشود، بنابراین باعث کاهش بیشتر حرکات شناور در موج میشود و کاهش سرعت شناور به حداقل می رسد.
به طور کلی برای شبیه سازی و حل میدان های جریان سه روش وجود دارد: الف - روش های تجربی - آزمایشگاهی - ب - روش های تئوری و تحلیلی ج - روش های حل عددی و دینامیک سیالات محاسباتی روش های آزمایشگاهی یکی از مهم ترین و منطقی ترین روش ها برای پیشگویی عملکرد یک شناور جدید می باشد. متأسفانه انجام تست های تجربی می تواند مشکل و گران باشد و بعضی اوقات وقت زیادی را صرف کند.
یک پیشنهاد در مقابل تست های آزمایشگاهی، حل معادلات حاکم بر میدان جریان است. در این راستا اگر چه حل های تحلیلی بسیار مؤثر و دقیق هستند اما برای هندسه های پیچیده نمی توانند به کار برده شوند چون معادلات حاکم در مکانیک سیالات یک مجموعه معادلات دیفرانسیل پاره ای غیرخطی و وابسته را ایجاد می کنند که باید در یک قلمرو ناهموار و با شرایط اولیه و مرزی مختلف حل شوند.
بنابراین در بیشتر موارد حل تحلیلی معادلات مکانیک سیالات بسیار محدود است و با اعمال شرایط مرزی این محدودیت ها بیشتر می شوند. با پیشرفت تکنولوژی و افزایش سرعت رایانه ها، روش های مبتنی بر دینامیک سیالات محاسباتی توسعه یافته اند که امروزه استفاده از آن در صنایع دریایی گسترش یافته است. از مهم ترین مزیت های روش های عددی این است که دیگر با محدودیت های آزمایش مدل از قبیل اندازه شناور، اعمال شرایط مختلف محیطی، تحلیل و انتقال نتایج برای شناورهای واقعی و هزینه بالای ساخت مدل مواجه نیست. در این حالت، مدل سازی هیدرودینامیکی شناور در ابعاد واقعی و بررسی اثر مؤلفه های مختلف طراحی در مراحل اولیه کار فراهم آمده و امکان استخراج اطلاعات گوناگون با جزئیات دلخواه به وجود می آید.
در رابطه به پژوهش ها و مطالعاتی که در زمینه شناور سواث انجام شده می توان به تحقیقات بین یاکوب[1] اشاره کرد. در این مطالعه به طراحی یک شناور نیمه سواث پرداخته و حرکات هیو و پیچ شناور در آب دریا برای دو سرعت 15و 20 نات با استفاده از کنترل کننده PID مورد مطالعه قرار گرفته است . همچنین با اعمال فین هایی در قسمت گوندولا، به بررسی حرکات شناور در امواج منظم و تاثیر وجود این پایدار ساز ها بر حرکات شناور پرداخته شده است.
پنگ کیان و همکاران [2] در پژوهشی به بررسی فرم استرات در شناور سواث پرداختند.آن ها به این نتیجه رسیدند که استفاده از استرات شیب دار شرایط دریامانی بهتری نسبت به استرات های عمودی دارند.جهت شبیه سازی از روش سه بعدی ناویر استوکس رینولدز میانگین در شرایط آب آرام و آب مواج استفاده نمودند. در پژوهش دیگری که توسط آدام گاتپلن [3] انجام شد ،با استفاده از روش پنل رانکین به بررسی عملکرد هیدرودینامیکی یک شناور نیمه سواث پرداخته است.
حرکات هیو و پیچ و رول برای سه شناور سواث با فاصله بدنه های متفاوت در اعداد فرود مختلف مورد تحلیل قرار گرفته است.همچنین تاثیر فویل کنترل کننده در کاهش حرکات شناور در سرعت های مختلف و زوایای موج مختلف در این پروژه مورد بررسی قرار گرفته است. اس سان و همکاران [4] به بررسی دریامانی شناور سواچ با استفاده از روش المان مرزی که بر پایه تابع گرین سه بعدی گذرا-متناوب است ،پرداختند.
برهم کنش هیدرودینامیکی دو بدنه سواچ و بررسی مقاومت ویسکوز بدنه و همچنین تاثیر وجود فین های تثبیت کننده بر حرکات شناور در این پژوهش مورد بررسی قرار گرفت.آن ها جهت اعتبار سنجی از نظریه استریپ و نتایج آزمایشگاهی استفاده کردند. هونگ دنگ ونگ [5] طی پژوهشی به بررسی مقاومت کل شناور سواچ در امواج منظم در سرعت های مختلف پرداختند.جهت شبیه سازی از روش دینامیک سیالات محاسباتی با استفاده از شبکه بندی ثابت استفاده شده است.
اگر چه هدف اصلی در طراحی شناورهای چند بدنه و خصوصا شناور سواث بهبود کیفیت دریامانی نسبت به شناور تک بدنه بوده است اما مشاهده شده است در سرعت های بالا و بویژه در برخورد موج از روبرو حرکات طولی شناور سواث بهصورت شدیدی افزایش پیدا کرده و نیروهای دینامیکی شدیدی به بدنه وارد شده و ممکن است باعث ورود سینه شناور به داخل آب شود. ایده طراحی شناور نیمه سواث در واقع به منظور کاهش معایب شناور سواث مطرح شد. شناور نیمه سواث ترکیبی از دو شناور سواث و کاتاماران است. در ادامه معایب و مزایای این دو نوع شناور بیان شده و در انتها چگونگی طراحی شناور نیمه سواث با ترکیب این دو بدنه ارائه میشود. در شکل 3 نمونه ای از شناورهای سواث و کاتاماران آمده است.
از مزایای شناور سواث می توان به بالا بودن راندمان دریامانی - کاهش سطح آبخور - ، حداقل رساندن مقاومت، کاهش نیروهای ناشی از برخورد موج با بدنه و شتاب کمتر بدنه اشاره نمود.از طرفی معایب این شناور ها عبارتند از درفت بیش از اندازه، قدرت نیرو محرکه بالا، و قیمت ساخت بالا . در مورد مزایای شناورهای کاتاماران نیز می توان به سطح عرشه بزرگتر، بهبود دریامانی، پایداری طولی و عرضی بهتر و ...اشاره نمودو در مورد معایب این شناور ها می توان به مقاومت موج سازی بیشتر در مقایسه با شناور تک بدنه، سطح خیس بیشتر در نتیجه توان بالاتر اشاره کرد.
برای برطرف کردن مشکلات مطرح شده می توان از ترکیب بدنه شناورهای کاتاماران و سواث استفاده کرد. ایده اصلی این طرح در متغیر بودن آبخور برای عملیاتهای مختلف است. این طرح با نام نیمه سواث معرفی خواهد شد. شناور نیمه سواث در واقع ترکیبی از بدنه شناور سواث در قسمت جلو و شناور کاتاماران در قسمت پاشنه است. این امر موجب استفاده از مزایای این دو شناور خواهد شد و عیب شناور سواث در سرعت های بالا در موج از روبرو نیز برطرف خواهد شد. در شکل 4 نمایی از نصف بدنه یک شناور نیمه سواث آمده است. همانطور که ملاحظه میشود شناور در ناحیه جلو دارای سطح مقطع کوچک - مشابه سواث - و در عقب سطح مقطع بزرگتری دارد - مشابه کاتاماران - .
تحقیقات نشان می دهد که مزیت اصلی شناور نیمه سواث کاهش حرکات کشتی است. این کاهش حرکات امکان عملیات شناور نیمه سواث در شرایط دریایی سخت تر را ایجاد می کند. کاهش اجباری مساحت صفحه آبخور در بالای بدنه پایینی شناور نیروی بویانسی ناشی از اثر موج و درنتیجه حرکات شناور را کاهش می دهد. این موضوع بیان کننده تفاوت اساسی شناور نیمه سواث با شناورهای کاتاماران متداول است.
