بخشی از مقاله
چکیده
هرگاه جسمی بر روی سطح و یا در نزدیکی سطح به حرکت درآید، بر روی سطح آزاد تولید موج مینماید. موج تولیدی تابعی از مشخصات سیال، هندسه و حرکت جسم است. طول، ارتفاع و دیگر مشخصات موج تولیدی میتواند در جهت شناسایی متحرکهای زیرسطحی که در نزدیکی سطح حرکت میکنند مورد استفاده قرار گیرد. با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی مشخصات موج حاصل از حرکت یک زیر سطحی نمونه در عمق ها و سرعتهای متفاوت تعیین شده و عمق و سرعتهای حدی برای اختفا و عدم شناسایی محاسبه گردیده است.
بر اساس نتایج حاصل ، در صورت حرکت در اعماقی بیشتر از 4/4 برابر قطر بدنه با سرعت دلخواه و در اعماق کمتر از آن با حرکت در عدد فرود طولی کمتر از 0/28 احتمال شناسایی متحرک زیرسطحی با استفاده از الگوی موج هیدرودینامیکی به کاهش مییابد.
مقدمه
برای شناسایی اجسام متحرک در زیر آب روشهای مختلفی ارائه شده که در این میان سونار بیشترین کاربرد را دارد. نکته حائز اهمیت در استفاده از سونار این است که این وسیله به شدت وابسته به شرایط محیطی بوده به نحوی که در شناسایی اجسام نزدیک سطح به علت بالا بودن نویز محیطی کارایی خود را از دست میدهد. بر این اساس روشهای دیگری جهت شناسایی اجسام متحرک در نزدیک سطح آزاد پیشنهاد شده است. یکی از جدیدترین روشهای پیشنهادی شناسایی جسم با استفاده از موج تولیدی در سطح آب میباشد.
بررسی شکل موج تولیدی توسط حرکت جسم مغروق در نزدیکی سطح آب جزء مواردی است که عموما در تحلیل هیدروفویل به صورت فرعی مورد توجه محققان قرار گرفته بوده است. اما بررسی این اثر به صورت مجزا و مستقل خصوصا جهت شناسایی، مدت زمان طولانی نیست که مورد توجه قرار گرفته است. اولین بار توجه به شکل موج در جهت شناسایی یک جسم متحرک در زیر سطح، به مطالعات صورت گرفته در خصوص خفاش ماهیگیر در اواسط قرن بیستم میلادی باز میگردد
بر اساس این مطالعات، این خفاش میتواند با ارسال سیگنال صوتی و رصد کردن سطح آب و تغییرات ناشی از حرکت ماهی، آن را شناسایی کند. مطالعات دقیقتر در این زمینه در اواخر قرن بیستم توسط اشنیتزلر انجام شد او به بررسی دقیق سیگنالهای ارسالی از این خفاش پرداخت
پیشنهاد استفاده از این اثر و شبیه سازی آن در جهت شناسایی اجسام مغروق توسط ژو و همکاران در دانشگاه کالیفرنیا و ام ای تی داده شد.[3] او و همکارانش نسبت به تحلیل موج ناشی از حرکت یک هیدروفویل، یک بیضی گون و نوسان یک بویه مهار شده در زیر سطح پرداختند. روشی که مورد استفاده قرار گرفت، استفاده از تحلیل جریان پتانسیل و روش المان مرزی با استفاده از روش طیف مرتبه بالا1 جهت شبیه سازی غیر خطی سطح آزاد بود. توک و همکاران موج تولیدی در سطح زیردریایی کلاس لس آنجلس در سرعت 10 نات در اعماق مختلف مورد بررسی قرار دادند.[4] آنها بر اساس توزیع چشمه رانکین و با استفاده از شرط مرزی خطی سطح آزاد نسبت به محاسبه مقاومت موجسازی و شکل موج تولیدی این زیردریایی پرداختند.
هافندن [5]به بررسی مقاومت موج سازی و شکل موج تولیدی بدنه مقیاس شده سابوف بدون ضمائم به صورت تجربی و عددی در نزدیکی سطح پرداخت. لیو ومینگ گو [6] با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی حرکت چند مدل زیردریایی در ابعاد مختلف و یک وال را در نزدیکی سطح آزاد مدل کرده و سپس با استفاده از تبدیل سریع فوریه2 نسبت به استخراج طیف فرکانسی موج تولیدی توسط هر یک از بدنهها اقدام و آنها را با هم مقایسه کردند.
وانگ و ون [7] نیز بر اساس همین روش به تحلیل موج ناشی از حرکت یک هیدروفویل دو بعدی در نزدیکی سطح آزاد پرداختند. بنزاکوئن و همکاران [8] شکل موج و مقاومت موج سازی یک جسم متحرک بیضیگون در داخل سیال را بر اساس نسبت منظری آن مورد تحلیل قرار دادند. پتی یاگودا و همکاران [9] با استفاده از روش چشمههای کلوین و با اصلاح روش عددی محاسبه انتگرالهای آن روش جدیدی را برای محاسبه شکل موج اجسام متحرک در سطح و یا زیر سطح ارائه دادند. نعمت الهی و همکاران [8] با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی به بررسی یک بدنه متقارن محوری در نزدیکی سطح آزاد پرداختند.
مشخصات موج تولیدی در اثر حرکت یک نمونه زیردریایی سابوف3 با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی مورد بررسی قرار گرفته است. ابعاد در نظر گرفته شده در محاسبات برای زیردریایی سابوف بر مبنای مقیاس 1 به 2/8 تعیین شده است که در جدول 1 نشان داده شده است.
زیردربائی در عمقهای متفاوت در نزدیکی سطح آزاد آب و با سرعتهای مختلف به حرکت در آمده و طول و ارتفاع موج تولیدی تعیین گردیده است.
جدول :1 مشحصات و ابعاد بدنه
شکل :1 پارامترهای عمق غوطهوری بی بعد
معادلات حاکم
جریان در اطراف یک جسم میتواند آرام یا مغشوش باشد، که بر هر دو حالت معادلات ناویراستوکس صادق است. اما در شبیه سازی جریان متلاطم با استفاده از معادلات ناویر استوکس به تعداد زیادی شبکه نیاز میباشد که حل آن از توان کامپیوترهای امروزی خارج است.
با جایگذاری این مقادیر در معادلات ناویر استوکس معادلات رنز4 استخراج میگردد. در این معادلات یک ترم تنش رینولدز مشاهده می-شود که به پارامترهای متوسط میدان وابسته نبوده و برای حل آن میبایست آنرا به متغیرهای متوسط میدان وابسته نمود. بر این منظور مدلهای مختلف تربوﻻنسی مانند ، و... ارائه شده است. در این مدلها تنش رینولدز ̅̅̅̅̅ با مدل توبولانسی جایگزین میگردد.
برای شبیه سازی سطح آزاد روشهای عددی مختلفی وجود دارد. یکی از محدودیت های بالقوه در این روشها آن است که در اعداد فرود بالا ممکن است امواج شکسته شوند، در این حالت روش های محاسباتی که سطح آزاد را به طور مستقیم به عنوان یک مرز محاسباتی در نظر میگیرند دچار خطا میگردند. به منظور حل این مشکل، در تحقیق حاضر از روش حجم سیال5 برای مدل سازی رفتار مرز بین دو ماده استفاده شده است. در این روش مرز بین دو فاز مختلف سیال با محاسبه ، حجم کسر اشغال شده توسط فاز سنگین - مایع - و ، حجم کسر اشغال شده توسط فاز سبکتر در بالای سطح آزاد - هوا - بازسازی میشود به طوری که جمع این دو کسر باید قانون بقاء را ارضا کند. شرح کامل روش حجم سیال مورد استفاده در تحلیل جریان دو فازی توسط هیرت و نیکولز [9] ارائه شده است .
روش حل عددی
مسئله مورد بررسی یک مسئله سه بعدی است که رژیم جریان در اطراف آن به صورت کاملا مغشوش میباشد. برای شبیه سازی جریان در این مسئله از مجموعه نرم افزاری دینامیک سیالات محاسباتی استار سی سی ام پلاس استفاده شده است. و در این جا تنها یک خلاصه از روند حل مسئله بیان میگردد و برای اطلاعات بیشتر میتوان به راهنمای کاربری این نرم افزار مراجعه نمود. برای حل معادلات سیالات در این نرم افزار، دامنه سیال به تعداد محدودی سلول محاسباتی شکسته شده و معادلات دیفرانسیلی با استفاده از روش گسسته سازی حجم محدود به صورت یک دسته معادلات جبری تبدیل میشود.
ورستگ و مالالاسکرا [10] شرح کاملی از روش حجم محدود مورد استفاده در این نرم افزار را ارائه کردهاند. با در نظر گرفتن نقطه محاسباتی در مرکز هر سلول، کلیه متغیر های میدان در این نقطه محاسبه میشود که این روش باعث مستقل شدن میدان سرعت و فشار از یکدیگر میگردد که برای حل این مشکل از الگریتم میانیابی ری و چاو [11] استفاده میشود. از الگریتم سیمپل برای کوپل کردن میدان سرعت و فشار استفاده شده است.
دامنه تحلیل و تولید مش
دامنه محاسباتی و مش مورد استفاده در این تحقیق در شکل 2 نشان داده شده است. برای تحلیل این مدل از مش تریمر با مش بندی سطحی استفاده شده است و برای بررسی ابعاد دومین و ابعاد مش در نتایج تحلیل، آزمون همگرایی برای ابعاد دومین و مش برای کمترین عمق و عدد فرود0/13 انجام شده است. نتایج آزمون نشان دهنده آن است که ابعاد دومین با تعداد المان 448407 نتایج بهینهای را ارائه میدهد - جدول . - 2 این دومین و تعداد المان در کلیه تحلیلهای دیگر نیز استفاده شده است.
شکل :2 دامنه محاسباتی و مش بندی مسئله
جدول :2 نتایج آزمون استقلال از مش برای مدل با ضمائم
شرایط مرزی
شرایط مرزی مورد استفاده در تحلیل در شکل 3 نشان داده شده است. برای شرط مرزی ورودی مقدار سرعت ثابت از مقدار 0/5 تا 3/28 متر بر ثانیه و برای خروجی فشار نسبی برابر صفر در نظر گرفته شده است. برای بدنه مدل نیز دیواره با شرط عدم لغزش در نظر گرفته شده است.
