بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
محاسبه مقاومت شناورهای هیدروآیرودینامیک (WIG) با استفاده از تئوری صفحات سرشی
چکیده
امروزه استفاده از شناورهای هیدروآیرودینامیک در سطح وسیعی از مناطق مختلف جهان صورت میگیـرد.
در طراحی اینگونه شناورها، محاسبه مقاومت هیدرودینامیکی از اهمیت خاصی برخوردار است. با توجـه بـه هندسه زیر بدنه، بررسی مقاومت هیدرودینامیکی فاز سرش حرکت، با استفاده از روشهای تحلیلی به علـت پیچیدگی فراوان آن عملاﹰ امکانپذیر نیست و از روابط نیمهتجربی که تلفیقی از تئوریهـای موجـود و نتـایج آزمایشهای حوضچه یدککشی است، استفاده میشود. در این مقالـه بـا اسـتفاده از روش تئـوری صـفحات سرشی و ارائه روشی برای مدل کردن بدنه شناورهای هیـدروآیرودینامیک، مقاومـت هیـدرودینامیکی یـک شناور نمونه مورد محاسبه قرار گرفته و اثر پارامترهایی مانند مکان مرکز جـرم، زاویـه تـریم شـناور، زاویـه عرضی کیل و سرعت شناور بر مقاومت هیدرودینامیکی مورد بررسی قرار گرفته است.
واﮊههای کلیدی : مقاومت هیدرودینامیک ‐ قایق پرنده ‐ شناورهای اثر سطحی ‐ صفحات سرشی
۱‐ مقدمه
WIG در اصل مخفف کلمات Wing In Ground effect (بال تحت اثر سطح) میباشد و معادل فارسی WIG Craft عبارت " قایق پرنده" است. قایق پرنده را بعنوان وسیلهای بین هاورکرافت و هواپیما میشناسند که در نزدیک سطح (معمولاﹰ سطح آب) پرواز میکند (شکل ۱). این شناور یکی از مدرنترین شناورهای دریایی است که قادر است با استفاده از پدیده اثر سطح و کنترلپذیری مناسب، در نزدیک سطح آب پرواز کرده و با بهرهبرداری مفید از پدیده اثر سطح, در مقایسه با دیگر شناورهای دریایی, از حداقل مصرف سوخت و حداکثر برد عملیاتی برخوردار باشد ]۱.[
تلاش در جهت استفاده از سطح آب برای نشست و برخاست این شناور منجر به سعی در حل مشکلات حرکت بر روی سطح آب با سرعتهای بالا گردید. برای حل این مشکلات نمیتوان از تجربیات سازندگان کشتی و همچنین اطلاعات مربوط به هیدرودینامیک کشتیها به تنهایی استفاده نمود, چرا که این وسیله برای برخاستن از سطح آب نیاز به سرعتی معادل چند برابر سرعت کشتیها دارد.
محدوده عملکرد این شناور به دو فاز هیدرودینامیک و آیرودینامیک تقسیم میشود. قایقهای پرنده معمولاﹰ برای نشست و برخاست از سطح آب استفاده میکنند. بنابراین فاز هیدرودینامیک حرکت آنها مراحل نشست و برخاست شناور را شامل شده و فاز آیرودینامیک حرکت بطور کلی، پرواز شناور را پوشش می دهد. لذا اینگونه شناورها باید بطور همزمان نیازمندیهای هیدرودینامیک و آیرودینامیک را ارضاﺀ کنند ]۲.[
طراحی قسمت زیر بدنه بمنظور ایجاد عملکرد مناسب و کاهش مقاومت در فازهای مختلف حرکت بر روی سطح آب از اهمیت خاصی برخوردار است. شکل خاص قسمت زیر بدنه بهمراه پله (Step) یکی از اجزای لاینفک سازه هر گونه شناور پروازی اثر سطحی محسوب میشود. قایق پرنده در هنگام برخاست, بتدریج با افزایش سرعت باید در رﮊیم سرش قرار گرفته تا با افزایش شدید مؤلفه عمودی نیروی هیدرودینامیکی بر روی سطح آب سر بخورد. در این حالت با افزایش سرعت، نیروی برآی آیرودینامیکی بتدریج افزایش یافته تا اینکه شناور بطور کامل از آب جدا گردد. از اینرو آگاهی کامل از مراحل برخاست شناور و محاسبات مربوطه، در طراحی زیر بدنه بسیار حائز اهمیت است.
با توجه به هندسه زیر بدنه، بررسی مقاومت هیدرودینامیکی در فاز سرش، با استفاده از روشهای تحلیلی به علت پیچیدگی فراوان آن عملاﹰ امکانپذیر نیست و از روابط نیمهتجربی که تلفیقی از تئوریهای موجود و نتایج آزمایشهای حوضچه یدککشی (Towing Tank) است، استفاده میشود.
در این مقاله با استفاده از روش تئوری صفحات سرشی و ارائه روشی برای مدل کردن بدنه شناور، مقاومت هیدرودینامیکی یک قایق پرنده محاسبه شده است. روش فوق از قابلیت بالا و دقت مناسب جهت مدل کردن شناورهای پروازی و محاسبه مقاومت هیدرودینامیک در فاز سرش، برخوردار است.
این رﮊیم محدوده سرعت بین ۵۲/۰ تا ۰۵/۰ سرعت برخاست میباشد. در این رﮊیم شناور بطور کامل بر روی پله حرکت میکند و بدنههای جانبی (اسکیها) بطور کامل از آب جدا میشوند. مقدار حداکثر مقاومت هیدرودینامیکی (Hump Drag) که در محدودهای بین ۳/۰ تا ۴/۰ سرعت برخاست رخ میدهد, از خصوصیات این رﮊیم است و عوامل آیرودینامیکی نیز از تأثیر نسبتاﹰ کمی برخوردار می باشند.
ج‐ رﮊیم سرش
محدوده سرعت این رﮊیم بین ۵/۰ تا ۸/۰ سرعت برخاست است. در این رﮊیم تأثیرات نیروی شناوری (بویانسی) ناچیز بوده و عوامل آیرودینامیکی نیز بطور چشمگیری فعال میشوند. از طرف دیگر با فعال شدن عوامل آیرودینامیکی و کاهش سطح تماس شناور با آب، مقاومت هیدرودینامیکی کاهش می یابد.
د‐ رﮊیم پیش از برخاست
همانطور که انتظار میرود محدوده سرعت این رﮊیم بین ۸/۰ سرعت برخاست تا برخاست نهایی بوده و تنها تفاوت آن با رﮊیم قبلی امکان قرار گرفتن بیش از حد ناحیه بین دو پله در معرض موج ایجاد شده بعد از پله اول میباشد (در شناورهای دارای دو پله). این امر باعث افزایش مقاومت هیدرودینامیکی شده و بعضاﹰ بهمراه پسای آیرودینامیکی برخاستن شناور از سطح آب را غیر ممکن میسازد.
۲‐ مراحل برخاست قایق پرنده از آب
روند برخاست بر حسب سرعت شناور به چهار رﮊیم مختلف تقسیم میشود ]۳: [
الف‐ رﮊیم شنا
در این مرحله شناور از حالت سکون حرکت خود را آغاز کرده و به سرعتی معادل ۵۲/۰ سرعت برخاست میرسد.
در این رﮊیم ویژگی جریان آب اطراف بدنه و یا اسکیها (بدنههای جانبی) مشابه کشتیها بوده و وجود پله در بدنه شناور موجب افزایش مقاومت هیدرودینامیکی میگردد.
افزایش شدید منحنی مقاومت نسبت به سرعت و بیتأثیر بودن عوامل آیرودینامیکی بعلت سرعت پایین از خصوصیات بارز این رﮊیم میباشد.
ب‐ رﮊیم اسکی (حرکت بر روی ( Step
۳‐ مقاومت هنگام برخاست از سطح آب
مقاومت هیدرودینامیکی قسمت عمده نیروی مقاوم در طول مرحله برخاست را تشکیل میدهد. بطور کلی این نیرو شامل دو بخش مقاومت تولید موج (Wave Making Drag) و مقاومت اصطکاک (Friction Drag) است. در واقع مقاومت تولید موج در اثر ایجاد موج بر روی سطح آب و مقاومت اصطکاک در اثر اصطکاک بین سطح تماس بدنه با آب بوجود میآید ]۴.[
در جلوی هر جسمی که بر روی سطح آب حرکت میکند, موج (Bow wave) تشکیل میشود. این امواج با افزایش سرعت شدیدتر شده و با کاهش حجم جابجایی (Displacement) شناور در آب, کوچکتر میشوند. در قایقهای پرنده با افزایش سرعت, بعلت افزایش نیروی برآی آیرودینامیکی حجم جابجایی کاهش مییابد. از اینرو با تقابل این دو عامل در ایجاد مقاومت ناشی از تولید موج و تأثیر مقاومت اصطکاکی, مقاومت هیدرودینامیکی در رﮊیم سرش، نقش تعیین کنندهای در رسیدن شناور به سرعت برخاست و نهایتاﹰ طول باند برخاست دارد. بعضاﹰ با افزایش مقاومت هیدرودینامیکی در رﮊیم سرش، بهمراه پسای آیرودینامیکی برخاستن شناور از سطح آب غیر ممکن میشود. از اینرو تعیین مقاومت هیدرودینامیکی در رﮊیم سرش یکی از مهمترین محاسبات شناور محسوب میشود]۵.[
۴‐ مقاومت هیدرودینامیکی صفحات سرشی
بمنظور طراحی اولیه یک شناور، نیروهای وارد بر شناور و پاسخهای مربوط به آن باید بر حسب ابعاد، شکل هندسی و سازه شناور تخمین زده شود. البته راه حلهای مختلفی برای اینکار وجود دارد ولی هنوز هم برای یک طراح، انتخاب بهترین راه حل، کار مشکلی است. روشهای موجود را میتوان به شکل زیر تقسیم بندی کرد:
۱‐ مشاهده و ثبت مستقیم حوادث و پدیدهها در شناورها ۲‐ استفاده از مدل ریاضی به همراه محاسبات عددی ۳‐ استفاده از مدلهای فیزیکی
امروزه بمنظور طراحی هیدرودینامیکی شناورها، از مدلهای ریاضی و فیزیکی استفاده میشود. آزمایشهای تعیین مقاومت صفحات سرشی تقریباﹰ در تمامی کانالهای آب دنیا رایج و متداول است. اولین آزمایشات صفحات سرشی بطور تجربی توسط میلر در سال ۱۱۹۱ در حوضچه یدککشی ملی انگلیس انجام گردید. آقای زاتورف در سال ۹۲۹۱ آزمایشهای جامعی بر روی صفحات سرشی در حوضچه یدککشی هامبورگ انجام داد و در اتحاد جماهیر شوروی سابق نیز آزمایشهای بسیاری بر روی صفحات سرشی توسط آقای پرلموتر انجام و نتایج آنها گردآوری شده است
]۶.[ شکل (۲) یک صفحه در حال سرش را نمایش میدهد. با توجه به نیروهای ترسیم شده در این شکل میتوان نوشت:
(۱)
بنابراین برای زوایای کوچک داریم:
(۲)
در این رابطه RTP مؤلفه اصطکاکی مقاومت، ∆ نیروی برآی صفحه (معادل بار اعمالی بر صفحه)، R x نیروی مقاومت هیدرودینامیکی و ϕ زاویه حمله است.
همانطور که در رابطه (۲) مشاهده میشود، نیروی مقاوم هیدرودینامیکی از دو مؤلفه تشکیل شده است. مؤلفه اول را مقاومت باقیمانده و مؤلفه دوم را مقاومت اصطکاکی مینامند. از اینرو برای محاسبه مقاومت هیدرودینامیکی یک صفحه در حال سرش، باید هر دو مؤلفه مقاومت محاسبه گردد. اولین جمله با مشخص بودن بار اعمالی بر صفحه و زاویه حمله به راحتی قابل محاسبه است. اما در محاسبه جمله دوم عواملی چون جنس صفحه، پرداخت سطح صفحه و مساحت سطح خیس شده و . . . مؤثر میباشند.
در آزمایشهای حوضچه یدک کشی با توجه به نیروها و ممانهایی که بر روی صفحه اعمال میشود، میتوان روابط بدون بعد زیر را ارائه نمود ]۷.[
(۳)
که در این روابط :
(۴) (ضریب بارهای دینامیکی)
(۵) (عدد فرود عرضی)
(۶) (ضریب ممان)
B عرض صفحه، M ممان نیروهای هیدرودینامیکی نسبت به انتهای صفحه،λ نسبت منظری طول سطح خیس شده به عرض صفحه،V سرعت صفحه،ρ چگالی آب و g شتاب جاذبه است.
اطلاعات حاصل از آزمایشهای صفحات سرشی در شکلهای (۳ و ۴) ارائه شده است. در شکل (۳) نمودار تغییرات ضریب ممان و در شکل (۴) نمودار تغییرات بر حسب نسبت منظری در اعداد فرود متفاوت رسم شده است. با تعیین مساحت خیس شده و ضریب اصطکاک سطح، نیروی مقاومت اصطکاکی محاسبه خواهد شد و از طرف دیگر با محاسبه زاویه حمله و در دست داشتن بار اعمالی بر روی صفحه، مقدار نیروی مقاومت باقیمانده نیز بدست میآید.
روند محاسبات بصورت زیر است:
با معلوم بودن سرعتV ، عرض صفحهB و محل اعمال نیرو نسبت به انتهای صفحهX داریم:
طول خیس از رابطه زیر قابل محاسبه است:
(۸)
