بخشی از مقاله
مقایسه میزان درگ و رفتار جریان اطراف پروانه شناور در حالت قفل و آزاد
چکیده
در این مقاله بررسی رفتار جریان در اطراف پروانه در حالت قفل که پروانه چرخشی ندارد و حالت آزاد که بصورت هرز گرد می چرخد
مورد بررسی قرار گرفته است. میزان درگ تولیدي در هر دو حالت بررسی، تحلیل و مقایسه شده است. جهت بررسی نتایج بدست آمده از دو پروانه استاندارد DTMB4119 و HSP استفاده شده است. بر اساس داده هاي بدست آمده بیشترین افزایش درگ حدود 80 درصد
افزایش درگ پروانه در حالت قفل نسبت به حالت آزاد می باشد که با ارائه راهکارهاي مختلف در حالت شناور با سرعت کم و هنگام توقف شناور می تواند مورد استفاده قرار گیرد. هنگامی که رونده در سرعت پائین در حال حرکت است و موتور پروانه خاموش میباشد بررسی رفت قفل و آزاد بودن پروانه و میزان درگ از اهمیت بالایی برخوردار می باشد.
کلمات کلیدي: پروانه قفل و آزاد ، درگ .
مقدمه
بررسی رفتار جریان سیال اطراف پروانه شناورهاي دریایی در علم هیدرودینامیک از اهمیت بسزایی برخوردار می باشد. به هنگام پهلوگیري در شناورهاي سطحی و عدم حرکت(غوطهوري بدون رانش) در شناورهاي زیر سطحی رفتار جریان و میزان درگ پروانه در حالت قفل و آزاد بسیار با اهمیت است. در ذیل ابتدا با استفاده از داده هاي تجربی موجود از پروانه DTMB4119 روند عددي تحلیل پروانه مورد اعتبار سنجی قرار گرفته و در ادامه با استفاده از روش حجم محدود نتایج حاصل از تحلیل پروانه با اسکیو زیاد براي دو حالت قفل و آزاد مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است.
مدل هندسی طرح و شبکه بکار رفته جهت حل
در شکل 1 نماي ایزومتریک پروانهها نشان داده شده است(هندسه شامل قسمتهاي هاب1 و مجموعه پره هاست). قطر پروانه DTMB4119 در حدود 0/666 متر است. براي اطلاعات بیشتر در مورد سایر جزئیات هندسه، میتوان به مراجع مرتبط مراجعه نمود.
مرجع مختصات بکار رفته بر روي محور هاب قرار داشته و محل آن درشکل مشخص شده است.
شکل :1 نماي ایزومتریک هندسه پروانه .
شبکه به کار رفته براي حل عددي جریان
دراین بخش به منظور شبیهسازي جریان حول جسم، شبکه محاسباتی که در حل عددي بکار رفته است توضیح داده خواهد شد. شکل به طور نمادین مرزهاي ورودي و خروجی محدوده حل را نسبت به موقعیت قرارگیري جسم نشان میدهد. به منظور اعمال دوران به ناحیه چرخان اطراف جسم، دامنه حل از دو ناحیه تشکیل شده است. یک ناحیه در نزدیکی پروانه کهاصطلاحاً به آن ناحیه چرخان گویند و دیگري ناحیه دوردست است که از مجاورت ناحیه چرخان تا دوردست ادامه دارد . همچنین شبکه بکار رفته در شکل ارائه شده است.
استفاده از شبکه هیبرید و روشهاي بهینهسازي شبکه این امکان را فراهم کرده است که بتوان این مسئله را در حالت سه بعدي با حدود دو ملیون و سیصد هزار سلول به طور کامل در محدوده محاسباتی حل کرد. شبکه تولید شده کیفیت بالایی دارد. با توجه به معیار تعریف شده در جدول 1 میزان کیفیت شبکه بر اساس پیچش2 سلول نشان داده شده است. در
جدول کیفیت شبکه ایجاد شده از لحاظ پیچش جهت حل مسئله نشان داده شده است. از مقایسه این دو جدول ملاحظه میشود که عمده سلولها در محدوده عالی تا متوسط قرار دارند و بنابراین به لحاظ حل عددي انتظار میرود که همگرایی در روند حل مسئله مطلوب باشد نمودار باقیماندههاتقریباً پس از 400-300 تکرار به حالت پایدار خود می رسد و از آنجا به بعد این نمودار تغییرات چندانی ندارد.
شکل :2 شماتیک کلی میدان حل
شکل :3 نماي شبکه بکار رفته در حل پروانه در ناحیه دوردست و ناحیه چرخان
جد ول :1 کیفیت سلولها بر اساس پیچش سلول [1]
جدول:2 کیفیت سلولهاي تولید شده بر رو ي پروانه از لحا ظ پیچش
حداکثر پیچش اتفاق افتاده در شبکه برابر 0/9 9 است که تعداد بسیار کمی در مقابل حجم شبکه دارد. در شبکه موجود 99/98 درصد کل سلولهاي شبکه ایجاد شده در محدوده پیچ ش سلول زیر 0/8 واقع شده که داراي کیفیت عالی تا خوب هستند و از این لحاظ کیفیت کل شبکه به لحاظ پیچش مورد تأیید قرار میگیرد. همچنین کیفیت شبکه تولید شده از لحاظ ن سبت منظري سلول ها نیز در ج دول نشان داده شده است.
جدول :3 کیفیت سلولهاي ت لید شده بر روي پروانه از نظر نسبت منظري
در شکل4شکل شبکه تولید شده بر روي پره ها و در اطراف آن نشان داده شدهاند. در نوك پر ه به دلیل وجود انحناي جسم شبکه ریزتري تولید شده تا این انحنا در حل عددي دیده شود. در شکل 4 نماي ایزومتریک از شبکه لایه م رزي تولید شده بر روي نوك هاب نیز نشان داده شده است. وجود لایه مرزي باعث میشود تا تراکم شبکه در اطراف دیوارها بیشتر باشد و پروفیل تغییرا ت سرعت در نزدیکی جسم به وضوح دی ده شده و تنش برشی سیال بر روي دیوارها به درستی محاسبه شو د.
شکل:4 نماي ایزومتریک شبکه تولید شده بر روي پره ها و اطراف آن.
شبکه مورد استفاده در حل عددي ترکیبی از شبکه باسازمان و بدون سازمان استاساساً. میتوان گفت که به غیر از محدوده نزدیک جسم به سبب مدلسازي اثرات لزجت و ملاحظات مدل آشفتگی و همچنین شدید بودن گرادیانهاي سرعت و فشار، نیازي به ریزکردن شبکه در بقیه نواحی میدان حل نیست، لذا در تولید شبکه به جهت کاهش هزینه محاسبات در نزدیک جسم، شبکه به صورت باسازمان و در اطراف به صورت بیسازمان تولید شده است .[2]
همانطور که در شکل دیده میشود شبکه در مجاورت جسم ریزتر شده است. گرادیانهاي شدیدتر فشار و سرعت نسبت به نقاط دوردست نیاز به تعداد بیشتر سلول محاسباتی دارند تا بتوانند به درستی مدل شوند بنابراین ابعاد سلول با فاصله آنها تا جسم رابطه مستقیم دارد. به عبارت دیگر از شبکه ریز در مجاورت جسم تا شبکه درشت نقاط دور از جسم تغییر میکند.
شرایط جریان و مشخصات حل
در جدول 2 شرایط جریان و خواص سیال به طور خلاصه ارائه شده است. بدیهی است که سیال تراکمناپذیر در نظر گرفته شده است.
سرعت خطی و دورانی سیال ثابت و مسائل به صورت پایا حل میشوند. همچنین خواص سیال نیز ثابت فرض شده است.
اصولاً 4 روش براي شبیه سازي نواحی در حال حرکت وجود دارد:
1. روش : SRF در این روش یک مرجع مختصات را به یک دامنه در حال حرکت متصل میکنند و کل میدان جریان با توجه به آن دستگاه در حال حرکت تعریف میشود. واضح است که جریان سیال غیر دائمی که در یک دستگاه ساکن دیده شود میتواند دائم در نظر گرفته شود.
2. روش ناحیه مرجع چرخان: 3 بسیاري از مسائل شامل تنها یک یا چند ناحیه دورانی هستند و سایر قسمتها ساکن می-باشند که این مسائل به روش SRF قابل حل نیستند. 3 مدل زیر براي مسائل چند ناحیهاي ارائه شده است:
Multiple Reference Frame (MRF) •
Mixing Plane Model (MPM) •
Sliding Mesh Model (SMM) •
3 Moving Reference Frame
دو روش اول تقریبی و روش آخر با دقت بسیار عالی جواب میدهد. اما دو روش اول را بصورت دائم و روش آخر را تنها بصورت غیردائم
(گذرا) میتوان شبیه سازي کرد. بدلیل دقت قابل قبول روش MRF و هزینه محاسباتی بسیار کمتر آن در مقایسه با روش SMM در این تحلیل از این مدل استفاده شده است. جزئیات بیشتر مربوط به شبیه سازي نواحی چرخان در منابع مختلف ارائه شده است. در شکل5 روش هاي مختلف موجود بصورت شماتیک نشان داده شده است.
