بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کاویتاسیون و روشهای تست مدل پروانه شناورها
چکیده
آزمایشگاههای دریایی نقش بسزایی در توسعه صنایع دریایی داشته و هم اکنون بیشتر نوآوری ها و ابداعات در طراحی شناورهای مدرن و سیستم های مختلف مورد نیاز در این آزمایشگاه ها تدوین می گردد. یکی از موضوعات مهم مورد تحقیق در اکثر آزمایشگاههای دریایی بررسی عملکرد هیدرودینامیکی پروانه هاست. مسلماً بهبود در عملکرد پروانه تأثیرات مثبتی همچون افزایش سرعت شناور، افزایش راندمان و کاهش مصرف سوخت را بدنبال داشته
و همچنین می توان پدیده کاویتاسیون را بصورت دقیق در آن بررسی نمود. دستگاه تونل کاوی تاسیون (CaVitaSion Tunnel) بدین منظور در دانشگاه صنعتی شریف نصب و راه اندازی گردیده و در مقاله حاضر به تشریح دستگاه و برخی نتایج آن پرداخته خواهد شد. همچنین پدیده کاویتاسیون نیز مورد بررسی قرار گرفته و در خصوص عوامل مؤثر در آن توضیحاتی ارائه شده است.
علی ماه پدیده کاویتاسیون از مهمترین مسائل در طراحی پروانه کشتی است. و مانند مقدار نیروی پیشران (ThruSt) میتوان آن را معیاری جهت طراحی و انتخاب نام برد. چرا که در صورت وقوع این پدیده ناخواسته، پروانه کشتی دچار
فرسودگی می شود ودر برخی موارد صدمات جبران ناپذیری می بیند .همچنین ایجاد صدا و افت عملکرد نیز از دیگر نتایج منفی ان هستند .
پارسون (ParSOn) نخستین کسی بود که تونل کاویتاسیون را ساخت و آزمایش کاویتاسیون را در آن انجام داد. همچنین در سال ۱۷۵۴ ریاضیدان سوئیسی اولر (Euler) به پدیده کاوی تاسیون که ممکن بود در چرخهای آبی (Water Wheel) اتفاق بیافتد توجه کرد. ولی تا سالهای میانی قرن نوزدهم در صنعت دریایی منابع و مراجع کمی درباره کاوی تاسیون تدوین شد، تا این که رینولدز (Reynolds) مجموعه ای از مقالات درباره دلایل از کارافتادگی زودرس موتورهای بخار کشتی های دارای پروانه نوشت. در این
مجموعه وی به معرفی پدیده کاویتاسیون و اثر آن بر کارکرد پروانه کشتی ها پرداخته است. در دهه های اخیر این موضوع بسیار مورد توجه واقع شده و آزمایشگاههای بزرگی در دنیا با استفاده از تونل کاویتاسیون (CaVitation Tunnel) تحقیقات گسترده ای روی آن آغاز نموده اند. خوشبختانه آزمایشگاه مهندسی دریا دانشگاه صنعتی شریف نیز در سال جاری نمونه مناسبی از دستگاه فوق را خریداری و راه اندازی نموده است. در مقاله حاضر به شرح پدیده کاویتاسیون مشخصات اصلی دستگاه موجود و نمونه هایی از نتایج بدست آمده اشاره
خواهد شد.
۱ - توزیع فشار در اطراف مقاطع پره ها و هیدروفویل ها در منطقه پشت پره های یک پروانه بدلیل شکل انحناه پره ها، سرعت نسبی افزایش پیدا می کند بنابراین در بخش قابل توجهی از آن فشار منفی وجود دارد و فشار جلوی پروانه مثبت است.(شکل ۱). نیروی پیشران (ThruSt) ایجاد شده متناسب با سطح زیر متحنی فشار، نشان داده شده در شکل فوق است، به بیان دیگر سطح محصور بین منحنی های فشار متناسب با نیروی بالابر (Lift) ایجاد شده است که بخش زیادی از آن در پروانه صرف تأمین نیروی پیشران (Thrust) می گردد.
۲ - پدیده کاویتاسیون اگر فشار جریان آب در ناحیه ای کاهش یابد بطوری که به فشار بخار اشباع برسد، سبب ایجاد حبابهای بخار آب در نقاط کم فشار میشود. بنابراین حجم مخصوصی افزایش پیدا می کند، و جرم مخصوصی کم می شود. همچنین شرایط حاکم بر جریان سیال تغییر می کند و کاوی تاسیون سبب ایجاد اغتشاش در سیال می شود (شکل ۲). نهایتاً بنابر علتهای بالا مقدار نیروی رانش کاهش می یابد و همچنین باعث ایجاد صدمات فیزیکی به پره ها می شود.
طبق رابطه برنولی در یک خط جریان مانند AB:
که در آنP0 فشار مطلق سیال در نقطه A است. بعبارت دیگر:
هرگاه سرعت سیال در نقطه B افزایش پیدا کند فشار سیال در این نقطه کم می شود. حال اگر فشار به مقداری برسد که فشار سیال در آن نقطه کمتر از فشار اشباع بخار شود در آنصورت پدیده کاوی تاسیون رخ خواهد داد. البته باید توجه داشت که برای پروانه ها رابطه برنولی معتبر نیست و باید از رابطه انرژی استفاده نمود زیرا پروانه روی آب کار انجام می دهد و در حقیقت اتلافات انرژی نیز وجود خواهد داشت. همچنین عواملی که سبب افزایش سرعت سیال می شوند مانند زاویه حمله جریان و شکل مقطع (ضخامت پره) در افزایش امکان وقوع کاویتاسیون نیز مؤثرند. درجه حرارت سیال هم در امکان وقوع کاویتاسیون می تواند تأثیر بسزایی داشته باشد. اگر در رابطه (۱) . شود، کاوی تاسیون رخ می دهد که در آن فشار اشباع بخار در درجه حرارت سیال است. پس شرط عدم وقوع کاویتاسیون عبارت است از
را عدد کاویتاسیون گفته و با نمایش می دهند.
را با نمایش می دهند .
بنابر این باید
شرط فوق به کمک رابطه برنولی بدست آمده که فقط برای اجسام متحرک مانند بدنه زیردریایی ها و شناورهای تندرو و هیدروفویل ها صادق است. در مورد پروانه ها و به طور کلی پیشرانه ها که روی سیالی کار انجام می دهند فقط با آزمایش می توان شرایط وقوع کاویتاسیون را بصورت دقیق بدست آورد. البته می توان معیاری کلی ارائه داد و
آن بصورت زیر است:
که در صورت ارضای رابطه فوق کاویتاسیون اتفاق نمی افتد. همانطور که بیان شد . بنابراین یکی دیگر از عوامل موثر در کاوی تاسیون عمق شناوری است. هرچه h زیادتر شود به مقدار P0 افزوده میگردد بنابراین باعث افزایش مقدار میشود. پس بطور خلاصه عوامل موثر در کاوی تاسیون عبارتند از: ۱) عمق شناوری: با افزایشی آن افزایش پیدا می کند و احتمال وقوع کاوی تاسیون کم می شود. ۲) درجه حرارت سیالی: در صورت ثابت ماندن عمق شناوری و رژیم جریان افزایش دما احتمال وقوع کاویتاسیون را زیاد می کند. ۳) سرعت جریان اطراف جسم : با افزایش سرعت جریان مقدار یا افزایش پیدا می کند و امکان وقوع کاویتاسیون زیاد می شود عوامل مؤثر در افزایش سرعت عبارتند از: ۱-۳ - زاویه حمله: هرچه بیشتر باشد به سرعت نسبی سیال افززوده میگردد. ۳- ۲- شکل مقطع هیدروفویل: با افزایش ضخامت یا انحنای مقطع احتمال وقوع کاوی تاسیون زیاد می شود زیرا تغییرات سرعت سریعتر و بیشتر می شود عوامل فوق در پروانه کشتی ها نیز مؤثرند علاوه بر این که سرعت دوران پروانه نسبیز روی تغییرات سرعت نسبی اثرگذار است و عمق کارکرد پره های آن بصورت پریودی تغییر می کند: سرعت جریان در لبه حمله پره های پروانه به صورت زیر تعریف می شود (شکل ۳):
و عدد کاویتاسیون موضعی در پروانه است
با توجه به اینکه در امتداد پره ها و نقاط مختلف متفاوت خواهد بود، کاویتاسیون را معمولاً در R 0.7 بررسی می کنند:
بطور کلی تابعی است از:
۱) شکل مقطع پره
۲) سرعت نسبی جریان و پروانه
۳) (ضریب بار رانش): که برای پروانه کشتی های معمولی است . در غیر اینصورت امکان وقوع
پدیده کاویتاسیون وجود خواهد داشت.
۳- تأثیرات پدیده کاویتاسیون
پس از افزایش مجدد فشار در طول جریان روی پره ها و تبدیل بخار به آب، حجم کاهش می یابد که اصطلاحاً به آن ImplOSIOn گفته می شود (عکس حالت انفجار یا EXplOSion) و همین امر سبب کاهش فشار در این نقطه می شود که ذرات سیال را به آن سمت میکشاند در نتیجه سبب ایجاد سایش یا ErOSion میشود و به این نوع کاویتاسیون Air Liberation یا قلیان سرد میگویند. نوع دیگر کاویتاسیون به این ترتیب است که در منطقه ای از پره که فشار منفی تولید می شود مکش ایجاد شده و در واقع شکل پروفیل و خطوط جریان تغییر می کنند. اثر مهم پدیده کاویتاسیون بر روی منحنی های مشخصه پروانه است. هرچه کاهش پیدا کند مقدار
کاهش پیدا می کند (شکل ۵). بعبارت دیگر عملکرد پروانه ضعیف می شود.
. از آنجا که تغییرات سرغت از پایه تا نوک پره زیاد است. فاصله T-0.7R بعنوان مقدار متوسط در نظر گرفته می شود.
.ضریب بار رانش یا ضریب رانش به صورت روبرو رابطه دارد
٤ – انواع کاويتاسيون پروانه کشتی
کاوی تاسیون به صورتهای مختلف روی پروانه های کشتی ها اتفاق می افتد که به صورت خلاصه شامل انواع زیر است
در شکل ۶ نمونه هایی از انواع فوق نمایش داده شده است. همانگونه که ملاحظه خواهد شد با استفاده از تست مدل
در تونل کاویتاسیون می توان وجود هر یک از موارد فوق را در دورهای مختلف پروانه بررسی و مشاهده نمود.
۵- روابط تجربی برای معیار کنترل کاویتاسیون همانطور که اشاره شد پدیده کاویتاسیون بخاطر پیچیدگی های جریان و هندسه پروانه به سادگی قابل پیش بینی نیست و روش متداول استفاده از روابط تجربی یا تست است. در این قسمت به یکی از نمونه های روابط تجربی اشاره می شود.
5-1 فرمول سری :B-Wageningen یکی از معروفترین سری های پروانه های مورد استفاده در کشتی ها است و بر اساس نتایج حاصله می توان از فرمول ذیل برای پیش بینی وقوع کاویتاسیون استفاده کرد.
٦– تونلی کاويتاسيون و روشی تست: همان کونه که مشخص است برای بهینه سازی یا حداقل تأیید درستی نتایج محاسبات در طراحی یک پروانه، نیاز به از مسایش نمونه اصلی یا مدل وجود دارد. دستگاه تونل کاوی تاسیون برای آزمایش مدل پروانه کشتی طراحی و ساخته شده است. در حال حاضر نمونه ای از این دستگاه در آزمایشگاه مهندسی دریا دانشگاه صنعتی شریف خریداری، نصب و زاده اندازی شده است که دارای مشخصات آورده شده در جدول زیر ام است.
با تو جه به ابعاد مقطع آزمایش می توان مدل پروانه تا قطر حدودcm ۲۵ را با دقت نسبی خوب ازمایشی کرد. البته
البته هرچه اندازه پروانه به اندازه مقطع ازمایش نزدیک شود مقداری خطا به دلیل وجود لایه مرزی دیواره ها ی مقطع
ازمایش و اثرات متقابل انها روی هم وارد نتایج خواهد شد. دمای کلی دستگاه نیز در شکل 6 ارئه شده است .
۷- داده های خروجی دستگاه تونل کاویتاسیون
به وسیله این دستگاه می توان منحنی های مشخصه هیدرودینامیکی پروانه ها را بدست آورد که این منحنی ها شامل بازده ، ضریب رانش و ضریب گشتاور بر حسب ضریب پیشروی ( Advance cociffient) است. نمونه ای از این منحنی ها در شکل ۷ آورده شده است. همچنین تست یک نمونه مدی پروانه کسبه در دور پائین و بالا در شکل ۸ نمایش داده شده است. همانگونه که ملاحظه می شود با افزایش سرعت دوران یا عدد کاوی تاسیون کاهش یافته و لذا محدوده وقوع کاویتاسیون بسیار گسترده تر شده است.
جمعبندی و نتیجه گیری
همانطور که اشاره شد پدیده کاوی تاسیون یک پدیده مخرب بوده و می تواند عملکرد پروانه شناور را دچار اختلال نماید. برای پیش بینی پدیده فوق روشهای مختلفی وجود دارد که مهمترین و کارآمدترین آنها، استفاده از تونل کاویتاسیون جهت تست مدل پروانه است. در این تست براحتی با افزایش و کاهش فشار درون مخزن، سرعت جریان و دور پروانه مسی توان شرایط معادل را ایجاد و در صورت بروز پدیده کاویتاسیون تصحیحات لازم را در طراحی پروانه یا سیستم رانش ایجاد نمود. همچنین براساسی دقت مورد انتظار امکان در نظر گرفتن مدل یا پاشنه شناور
(Ship Stern) قبل از پروانه وجود داشته و در این صورت می توان نتایج واقعی تری بدست آورد.
