305-91834

نشریه مهندسی دریــا سال سیزدهم/ شماره52/ بهار و تابستان 6931 )6-61(

شبیهسازی عملکرد هیدرودینامیکی پیشبرندههای دریایی با کمک روش ترکیبی تئوری مومنتوم المان پره و حل معادلات متوسطگیری شده ناویر- استوکس

رضا شمسی* ، حسن قاسمی

دانش آموخته دکتری، دانشکده مهندسی دریا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر؛ shamsi@aut.ac.ir
استاد، دانشکده مهندسی دریا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر؛ gasemi@aut.ac.ir

اطلاعات مقاله

چكيده

چكيده

تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 56/61/6932 تاریخ پذیرش مقاله: 61/66/6932

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:03 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:03 +0330 on Monday October 30th 2017

کلمات کلیدی:
پیش برندههای دریایی روش ترکیبی
تئوری مومنتوم المان پره معااادلات متوسااطگیااری شااده ناااویراستوکس

Numerical Analysis of Marine Propulsors Using Coupled BEMT/RANS Method

Reza Shamsi1*, Hassan Ghassemi2

ABSTRACT

ABSTRACT

شبیهسازی عددی عملکرد هیدرودینامیکی پیشبرندههای دریایی با هندسههای پیچیده همانند سیستمهای رانش پاددار، پروانههای نازلدار و سیستمهای واترجت در مقایسه با تحلیل هیدرودینامیکی پروانههای معمولی از پیچیدگیهای خاصی برخودار هستند .این موضوع سبب بکارگیری و توسعه روشها و تکنیکهای عددی در تحلیل هیدرودینامیکی پیش برندههای دریایی شدهاست. روش ترکیبی تئوری مومنتوم المان پره و حل عددی معادلات متوسطگیری شده ناویر-استوکس یک روش مناسب جهت شبیهسازی عملکرد هیدرودینامیکی در این نوع هندسههای پیچیده که دارای اجزای چرخشی و غیرچرخشی در کنار یکدیگر هستند میباشد. هدف اصلی این مقاله توسعه این روش ترکیبی و استفاده از آن در تحلیل عددی سیستم رانش پاددار است. بدین منظور جریان حول پروانه به وسیله تئوری مومنتوم المان پره مدلسازی شده و اثر آن تنها با تغییر در سرعت و فشار جریان سیال در محل قرارگیری پروانه بوسیله نیروهای حجمی در روش ویسکوز بیان گردیده است. سپس جریان حول اجزای ثابت سیستم پیش برنده به کمک روش ویسکوز شبیه سازی شده است. نتایج حاصله شامل نیروها و گشتاورهای پروانه و نیروی محوری وارده بر کل سیستم رانش پاددار است .در ادامه نتایج بدست آمده با نتایج تجربی مقایسه شده است و دقت این روش ترکیبی مورد ارزیابی قرار گرفته است.
Hydrodynamic analysis of marine propulsors with complex geometry such as podded drive systems, ducted propellers, and waterjet systems are more complicated than conventional propeller systems. This fact has caused the usage and development of numerical methods and techniques. The hybrid method to couple the Blade Element
Momentum Theory (BEMT) with Reynolds-Averaged Navier Stokes method (RANS) is a powerful tool to calculate the hydrodynamic characteristics of marine propulsors with rotating and fix parts. The main purpose of this paper is developing a BEM/RANS coupled method and using it for numerical simulation of podded drive systems. In this approach, the flow around propeller is simulated by BEMT and its effects are substituted in RANS method by a set of equivalent forces which called body force. Then the flow around the fixed parts of propulsors are modelled by RANS solver. The results include the propeller thrust, the propeller torque, and the axial force. The results obtained by coupled method are compared to and verified by the experimental data.

6
Article History:
Received: 11 Sep. 2016
Accepted: 4 Feb. 2017

Keywords:
Marine Propulsors
Blade Element Momentum Theory
RANS Method
Coupled Method

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:03 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:03 +0330 on Monday October 30th 2017

1 – مقدمه
در دهههای اخیر تقاضا برای شناورهای با سرعت بالا در بخشهااینظامی و تجاری دارای روند رو به رشدی باوده اسات. ایان موضاوعسبب طراحی پیشبرندههای دریایی با هندسههای پیچیده گردیادهاست که دارای رانا دمان باالاتر، ارتعاشاات و ناویز کمتار و قابلیاتعملکرد مطمئنتر هستند. سیستمهاای راناش پااددار، پرواناههااینازلدار و سیستمهای واترجت نمونههای از طرحهای موفق در ایانزمینه هستند .تحلیل هیدرودینامیکی عددی این سیستمهاا نسابتا پیچیدهتر از سیستمهای رانش پروانه معما ولی اسات. ایان موضاوعسبب بکارگیری و توسعه روشها و تکنیکهای عددی در مدلسازی عددی پیش برندههای دریایی شدهاست. روشهای توسعه یافتاه بارمبنای دینامیک سیالات محاسباتی امروزه یک ابازار مناساب بارایتحلی ل هی درودینامیکی سیس تمه ای ران ش ش ناورها محس و میشود. بطور کلی روشهای بکارگرفته شاده بار مبناای دینامیاکسیالات محاسباتی به دو دسته جریان غیرویسکوز و جریان ویسکوز تقسیمبندی میشوند]6[.
روشهای غیرویسکوز یاا جریاان پتانسایل مختلفای همانناد روشخطوط برآ، سطوح برآ و المان مرزی برای تحلیل پروانههای دریایی ارائه شده است. روشهای پتانسیل توسعه یافته بر مبنای روش پانل و سطوح برآ در عمل بسیار کاربردی و سریع برای کاربران هساتند.
روشهای جریان غیرویسکوز امکان استفاده راحتی را برای طراحان با هزینههای محاسباتی کم ایجااد نماودهاناد. هار چناد روشهاایپتانسیل اثرات ویسکوزیته را در نظر نمیگیرند و فار ماینماینادجریان غیرچرخشی است. ضعف روشهای پتانسیل عدم پیشبینای صحیح نیروهای مقاومت اجزای غیر چرخشی سیساتم هاای راناشاست. این موضوع قابلیات هاای روش پتانسایل را در برابار مساائلیهمچون پیشبینی مقاومت یا اندرکنش باین پرواناه و اجازای غیارچرخشی محدود مینماید]5[، ]9[.
مبنای ایجاد روشهای ویساکوز اساتفاده از حال عاددی معاادلاتن اویر- اس توکس و معادل ه پیوس تگی اس ت. در س اله ای اخی ر روشهای مختلفی همانند حل مستقیم معادلات ناویر-استوکس یااحل معاادلات متوساطگیاری شاده نااویر-اساتوکس 6 یااRANS پیشنهاد شده است. این روش دقیقترین و قابل انعطافترین راهکار برای تحلیل جریانهای غیرچرخشای حاول اجازای ثابات سیساتمرانش و جریانهای چرخشای حاول پرواناه اسات. هار چناد روش RANS نیازمن د اس تفاده از ش بکه محاس باتی دقی ق در اط رافهندسههای پیچیده است و زمان محاساباتی ایان روش نسابت باهروشهای پتانسیل بالاتر بوده و زمانبرترین و پرهزینهترین روش در می ان روشه ای ع ددی اس ت. بخص ود در مس ائل غیرمتق ارن، مدلساازی اجازای چرخشای سیساتم راناش نیازمناد تحلیاله ای
5
غیریکنواخت بوده که سبب میگردد زماان حال باهشادت افازایشیابد]1[، ]2[.
با درنظرگرفتن این موارد و با توجه به پیچیدگیهای هندسی خاد پیش برندههای نوین، در چند ساال اخیار پهوهشاگران و محققاانسعی نمودند با اساتفاده از روشهاای ترکیبای پتانسایل/ ویساکوزبتواند در جهت رفع معایب فوق و بهبود حل گاام بردارناد]1[، ]7[. در شبیهسازی عددی پیش برندههای دریایی باه کماک روش هاای ترکیبی، جریاان در اطاراف پرواناه باا روشهاای پتانسایل تحلیالمیشود ولی جریان در اطاراف اجازای غیرچرخشای باا روشهاایویسکوز شبیهسازی مای گاردد. از دیادگاه عملای روش ترکیبای درصورتی یک راه حل مناسب و راضیکنناده خواهاد باود کاه اثاراتاجزای غیرچرخشی و ضارایب ویساکوز در نیروهاای پرواناه درنظارگرفته شود. روش ترکیبی مومنتوم الماان پاره و ویساکوز در گاروهروشهای ترکیبی پتانسیل/ویساکوز قارار مایگیارد. در ایان روشجریان حول پروانه به وسیله روش ساده و موثر مومنتوم الماان پاره مدلسازی میگردد و جریان حول اجزای غیرچرخشی بوسایله روشRANS محاسبه میگردد. اثر پروانه نیز بوسیله نیروهای حجمی در روش ویسکوز اعمال میگردد. از این روش تاکنون بهمنظور تحلیالهیدرودینامیکی جریان حول بدنه و پروانه و بررسای اثار انادرکنشبین بدنه و پروانه استفاده گردیدهاست]8[.
هدف اصلی در این مقاله توسعه این روش ترکیبی و اساتفاده از آندر تحلیل هیدرودینامیکی سیستمهای رانش پااددار اسات. در ایانراس تا نخس ت ب ه معرف ی م دل ح اکم ب ر جری ان در هری ک ازتئوریهای مومنتوم المان پره و روش RANS پرداختاه شاده و درادامه روش مدلسازی اثر پروانه و نحوه ترکیب و انتقال اطلاعات بین دو روش و الگوریتم روش ترکیبی ارائه شده است. در نهایت تحلیالعددی سیستم راناش پااددار باه کماک ایان روش ترکیبای ماوردمطالعه قرار گرفته و نتاایج عاددی بدسات آماده باا نتاایج تجربایمقایسه گردیده است.

2 – تئوری مومنتوم المان پره
تدوین روشهای عددی برای تحلیل عملکرد و طراحی پرواناه هاا ازقرن نوزدهم شروع شده و توسعه پیادا کاردهاسات . شااید بتاوان ازتئوری مومنتوم رانکین بهعنوان پایه و اساس سایر تئوریها نام برد.
پس از آن تئوریهایی همانند تئوری المان پره فرود تکمیل کننادهتئوری مومنتوم بوده اسات. تئاوری هاای مومنتا وم و الماان پاره ازتئوریهای ساده و کاربردی برای تحلیل پروانه هستند کاه از دقاتنسبتا خوبی برخوردار هستند. تئوری مومنتاوم یاک تئاوری ساادهبرای نحوه کار پروانه براساس حرکت محوری آ که از یک دیساکپروانه عبور مینمایند است. در این تئوری پروانه را میتوانیم با یاکدیسک جایگزین نماییم که این به معنی آن است کاه پرواناه دارایتعداد نامحدود پره میباشد. این تئوری با خصوصیات هندسی پروانه که تراست را ایجاد مینماید در ارتباط نبود. تئوری المان پاره کاههندسه پره پروانه را در نظر میگیرد بر مبنای تقسیم هر پره پروانه به المانهای نواری شکل بسیار زیاد میباشاد . در ایان روش فار گردیده است که هر پره پرواناه باه شاعاعR از الماان هاای ناواری شکلی به ضخامت rتشکیل شده اسات )شاکل 6(. در واقاع هار یک از این الماان هاای ناواری دارای یاک مقطاع ایرفویال ماننادیهستند که دارای ضخامتr است. این ایرفویلها را به علات کامبودن ضخامت میتوان یک ایرفویل دو بعدی درنظر گرفت و ساپسنیروهای لیفت و درگ را برای این مقاطع دو بعدی بدسات آورد . بااانتگرال گیری از این مقادیر بدست آمده بارای مقااطع دوبعادی درراستای شعاع پره میتوان نیروی لیفت و درگ کال پاره را بدساتآورد]3[.

شكل 1 – تئوری المان پره ]3[

در تئوری مومنتوم المان پره از ترکیب ایان دو روش بارای تحلیالجریان در اطراف پروانه بهره برده مای شاود. وقتای ایان دو روش رابهصورت همزمان بکار برده شود توانایی خواهد داشات کاه جریااناطراف پروانه را بهصورت دقیقتر از آنچه کاه در تئاوری الماان پارهاست، توصیف نمایا د. در ایان حالات باا اساتفاده از روش مومنتاوم میتوان سرعتهای القایی را نیز محاسبه نمود. در این روش پرواناهبه تعدادی مقطع مستقل از هم در راساتای شاعاع پارههاا تقسایممیشود. در هر مقطع که به صورت دو بعدی در نظر گرفته میشاودنیروهای لیفت و درگ محاسبه مای شاوند. باا اعماال قاوانین بقاایمومنتوم خطی و زاویهای به یک سری معادلات غیرخطی رسیده که میتوان با روش تکرار آنها را برای هر مقطع پره حل نمود. در نهایت مقادیر بهدست آمده با هم جمع شده، مقادیر تراست و گشتاور برای پروانه محاسبه میشوند]66[.
9
روش مومنتوم المان پره علاوه بر استفاده در مدلسازی پرواناه هاایدریایی تاکنون کاربردهای زیاد در دیگر زمینههای مهندسی همانند استفاده در تاوربین هاای باادی]66[، ]65[ و تاوربین هاای جریااندریایی داشتهاست]69[، ]61[. بنینی در سال 5661 یک الگاوریتممناسب جهت مدلسازی عددی این تئوری ارائه نمودهاسات . مزیاتاین روش نسبت به دیگار روش هاای پیشارفته، هزیناه محاساباتیکمت ر و قابلی ت محاس به ض رایب لیف ت و درگ مق اطع دوبع دی بخصود در اعداد رینولدز پایین و درنظر گرفتن اثرات ویساکوزیتههمانند پدیده استال و یا جدایی آرام جریان در اعداد رینولدز پایین است. در روش مومنتوم المان پره اثار هار یاک از مقااطع پاره را ازتئوری المان پره باا اثار تغییارات مومنتاوم در سایال را از تئاوریمومنتوم ترکیب مینماید تا یک تئوری ترکیبی را ایجاد نمایاد کاهبتواند اثر هر یاک از مقااطع پاره و تغییارات مومنتاوم را در پااییندست جریان شبیهسازی نماید]62[.
-333374-900406

dT
dQ
dr

Downloaded from marine-eng.ir at 17:03 +0330 on Monday October 30th 2017

dT



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

پاسخ دهید