0-91942

نشریه مهندسی دریــا سال سیزدهم/ شماره52/ بهار و تابستان 6931 )62-55(

مطالعه عددی اثرات تغيير ارتفاع و موقعيت طولي پله، در يک ورق پروازی

بهاره برملا ، احمدرضا کهنسال2* ، عباس دشتي منش3

دانشجوي کارشناسي ارشد مهندسي دريا، دانشگاه خليج فارس، گروه مهندسي دريا؛ bahare.barmala@yahoo.com
استاديار، دانشگاه خليج فارس، دانشکده مهندسي، گروه مهندسي دريا؛ kohansal@pgu.ac.ir
استاديار، دانشگاه خليج فارس، دانشکده مهندسي، گروه مهندسي دريا؛ a.dashtimanesh@pgu.ac.ir

اطلاعات مقاله

چكيده

چكيده

برای اکثر شناورها، مقاومت اصطکاکی بدنه در آب، بیشترین سهم را در مقاومت کل کشتی دارد؛ بنابراین در چند دهه گذشته تحقیقات بسیاری در زمینهی کاهش مقاومت اصطکاکی کشتی انجامشده است. در این میان، شناورهای پلهدار با کاهش قابلتوجه در میزان سطح خیس جایگاه ویژهای در شناورهای تندرو پروازی دارند. در این پژوهش تأثیر ایجاد تک پله عرضی در ورق تخت در آب آرام با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی بررسی و تحلیلشده است .ابتدا شناور بهصورت ورق پروازی درتریم و آبخور ثابت در آب آرام مدل شده است. با اضافه کردن پله عرضی به هندسه مدل، نسبت درگ اصطکاکی به لیفت کل ورق ارزیابی گردیده و نتایج حاصل از شبیهسازی عددی با نتایج موجود مقایسه شدهاند. همچنین ،تغییرات مقدار درگ اصطکاکی و طول سطح خیس در اثر جابجایی موقعیت طولی پله و تغییر در ارتفاع پله بررسیشدهاند. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 63/65/6931 تاریخ پذیرش مقاله: 16/61/6932

کلمات کلیدی:
شناورهای پلهدار تحلیل عددی کاهش درگ اصطکاکی شناورهای پروازی هیدرودینامیک

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

A Numerical Study of the Effects of Changing the Height and Location of the Step on a Planing Flat Plate

Bahare Barmala1, Ahmadreza Kohansal2*, Abbas Dashtimanesh3

M.Sc. Student, Marine Engineering Department, Persian Gulf University, Bushehr, Iran; bahare.barmala@yahoo.com
Assistant Professor, Marine Engineering Department, Persian Gulf University, Bushehr, Iran; kohansal@pgu.ac.ir
Assistant Professor, Marine Engineering Department, Persian Gulf University, Bushehr, Iran; a.dashtimanesh@pgu.ac.ir

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ABSTRACT

Article History:
Received: 9 Mar. 2016
Accepted: 21 Dec. 2016
For most vessels, the frictional resistance of the hull in the water has the largest share in the total resistance of the ship, so in the past few decades much research have been done on reducing the frictional resistance of ships. Among these, stepped vessels with a significant reduction in the amount of wetted surface have a special place. In this

Keywords:
Step hull
Numerical analysis
Reduction of the friction drag
Planing hull
Hydrodynamics
study, the effect of a single transverse-step on a flat plate is investigated in calm water with computational fluid dynamics methods. First, the vessel is modeled as a planing flat plate in a fixed trim and draft. By adding a transverse step to the geometry of the model, the proportion of frictional drag to the lift is calculated and compared with the other results. Also, changing the amount of frictional drag and wetted surface due to the changing of the longitudinal position and height of the step are investigated.

62
آب روی بخش پشتی بدنه بسیار کم است. بنابراین ،سطوح نزدیدکبه ترانزوم9 نقش بسیار کوچکی در تولید لیفت دیندامیکی خواه ند د داشت. بااینوجود، این بخش دارای درگ اصطکاکی شدیدی بوده و باعث افزایش مررس سوخت و افزایش قدرت موردنیاز خواهدد شد د .
برای برطرس کردن این مشکل میتدوان یدک شکسدتگی، بدا عمد مناسب در کف بدنه و در محل مناسدب قدرار داد تدا جریدان سدیالعبوری از کف بدنه، از بخش جلویی پله جدا شدده و بخدشهدایی ازبخش پشتی بدنه خشک بماند.
بسیاری از تحقیقات پایهای درزمینه شناورهای پروازی ابتدا بر روی یک ورق تخت انجام شده است .یکی از اولدین کارهدا درزمینده ورق تخت پروازی، توسط ستورس ]6[ انجام شد. مطالعات ایشدان پایده واساس سایر آزمایشهای تجربی بر روی ورق تخت و فرم بدنده هدا ی وی شکل بوده است. همچندین واگندر ]5[ پدژوهش هدایی درزمینده طراح ی ش ناور پ روازی ب ر روی س طح آب انج ام داده اس ت. وی مطالعات خود را تا حد زیادی مبتنی بدر تحقیقدات نیدری و نتدایجتجربی ستورس انجام داد. یک سری آزمایشها نیز توسدط شدومیکر ]9[ صورت پذیرفت که شامل بارهدای انددازه گیدری شدده بدر رویبدنههای پروازی با عرض ثابت و زاویه خیز کف متفاوت بدود. نتدایجوی مستقیماًما در طراحی شناور پروازی بدا کدف وی شدکل اسدتفادهمیشود. سیدوس ]1[ با شبیهسازیهای ریاضی بدر روی شدناورهایپروازی، مطالعاتی درزمینه ورق تخت پدروازی دوبعددی انجدام دادهاس ت. پیرس ون و لژون ر ]2[ محاس بات نی ری درزمین ه نی روی دینامیکی ایجادشده بر روی ورق تخت پروازی انجدام دادندد. آنهدادریافتند که سرعت با زاویه خط سکون رابطه مستقیمی دارد .
اکثر مطالعات اشارهشدده بده صدورت آزمایشدگاهی انجدام شدده اندد . ازآنجاکه اندازهگیریهای آزمایشگاهی ازنیر اقترادی مقرونبهصرفه نبود، برخی از محققین مانند اسدمایلی ]1[ و اشدنایتزر ]7[ تدلاشکردند که بهجای مطالعدات تجربدی بدر روی ورق تخدت پدروازی ازروشهای تحلیلی استفاده کنند. آنها در مطالعات خدود درزمینده ٔ پاشش آب در ورق تخت پروازی، فرض کردند که پاشدش آب فقدطتدابعی از طدول مغدروق ورق بدوده و مسدتقل از زاویده تدریم اسدت .
61
بریزولرا و سررا ]8[ مطالعدات عدددی را در نقدا ثدابتی روی بدندهپروازی انجام دادندد و نتدایج را بدا دادههدای آزمایشدگاهی مقایسدهکردند و به دقتهای خوبی نسبت به مطالعات آزمایشگاهی پیشدیندست یافتند. بهطور متوسط 61 درصد خطا در پیشبینی مقاومدتکلی و 2 درصد خطا در پیشبینی نیروی لیفت بده دسدت آمدد کدهاین نشاندهنده تواندایی روش عدددی در بده دسدت آوردن جدوابدقی برای سطوح پدروازی بدود. سدواهن ]3[ بدا ت رکیدب معدادلات حرکت و روش ساویتسکی ،یک روش نیمه تجربی را برای محاسدبهمشخرات بدنه شناورهای پلهدار پروازی ارائه کرد. او توان موردنیدازرا به دست آورد و با توان موردنیاز موتور نربشده بر روی بدنه سه قای مقایسه کرد. نتایج رضایت بخشی با موتورهای واقعدی حاصدلگردید.
علاوه بر این ،ماکاسیف ]61[ به کمک مدلسدازی ریاضدی، جریدانسیال اطراس یک صفحه پلهدار دوبعددی را بدا روش حدل پتانسدیلجریان شبیهسازی کرد. او فرض کدرد کده بدا اختردا دادن عدددکاویتاسیون4، عدد فرود5 و مرکز ثقل طولی بدنه قادر به پیشبیندیپارامترهایی مانند آبخور، زاویهتریم و طول خیس شدده بدنده باشدد.
ساویتسکی و مورابیتدو ]66[ طدی یدک گدزارش موفد شددند کدهپروفیل خط ویک را برای دو حالت – یکی از خدط کدف 6 و دیگدریاز14 خط عرضی7 بدنه رسم کنند. با توجه بده معدادلاتی کده از ایدنخطو به دست میآید، شکل ویک به طول کف خیس، زاویه خیدزکف، تریم و سرعت شناور بستگی دارد. نتدایج نشدان مدی دهدد کدهویک با سرعت زیاد خارج میشود که این موضوع باید در محاسبات در نیر گرفته شود و علاوه بر اینکه محدل برخدورد آب بدا کدف و

عرض را نشان میدهند، زاویه برخورد آنها را نیز مشخص میکندد.این زاویه میتواند بهعنوان یکتریم محلی8در نیر گرفتده شدود و ازآن برای محاسبه لیفت در قسمت عقب بدنه استفاده میشود. ماتیو ]65[ در سال 5165 برای مدل کردن جریدان دائمدی اطدراس بدنده پروازی پلده دار دوبعددی از چشدمههدای هیددرودینامیکی نقطدهای استفاده کرد .روش او قادر به مدلسازی بدنههای تک پلهای و چنددپل های تح تفش ار و ایرک اویتی ب ود. ت اونتون و همک ارانش ]69[ مطالعات آزمایشگاهی گسدتردهای بدر روی ندوع جدیدد شدناورهایتندرو با بدنههایی با شکستگی یا چداین تیدز داشدتند و گزارشدی ازنتایج این آزمایشها در آب آرام ارائه دادندد. یدک بخدش از تجداربآنها شامل سه مدل با فرم بدنه یکسان میشدد کده هرکددام داراییک پله، دو پله و بدون پله بودند. آنها بدرای هدر یدک از مددل هدا،پارامترهای سطح خیس، مقاومت، زاویهتریم دینامیکی و آبخور را به دسددت آورده و تددأثیر نسددبت ابعددادی را در محدددوده وسددیعی ازسرعتهای مختلف بررسی کردند. نتایج ایشان، کاهش مقاومدت درشناورهای پلهدار نسبت به شناورهای بدون پله را نشان میداد.
در مطالعات عددی گارلند و مکی ]61[ تحقیقداتی در مدورد ارتفداعپله و موقعیت طولی پله بر روی صفحه پروازی انجام شدد . آنهدا دوشبیهسازی را در حالت آبخور و زاویده تدریم ثابدت انجدام دادندد؛ ومتوجه شدند که ارتفاع پله تأثیر بسیار زیدادی بدر کداهش مقاومدتدارد. درواقع، ارتفاع پله تا جایی میتواندد بدزرگ باشدد کده جریداندوباره به بدنه تماس پیدا کند. علاوه بدر ایدن، محدل پلده وابسدتگیضعیفی به نسبت درگ به لیفت دارد و محل پله را میتوان با توجه ب ه مح دودیته ای دیگ ر طراح ی، نیی ر پای داری دین امیکی و مانوردهی تعیین نمود.
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

در این مطالعه ابتدا یک ورق پروازی دارای تک پله عرضی در آب آرام و با تریم و آبخور ثابت مدل شده است. سپس نسبت درگ اصطکاکی به لیفت کل ورق برورت عددی محاسبه شده و نتایج حاصل از شبیهسازی عددی با نتایج موجود مقایسه شدهاند. همچنین، تغییرات مقدار درگ اصطکاکی و طول سطح خیس در اثر جابجایی موقعیت طولی پله و تغییر در ارتفاع پله بررسیشدهاند.

2 – معادلات اساسی حاكم
برای شبیهسازی جریان سیال اطراس ورق از معادلات ناویر-استوکس، معادلات سطح آزاد و مدل توربولانسی مناسب استفاده میشود. معادلات ناویراستوکس ،مدل ریاضی کاملی را برای تحلیل جریان سیال ارائه میکنند. این معادلات را میتوان بهصورت زیر نشان داد [62]:
240093550800

)6(

13335-25512

)5(

در این معدادلات

مؤلفده سدرعت ، P فشدار و

مؤلفده نیدرویگرانش هست. معدادلات مهدم دیگدر معدادلات توربولانسدی

است. فرم بهبودیافتده ای از معدادلات توربولانسدی

RNG وجود دارد که با توجه به شرایط مسئله در نیر گرفتده شدده اسدت.
در ایددن تحقیدد از ایددن رابطدده بددرای مدددلسددازی توربولانسددی استفادهشده است:

L طول خیس ورق در حالت اولیه حرکت است. در شناورهای
-62864194814

)8(

در ادامه بده معرفدی مددل هدا ی مسدئله و شدرایط مدرزی پرداختدهمیشود.

3- مدلسازی عددی و دامنه محاسباتی
-333374-490726

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

با توجه به اینکه محل قرارگیری پله در کف شناور اسدت، مدیتدوانبدنه شناور پروازی را بهصورت فرم ساده یعنی ورق تخت با آبخور و تریم ثابت در نیر گرفت. اگر سد یال در راسدتای افقدی بده صدفحهبرخورد کند، نیروها بهصورت دو مؤلفه، عمدودی )لیفدت( و دیگدری نیروی درگ اصطکاکی میباشند. بهطور مخترر ابعاد و خروصدیاتمدل انتخابشده در شکل 6 نشان داده شدهاست.

شكل 1- هندسه مدل ورق پروازی پلهدار

)3(
که در آن:

)1(

)2(
31813516095

)1(
برای شبیهسازی تغییر شکلها در سطح مشترک دو سیال، از روش حجمی مدلسازی سطح آزاد استفادهشده است .ρ خاصیت فیزیکی همانند چگالی، لزجت و … در کل میدان است:
1283335127000

ρ

ρ

ρ

ρ )7(

درصد حضور دو سیال درون هدر المدان محاسدباتی بداα نسدبتحجمی نشان میدهد که بهصورت زیر است [62]:
67

o
پروازی بدون زاویه خیز کف، آب در قسمت جلوی سطح، بالا میآید که باعث میشود طول خیس در حال حرکت بزرگتر از طول تعریفشده در حالت بدون حرکت باشد. با توجه به اینکه زاویهتریم 1 الی 2 درجه منجر به حداقل مقدار نسبت درگ به لیفت میشود، زاویهتریم 2 درجه و سرعت سیال ورودی 2 متر بر ثانیه در نیر گرفته میشود. همچنین

موقعیت طولی پله نسبت به پاشنه ترانزوم و h ارتفاع پله است؛ که هریک نقش بسیار مهمی در مقدار لیفت و مقاومت مدل ارائهشده دارند. معمولاً ارتفاع پله را 9-2 درصد عرض بدنه در نیر میگیرند. انتخاب مناسب ابعاد دامنه محاسباتی و گسسته سازی از مواردی است که در یک حل عددی باید توجه ویژهای بدان داشت. اصولاً ابعاد دامنه محاسباتی باید طوری انتخاب شود که مرزها کمترین تأثیر را بر روی نتایج داشته باشند. بهعنوانمثال ابعاد دامنه محاسباتی در شکل 5- الف برحسب طول ورق نمایش دادهشده است.
بهمنیور کنترل و بهینه کردن تعداد و ابعاد سلولهای شبکهبندی سعی شد تا دامنه محاسباتی به چند ناحیه مجزا تقسیم شود .
بااینوجود به علت تعداد قابلتوجه نمونههای موردبررسی و زمانبر بودن، در ناحیه کوچکی در اطراس مدل از شبکهبندی با مشهایی ریزتر و در بقیه دامنه محاسباتی از شبکهبندی با مشهایی بزرگتر استفاده شد )شکل 5- ب(. نکته قابلملاحیه در استفاده از این روش، بالا بردن دقت پاسخهای بهدستآمده در اطراس ورق است .
مسئله و دقت موردنیاز متناسب است.

شبکهبندی دارای 921111 المان میباشد که با ابعاد هندسه، نوع
کف دامنه محاسباتی را از نوع دیواره و در بالای دامنه محاسباتی از نوع دریچه با فشار صفر در نیر گرفته میشود. شرایط مرزی به کار گرفتهشده برای حل این مسئله در جدول6 نشان داده شدهاند.

نام شرط مرزی نوع مقدار مرزی
Inlet Inlet Normal Speed
Outlet Outlet Static Pressure
Top Openning Relative Pressure – 0 (Pa)
Bottom Wall Free Slip wall
Plate Wall No Slip wall
Symmetry Symmetry –
جدول1- شرایط مرزی مسئله

2 )الف( دامنه حل عددی

2 )ب( شبکهبندي دامنه محاسباتي

شكل 2- ابعاد و مشخصات دامنه محاسباتی،)الف:( دامنه حل عددی،
)ب:( شبكهبندی دامنه محاسباتی

در اطراس سطح آزاد آب به دلیل تغییرات سریع، نیاز به تمرکز بیشتر در شبکهبندی وجود دارد. مکان دیگری که نیاز به اصلاح اندازه شبکهبندی دارد، مرز ورق است. ورق بهصورت صلب در نیر گرفته میشود و نیازی به شبکهبندی در آن نیست.

تعيين شرایط مرزی
بر اساس شرایط مسئله، در ابتدای دامنه محاسباتی )سمت جلوی ورق( از شر مرزی ورودی و در انتهای دامنه محاسباتی )سمت عقب ورق( از شر مرزی خروجی استفاده گردید. شر مرزی در شرایط مرزی لازم برای بخشهای مختلف دامنه محاسباتی مسئله نیز در شکل9 ارائهشده است.

شكل 3- تعریف مرزهای دامنه محاسباتی

هندسههای مختلف موردمطالعه
برای به دست آوردن مناسبترین ارتفاع و موقعیت طولی پله، از شرایط مختلف تغییر در هندسه مدل استفاده شده است. در جدول 5 مدلهای B1 که در آنها ارتفاع پله تغییر میکند نشان داده شده است.

جدول 2- شرایط مختلف حل عددی مدل B1

نمونه

h (m)

????
????

(
m
)

B11

000
/
0

9
/
0

B12

01
/
0

9
/
0

B13

010
/
0

9
/
0

B14

00
/
0

9
/
0



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

پاسخ دهید