تعيين ضرايب هيدروديناميكي زيرسطحي ها به روش تست مدل

بهنام صادق زاده پراپري1*، محمد سعيد سيف2، حميد مهديقلي3

كارشناس ارشد مهندسي مكانيك – دريا ،مركز پژوهشي مهندسي دريا دانشگاه صنعتي شريف
استاد، قطب علمي هيدروديناميك و ديناميك متحركهاي دريايي، دانشكده مهندسي مكانيك دانشگاه صنعتي شريف
دانشيار، دانشكده مهندسي مكانيك دانشگاه صنعتي شريف

چكيده
در سالهاي اخير استفاده از وسايل بدون سرنشين به دليل كاهش خطرات انساني در بخش دريا بسيار مورد توجه قرار گرفته اند. بر اين اساس تخمين ضرايب هيدروديناميكي يك وسيله زير سطحي هوشمند در مرحله طراحي بسيار مهم است. به عبارت ديگر براي طراحي يك زيرسطحي هوشمند بايد قابليت كنترل و مانور آن توسط مدلهاي رياضي دقيق مورد بررسي قرار گيرد. مدل رياضي شامل نيروها و ممانهاي هيدروديناميكي است كه به صورت ضرايب هيدروديناميكي بيان ميشوند. بنابراين جهت شبيهسازي دقيق كاركرد زيرسطحي بدست آوردن مقدار دقيق اين ضرايب ضروري است.
با اينكه در سالهاي اخير روشهاي عددي پيشرفتهاي قابل توجهي داشتهاند اما هنوز هم روش تست تجربي مدل قابل اعتمادتر بوده و معمولاً وسايل دريايي ساخته نميشوند مگر اينكه مدل آن تست شده باشد.
زيرسطحي SUT-2 يك زيرسطحي هوشمند است كه در مركز پژوهشي مهندسي دريا دانشگاه صنعتي شريف ايران طراحي و ساخته شده است. تست مدل در حوضچه كشش آزمايشگاه مهندسي دريا انجام گرديده و نتايج آن در مدل سازي ديناميكي و طراحي زيرسطحي فوق مورد استفاده قرار گرفته است.
در اين مقاله روش تعيين ضرايب هيدروديناميكي بدنه زيرسطحي هوشمند SUT-2 به روش تست مدل و ويژگي هاي آ نها تحليل گرديده است. اين ضرايب م يتوانند براي مدلسازي ديناميكي و طراحي كنترلر هوشمند مورد استفاده قرار گيرند. روش ارائه شده محدود به زيرسطحي SUT-2 نبوده و در بررسي و طراحي انواع وسايل و ربات هاي زيردريايي قابل استفاده خواهد بود.
كلمات كليدي: ضرايب هيدروديناميكي، زيرسطحي هوشمند، مدلسازي ديناميكي ،تست مدل

Identification of Underwater Vehicle Hydrodynamic
Coefficients Using Model Tests

B. Sadeghzadeh Parapari1, M. S. Seif 2 , H. Mahdigholi 3

M.Sc. in Mech. Eng.- Marine, Marine Eng. Research Center Sharif University of Technology
Professor, Mech. Eng. Dept., Sharif University of Technology
3-Associate Professor, Mech. Eng. Dept., Sharif University of Technology

Abstract
In recent years, unmanned vehicles have intensively been developed to reduce human dangers for marine applications. Predicting the hydrodynamic coefficients of an autonomous underwater vehicle is important during the vehicle’s design phase. In other words to design an AUV, one must clarify its maneuverability and controllability based on a mathematical model.
The mathematical model contains various hydrodynamic forces and moments expressed

Behnam.sadeghzadeh@gmail.com نويسنده مسوول مقاله *
collectively in terms of hydrodynamic coefficients. Therefore, the correct values of the coefficients must be known to precisely design the controller of AUVs.
Despite of remarkable progress in numerical analysis in recent years, But the experimental methods test modes is still more reliable. No marine vehicle will be manufactured unless its model been tested clearly first.
SUT-2 is an AUV, being developed by Marine Engineering Research Center Sharif University of Technology in Iran. Model test done into marine engineering laboratory towing tank.
In this paper hydrodynamic coefficients calculated with model test of autonomous underwater vehicle and hydrodynamic forces analyzed. This coefficients are used for dynamic modeling and autonomous controller design.
Keywords: Hydrodynamic Coefficient, Autonomous Underwater Vehicles (AUV), Dynamic
1- مقدمه
طي ده ههاي اخير وسيلههاي بدون سرنشين به دليل كاهش خطرات انساني در بخش دريا بسيار مورد بهره برداري قرار گرفتهاند. در مهندسي زيرسطحي و عمليات دريايي نيز اين موضوع اهميت ويژ هاي يافته و بدليل محدوديت در تأمين توان مورد نياز براي رانش و تجهيزات جانبي وسيله زيرسطحي، تخمين دقيق نيروهاي مورد نياز براي انجام مأموريت امري ضروري است. بر اين اساس تخمين ضرايب هيدروديناميكي يك وسيله زير سطحي هوشمند1 در مرحله طراحي بسيار مهم است. به عبارت ديگر براي طراحي يك AUV بايد قابليت كنترل و مانور آن توسط مدلهاي رياضي دقيق مورد بررسي قرار گيرد. مدل رياضي شامل نيروها و ممانهاي هيدروديناميكي ميباشد كه به صورت ضرايب هيدروديناميكي بيان ميشوند. بنابراين جهت شبيه سازي دقيق كاركرد AUV بدست آوردن مقدار دقيق اين ضرايب ضروري خواهد بود.
همانطور كه مرسوم است به منظور مطالعه و بررسي هيدرومكانيكي وسيله هاي دريايي بجاي تحليل كامل آن توسط مدلهاي رياضي مي توان از مدلهاي فيزيكي كوچك به منظور پيش بيني رفتار يك سيستم با ابعاد واقعي استفاده كرد .
روشهاي تخمين ضرايب هيدروديناميكي وسيلههاي مغروق مشابه روش هاي استفاده شده براي هواپيماها و موشكها است. اين ضرايب معمولاً توسط آزمايش ،تحليل عددي يا روابط تجربي محاسبه مي گردند. اخيراً با توجه به قابليت هاي كامپيوترهاي قدرتمند، استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي2 جهت شبيهسازي
Modeling, Model test

ميدان جريان اطراف زيرسطحي و محاسبه توزيع فشار روي وسيله مورد توجه قرار گرفته است[ 1]. با اين روش نيروها و ممانهاي وارد بر وسيله قابل محاسبه خواهد بود. همچنين ميتوان از آزمايش مدل در حوضچه كشش براي تخمين ضرايب هيدروديناميكي وسيله استفاده نمود. روش ديگر ساخت نمونه اصلي و تست آن خواهد بود. روشهاي تحليلي و نيمه تجربي3 نيز ميتوانند در مراحل اوليه طراحي جهت تخمين ضرايب هيدروديناميكي، قابليت مانور و انتخاب سطوح كنترل به كار روند .
محاسبه ضرايب هيدروديناميكي زيردريايي ها و زيرسطحي هاي هوشمند درمقالات بسياري چون هامفريز4 (1981)، ميدا و تاتسوتا5 (1989)، ناهون6 (1993،1996)، بالمن7 (1990)، پرسترو8 (2001) و ريدلي9 و همكارانش( 2003) مورد توجه قرار گرفته اند 1[]. از روش هاي پيشرفتهتر جهت طراحي زيرسطحيهاي هوشمند ميتوان به بهينه سازي همزمان بدنه و سطوح كنترلي (سيلوستر10 و همكارانش 1998) به طوري كه مشخصات هندسي وسيله نقش اساسي در تخمين ضرايب هيدروديناميكي داشته باشد اشاره نمود[2].
در اين مقاله به اصول روش تعيين ضرايب با استفاده از تست مدل پرداخته شده و نمونه نتايج در خصوص زيرسطحي SUT-2 ارائه گرديده است. زيرسطحي SUT-2 در سال هاي اخير طراحي و ساخته شده است[3].

2- تست مدل در طراحي وسيلههاي دريايي
روش تست مدل در مقياس كوچكتر يكي از ابزارهاي مهم در مهندسي دريا به شمار ميرود كه روش مؤثري در پيشرفت اين دانش بوده است. اين روش متكي بر آناليز ابعادي بوده و در اصل روشي است براي به دست آوردن اطلاعات كافي در مورد مسائلي كه درك تحليلي آنها به دليل زياد بودن پارامترهاي مؤثر در مسأله بسيار پيچيده است. مزيت بزرگ اين روش اين است كه با شناخت متغيرهاي حاكم بر مسأله مي توان آ نها را به گروههاي بي بعد تبديل و تعداد پارامترها را كاهش داد.
كاربرد اين روش در طراحي و بهينهسازي زيرسطحيها نيز قابل توجه است. چرا كه فاكتورهاي مهم مورد نياز براي طراحي زيرسطحي از جمله نيروي محركه، فرم بدنه، قابليت مانور و… را ميتوان توسط آن مشخص نمود. امروزه حتي با پيشرفت علوم و تكنولوژي و ب هوجود آمدن نرمافزارهاي قوي در زمينه طراحي، هنوز هم تست مدل يكي از مهمترين روشها در طراحي و تخمين اوليه فرم بدنه وسيلههاي دريايي به شمار م يرود. در دهههاي اخير با توسعه الگوريتمهاي مناسب و افزايش سرعت محاسبات رايانه ها، روشهاي عددي نيز به عنوان جايگزيني مناسب براي تست مدل مطرح شده اند. اما هنوز روشهاي عددي با تكيه بر شبيهسازي كامپيوتري به طور كامل نميتوانند جايگزين روشهاي تجربي شوند بلكه به عنوان مكمل در كنار آنها م يتوانند مفيد باشند.

شكل 1- حوضچه كشش مركز پژوهشي مهندسي دريا

در اكثر كانالهاي كشش از ارابه11 جهت حركت مدل استفاده ميگردد. به صورت معمول ارابه به وسيله نيروي الكتريكي بر روي ريلهايي در بالاي حوضچه رانده ميشود و اتصال آن به مدل توسط دينامومتري است كه نيروهاي وارد به مدل را در طول رانش در سرعت ثابت و يا در حركت شتاب دار اندازه ميگيرد.
شكل 1 حوضچه كشش مركز پژوهشي مهندسي دريا را نشان مي دهد. سيستم كشش حوضچه مركز پژوهشي مهندسي دريا از نوع ارابه ريلي است. در اين حوضچه سرعت ارابه بين صفر تا m/s 6 قابل تغيير بوده و توسط كاربر كنترل ميشود. انجام دقيق آزمايش با سرعت يكنواخت ارابه امكان پذير ميباشد. شكل 2 نواحي مختلف سرعت ارابه را نشان ميدهد. در اين شكل نواحي مختلف شتابگيري، تنظيم سرعت، ناحيه اندازه گيري، كاهش سرعت و متوقف شدن ارابه نشان داده شده است.

LENGTH OF BASIN
VELOCITY OF CARRIAGE
HIGH
VELOCITY
LOW VELOCITY
I

II

I
II

II
I

IV

IV

V

VI

سرعت
حركت

LENGTH OF BASIN



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید