0-92339

نشریه مهندسی دریــا سال یازدهم/ شماره22/ پاییز و زمستان 1394(15-24)

توسعه مدل عددي-نیمه تجربی جهت تخمین مشتقات هیدرودینامیکی یک AUV

نوروزمحمد نوري1*، کریم مصطفی پور2 ، سیدحسن حسنپور3

استاد دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، mnouri@iust.ac.ir
دانشجوي دکترا مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران ،mostafapour@iust.ac.ir
دانشجوي کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران ،h_hassanpour@mecheng.iust.ac.ir

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 25/01/1394 تاریخ پذیرش مقاله: 02/12/1394

هیدرودینامیکی بدنه زیرسطحی با اعمال حرکات نوسانی اجباري هیو و پیچ خالص با استفاده از یک مدل عددي بر پایه دینامیک سیالات محاسباتی تخمین زده شده است و سپس به کمک فرمولهاي نیمه تجربی مقادیر مشتقات هیدرودینامیکی مربوط به بالکها اضافه گشته است .به منظور اعتبار سنجی نتایج مدل ارائه شده، تست تجربی موسوم به تست PMM با استفاده از تستهاي تونل آب انجام گرفته است .نتایج اعتبارسنجی نشان میدهد که ترکیب روش دینامیک سیالات محاسباتی و روش نیمه تجربی در محاسبه مشتقات هیدرودینامیکی کارآمد بوده و قادر است با دقت مناسبی این ضرایب را تخمین بزند و همچنین استفاده از این روش هزینه محاسباتی در طراحی تفصیلی را کاهش میدهد. مشتقات هیدرودینامیکی دینامیک سیالات محاسباتی روش عددي-نیمه تجربی
PMM تست

792492544156

افزایش استفاده از وسایل زیرسطحی خودکنترل منجر به ایجاد حساسیت بیشتري در طراحی آن ها شده است. موضوع اکثر مطالعات طراحی زیرسطحیها روي بحث کاهش درگ، فرمانپذیري مناسب و پایداري آن ها بوده است .طراحی مناسب و پیش بینی رفتار این وسایل مستلزم تخمین دقیق بارها از مشتقات هیدرودینامیکی مربوط به آن ها میباشد. در این مقاله مشتقات هیدرودینامیکی زیرسطحی هیدرولب500 با استفاده از ترکیب روش عددي و نیمه تجربی تخمین زده شده است. در این روش ابتدا مشتقات
49377621680573

کلمات کلیدي:

Development of a Numerical-Semi Empirical Model to Estimate
Hydrodynamic Derivatives of an AUV

Norouz Mohammad Nouri1*, Karim Mostafapour2, Seyed Hassan Hassanpour3

Professor of Mechanical Engineering Department, Iran University of Science and Technology; mnouri@iust.ac.ir
PhD Student of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology; mostafapour@iust.ac.ir
MSc Student of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology; h_hassanpour@mecheng.iust.ac.ir

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Increased use of Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) caused an increase in their design sensitivity. The subject of most of AUV design studies was on drag reduction, ease of handling and their stability. Adequate design and prediction of the behavior of these vehicles requires an accurate estimation of corresponding hydrodynamic derivative loads. In this study, Hydrodynamic derivatives of the AUV have been estimated using numerical and semi empirical methods. First, using a numerical method based on CFD, hydrodynamic derivatives related to the body of the Hydrolab500 have been estimated by applying pure heave and pure pitch oscillatory movements, and then, with the aid of semi empirical formulas, hydrodynamic derivative values of hydrofoils have been added. To validate the results, Planar Motion Mechanism (PMM) experimental test has been carried out using water tunnel tests. The validation results show that combining CFD method and semi empirical method is efficient in the calculation of hydrodynamic derivatives and is able to estimate these coefficients with reasonable accuracy. Using this method, the computational cost of detailed design has been reduced.

Article History:
Received: 14 Apr. 2015
Accepted: 21 Feb. 2016

Keywords:
Hydrodynamic Derivatives
CFD
Numerical-Empirical Method
PMM Test

1 – مقدمه
با پیشرفت تکنولوژي و با توجه بـه افـزایش اهمیـت منـابع عمیـقدریایی، کاربرد وسایل زیرسطحی خودکنترل1 در حوزههاي وسیعی همچ ون ص نعت دف اعی، محافظ ت و نگهب انی محل ی، کش ف واستخراج مواد معدنی و هیدروکربنی، محافظت و نگـه داري خطـوطانتقال نفتی و همچنین نصب تجهیزات دریایی گسترش یافته است .
لذا مأموریت هاي قابل انتظار از این وسایل به مرورزمان پیچیـده تـر وچالشیتر شده است .به منظور عملکرد مناسب این وسایل، اطمینان از مانورپذیري، کنترل و پایداري، در فرآیند طراحی یک زیرسطحی بسیار حائز اهمیت است. در عمـل مـانور شـش درجـه آزادي یـکمتحرك را میتوان به ترکیبی از حرکتهاي افقی ،عمودي و دورانی تقسیم کرد. حرکت کلی جسم را با چند معادله خطی ریاضی بیـانکرد که در آنها نیروها و گشتاورهاي هیدرودینامیکی وارد به رونـد ه زیرسطحی را میتوان به صورت تابعی از پارامترهاي سـینماتیکی وضرایبی موسوم به ضرایب یا مشتقات هیـدرودینامیکی 2 نیـز بیـانکرد. این مشتقات بـه سـه دسـته اسـتاتیکی و چرخشی(مشـتقاتمیراکننده3) و مشتقات شتابی(مشتقات جرم افزوده4) تقسیم بندي میشوند. مشتقات استاتیکی ناشی از سرعت خطی وسیله هسـتند،مشتقات چرخشی ناشی از سرعت دورانی و مشتقات شتابی ناشی از ش تاب خط ی و دوران ی وس یله م یباش ند .تخم ین مش تقات هیدرودینامیکی یک زیرسطحی با چهار روش تحلیلی ،نیمه تجربی ،تجربی و عددي انجام میشود. بکارگیري روش مطمئن در تخمـینمشتقات هیدرودینامیکی ضروریست چراکه منجر به کاهش هزینه-هاي طراحی و همچنین بهبود ویژگیهـاي عملکـردي زیرسـطحیقبل از ساخت آن میشود .روش تحلیلی مشتقات هیـدرودینامیکیمربوط به شتاب را به خوبی پیشبینی مـی کنـد ولـی در محاسـبهمشتقات مربوط به سـرعت بـه دلیـل حـذف اثـرات لزجـت جـواب درستی نمیدهد. روش نیمـه تجربـی نیـز بـراي هندسـههـایی بـاپیچیدگی زیاد بکار گرفته نمیشود و اغلب با فرض جریان پتانسیل مــیباشــد. در روش تجربــی، تســت مکــانیزم حرکــت صــفحه اي (PMM)5 مـوثرترین راه ب راي محاس به مشـتقات م یباش د ول ی مستلزم ابزارها و امکانات خاص آزمایشگاهی است کـه زمـانبر و پـرهزینه هستند و لذا براي طراحی مقدماتی صـرفه اقتصـادي نـدارد.روشهاي دینامیک سیالات محاسباتی(CFD)6 یا عـددي سـختی،هزینه و زمانبري روش آزمایشگاهی را ندارنـ د و همچنـین نیازمنـدابزارهایی براي نگه داري مدل نمیباشد. همچنـین روش دینامیـکسیالات محاسباتی در مقایسه با روشهاي نیمه تجربی که از اثـراتغیرخطی بودن صرفنظر کرده و اغلب با فرض جریان پتانسیل می-باشند نیز دقیقتر و کاربردي تر هستند.
روشهاي دینامیک سیالات محاسباتی در ایـن حـوزه از دهـه 90 میلادي بکار گرفته شدهاند. کاربرد دینامیک سیالات محاسباتی در صنایع دریـایی بـا پیشـرفت تکنولـوژي و افـزایش سـرعت و تـوانمحاسباتی کامپیوترها در حال رشد اسـت. در چنـد دهـه اخیـر ازدینامیک سیالات محاسباتی براي محاسبه مشتقات هیدرودینامیکی استفاده شده است. وو و همکارانش[1] حرکت پایا مسـتق یم الخـط زیرسطحی مدل SUBOFF را در حالات با و بدون زاویه حملـه درنزدیکی بستر سیال بینهایت شبیهسازي کردهاند و اثرات حرکت در نزدیکی بستر را روي مشـتقات هیـدرودینامیکی موردبررسـ ی قـراردادهاند و مشتقات به دست آمده را با دقت بالایی محاسبه و با نتـایج تجربی موجود مقایسه کردهاند .زییا و همکارانش[2] بـا اسـتفاده ازنرم افـزار CFX بـه شـب یه سـاز ي مـانور بـراي زیرسـطحی 02-CR پرداختــهانــد. مــدل کــی -اپســیلون7 بــراي محاســبه مشــتقاتهیدرودینامیکی مکانی و روش کی-اومگا8 براي ضرایب چرخشی و سایر ضرایب کوپله هیدرودینامیکی بکار گرفته شـده اسـت. نتـایجحاصله از شبیه سازي عددي با نتایج موجود از تست دریاچه تجربی همخوانی داشته است. واز و همکارانش[3] با تمرکز بر پـ یش بینـ ی دقیـق نیروهـاي مانورینـگ زیرسـطحیDARPA SUBOFF بـ ه کمک CFD و بـا اسـتفاده از کـد توسـعه داده شـده در نـرم افـزار اختصاصی MARIN و همچنین نرم افـزار تجـاريAcuSolve بـهمحاسبه نیروها و الگوي جریان حـول زیرسـطحی بـراي دو حالـت بدون بدنه و بدنه کامل پرداختند. نتایج به دست آمده رضایت بخـش بوده و با دادههاي تجربی همخوانی داشته است .تیاگی و همکارانش [4] بـ ه کمـکCFD و بـا اسـتفاده از معـادلات نـاویر- اس توکس میانگین گیري شده رینولدز (RANS)9 در نـرم افـزار فلوئنـت 10 بـهمحاسبه ضرایب نیروهـا و گشـتاورهاي دمپینـگ هیـدرودینامیکیعرضی براي دو هندسه زیرسطحی پرداخته و نتایج را با نتایج نیمه تجربی موجود مقایسه کردهاند. نتایج به دسـت آمـده نشـان از دقـتروش CFD داشته است و نشان میدادند که نیروها و گشتاورها بـاسرعت جانبی یک رابطه غیرخطی دارند. بروگلیا و همکـارا نش [5] با استفاده از یک کد موازي CFD به بررسـی جریـان حـول تـانکرKVLCC2 در طی یک مانور سووي خـالص 11 بـا در نظـر گـرفتناثرات سطح آزاد پرداختـه انـد . نیروهـاي جـانبی و گشـتاور یـاوو12 محاسبه شده از این روش تطابق خوبی با دادههاي تجربی با خطـاينسبی بـه ترت یـ ب کمتـر از 5/5 و 20 درصـد داشـته انـد . ملیـک و همکارانش[6] به شبیه سازي تست هاي مکانیزم حرکت صفحه اي به کمک CFD براي هندسه متقارن محـوري بیضـیگـون بـا نسـبت
ابعادي 6:1 پرداختهاند و با استفاده از نرم افزار فلوئنت و قابلیت مش متحرك13 و چند ناحیه کردن میدان محاسباتی بـه منظـور اعمـالحرکتهاي هیو14 و پیچ خالص15 توانستهاند نتایجی با دقت بالا در مقایسه با حل تحلیلی موجود به دست آورند. فیلیپس و همکارانش [7] براي محاسبه مشتقات سرعت و شتاب با استفاده از مدل سازي مع ادلات ناپای اي ن اویر- اس توکس ب ا می انگین گی ري رینول دز (URANS) به شبیه سازي تسـت هـاي PMM بـراي نمونـه مـدلزیرسطحی Autosub در حرکت سووي خالص به محاسبه مشتقات هیدرودینامیکی پرداختهاند .محاسبه مشتقات هیدرودینامیکی یک زیرسطحی به همراه بالک بروش عددي در جریان غیر پایا پرهزینه و زمان بر است.
به منظور کاهش هزینه محاسباتی، در این مقاله یک مـدل عـددي – نیمه تجربی جهت تخمین مشـتقات هیـدرودینامیکی زیرسـطح ی هیدرولب500 بر پایه مانورهاي مکانیزم PMM ارائه شده است. این مقاله در سه بخش اصلی تدوین گشته است: بخش اول بـه معرفـیمدل هیدرولب500 و تئوري فرآیند محاسبه مشتقات پرداخته شـده است، در بخش دوم به مدلسازي عددي مسئله پرداخته شده است و در بخش سوم به ارائه نتایج، تحلیل و اعتبارسـنجی 16 اختصـاصداده شده است. نتایج حرکت هیو خالص با نتایج تستهاي تجربـیاعتبارسنجی شده است و همچنین روش حل عـددي نیـز صـحتسنجی17 گشته است .نتایج به دست آمده نشان از دقت مطلوب ایـنمدل دارند.

– توصیف زیرسطحی هیدرولب500 هندسه زیرسطحی هیدرولب500 یک هندسه بهینه شده بـه منظـور انجام مأموریت هاي دریایی در قالب یـکAUV مـی باشـد کـه در پژوهشکده هیدرودینامیک کاربردي و سامانههاي دریـایی دانشـگاهعلم و صنعت ایران طراحی و ساخته شده اسـت. ایـن زیرسـطحیشامل یک بدنه کلی و چهار هیدروفویل میباشد. در طراحی هندسه هیدرولب500 قیودي ازجمله قید عدم جدایش، عدم کاویتاسیون و همچنین کمینه بودن نیروي مقاوم سیال بـه همـراه قیـد بیشـینهبودن حجم زیرسطحی لحاظ گشته است .بهینه سـاز ي روي تمـامیپارامترهاي طولی، پروفیلهاي دماغـه و دم انجـام شـده اسـت. درشــکل1 و 2 نمــایی کلــی از هندســه هیــدرولب 500 بــه همــراه پارامترهاي طولی آن نشان داده شده است. در جدول1 مقادیر بی-بعد پارامترهاي طولی هیدرولب500 آورده شده است.
221489-251962

̇̇
̇̇

شکل 2 – بدنه هیدرولب500 به همراه پارامترهاي طولی

جدول 1 – پارامترهاي بیبعد طولی زیرسطحی هیدرولب500
dt/D dn/D Lt/D Lm/D Ln/D L/D طول بی بعد

0/4
0/6
3
6
1
10
مقدار

در شکل3 نام گذاري انواع مانورهاي زیرسطحی بـه همـراه دسـتگاهمختصات متصل به بدنه18 و متصل به زمین19 آورده شده اسـت. درجدول2 پارامترهاي ب یبعد مربوط به مشتقات هیدرودینامیکی بکار رفته در مطالعه حاضر لیست شده است.

شکل 3 – معرفی انواع مانورها و دستگاه مختصات

225553198584

جدول 2 – روابط بی بعد مشتقات هیدرودینامیکی ضرایب بی بعد ضرایب بی بعد هیو خالص رابطه پیچ خالص رابطه

– فرآیند تئوري تخمین مشتقات هیدرودینامیکی به منظور محاسبه مشتقات هیدرودینامیکی یک وسیله زیرسـطحیمیبایست معادلات حاکم بر دینامیک جسم صـلب آن را اسـتخراجکرد. این معادلات در سیستم مختصات متصل به بدنه نوشـته مـی -شوند و به صورت زیر بیان میشوند:

Z  (m Zw ).w ( .m xG Zq).qZw .w (m.U0Zq).q (1)
M (m x. G Mw ).w (IzMq ).qMw .w ( . m x UG . 0 Mq ).q

با حذف اثرات جرم و اینرسی بدنه(0 = ,) و قرار دادن دستگاه مختصات بدنی روي مرکز جرم زیرسطحی(0 = , ,)، تنها نیروهاي خالص وارده از طرف سیال به دست میآیند. در ایـ ن مقالـههدف تخمین مشتقات هیدرودینامیکی با اسـتفاده از شـب یه سـاز ي
مانورهاي مکانیزم PMM میباشد. مانورهـاي تسـتPMM بـه دوحرکت هیو خالص و پیچ خالص تقسیم بندي میشـوند . در حرکـت هیو خالص، همانطورکه در شکل4 مشاهده میشـود ، از دیـد نـاظرمتصل به بدنه، جسم صرفاً در جهت عمـود بـر محـور طـولی خـودنوسان میکند. در زیر معادلات دینامیکی حاکم بر ایـن حرکـت بـاتوجه به اینکه 0=̇ = آورده شدهاند.

ZM–Z .w- Z .wM .w- M .ww w   w w (2 )

شکل 4 – حرکت هیو خالص

در زیر معادلات مربوط به حرکت اجباري زیرسطحی بـراي حرکـت هیو خالص آورده شده است:

z  ao sint
w  zao cost (3)
w  zao 2 sint
در کار حاضر مقدار دامنه نوسانات(oa) برابر 1 سانتیمتر میباشد.
در حرکت پیچ خالص همانطورکـه در شـکل(5) نشـان داده شـدهاست، جسم از دید ناظر متصل به بدنه صرفا حول محـور y نوسـان دورانی دارد و در جهت عمود بر جسم سرعتی را حس نمیکند. در این حرکت 0= ̇ = و معـادلات دینـامیکی بـه صـورت زیـرخلاصه میشوند.

Z Z q .qZ q.q (4)
M M q.qM q.q

شکل 5 – حرکت پیچ خالص

در زیر معادلات مربوط به حرکت اجباري زیرسطحی بـراي حرکـتپیچ خالص آورده شده است:

170688166156

    o sin t ; o  a tan(aU0 0 )  aU00



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید