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، [email protected]
دانشجوي دکترا مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران ،[email protected]
دانشجوي کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران ،[email protected]

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
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017

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; [email protected]
PhD Student of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology; [email protected]
MSc Student of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology; [email protected]

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

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017

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
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید