مطالعه پارامتري توزيع فشار بر روي گوه به هنگام ورود به آب به روش
تست مدل
1*232 حميد زراعتگر، احسان حسني چالكسرا، رضا يوسف نژاد، محمد جواد جواهريان

استاديار، دانشكده مهندسي دريا، دانشگاه صنعتي اميركبير
دانشجوي كارشناسي ارشد، دانشكده مهندسي دريا، دانشگاه صنعتي اميركبير
دانشجوي دكتري، دانشكده مهندسي دريا، دانشگاه صنعتي اميركبير

چكيده آناليز ورود گوه به آب يك مسئله پايهاي است كه كاربرد متنوعي دارد. استفاده از روش تست آزمايشگاهي يك ابزار قدرتمند است كه در اين مقاله با تكيه بر آن، ورود گوه با زواياي ددرايز 02، 03 و 04 درجه به سطح آب بررسي شده وتوزيع فشار روي بدنه ي گوه ثبت گرديد. تست انجام شده به روش سقوط آزاد و براي حالت متقارن ميباشد. سپس مطالعهاي پارامتري بر روي تاثيرات سرعت ورود به آب و زاويه ددرايز بر روي ضريب فشار صورت گرفت. همچنين پارامتر عمق نفوذ بدون بعد () كه تركيبي از دو پارامتر زمان و مكان م يباشد بعنوان پارامتر مستقل براي توزيع فشار بر روي گوه مورد ارزيابي قرارگرفت. نهايتا نتايج حاصل از اين آزمايشها با برخي كارهاي عددي موجود مقايسه گرديد. نوع بررسي پارامتري انجام شده در اينجا به كمك نتايج تست از نقاط قوت تحقيق حاضر مي باشد .
كلمات كليدي: گوه ،سرعت برخورد، زاويه ددرايز ،توزيع فشار، ضريب فشار

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:15 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:15 +0330 on Monday October 30th 2017

Parametric Investigation of Pressure Distribution on Wedge Water Entry by Experiment

H. Zeraatgar1, E. Hassani Chalaksara2, R.Yousefnejad3, M. J.
Javaherian2

1-Assistant professor, Faculty of Marine Technology, Amirkabir University of Technology.
2-MSc student, Faculty of Marine Technology, Amirkabir University of Technology.
3-PhD student, Faculty of Marine Technology, Amirkabir University of Technology.

Abstract
Analysis of wedge water entry as a basic problem has wide application. Model testing is a powerful means to deal with the said problem. In this study, a set of water entry tests on wedges of 20, 30 and 40 degrees deadrise angles has been conducted and the pressure distributions are recorded. Free falling method in symmetry conditions are considered in this research. A parametric study on pressure coefficients due to velocity and deadrise angles has been carried out on the wedge. Furthermore, Z-parameter as a non-dimensional factor defined for two individual parameters, time and depth of entry, has been evaluated. Finally, some comparison with numerical methods is presented. The kind of parametric study by means of model test may be regarded as the outcome of this study.
Keywords: Wedge, Impact Velocity, Deadrise Angle, Pressure Distribution, Pressure Coefficient
* نويسنده مسئول مقاله: [email protected]
1- مقدمه
شناورهاي تندرو عمدتا به عنوان شناورهاي خدماتي، شناورهاي ماهيگيري، قايق هاي گشتي، آمبولان سهاي دريايي، شناورهاي تفريحي و يا در رقابت هاي ورزشي مورد استفاده قرار ميگيرند. تلاش در جهت افزايش كارآيي عملياتي شناورهاي تندرو از موضوعات تحقيقاتي روز دنيا است. پيچيدگي هاي بسياري در رفتار شناورهاي تندرو در آب راكد و امواج وجود دارد. بخش اعظمي از اين پيچيدگي ها ناشي از وجود سطح آزاد در ماهيت اينگونه مسائل است. به همين نسبت روشهاي محاسباتي موجود در اين مقوله نيز مشكل و پيچيده گشته و مستلزم فرضيات زيادي براي مدلسازي پديده م يگردد. لذا معمولا جواب هاي توليد شده با تقريبهاي زيادي همراه هستند. اسلمينگ (كوبش) به برخورد يك جسم به سطح آزاد اطلاق ميگردد كه از پديده هاي غير خطي بوده و از ماهيت ضربه برخوردار است. تحليل بسياري از پديدههاي فيزيكي از جمله حركت كشتيها و خصوصا شناورهاي پروازي در آب راكد و موج، منجر به حل يك مسئله پايهاي ميگردد كه همانا ورود يك گوه به آب است. ورود گوه به آب پديده اي با ماهيت اسلمينگ است. روش هاي تحليلي، عددي و آزمايشگاهي مختلفي براي تحليل مسئلهي ورود گوه به آب وجود دارد. بنا به ماهيت اين مقاله، تمركز بيشتر بر روي معرفي پيشينهي آزمايشگاهي كارهاي انجام شده خواهد بود.
شروع تئوري ورود به آب را مي توان به فون كارمن1 منتسب نمود [1]. جاييكه وي در سال 1929 با استفاده از تئوري مومنتوم و جرم اضافه، اولين مدل رياضي را براي محاسبه ي بيشين هي فشار وارد بر كف هواپيماهاي دريايي سطح نشين ارائه كرد. در سال 1932 واگنر2 اثر بالا آمدگي سطح آب را نيز به مسئله اضافه كرد و مدل رياضي دقيق تري را بر پايه ي روابط تحليلي بدست آورد كه منشأ فعاليتهاي ديگر دانشمندان شد .]2[ اولين كار آزمايشگاهي انجام شده بر روي گوه را شايد بتوان تستهاي بيسپلينگهف3 در سال 1950 دانست [3]. وي يك تئوري براي محاسبه تغييرشكل سطح آزاد بر پايه تئوري واگنر ارائه كرد. سپس در آزمايش هاي خود از يك دوربين سرعت بالا براي ثبت تغييرات سطح آزاد استفاده كرد. مقايسه ي نتايج اين آزمايش ها با نتايج تئوري حاكي از آن بود كه تئوري واگنر ميزان بالا آمدگي سطح آزاد را بيش از حد واقعي آن محاسبه م يكند. در سال 1966چانگ4 آزمايش هايي را بر روي گو ههايي با زواياي ددرايز كم انجام داد و پيك فشار بر روي مدل ها را ثبت كرد [4]. اين آزمايش ها منتج به كشف برخي روابط تجربي و رسم نمودارهايي براي پيش بيني پيك فشار وارد بر گوه شد. گرينهو و لين5 نيز در سال 1983 اقداماتي را براي ثبت جريان در آزمايش ورود به آب چند گوه انجام دادند [5]. آنها مدلهاي مختلفي با ابعاد كوچك را در يك تانك انداخته و با استفاده از يك دوربين تغييرات سطح آزاد اطراف آنها را ثبت كردند. در سال1994 لين و هو6 نتايج عددي و آزمايشگاهي براي ضربه گوه دو بعدي در آب راكد در ارتفاع هاي مختلف ارائه دادند [6]. مدل عددي آ نها مبتني بر روش المان مرزي با شرايط مرزي غير خطي براي سطح آزاد بود. اين آزمايشها در آب كم عمق انجام شده و نتايج آن با حالات مشابه در آب عميق مقايسه شد. تحليل نتايج نشان ميداد كه پيك فشار ضربه در آب كم عمق بيشتر از فشار مشابه آن در آب عميق است. ژائو و همكاران7 در سال 1997 دو روش تئوري براي تحليل مسئلهي ورود به آب ارائه كردند[7].
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:15 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:15 +0330 on Monday October 30th 2017

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:15 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:15 +0330 on Monday October 30th 2017

يك روش مبتني بر شبيه سازي غيرخطي از حل معادله ي لاپلاس و روش ديگر برگرفته از رابطه ي تحليلي واگنر بود. آن ها براي صحت سنجي اين دو روش، آزمايشهايي را بر روي يك گوه 03 درجه انجام دادند. چگونگي تغييرات سطح آزاد، ضريب فشار، نيروي اسلمينگ و سرعت برخورد از نتايج اين آزمايش ها بود. همچنين وو و همكارانش8 در سال 2004 تست هايي را براي گو ههايي با زواياي ددرايز02 و 54 درجه انجام دادند [8]. آن ها همچنين حلي را از تركيب روابط تحليلي و المان مرزي ارائه كرده و نتايج حاصل از آزمايش را با آن مقايسه كردند. المهدي و همكاران9 نيز در سال 2005 آزمايش هايي را براي سقوط آزاد گوه جهت بدست آوردن توزيع فشار ترتيب دادند .]9[ آ نها نتايج اين آزمايش ها را با مدل هايي مقايسه كردند كه در آن سرعت گوه در هنگام ورود به آب ثابت فرض شده بود. اين مقايسهها نشان ميداد كه جرم گوه و ارتفاع سقوط برروي ضريب فشار تاثير بسيار كمي دارد در حالي كه زاويه ددرايز گوه ،پارامتري مهم در تعيين مقدار و توزيع ضريب فشار بر روي آن است. تنوير و همكاران01 در سال 2010 نيروهاي اسليمنگ وارد بر يك گوه 01 درجه را مورد آزمايش قرار دادند [01]. بدين منظور مدل هايي با وزن هاي متفاوت از دو ارتفاع مختلف به درون آب انداخته شده و تغييرات سرعت و فشار براي آنها در هنگام برخورد ثبت گرديد. مقايسه مقادير ثبت شده براي فشار با روش پيشبيني چانگ نشان از همخواني خوب نتايج آزمايشگاهي آنها با اين روش داشت.
در اين مقاله ورود يك گوه دو بعدي به آب به روش آزمايشگاهي بررسي مي گردد. اين آزمايش ها بصورت گسترده روي مقاطع گوه اي شكل براي سه زاويه ددرايز مختلف و در سرعتهاي برخورد مختلف در حالت متقارن انجام پذيرفته است. نتايج آزماي شها در قالب تغييرات فشار نسبت به زمان و همچنين نمودارهاي بي بعد ضريب فشار ارائه شدهاند. نتايج اين آزمايش با ديگر كارهاي انجام شده توسط محققين مقايسه شده است .

( # “# $ %$&) !
همچنين مطالعه پارامتري بر روي اثر زاويه ددرايز و سرعت برخورد گوه به آب، روي مقدار و موقعيت پيك فشار انجام گرفته است. اگرچه ماهيت اين آزمايشها همانند آزمايش هاي ديگر محققين مي باشد ولي مطالعه پارامتري صورت گرفته بر روي موقعيت پيك فشار در لحظات مختلف، در نوع خود جديد م يباشد. همچنين سنسورهاي اندازهگيري بكار گرفته شده جهت ثبت فشار، داراي حساسيت بالايي هستند. در عين حال، قابليت نمونهبرداري بسيار زياد اين سنسورها در هر ثانيه عاملي است تا بتوان تغييرات فشار بر روي گوه را دقيق تر ثبت كرد.

تجهيزات آزمايشگاهي
در اين بخش تجهيزات مربوط به آزمايشگاه معرفي شده است.

مشخصات آزمايشگاه
اين آزمايش ها درآزمايشگاه هيدروديناميك دانشكده مهندسي دريا، واقع در دانشگاه صنعتي اميركبير صورت گرفته است .

مشخصات مدل
مدل ها همگي به عرض 05 سانتي متر و طول 09 سانتي متر بوده و داراي مقطع مثلثي مي باشند كه از جنس چوب با ضخامت 81 ميلي متر ساخته شده اند .
شكل1 نمونه اي از مدل با زاويه ددرايز 40درجه را نشان م يدهد. مطابق شكل 2 بر روي هر مدل چهار فشارسنج با فواصل يكسان 7 سانتي متر تعبيه شده به نحوي كه فشار سنج اول 2 سانتي متر از لبه گوه فاصله دارد. ترتيب شماره گذاري فشارسنج ها از لبه گوه به بالا م يباشد. مهمترين عامل در انتخاب محل نصب سنسورها، امكان پوشش حداكثري ثبت فشار بر روي وجه گوه و نزديك شدن به محل لبه ورودي گوه م يباشد. البته محدوديت هاي ساخت و نصب نيز لحاظ شده است. با اضافه كردن وزنهي اضافه، وزن مدلها 83 كيلوگرم مي باشد.
2-3- تجهيزات آزمايش و سنسور اندازه گيري
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:15 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:15 +0330 on Monday October 30th 2017

در حوضچهي آزمايشگاه، سيستمي براي انجام آزمايش ورود به آب طراحي گرديده كه امكان سقوط آزاد گوه را بدون حركت جانبي (يك درجه آزادي) فراهم ميسازد. شكل 3 شماتيك سيستم ورود گوه به آب به روش سقوط آزاد را نشان ميدهد.

شكل 3 – شماتيك سيستم ورود گوه به آب

فشارسنج ها از شركت پ يس يبي پيزوترونيكس11 تهيه شده و قابليت اندازهگيري فشار تا psi1000 با دقت psi001/0 را دارد. برد ثبت ديتا با فرمان سرور نمونه برداري را آغاز كرده و اطلاعات را از چهار كانال دريافت و در حافظه ذخيره مي نمايد. سنسورها در هر ثانيه 25000 بار نمونه برداري مي كنند. همچنين به كمك نر مافزار متلب، برنامه اي جهت پردازش و نمايش ديتاي ثبت شده تدوين گرديده كه نقش ثبت داده، فيلتر و نمايش آنها را برعهده دارد.
3- شرايط و نتايج آزمايش ها
بطور كلي آزمايش ها براي مدل هايي با زواياي ددرايز مختلف انجام شده است. مطابق جدول 1 آزمايش براي هر مدل به صورت سقوط آزاد از ارتفاع هاي مختلف صورت گرفته است. مدل ها تحت تاثير وزن خود و با استفاده از سيستم هدايت كننده از ارتفاع مورد نظر رها م يشوند. هنگام برخورد با آب، سنسورهاي تعبيه شده بر روي مدل تغييرات فشار را ثبت مي كنند. با داشتن مقادير و نحوه ي توزيع فشار بر روي مدل م يتوان ضريب فشار را محاسبهكرد. نتايج از نظر اعتبارسنجي قبلا ارائه شده است [12,11].

جدول 1- شرايط آزمايش براي مدل ها
ارتفاع سقوط[m] زاويه ددرايز مدل
1 0/5 0/2 02 درجه
1 0/5 0/2 03 درجه
1 0/5 0/2 04 درجه

3 -1- اثر سرعت بر توزيع فشار روي مدل 03 درجه
شكل 4 توزيع فشار بر روي گوه 03 درجه را در چهار نقطه با سرعت ورود به آب 4/4 متر بر ثانيه نشان م يدهد. نمودارهاي رسم شده در شكل از چپ به راست به ترتيب مربوط به سنسورهاي شماره يك تا چهار هستند. در اين تست پيك فشار در فشارسنج چهارم بيشتر از فشارسنجهاي ديگر م يباشد. شكل هاي 5 و 6 نيز به ترتيب توزيع فشار را بر روي گوه در سرعت هاي 1/3 و 1/9 متر بر ثانيه نشان مي دهد.

شكل 4 – توزيع فشار براي مدل 03 درجه با ارتفاع سقوط 1 متر(سرعت برخورد 4/4 متربرثانيه)

شكل 5 – توزيع فشار براي مدل 03 درجه با ارتفاع سقوط 5/0 متر(سرعت برخورد 1/3 متربرثانيه)

شكل 6 – توزيع فشار براي مدل 03 درجه با ارتفاع سقوط 2/0 متر(سرعت برخورد 9/1 متربرثانيه)

جدول2 – پيك فشار براي گوه 03 درجه در سرعتهاي مختلف
پيك فشار [psi] [ضريب فشار] فشارسنج شماره4 فشارسنج فشارسنج شماره2 شماره3 ارتفاع سقوط سرعت برخورد فشارسنج
[m/s] [m] شماره1 رديف
14
[9/972]

/
2
6

[
416
4
/
]

/4
10

[
408
7
/
]

[
547
8
/
]

[
/
88
4

]

[
7
17
/
]

[
7
60
/

]
1
55
/

[
921
5
/
]

2
05
/

[
831
7
/
]

2
25
/

/

2

6

[

416



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید