مطالعه آزمايشگاهي اسكوات كشتيها در كانال
5432*1
حميد زراعتگر، روزبه پناهي، كريم اكبري، محسن اصغري، آزاده عزيزجلالي

1- استاديار، عضو هيات علمي صنعتي اميركبير 2- استاديار، پژوهشكده حمل و نقل، دانشگاه علم و صنعت ايران
دانشجوي دكترا، داشگاه صنعتي اميركبير
كارشناس ارشد، دانشگاه صنعتي اميركبير
كارشناسي ارشد فيزيك دريا
چكيده آبراههها و كانال هاي دسترسي، محدود كننده سرعت كشتي بوده و همواره مورد توجه محققين بوده است. يكي از مهمترين عوامل تأثير گذار در اين زمينه، تغيير ديناميكي آبخور كشتي به هنگام ورود به عمقهاي محدود است كه اصطلاحاًاصطلاحا اسكوات ناميده م يشود. در اين مطالعه، اسكوات كشتي ها به كمك تست سيستماتيك مدل در آزمايشگاه مورد بررسي قرار گرفته است. بدين منظور دو مدل از سري 06 در شرايط مختلفي از عمق و عرض كانال و عدد فرود تست گرديده و مقدار تغيير آبخور در سينه و پاشنه كشتي ثبت گرديد. پس از دستهبندي نتايج آزمايش و اعتبار سنجي آن، يك رابطه رگراسيوني براي اسكوات در سينه كشتيهاي تجاري ارائه ميشود. محاسبات انجام شده بر پايه رابطه رگراسيوني مذكور براي چند نمونه كشتي، تطبيق مناسب با ديگر روابط موجود را نشان م يدهد. از مزي تهاي اين رابطه، پوشش دامنه وسيعتري از پارامترها م يباشد.
كلمات كليدي: اسكوات، كانال، رابطه رگراسيوني، تست مدل
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:14 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:14 +0330 on Monday October 30th 2017

A Study on Ship Squat in Canal by Model Testing

H. Zeraatgar1, R. Panahi2, K. Akbari3, M. Asghari4, A. Azizjalali5

1-Assistant Professor, Amirkabir University of Technology
2- Assistant Professor, Iran University of Science and Technology
3-Phd Candidate, Amirkabir University of Technology
4-MSc in Naval Architecture, Amirkabir University of Technology
5- MSc in Marine Physics

Abstract
In canal and seaway the ship speed must be reduced and it has been a subject for many research studies. One of the most important phenomena connected to this issue is the increasing of ship draught when passing in the restricted water which is called squat. This study deals with the squat thorough systematic model testing. Two models from Series60 body form have been tested in a set of canal depth, width as well as different model speed. The change on their draught has been recorded at fore and aft of the model. The test results have been manipulated, validated and regression formula has been developed for prediction of squat at ship fore perpendicular. The formula has been compared with the other existing formula where a good agreement achieved. The advantage of the new formula is the coverage on wider range of parameters affecting the ship squat.
Keywords: squat, canal, regression, model testing

* نويسنده مسئول مقاله: [email protected]
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:14 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:14 +0330 on Monday October 30th 2017

1- مقدمه
كانال ها ،آب هاي كم عمق و آبراههها نقشي مهم و انكارناپذيري در دريانوردي داشته و بر مبناي دستيابي به بالاترين ظرفيت تردد ايمن كالا و مسافر و با توجه به ملاحظات اقتصادي طراحي م يشوند .دستيابي به عمق ايمن در طراحي اين سازه، تحت تأثير عوامل متعددي بوده و از جمله آ نهام يتوان به اسكوات كشتيها اشاره نمود. به هنگام حركت كشتي با سرعت معين در آب هاي كم عمق، جرياني ازسيال در زير كشتي در جهت مخالف حركت كشتي به وجود ميآيد تا سطح آب در پايين دست و بالا دست كشتي يكسان بماند. در اينحالت، به علت افزايش سرعت سيال در زير كشتي، فشار افت نموده و در نتيجه نيروي بويانسي كاهش م ييابد. در ادامه آبخور كشتي تا هنگامي كه نيروي بويانسي با نيروي وزن برابر شود، افزايش م ييابد. به اين پديده افزايش ديناميكي آبخور”اسكوات” م يگويند كه در حالت حاد ممكن است منجر به گل نشستن كشتي شود .اسكوات ميتواند در قالب افزايش آبخور شناور در سينه شناور، در وسط طولي شناور و يا تغيير تريم شناور تعريف گردد. متداولترين تعريف اسكوات افزايش آبخور در سينه شناور است كه در اين تحقيق نيز از اين تعبير استفاده ميگردد.
محققان براي تعيين دقيق اسكوات، روش هاي مختلفي را بكار ميگيرند. استفاده از مدل رياضي و حل آن ،استفاده از تست مدل و اخيراً اندازهگيري ميداني اين پديده، از مهم ترين روش هاي متداول م يباشد. روش هاي محاسباتي و مطالعات آزمايشگاهي انجام شده همراه با روشهاي رگراسيوني منجر به توسعه روابط تجربي گرديده است كه جايگاه موثري در طراحي كانال دارند. عليرغم مطالعات زياد صورت گرفته بر روي اسكوات، اختلافات قابل توجه در برآورد اسكوات وجود دارد. مطالعات انجام شده در رابطه با اسكوات بسيار گسترده بوده و در ادامه، برخي از مهم ترين اين تحقيقات مرور ميشود.
بررسي پديده فرورفتگي كشتي ها ابتدا در سال 1939 توسط هاولاك 1[] آغاز گرديد كه ايشان پديده فرورفتگي را در سرعت هاي پايينبررسي نمودند. ويكر در سال 1965 روابط و نمودارهايي را جهت محاسبهاسكوات در كشتي ها ارائه نمود كه به عنوان مبناي محاسباتي در توصيههاي مهندسي براي زيرساخت هاي نظامي آمريكا 2[] مورد استفاده قرار ميگيرد. داند و فرگوسن3[] در سال 1973 اسكوات يك كشتي واقعي را در آب كم عمق اندازه گيري نمودند .هوسكا 4[] در سال 1976 ميزان فاصله مجاز در زير كشتيهاي عبوري از آبراهه هاي فنلاند را بروش تست مدل بدست آورد. اين براي اولين بار بود كه يك رابطه تجربي براي تعيين اسكوات كشتي ها در هنگام عبور از آبراهه ها استخراج ميگرديد. پس از آن، باراس [5] در سال 1978 تحقيق همه جانبهايبر روي اسكوات انجام داده و كتابچهاي تحت عنوان اسكوات كشتي منتشر مينمايد.
باراس[ 6] در سال 1979 روشي براي محاسبه اسكوات كشتي ها ارائه نمود. ميلوارد 7[] در سال 1990 روشي را براي محاسبه اسكوات در آب هاي كم عمق در مرحله طراحي مقدماتي بكار برد. ميلوارد 8[] در سال 1992 مقايسهاي را بين روش هاي تجربي و تئوري جهت تعيين اسكوات در آب هاي كم عمق انجام داد. وب و وولي ]9[ در سال 1998 با استفاده از DGPS تغييرات موقعيت عمودي و افقي سينه و پاشنه كشتي را با دقت يك سانتيمتر اندازهگيري نمودند. گورلي و تاك [10] در سال 2001 رابطهاي را جهت تعيين حداكثر اسكوات كشتي ها ارائه نمودند. دانكر و همكاران [11] در سال 2002 روش هاي اندازه گيري اسكوات را مقايسه و آناليز نمودند .انستيتو توسعه سرزمين ساحلي ژاپن در سال 2002 تعدادي رابطه تجربي براي محاسبه اسكوات ارائه نمود. باراس[ 12] در سال 2004 تحقيقات 23 ساله ارائه شده پيرامون اسكوات كشتي ها را ارائه نمودند.
گاسما[ 13] در سال 2005 مدلي تصادفي را براي ارزيابي فاصله مجاز بين كف كشتي و بستر دريا ارائه داد .تيم گورلي[ 14] در سال 2007 رواداري بين بستر دريا و كف كشتي را در موج مورد بررسي قرار ميدهد. زراعتگر و همكاران[ 15] با محاسبه اسكوات با رابطه هاي رگراسيوني مختلف براي كشتي هاي تجاري نمونه نشان دادند كه اصولاً رابطه هاي تجربي ارائه شده براي محاسبه اسكوات، مقادير بسيار متفاوتي را ارائه م يكنند.
روش آزمايشگاهي با كمك تست مدل يكي از روشهاي اساسي براي تحقيق اسكوات كشتي در كانال م يباشد كه اين تحقيق آناليز اسكوات بروش مدل تست پرداخته م يشود.
بدين منظور پس از بررسي تعريف و تاريخچه اسكوات در مقدمه در بخش دوم نحوه تجهيز آزمايشگاه و انجام تست مدل ارائه م يگردد. مشخصات دو مدل از بدنه كشتي و ده ها مشخصات كانال مورد استفاده در تست ارائه م يگردد. تجهيزات تست اسكواتو وسايل اندازه- گيري ارائه و نحوه كاليبراسيون آنبحث م يگردد. در بخش سوم نتايج اسكوات ثبت شده و اعتبارسنجي تست ها ارائه م يگردد. در بخش چهارم نتايج تست ها به صورت رابطه رگراسيوني استخراج گرديده و با ديگر رابطه ها مقايسه ميگردد. در بخش پنجم جمعبندي و نتيجهگيري از اين تحقيق ارائه م يگردد.

2- اصول تست مدل، تجهيز آزمايشگاه و انجام تست
2 -1- اصول تشابه در تست مدل اسكوات
اساس تست مدل اسكوات بر پايه تشابه فرود است .
در اين روش فرض ميگردد كه سهم نيروهاي ويسكوز در مقايسه با سهم نيروهاي ثقلي براي ايجاد اسكوات در كانال ناچيز است. بدين منظور لازم است عدد رينولدز مدل بزرگتر از عدد رينولدز بحراني باشد. بنابراين ،مدلي مشابه با كشتي از نظر هندسي با اشل مشخص ساخته ميشود (تشابه هندسي مدل) و مدلي از كانال مشابه با كانال اصلي با همان اشل ساخته ميگردد (تشابه هندسي كانال). مدل با سرعت معيني بطوريكه عدد فرود مدل برابر عدد فرود كشتي باشد (تشابه سينماتيكي مدل) در كانال به حركت در ميĤيد كه ننيجتا عدد فرود هيدروليكي مدل كانال و كانال اصلي مساوي ميگردد. تشابه سينماتيكي كانال). آنگاه تشابه ديناميكي بين رفتار مدل در مدل كانال و كشتي در كانال اصلي برقرار است. بعبارت ديگر مقدار بدون بعد نيروي اسكوات كشتي و مدل يكسان است كه نتجتااندازه اسكوات مدل و كشتي برابر است.
تشابه هندسي مدل:

-19820120049

1417301120049

206705320994

Ls = Bs =Ts =λ, As =λ2, ∇ =λ3
Lm Bm TmAmm
(1) كه:
T,B,L بترتيب طول, عرض و آبخور كشتي انديسهاي m,s بترتيب مربوط به كشتي و مدل ∇,A بترتيب جابجايي جرمي و سطح كشتي و λ اشل ميباشد.

تشابه هندسي كانال:

Bcs =λ.Bcm
(2)
hcs =λ.hcm

كه B,h بترتيب ارتفاع كانال و عرض كانال ميباشند.

تشابه سينماتيكي مدل:
48310282834

Vs = λ.Vm (3)

كهV سرعت پيشروي كشتي ميباشد.

تشابه سينماتيكي كانال:

=Fnhm
Fnhs

كه Fnh عدد فرود هيدروليكي ميباشد.

تشابه ديناميكي:
∗∗δT
sbows =sbowm =

h

2 2– تجهيز آزمايشگاه و انجام تست
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:14 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:14 +0330 on Monday October 30th 2017

با توجه به تجربيات پيشين نويسندگان جهت مطالعه رفتار كشتي در آب كم عمق[ 19]، گا مهايزير در انجام تحقيق حاضر بكار گرفته شده است:
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:14 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:14 +0330 on Monday October 30th 2017

تعيين حوضچه مناسب تست
طراحي و ساخت چندين مدل بدنه به كمك ماشين CNC
طراحي و ساخت كف كاذب و ديواره كاذب قابل تنظيم
طراحي و ساخت سيستم آلتراسونيك اندازه- گيري آبخور مدل به همراه نرمافزار مربوطه
كاليبراسيون سرعت ارابه حوضچه
نصب و كاليبراسيون كانال قابل تنظيم
(قابليت تغيير در ابعاد كانال) در داخل حوضچه
كاليبراسيون سيستم آلتراسونيك اندازهگيري آبخور كشتي
آمادهسازي مدل ها، آبخور و مركز ثقل آ نها
نصب مدل، نصب سيستم اندازهگيري آبخور و راهاندازي كليه سيستمها به صورت همزمان – آبگيري حوضچه در عمق مدنظر و شروع تست هاي اوليه
بازنگري كيفيت و صحت هر آزمايش بااستفاده از فيلمبرداري
آغاز تست هاي اصلي
مطالعات در حوضچه كشش آزمايشگاه مهندسي كشتي دانشگاه نوشهر انجام شد. در اين حوضچه از يك سيستم كشش، كه كنترل آن و ثبت داده به كامپيوتر انجام ميشود، استفاده گرديده و به كمك نرم افزار موجود مي توان مقاومت بدنه مدل هاي مورد آزمايش را استخراج نمود. شكل 1 و 2 نمايي از حوضچه و ديواره-هاي كاذب و همچنين نصب مدل را نشان م يدهد. ابعاد حوضچه كشش به شرح جدول1م يباشد.

جدول1: مشخصات حوضچه تست
واحد مقدار عنوان
متر 16 طول
متر 2 عرض
متر 1.5 ارتفاع
متربرثانيه 2 سرعت

شكل 1: نمايي از حوضچه و ديواره كاذب

شكل 2- تصويري از نصب مدل در حوضچه

براي اينكه بتوان نتايج بدست آمده از انجام آزمايشات كشتي با فرم سري 06 استفاده گرديد. مشخصات را فراگير نمود، بايستي از مدلهاي مختلف در انجام مدل هاي مورد استفاده در جدول 2 ارائه شده است .
آزمايشات استفاده نمود. براي اين منظور از دونوع تصويري از يك مدل در شكل 3 نشان داده شده است.

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:14 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:14 +0330 on Monday October 30th 2017

جدول 2- خصوصيات هندسي مدلهاي مورد آزمايش
موقعيت طولي مركز

غوطه وري

(نسبت به مقطع مياني) جابجايي
(كيلوگرم) ضريب ظرافت
بدنه ارتفاع
(مم) آبخور
(مم) عرض خيس (مم) LBP (مم) LOA (مم) نام مدل
+22/5 19/1 0/8 127 80 199 1500 1554 سري 1-06
-13/2 3/29 0/6 77 43 145 880 920 سري 2-06

شكل 3- تصوير مدل سري 06 با ضريب ظرافت بدنه 6/0
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:14 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:14 +0330 on Monday October 30th 2017

كانال كاذب با ديواره و كف قابل تنظيم در داخل
حوضچه كشش تعبيه گرديد. سه پارامتر سرعت مدل ،عرض كانال و عمق كانال به عنوان متغيرهاي تست براي دو مدل انتخاب گرديدند و تركيب متنوعي را ايجاد نمودند كه در جداول 3 و 4 نشان داده شده است. بايد توجه داشت كه در سرعت هاي زياد، مدل به بستر كانال برخورد مينمايد؛ بنابراين تعداد تست سرعت در حالت هاي مختلف متفاوت است .
در فرآيند انجام تست، ابتدا عرض كانـال و عمـق كانـالتوسط صفحات كـاذب بـه مقـدا ر تعيـين شـده تنظـيم گرديد. سپس مدل در آبخور مورد نظر در حالـت بـدونتريم تنظيمگرديـ د. بـدين منظـور از وزنـههـاي اضـافياستفاده شده است. سـپس بـر اسـاس سـرعت از پـيشتعيين شده، مدل توسط ارابه رانده شد .پس از رسـيدنمدل به سرعت ثابت( حالت دائم)، تغيير آبخـور كشـت ي در دو نقطه (با طول متفـاوت) از كشـت ي (اسـكوات) دربازه زمان اندازهگيري شده است. از اين تغيير آبخور، دو
پارامتر فرورفتگي زاويه تريم محاسـبه مـ يگـرد د. بـراياندازهگيري تغيير آبخـور از يـك سيسـتم انـدازهگيـري
آلتراسونيك استفاده شده است. بـدين منظـور سيسـتمايجاد امواج آلتراسونيك بر روي ارابه نصب و بر روي دو نقطه در دو سر مدل صـفحاتي جهـت انعكـاس امـواج، متصل شده بود (شكل 3 را ببينيد). بر اساس زمان لازم براي انعكاس امواج، فاصله حسگر تـا نقطـه مـورد نظـر اندازهگيري گرديد. اين سيستم كاليبره شده و دقـت آن5.0 ميل يمترميباشد.

3- نتايج تست و اعتبارسنجي
تستهاي زيادي انجام و هر تست سه بار تكرار شده است. نتايج تست پس از بازيابي با فرمولهاي موجود رگراسيوني مقايسه گرديد.

3 -1- برخي فرمولهاي رگراسيوني موجود
نمونه رابطه هاي محاسبه اسكوات كه در اين تحقيق نيز از آ نها براي مقايسه استفاده م يشوند عبارتند از:
باراس[6] رابطه زير را براي اسكوات سينه كشتي بر اساس سرعت پيشروي Vk، ضريب انسداد2 2S و ضريب ظرافت بدنه ارائه نمود.
434341172941

=⁄. (6)
30
هوسكا 4[] بر پايه رابطه گوليو[ 16] براي كانالي با محدوديت عرضي با اضافه نمودن ضريب تصحيح عرض كانال Ks رابطه زير براي اعداد فرود عمقي بزرگ تر از
7/0 ارائه نمود.

(7)

=7.451.0! + 0.76,,! > 0.03≤ 0.03
!
كه S1 ضريب تصحيح انسداد م يباشد.
انستيتو توسعه سواحل خارجي ژاپن[ 17] نيز رابطه زير را براي اسكوات سينه كشتي در آبراهههاي ژاپن ارائه نمود:
1
1368559169597

( = )*0.7 + 1.5 ℎ ,⁄- .⁄/0
1485907161120

+ 15 ℎ ,⁄1.⁄/0 1
(8)
روميش [81] رابطه اسكوات سينه رابه كمك انجام آزمايشات به صورت زير ارائه مينمايد:

=C5C6K∆9T (9)

كه CV ضريب تصحيح سرعت كشتي ،CF ضريب تصحيح هندسه كشتي و K∆T ضريب تصحيح اسكوات در سرعت بحراني كشتي است.

3-2 – نتايج تست و مقايسه با فرمولهاي رگراسيوني موجود
جداول 3 و 4 خلاصه ماتريس پارامترهاي تسـت هـ ا را براي سرعت هاي مختلف، نسبت عرض كانال به عرض مدل W/B، نسبت عمق آب به آبخور كشتيh/T و عـددفرود هيدروليكي Fnh متفـاوت نشـان مـ يدهـ د. تغييـرآبخـور در س ينه و پاش نه كش تي ب ر اس اس خروج ي سنسورها اندازهگيري شده اسـت. شـكل4 نمونـ هاي از اين نتايج را نشان ميدهد.

براي حصول اطمينان از صحت نتايج تست هـ ا، مقايسـهمحدودي صورت گرفته است. شكل هـ اي 5 و6 مقايسـهاسكوات در سينه كشتيهاي مختلف اندازه گيري شده را با نتايج رابطه هاي تجربي نشان مـ يدهـ د. بـا يـك نگـاهاجمالي م يتوان گفت كه نتايج تست هـ ا و نتـايج رابطـ ه
جدول 3- ماتريس پارامترهاي تست براي مدل با آبخورT=80ميليمتر و ضريب ظرافت بدنه 8.0=CB (عمق حوضچه به ميليمتر ميباشد)

2/1
W/B=

2/91
W/B=

3
W/B=

180
h=

180
h=



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید