چکیده
در این تحقیق اثر تغییر شکل هندسهی دماغهی یک مدل زیردریایی به نام سابوف۱ بر روی ضریب درگ در زاویه حمله صفر در دو سرعت متفاوت بررسی شده است. مقدار ضریب درگ مدل زیردریایی بدون قسمتهای جانبی با استفاده از دو روش عددی و تجربی پیش-بینی شده و نتایج این دو روش با یکدیگر مقایسه شدهاند. در روش عددی ابتدا دامنهی محاسباتی با یک شبکهی سازمان یافته بوسیلهی نرمافزار ICEM CFD بلوکبندی شده و سپس جریان اطراف بدنهی زیردریایی در حالت دائم و با کمک روش حجم محدود مبتنی بر المان با استفاده از نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی ANSYS CFX تحلیل شده است. همچنین میدان جریان پایین دست این مدل با استفاده از جریان سنج سیم داغ در یک تونل باد مادون صوت اندازهگیری شده و مقدار ضریب درگ تجربی با استفاده از روش اختلاف مومنتوم بالادست و پاییندست مدل محاسبه شده است. بررسی نتایج عددی نشان میدهد که در همه حالتها ضریب درگ مدل با دماغهی سابوف کمتر از دماغه استاندارد میباشد و با افزایش عدد رینولدز مقدار ضریب درگ کاهش مییابد. همچنین مقایسهی نتایج نشان میدهد که در سرعت ۷ متر بر ثانیه نتایج عددی و تجربی ۴/۸ درصد با هم اختلاف دارند.

کلمات کلیدی: زیردریایی ، دینامیک سیالات محاسباتی ، تونل باد ، ضریب درگ

فهرست علائم
CD ضریب درگ
D قطر بیشینه زیردریایی
fi نیروی خارجی
L طول زیردریایی
P فشار متوسط اطراف بدنه
Ps فشار استاتیکی
q∞ فشار دینامیکی
Re عدد رینولدز

U سرعت متوسط جریان
ú سرعت نوسانی
μ ضریب لزجت دینامیکی
ρ چگالی
τxx تنش کلی

.۱ مقدمه

۱ . SUBOFF

پانزدهمین کنفرانس دینامیک شارهها FD2013 بندرعباس، دانشگاه هرمزگان، ۲۹ – ۲۷ آذر ۱۳۹۲

وسایل زیرسطحی۲ بدنهای خط جریان کشیده دارند. جریان سهبعدی ایجاد شده در اطراف بدنهی آنها دارای پیچیدگی-هایی مانند ایجاد نقطهی سکون، تشکیل لایهمرزی سهبعدی و جدایی آن در طول یک سطح محدب میباشد. مسئلهی طراحی وسایل زیرسطحی دارای درگ کم و حرکت پایدار، موضوع خیلی از مطالعات در سالهای گذشته بوده است. سه پارامتر مهم که در طراحی این گونه وسایل باید در نظر گرفته شوند، عبارتند از: (۱ حداقل قدرت لازم برای حرکت، (۲ پایداری و کنترل پذیری بالا و (۳ سطح نویز پایین. شبیهسازی صحیح رفتار این وسایل به تعیین دقیق نیروها و ممانهای هیدرودینامیکی وارد بر بدنه نیاز دارد که بوسیلهی حلهای عددی، روشهای تجربی و یا ترکیبی از هر دو محاسبه شوند.

کارهای تحقیقاتی زیادی بر روی تغییر شکل بدنهی وسایل زیرسطحی جهت کاهش درگ آنها انجام شده است. اولین تحقیقات آزمایشگاهی انجام گرفته بر روی وسایل زیرسطحی جهت بررسی ضرایب هیدرودینامیکی این وسایل مخصوصا ضریب درگ با استفاده از بالانس نیرویی در حوضچه کشش یا تونل باد بوده است. بعضی از این تحقیقات تاثیر شکل بدنه را بر ضرایب هیدرودینامیکی بررسی کردهاند [۱] و بعضی دیگر تنها یک مدل را مورد آزمایش قرار دادهاند ۶]،۵،۴،۳،.[۲ همچنین با پیشرفت کامپیوترها و بالارفتن توانایی آنها در انجام محاسبات زیاد، راه برای انجام تحقیقات عددی بر روی جریان اطراف یک وسیلهی زیرسطحی و تعیین شکل بدنهی بهینه باز شد و محققین جهت پیشگویی نیروها و ممانهای وارد بر آن از روشهای عددی استفاده کردهاند ۹]،۸،.[۷

در این تحقیق اثر شکل هندسهی دماغهی یک مدل زیردریایی با استفاده از روش عددی و تجربی بررسی شده است. اندازهگیریهای تجربی دنبالهی۳ مدل در داخل تونل باد با استفاده از جریانسنج سیم داغ انجام شده است. در روش عددی ابتدا شبکهی محاسباتی سازمانیافته با استفاده از نرمافزار ICEM CFD 14.0 تولید شده و سپس با استفاده از نرم-افزارANSYS CFX 14.0 میدان جریان حل میشود. استفاده از دو روش عددی و تجربی بر روی یک مدل زیرسطحی جهت بررسی اثر شکل دماغه بر ضریب درگ، این پژوهش را نسبت به کارهای گذشته متمایز میسازد.

.۲ آزمایش تجربی تونل باد

در بخش تجربی کار حاضر مدل زیردریایی سابوف در یک تونل باد مادون صوت با مقطع مربعی مورد آزمایش قرار گرفته است. در طول این آزمایشها مدل بهوسیلهی یک تکیهگاه با مقطع ایرفویل NACA0012 نگهداری شده است. دو شکل دماغهی متعارف سابوف و دماغهی استاندارد بیضی شکل (شکل (۱ مورد بررسی قرار گرفت. دماغهی سابوف در مرجع گرووز۴ و همکاران [۱۰] و دماغهی استاندارد در مطالعهی مککی[۱۱] ۵ توصیف شده است. مشخصات مدل زیردریایی، تونل باد و پایه-ی نگهدارندهی آن در جدول ۱ آورده شده است. بخش آزمایش تونل باد و چگونگی قرارگیری مدل زیرسطحی در آن در شکل ۲ نشان داده شده است. اندازهگیریهای تجربی و عددی در دو سرعت مرجع ۷ و ۱۰ متر بر ثانیه انجام شده است. شدت اغتشاش جریان هوا به طور متوسط ۰/۳ درصد میباشد. اندازهگیریهای سرعت جریان با استفاده از دستگاه جریان سنج سیم داغ و یک پراب یکبعدی انجام شده است. دادهها با استفاده از مکانیزم انتقال دهندهی پراب در یک صفحهی عمود بر محور طولی مدل، در پاییندست مدل داخل ناحیهی دنباله اخذ شدهاند.

.۱-۲ محاسبهی ضریب درگ

به طور کلی دو نوع درگ فشاری و اصطکاکی در هنگام حرکت یک جسم غوطهور در درون سیال به جسم اعمال میشود. درگ فشاری ناشی از اختلاف فشار جلو و عقب جسم نیرویی ایجاد میکند که جسم را به سمت عقب فشار میدهد. خط جریانیکردن اجسام باعث میشود که قسمت عمدهی درگ فشاری حذف گردد. درگ اصطکاکی ناشی از شرط عدم لغزش بر

۲ . Underwater Vehicles 3 . wake 4 . Groves 5 . Mackay

پانزدهمین کنفرانس دینامیک شارهها FD2013 بندرعباس، دانشگاه هرمزگان، ۲۹ – ۲۷ آذر ۱۳۹۲

روی سطح زیردریایی است که در اثر تنش برشی لزج بر روی سطح ایجاد میگردد. عدم تقارن در شکل بدنهی زیردریایی نیز باعث ایجاد اختلاف فشار و در نتیجه اعمال نیروی لیفت در جهات عمود بر حرکت زیردریایی میشود.