مدلسازی عددی ضرایب هیدرودینامیکی یک شناور زیرسطحی در حرکت شتابدار

یکی از مراحل مهم در طراحی شناورهای زیرسطحی، تعیین نیروها و ممانهای هیدرودینامیکی وارد بر شناور می باشد. نیروها و ممانهای هیدرودینامیکی شامل نیروهای اینرسی، جرم افزوده، میرایی، کریولیس، پیشرانش و نیرو و ممانهای بازدارنده می باشد. روشهای مختلف نظیر روشهای آزمایشگاهی، نیمه تجربی، تحلیلی و عددی برای محاسبه نیروهای هیدرودینامیکی وجود دارد. در سالهای اخیر با پیشرفت علوم کامپیوتری روشهای عددی(cfd) کاربرد روزافزونی در صنایع زیردریا پیدا کرده اند. دقت بالای روشهای عددی باعث افزایش استفاده از این روشها در تعیین مقاومت و نیروی رانش شناورهای زیرسطحی شده است. در در پژوهش حاضر به محاسبه دو دسته ضرایب میرایی و جرم افزوده یک شناور زیرسطحی مدل به کمک روشهای عددی پرداخته شده است. در روش عددی حاضر از معادلات متوسط گیری شده رینولدز برای حل معادلات اغتشاشی سیال استفاده شده است. برای محاسبه ضرایب میرایی، آزمونهای یکنواخت همراه با زاویه حمله و انحراف و برای محاسبه ضرایب جرم افزوده آزمونهای حرکت شتابدار خطی به روش عددی و بوسیله نرم افزار تجاریansys cfx استفاده شده است که بر پایه روش حجم محدود می باشد. زمانی که جسم با زاویه حمله یا انحراف نسبت به جریان حرکت کند، تغییرات ضریب درگ بر حسب این زوایا تابعی سهموی بوده و از این طریق می توان ضرایب میرایی غیرخطی را محاسبه نمود. همچنین با استفاده از نمودار نیرو و گشتاور میرایی وارد بر جسم در این حالات می توان ضرایب میرایی خطی را محاسبه کرد. با شبیه سازی حرکات دائم، ضرایب میرایی خطی و غیرخطی برای محاسبه ضرایب افزوده، ابتدا شبیه سازی روی یک کره انجام شده است تا بتوان از صحت شبیه-سازی اطمینان حاصل نمود. حرکت شبیه سازی شده، مجموعه ای از حرکات شتابدار و سرعت ثابت می باشد تا تاثیر مقادیر مختلف شتاب و سرعت مورد بررسی قرار گیرد. همچنین با استفاده از روشهای تحلیلی، ضرایب جرم افزوده شناور مورد نظر محاسبه شده است. دو روش بیضیگون های معادل و تئوری نوار در این قسمت مورد استفاده قرار گرفته است. روش بیضیگون های معادل بر پایه تئوری جریان پتانسیل بوده و به این صورت می باشد که قسمت های مختلف زیردریایی با بیضیگون هایی با ابعاد بهینه، جایگزین می شوند. ابعاد بهینه با برابر قرار دادن گشتاور اینرسی جرمی قسمت های مختلف شناور با بیضیگون معادل محاسبه شده است. سپس از طریق ثابت های لمب جرم افزوده هر بیضیگون محاسبه می شود. در آخر با جمع جبری ضرایب جرم افزوده مربوط به هر بیضیگون، ضریب جرم افزوده کل محاسبه می شود. در تئوری نوار جرم افزوده یک مقطع دوبعدی از جسم محاسبه می شود و سپس با انتگرال گیری در طول جسم، ضریب جرم افزوده کل بدست می آید. فرضیات ساده کننده روشهای تحلیلی نظیر چشم پوشی از اثرات لزجت و ماهیت وابسته به زمان جریان باعث کاهش دقت این روشها شده و به این دلیلی تنها در تقریب ضرایب هیدرودینامیکی مورد استفاده قرار می گیرند. نتایج بدست آمده از روشهای عددی و تحلیلی با نتایج آزمایشگاهی موسسه دیوید-تیلور مقایسه شده است. همخوانی نسبتا خوب نتایج عددی و آزمایشگاهی نشان دهنده دقت روش عددی استفاده شده در محاسبات هیدرودینامیکی می باشد.