بررسی مشخصات موج و مقاومت موجی یک جسم زیرسطحی به همراه سطح کنترل در نزدیکی سطح آزاد

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد

2 استاد مهندسی مکانیک ، دانشگاه فردوسی مشهد

3 استاد مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

اجسام زیرسطحی در کاربردهای صنعتی دارای سطوح کنترل مختلفی برای پایداری، مانورپذیری، هدایت و کنترل می باشند. این سطوح کنترل، مشخصات هیدرودینامیکی جسم، شامل نیروهای مقاومت و شکل موج ایجاد شده ناشی از حرکت جسم، نزدیک سطح آزاد را تحت تاًثیر قرار می دهند. در این مقاله، اثر یک سطح کنترل عمودی روی مشخصات هیدرودینامیکی یک جسم زیرسطحی، در نزدیکی سطح آزاد با استفاده از روش المان مرزی بررسی شده است.
نتایج شامل مشخصات موج سطح آزاد، ضریب فشار و مقاومت موجی در بازه اعداد فرود 0.1 تا 0.5 و برای عمق های غوطه وری بی بعد 1.25، 2.25، 3.5 و 4.5 برای مدل ساده و مدل با سطح کنترل محاسبه شده‌اند. مقایسه نتایج روش المان مرزی و تجربی، اختلاف کمتر از 3 درصدی نتایج برای حداکثر طول موج سطح آزاد و 17 درصدی برای مقاومت موجی را نشان می‌دهد. نتایج پیش بینی شده نشان می دهد که سطح کنترل موجب افزایش حدود 13درصدی حداکثر ارتفاع موج سطح آزاد و 16 درصدی مقاومت موجی می گردد. این افزایش، بواسطه برهم کنش بین مدل و سطح کنترل و همچنین نسبت مستقیم مقاومت موجی با ارتفاع موج سطح آزاد می باشد.

کلیدواژه‌ها


[1] Dawson E (2014) An investigation into the effects of submergence depth, speed and hull length-to-diameter ratio on the near-surface operation of conventional submarines. PhD thesis, University of Tasmania, Hobart, Australia.
[2] Saout O, Ananthakrishnan P (2011) Hydrodynamic and dynamic analysis to determine the directional stability of an underwater vehicle near a free surface. Appl Ocean Res 33: 158-167.
[3] Amiri M M, Sphaier S H, Vitola, MA, Esperança, P T (2020) Viscosity effect on an underwater vehicle-free surface hydrodynamic interaction. Appl Ocean Res 104 (2020) 102365.
[4] Jagadeesh P, Murali K (2010) RANS predictions of free surface effects on axisymmetric underwater body. Eng Appl Comput Fluid Mech 4 (2): 301-313.
[5] Wilson-Haffenden S, Renilson M, Ranmuthugala D, Dawson E, et al (2010) An investigation into the wave making resistance of a submarine travelling below the free surface. International Maritime Conference 2010: Maritime Industry-Challenges, Opportunities and Imperatives, Sydney, Australia.
[6] Mansoorzadeh S, Javanmard E (2014) An investigation of free surface effects on drag and lift coefficients of an autonomous underwater vehicle (auv) using computational and experimental fluid dynamics methods. J Fluids Struct. 51:161-171.
[7] Nematollahi A, Dadvand A, Dawoodian M (2015) An axisymmetric underwater vehicle-free surface interaction: A numerical study. Ocean Eng. 96: 205-214.
[8]Salari M, Rava A (2017) Numerical investigation of hydrodynamic flow over an auv moving in the water-surface vicinity considering the laminar-turbulent transition. J Mar Sci Appl 16(3): 298-304.
[9] شریعتی س خ، موسوی زادگان س ح (1398) بررسی عددی و آزمایشگاهی حرکت یک شناور زیرسطحی در نزدیکی سطح آزاد. نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 364-347 :(2)51. 
[10] Maali AA, Esperança PT, Vitola MA, Sphaier SH (2018) How does the free surface affect the hydrodynamics of a shallowly submerged submarine?. Appl Ocean Res 76(2018): 34-50.
[11] Amiri MM, Sphaier SH, Vitola MA, Esperança PT (2019) URANS investigation of the interaction between the free surface and a shallowly submerged underwater vehicle at steady drift. Appl Ocean Res 84: 192-205.
[12] Maali AA, Esperança PT, Vitola MA, Sphaier SH (2020) An initial evaluation of the free surface effect on the maneuverability of underwater vehicles. Ocean Eng 196(2020): 106851.
[13] Kostyukov AA (1959) Theory of ship waves    and wave resistance. Iowa City, Effective Communications Inc.
[14] Lamb H (1913) On some cases of wave motion on deep water. Annali di Matematica 21: 237-250.
[15] Farrel C (1973) On the Wave resistance of a submerged spheroid. J Ship Res 17: 1-11.
[16] Havelock TH (1917) Some cases of wave motion due to a submerged obstacle. Proc R Soc Lond 93: 520-532.
 [17] Havelock TH (1931a) The wave resistance of a spheroid. Proc R Soc Lond 131: 275-285.
[18] Havelock TH (1931b) The wave resistance of an ellipsoid. Proc R Soc Lond 132: 480-486.
[19] Hess JL, Smith AMO (1964) Calculation of nonlifting potential flow about arbitrary three-dimensional bodies. J Ship Res 8(2): 22-44.
[20] Bhattacharyya R (1965) Uber die berechnung des wellenwiderstandes nach verschiedenen verfahren und vergleichmit einigen experimentellen ergebrissen. Inst. für Schiffbau der Universität Hamburg, Hamburg. (In German)
[21] Guével P, Delhommeau G, Cordonnier JP (1977) Numerical solution of the Neumann-Kelvin problem by the method of singularities. 2nd International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics, Berkeley 107-123.
[22] Hong YS (1983) Computation of nonlinear wave resistance. David W Taylor Naval Ship Research and Development Center, Bethesda, USA, 104-126.
[23] Wigley WCS (1953) Water forces on submerged bodies in motion. Transactions, Institute of Naval Architects 95: 268-279.
[24] Doctors L Beck R (1987) Convergence Properties of the Neumann-Kelvin Problem for a Submerged Body. J Ship Res 31: 227-234.
[25] Crook TP (1994) An Initial assessment of free surface effects on submerged bodies. MSc Mechanical Engineering, Naval Postgraduate College. USA.
[26] Belibassakis K, Gerostathis TP, Politis C, Kaklis P, Ginnis A, Mourkogianis D (2009) A novel bem-sogeometric method with application to the wavemaking resistance problem of bodies at constant speed. Intern. Maritime Association Mediterranean Conference. IMAM.
 [27] Gourlay T, Dawson, E (2014) A Havelock-source panel method for near-surface submarines. Journal of Ship Research, Society of Naval Architects and Marine Engineers, Virginia, USA.
[28] Arzhannikov AV, Kotelnikov IA (2016) Excitation of ship waves by a submerged object: New solution to the classical problem. Phys Rev E 94(2): 023103.
[29] Benusiglio A, Chevy F, Raphael E, Clanet C (2015) Wave drag on a submerged sphere. Phys Fluids 27(7): 072101.
[30] Saout O, Ananthakrishnan P (2011) Hydrodynamic and dynamic analysis to determine the directional stability of an underwater vehicle near a free surface. Appl Ocean Res 33(2): 158-167.
 [31] Noblesse F, Huang F, Yang C (2017) The Neumann–Michell theory of ship waves. J Eng Math 79: 51-71.
 [32] Sclavounos PD, Nakos DE (1988) Stability analysis of panel methods for free surface flows with forward speed. 17th Symposium on Naval Hydrodynamics, Netherlands.
[33] Bal S, Kinnas SA (2002) A Bem for the prediction of free surface effect on cavitating hydrofoils. Comput Mech 28(3): 260-274.
[34] Dawson DW (1977) A practical computer method for solving shipwave problems. 2nd International Conference on Numerical ShipHydrodynamics.
[35] نوروزی م، پسندیده­فرد م، جوارشکیان م­ح (1395) تحلیل سه بعدی جریان همراه با کاویتاسیون حول پرتابه­ها در زوایای حمله مختلف با استفاده از روش المان مرزی بر پایه پتانسیل. پایان نامه دکتری، دانشگاه فردوسی مشهد.