Skip to main content
SUPERVISOR
Shahriar Mansourzadeh,Mohsen DavazdahEmami
شهریار منصورزاده (استاد راهنما) محسن دوازده امامی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mohamad Oghbaei
محمد عقبائی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390

TITLE

Effects of Free Surface on Lift and Drag Coefficients of an Underwater Vehicle
: Over the last decades, the increased desire to use autonomous underwater vehicles (AUVs) for commercial and military applications has led to a great deal of research in this field, for the purpose of not risking human life in dangerous operations. Extensive use of autonomous underwater vehicles (AUV) in oceanographic applications necessitates investigation into the hydrodynamic forces acting over an AUV hull form, operating under submerge condition. When a completely submerged body moves under water, a resisting force, including a frictional and a pressure drag (form drag) force applies into the body of the vehicle. When an AUV moves near free surface, it creates a wave at the free surface which changes its hydrodynamic coefficient, including the drag and lift coefficients of the AUV, comparing with those when the AUV moves in an infinite medium. Indeed, drag and lift coefficients near the surface are influenced by the wave making resistance created near the free surface, which is due to changing the pressure distribution on the body of the vehicle. The aim of the current investigation is to study the effect of fr ee surface on the drag and lift coefficients of an autonomous underwater vehicle. The AUV designed and constructed in subsea research and development center of Isfahan University of Technology used for this numerical study. The two phase flow Reynolds Averaged Navier–Stokes solver (ANSYS CFX) is used to simulate the motion of the axisymmetric geometry of the AUV. The current numerical investigations were carried out to calculate the hydrodynamic coefficients for a velocity range of 0.5 to 3 m/s (corresponding to a Reynolds number range of 97000 to 579000) and a submergence depth range of 0.87D to 4.83D, where D refers to AUV hull diameter. In addition the drag coefficients are calculated for angle of attacks varied from -12 to +12 degree, in steps of 3 degrees. Validation of numerical results is performed by comparing the experimental results obtained in subsea R D towing tank of IUT. The obtained numerical results showed that, at all AUV speeds investigated, as the vehicle approaches the free surface the drag coefficient increases. The results showed that the pressure drag varies sharply near the free surface, while the friction drag is almost independent of the submergence depth and remains almost constant. This can be explained by the fact that pressure around the body is strongly influenced by waves formed by moving body. Also, the numerical results showed that the depth at which the free surface effect becomes negligible depends on the speed of the AUV. For example at a velocity of 1.5 m/s (Re= 280000), free surface effects on hydrodynamics coefficient eliminate in submergence depth of 2.6D ,while in velocity of 3 m/s free surface effects eliminate in submergence depth of 4.8D. It was also shown that in the absence of free surface, the drag coefficient decreases constantly with velocity, while, when the AUV moves near the free surface at some velocity in which the surface wave length becomes equal to the AUV length, a sudden increase in the drag coefficient can be seen. Key worlds: Free surface effect, hydrodynamic coefficient, underwater vehicle, CFD
: در سال های اخیر استفاده از وسایل بدون سرنشین به دلیل کاهش خطرات انسانی در بخش دریا بسیار مورد توجه قرار گرفته است. پیدایش کاربرد های روز افزون در اکتشافات زیر دریایی باعث شده تا تحقیق و بررسی بر روی نیروهای وارد بر شناور های زیر سطحی و محاسبه ی ضرایب هیدرودینامیک شناور امری اجتناب ناپذیر باشد. وقتی شناور در حالت کاملا غوطه ور در آب حرکت می کند نیرویی مقاوم در برابر حرکت بر جسم وارد می شود که به عنوان نیروی درگ شناخته می شود. این نیرو شامل دو مولفه ی مقاومت اصطکاکی و مقاومت فشاری می باشد. هنگامی که شناور بر روی و یا نزدیکی سطح آب حرکت می کند باعث ایجاد موجی در سطح آزاد می شود که سبب تغییر در ضرایب هیدرودینامیک شناور نسبت به حالتی که شناور در عمق زیاد قرار دارد، می شود. در واقع، این مولفه ناشی از اختلاف فشاری است که روی بدنه ایجاد می شود. ضرایب هیدرودینامیکی شناور برای حالتی که شناور در عمق زیاد قرار دارد محاسبه شده است و هدف از انجام این پروژه بررسی اثر سطح آزاد بر روی ضرایب هیدرودینامیکی لیفت و درگ شناور های زیر سطحی به روش عددی و با استفاده از نرم افزار ANSYS CFX می باشد و تاثیر تغییر در پارامتر هایی از قبیل عمق های غوطه وری از 0/87D تا 4/83D (D قطر بدنه شناور)، سرعت حرکت AUV از 0/5 متر بر ثانیه(رینولدز 97000 ) تا 3 متر بر ثانیه (رینولدز 579000 ) و تغییر در زاویه حمله ی حرکت AUV از 12- تا 12+ درجه بر مقدار این ضرایب مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بدست آمده نشان می دهد حرکت AUV در نزدیکی سطح مشترک باعث افزایش در ضریب درگ AUV نسبت به حالتی که AUV در عمق غوطه وری زیاد قرار دارد، می شود و با نزدیک تر شدن AUV به سطح مشترک مقدار ضریب درگ افزایش می یابد. با تقسیم ضریب درگ به دو بخش ضریب درگ فشاری و ضریب درگ پوسته ای مشاهده می شود که تنها ضریب درگ فشاری تحت تاثیر سطح آزاد قرار می گیرد در حالی که ضریب درگ پوسته ای مستقل از عمق غوطه وری است و با تغییر عمق غوطه وری، ثابت باقی می ماند. همچنین نتایج نشان می دهند که اثر سطح آزاد با توجه به سرعت حرکت AUV در عمق های غوطه وری متفاوت از بین می رود، برای مثال در حرکت AUV با سرعت1/5 متر بر ثانیه، (رینولدز 280000 ) اثر سطح آزاد در عمق غوطه وری 2/6D از بین می رود این در حالی است که در سرعت 3 متر بر ثانیه (رینولدز 579000 ) اثر سطح در عمق غوطه وری4/8D از بین می رود. همچنین مشاهده می شود که در غیاب سطح آزاد ضریب درگ با افزایش سرعت همواره سیر نزولی دارد اما برای حرکت AUV در نزدیک سطح آب مقدار ضریب درگ در سرعت1/5 متر بر ثانیه (رینولدز280000 ) افزایش پیدا می کند و سپس به سیر نزولی ادامه می دهد. کلمات کلیدی: اثر سطح آزاد، ضرایب هیدرودینامیکی، شناور زیر سطحی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی