SUPERVISOR
Mohammadali Badri,Shahriar Mansourzadeh
سیدمحمدعلی بدری (استاد راهنما) شهریار منصورزاده (استاد راهنما)
STUDENT
Arash Shadlaghani
آرش شادلاقانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Nnumerical Modeling of Hydrodynamic Coefficients for a Prototype Submersible in Accelerated Motion
One of the main steps in designing submersible vessels is determining the hydrodynamic forces and moments acting on these vehicles. These forces are included inertial forces, added mass, damping, coriolis, propeller and restoring forces and moments. Various methods, such as experimental tests, semi-empirical, analytical method and numerical simulations are used to calculate the hydrodynamic forces. With development of computer sciences, applications of CFD in maritime industries are being feasible and important. Numerical approaches have evolved to a level of accuracy which allows them to be applied to submersibles resistance computations. In this research, damping and added mass coefficients were calculated by numerical simulations. Also Reynolds Averaged Navier-stoks(RANS) simulations were used to solve turbulent equations. In order to calculate the damping and added mass coefficients, uniform straight line test with angle relative to flow direction and linear accelerated motion tests were simulated numerically by commercial Ansys Cfx package. This code is base-on finite volume method. When submarine's movement include attack and drift angles relative to flow direction, the variation of drag coefficient due to this angles are parabolic and the nonlinear damping coefficients may be calculated by drag and lift equations constants. Also linear damping coefficients can be calculated by damping forces and moments diagram versus attack and drift angles. Firstly, numerical simulation was carried out on a sphere to ensure the accuracy of approach and implemented to calculate added mass coefficients. The simulations in this case were combination accelerated and uniform motions in order to investigate the influence of velocity and acceleration values. Also, added mass coefficients were calculated theoretically. Equivalent ellipsoids and strip theory were used in this regards. Equivalent ellipsoids method is base-on potential flow theory and the submarine components were replaced by optimized ellipsoids. When ever mass moment of inertia for various components and replaced ellipsoids were equivalent, the best ellipsoids dimensions were determined. Then linear added mass of each ellipsoid was calculated by lamb's k-factors. Finally total added mass was calculated by summation of the ellipsoids added mass. In strip theory, the added mass of 2D sections was calculated and with integrating over the length of body, total added mass were determined. The assumption of theoretical methods such as disregard viscous effects, time dependent of flow nature caused the accuracy of these methods were decreased and only used to approximate of hydrodynamic coefficients. The numerical and theoretical results were compared with David-Taylor Institution reports and other numerical results. It is noteworthy that non-dimensional results were compared together as well. Good agreements between numerical and experimental results were showed the accuracy of numerical simulations in hydrodynamic problems. Key words : Hydrodynamic coefficients; Numerical simulation; Theoretical method; submarine
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. کلید واژه: ضرایب هیدرودینامیکی، شبیه سازی عددی ، روشهای تحلیلی، زیردریایی