بررسی تجربی اثر شکل دماغه بر رفتار جریان اطراف یک مدل زیرسطحی
چکیده
شبیه سازی تجربی جریان در اطراف یک مدل زیر سطحی با استفاده از آزمایش های تجربی تونل باد کمک شایانی به طراحی و بهینه کردن شکل هیدرودینامیکی بدنه شناور زیر سطحی می کند. در راستای نیازهای تحقیقاتی کشور در مورد بررسی ویژگی های هیدرودینامیکی یک زیردریایی بومی، آزمایش های مدل این زیردریایی در تونل باد برای اولین بار در ایران انجام شد. ساختار شناسی فیزیک جریان در اطراف بدنه مدل زیردریایی و بررسی تاثیر شکل دماغه بر ساختار این میدان جریان در زوایای پیچ مختلف، هدف از انجام این تحقیق را تبیین می کنند. ابتدا به منظور بررسی ویژگی های هیدرودینامیکی مدل زیردریایی بومی (با دماغه غیر تقارن محوری) نیروها و ممان های وارد بر این مدل در تونل باد توسط یک بالانس شش مولفه ای اندازه گیری شده اند. مرور کارهای گذشته نشان می دهد که برای اولین بار روی یک مدل زیردریایی با چنین دماغه ای این آزمایش ها انجام شده است. در این آزمایش ها تاثیر عدد رینولدز و زاویه پیچ بر ضرایب نیروها و ممان های هیدرودینامیکی وارد بر مدل بررسی شده است. بررسی نتایج این قسمت نشان داده اند که با افزایش عدد رینولدز ضریب پسا تا عدد رینولدز بحرانی (10e6×9/5) افزایش می یابد و بعد از آن تغییرات ضریب پسا ناچیز خواهد بود. همچنین با افزایش زاویه پیچ مقدار ضرایب پسا و برا افزایش می یابند. با استفاده از آزمایش های مرئی سازی مشخص شد که عامل اصلی این افزایش نحوه جدایش جریان و تشکیل گردابه ها روی بدنه مدل در زوایا پیچ بالا است. مقادیر ضریب نیرو جانبی و ممان های رولینگ و یاووینگ در بازه زاویه پیچ °14+>آلفا>°10- تقریبا ناچیز می باشند اما با افزایش بیشتر زاویه پیچ، مقدار این ضرایب به شدت افزایش می یابد. این رفتار عجیب می تواند ناشی از عدم تقارن جریان دو طرف مدل در اثر غیر یکنواختی های روی سطح مدل، لرزش مدل، پایه نگهدارنده و دیگر عوامل ناشناس باشد. در ادامه، دو نوع روش مرئی سازی به منظور بررسی کیفی ساختار جریان اطراف و روی سطح مدل زیردریایی در تونل باد انجام شد. نتایج بدست آمده از این قسمت، نتایج نیروها و ممان های هیدرودینامیکی وارد بر مدل را تفسیر کرده و تاثیر شکل دماغه بر فیزک جریان را تعیین کرده اند. نتایج مرئی سازی روغن و رنگدانه ساختار جدایش های جریان روی سطح مدل را در زوایای پیچ مختلف تعیین کرد است. با افزایش زاویه پیچ مکان جدایش هم به سمت دماغه مدل حرکت می کند و هم به صورت عرضی از سمت مخالف جریان به سمت موافق جریان منتقل شده و جدایش سهم بیشتری از سطح مدل را در بر می گیرد. جدایش روی دماغه در اعداد رینولدز پایین و جدایش اولیه و ثانویه جریان عرضی روی سطح مدل در تمامی رنج اعداد رینولدز در زوایای پیچ بالا اتفاق می افتند. همچنین نتایج مرئی سازی با دود و نور لیزر میدان چرخشی گردابه ها در اطراف مدل در زوایا مختلف را مشخص نموده اند. این دو روش مرئی سازی در تفسیر ساختار پیچیده جریان اطراف مدل مکمل یکدیگر بوده اند. مقایسه نتایج مرئی سازی بر روی مدل با دماغه ها مختلف نشان می دهد که جدایش برای دماغه استاندارد در زوایای کمتری نسبت به دماغه سابوف اتفاق می افتد. همچنین برای دماغه تانگو (غیر تقارن محوری) جدایش روی دماغه نسبت به دماغه استاندارد (تقارن محوری) در مکانی نزدیکتر به نوک دماغه در زوایا پیچ بالا قرار دارد. همچنین، آزمایش های بررسی کمی میدان گردابه های عرضی بوسیله یک پراب پنج حفره بر روی مدل زیردریایی در تونل باد انجام پذیرفت. این آزمایش های اطلاعات بسیار مفیدی در مورد ورتیسیته گردابه های تشکیل شده در اطراف مدل را بدست داد. نتایج پراب پنج حفره ساختار چرخشی جریان گردابه های عرضی تعیین شده توسط روش مرئی سازی با دود را تایید می کنند. آزمایش های اندازه گیری توزیع فشار و منحنی های لایه مرزی بر روی سطح دماغه مدل برای سه شکل دماغه مختلف انجام شد. هدف از انجام این آزمایش ها بررسی تاثیر شکل دماغه بر گرادیان های فشار، پروفیل لایه مرزی و احتمال جدایش روی سطح دماغه مدل زیردریایی بوده است. بررسی توزیع های فشار و پروفیل های سرعت بر روی دماغه های مختلف نشان داد که حضور گرادیان فشار مثبت مداوم روی دماغه استاندارد باعث افزایش احتمال جدایش روی این دماغه نسبت به دماغه سابوف دارد. حضور گرادیان فشار مثبت و شکل منحنی های لایه مرزی روی سطح مداغه تانگو نشان داد که جریان در نزدیکی نوک دماغه در زوایا بالای 10 درجه دچار جدایش می شود که البته نتایج مرئی سازی نیز این واقعیت را تصدیق می کنند.