عنوان :

مقاله طراحی بدنه ایرشیپ‌ها و زیر دریائی‌ها

تعداد صفحات : ۱۰۷

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

در این مقاله به بررسی طراحی بدنه ایرشیپ‌ها و زیر دریائی‌ها می پردازد.

در طراحی بدنه ایرشیپ‌ها و زیر دریائی‌ها نکات زیادی مورد توجه قرار می‌گیرد که مهمترین آنها قدرت جلوبرندگی است که به مقدار زیادی بستگی به درگ اصطکاکی روی بدنه  ایرشیپ دارد و ۳/۲ درگ کل را شامل می‌شود. کاهش کوچکی در این درگ باعث صرفه جویی قابل توجهی در سوخت می‌شود و یا می‌تواند باعث افزایش ظرفیت حمل و ابعاد ایرشیپ شود.

مقاومت ویسکوز بدنه اغلب از حل لایه مرزی محاسبه می‌شود که برای حل لایه مرزی نیاز به دانستن توزیع سرعت در لبه لایه مرزی  می‌باشد که از حل جریان پتانسیل بدست می‌آید.

برای بهینه سازی شکل پروفیل بدنه ایرشیپ‌ها نیازمند روش مناسب و ویژه‌ای برای حل لایه مرزی می‌باشیم که در ضمن داشتن دقت در محاسبه از سرعت بالا و محاسبات کامپیوتری کمتری برخوردار باشد.
به دلیل شکل خاص ایر شیپ که یک شکل آیرودینامیکی  و با تقارن محوری می‌باشد باید از روشهای خاص لایه مرزی استفاده گردد که اثرات شعاع انحناع متقاطع  در آنها لحاظ شده باشد.
لایه مرزی به سه قسمت آرام، گذرا و در هم تقسیم می‌گردد و هر قسمت با روابط خاص خود به صورت جداگانه محاسبه می‌شود و درنهایت درگ در انتهای شکل و توسط فرمول یانگ محاسبه می‌گردد.
جهت بهینه سازی شکل از پروفیلهایی که منجر به جدایش و در نتیجه افزایش قابل ملاحظه درگ می‌شوند صرف نظر می‌گردد.
خطای موجود در این روش ناشی از رشد بیش از حد لایه مرزی است که در بیست درصد انتهایی طول ایرشیپ رخ می‌دهدودر مقابل حجم محاسباتی کم این روش و به عنوان یک معیار مقایسه قابل قبول میباشد.

واژه های کلیدی: ایرشیپ ها، زیردریایی ها، طراحی بدنه، مدل آیرودینامیکی ، روش لایه مرزی، روش محاسبه درگ، الگوریتم

فهرست مطالب

فصل اول    ۱
مقدمه و مروری بر تحقیقات گذشته    ۱
۱-۱ مقدمه و مروری بر تحقیقات گذشته    ۲
۱-۱-۱ مدل آیرودینامیکی    ۵
فصل دوم    ۷
معادلات حاکم وروش حل عددی    ۷
۲-۱  مقدمه    ۸
۲-۲ محاسبات لایه مرزی    ۹
۲-۲-۱  محاسبات لایه مرزی آرام    ۹
۲-۲-۲ محاسبات ناحیه گذرا    ۱۱
۲-۲-۳ محاسبات لایه مرزی درهم    ۱۲
۲-۲-۴ روش محاسبه درگ    ۱۴
۲-۲-۵  معیار جدایش    ۱۵
فصل سوم    ۱۷
الگوریتم و برنامه به همراه    ۱۷
ورودی و خروجی‌های برنامه    ۱۷
۳-۱ روند محاسبات درگ    ۱۸
۳-۲ الگوریتم محاسبات لایه مرزی آرام:    ۱۹
۳-۳ الگوریتم محاسبات ناحیه گذرا    ۱۹
۳-۴الگوریتم محاسبات لایه مرزی درهم وضریب درگ    ۲۰
۳-۵ برنامه کامپیوتری به زبان فرترن    ۲۱
۳-۶ ورودی‌ها و خروجی‌های برنامه برای پروفیل‌های ۱بدنه شماره۱ تا ۷    ۳۲
۳-۶-۱ ورودی برنامه برای پروفیل بدنه شماره(۱)    ۳۴
۳-۶-۲ خروجی برنامه برای پروفیل بدنه شماره (۱)    ۳۷
۳-۶-۳ ورودی برنامه برای پروفیل بدنه شماره(۲)    ۴۱
۳-۶-۴ خروجی برنامه برای پروفیل بدنه شماره(۲)    ۴۴
۳-۶-۵ ورودی برنامه برای پروفیل بدنه شماره(۳)    ۴۸
۳-۶-۶ خروجی برنامه برای پروفیل بدنه شماره(۳)    ۵۱
۳-۶-۷ ورودی برنامه برای پروفیل بدنه شماره(۴)    ۵۵
۳-۶-۸ خروجی برنامه برای پروفیل بدنه شماره(۴)    ۵۸
۳-۶-۹ ورودی برنامه برای پروفیل بدنه شماره(۵)    ۶۲
۳-۶-۱۰ خروجی برنامه برای پروفیل بدنه شماره(۵)    ۶۵
۳-۶-۱۱ ورودی برنامه برای پروفیل بدنه شماره(۶)    ۶۹
۳-۶-۱۲ ورودی‌های برنامه برای پروفیل بدنه شماره(۷)    ۷۳
۳-۶-۱۳ خروجی برنامه برای پروفیل بدنه شماره ۶ و۷    ۷۵
فصل چهارم    ۷۶
ارائه نتایج و بحث و مقایسه    ۷۶
۴-۱ مقدمه    ۷۷
۴-۲ نتایج و بحث برای پروفیل شماره ۱    ۷۷
۴-۳ نتایج و بحث برای پروفیل شماره ۲    ۷۸
۴-۴ نتایج و بحث برای پروفیل شماره ۳    ۷۹
۴-۵ نتایج و بحث برای پروفیل شماره ۴    ۸۰
۴-۶ نتایج و بحث برای پروفیل شماره ۵    ۸۱
۴-۷ نتایج و بحث برای پروفیل شماره ۶و۷    ۸۲
۴-۸ نمودارهای مربوط به پروفیل بدنه شماره ۱    ۸۳
۴-۹ نمودارهای مربوط به پروفیل بدنه شماره ۲    ۸۶
۴-۱۰ نمودارهای مربوط به پروفیل بدنه شماره ۳    ۸۹
۴-۱۱ نمودارهای مربوط به پروفیل بدنه شماره ۴    ۹۲
۴-۱۲ نمودارهای مربوط به پروفیل بدنه شماره ۵    ۹۵
۴-۱۳ مقایسه ضریب درگ    ۹۸
فصل پنجم    ۱۰۰
نتیجه گیری و پیشنهادات    ۱۰۰
۱- ۵ نتیجه گیری    ۱۰۱
۲-۵ پیشنهادات    ۱۰۱
فهرست مراجع    ۱۰۲

فهرست مراجع

۱- Vahid Nejati and Kazuo Matsuuchi, Aerodynamics Design and Genetic Algorithms for Optimization of Airship Bodies, JSME, No. 02-4140, (2002).

۲- Parsons, J.S. and Goodson R.E, Shaping of Axisymmetric Bodies for Minimum Drag in Incomperessible Flow J. Hydronautics, Vol. 8, No. 3 (1974).

۳- Zedan, M. F., Potential Flow Around AxisymMetric Bodies, Direct and Inverse Problem, Ph.D. Dissertation, University of Houston, (1979).

۴- Pinebrook, W. E., Drag Minimization on a Body of Revolution, Dissertation in the University of Houston, (1982).

۵- Young, A. D., the Calculation of Total and Skin Friction Drags of Bodies of Revolution at Zero Iincidence ARC R & M, No. 1874 (1939).

۶- Rechenberg, I., Evolution Strategie: Optimize-rung Technischer Systeme Nach Prinzipien der Biologischen Evolution, (1973), Frommann-holz-boog verlag, Stuttgart.

۷- Holland, J., Adaptation in Natural and Artificial System, (1975), University of Michigan Press annarbor.

۸- Cebeci, T. and Bradshaw, P., Momentum Transfer in Boundary Layers, McGraw- Hill, (1977).

۹- Nash, J.F., Turbulent Boundary Layer Behavior and the Auxiliary Equation, ARC CP 835, London (1965).

۱۰- Shanebrook, J.R. and Sumner, W.J., Entrainment Theory for Axisymmetric Turbulent Incompressible Boundary Layer, J. Hydronautics, Vol. 4, No. 4 (1970).

۱۱- Standen N.M., A Concept of Mass Entrainment Applied to Compressible Turbulent Boundary Layers in Adverse Pressure Gradients, Proceedings on the 4th Congress of ICAS, pp. 1101-1125 (1965).

۱۲- Schlichting, H., Boundary Layer Theory, McGraw –Hill Book Co., N.Y. (1968).

۱۳- Lutz, Th.and Wagner, S., Drag Reduction and shape Optimization Air ship Bodies, J. Aircraft, vol.35, No3.(1998) , pp. 345 – 351

۱۴- Mathews, John, H, Numerical methods for methmatics science and engineering (1943).

۱۵- Smith, I. M, Programming in Fortran 90 for engineers and scientists (1995).

فصل اول

مقدمه و مروری بر تحقیقات گذشته

۱-۱ مقدمه و مروری بر تحقیقات گذشته

در طراحی بدنه ایرشیپ‌ها و زیر دریائی‌ها نکات زیادی مورد توجه قرار می‌گیرد که مهمترین آنها قدرت جلوبرندگی است که به مقدار زیادی بستگی به درگ اصطکاکی روی بدنه  ایرشیپ دارد و ۳/۲ درگ کل را شامل می‌شود. کاهش کوچکی در این درگ باعث صرفه جویی قابل توجهی در سوخت می‌شود و یا می‌تواند باعث افزایش ظرفیت حمل و ابعاد ایرشیپ شود.

اولین بهینه سازی عددی شکل، توسط  پارسنز [۱] انجام شده است. روش محاسبه در قالب یک پنل کد[۲] می‌باشد  که با یک  روش لایه مرزی کوپل شده است. زدان [۳] یک توزیع محوری از چشمه و چاه را برای نشان دادن میدان جریان اطراف یک جسم معرفی  می‌کند. قدرت (شدت) به صورت خطی روی  هر المان طول توزیع می‌شود.

در روند محاسباتی آیرودینامیکی ابتدا یک بدنه دوار با ماکزیمم قطر ثابت و نسبت فایننس [۴]  ثابت تعریف می‌شود.پروفیل بدنه و توزیع سرعت  جریان غیر لزج توسط روشهای غیر مستقیم حل جریان پتانسیل بدست می‌آید. پروفیل این بدنه باید  به گونه‌ای باشد که در جریان یکنواخت موازی با  محور بدنه، لایه مرزی دچار جدایش نشود. با این قید، درگ توسط تغییر در شکل پروفیل بدنه کاهش می‌یابد. محدودیت در عدم جدایش لایه مرزی باعث حذف درگ  فشاری می‌شود و درگ کلی منحصر به نیروهای ویسکوز در لایه مرزی می‌شود. لایه مرزی به سه ناحیه آرام گذرا [۵]  و درهم تقسیم می‌شود. برای محاسبه لایه مرزی آرام از  متد توویتس[۶]  استفاده شده که  بر اساس رابطۀ مومنتوم می‌باشد. ناحیه گذرا در محاسبات به صورت  یک نقطه در نظر گرفته می‌شود که در آن ضریب شکل به طور ناگهانی از آخرین مقدار در ناحیه آرام به اولین مقدار  در ناحیه درهم تغییر می‌کند. از آنجا که محل گذر به عواملی مانند: زبری سطحی، سر و صدا، لرزش و غیره بستگی دارد که کنترل آنها مشکل است در بیشتر تحقیقات این ناحیه را به  صورت دلخواه بین سه تا ده درصد طول بدنه در نظر می‌گیرند.

محاسبات لایه مرزی مغشوش بر اساس یک روش ساده انتگرالی معادله مومنتوم بنا شده است، که توسط شینبروک [۷]  و سامنر [۸]  برای جریان با تقارن محوری بدست آمده است. از آنجا که لایه مرزی مجاز به جدایش نیست درگ از نقصان مومنتوم در انتهای لایه مرزی  محاسبه می‌شود.

حل این مسأله در ساخت اژدرها، زیر دریائی‌ها و ایرشیپ‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. بعضی از این گونه‌ها پروفیل بدنه را به صورت یک یا دو چند جمله‌ای از درجات مختلف نشان می‌دهند و شامل پارامترهایی مانند شعاع در دماغه و انتهای دم محل نسبی قطر ماکزیمم و شعاع طولی در آن نقطه و شیب دم هستند. بوسیله تغییر در بعضی یا همه این پارامترها در شکلهای مختلف درگ کاهش یافته است. دیگران سعی کرده‌اند که مستقیما  از کپی پروفیل بدنه ماهی‌های پرسرعت و پرندگان این کار را دنبال کنند. نتیجه تمام این تلاشها منجر به طبقه بندی  بدنه هایی با درگ پایین شده است و گرچه از نظر شکل متفاوت هستند ولی ضریب درگهایی خیلی شبیه به هم دارند این بدنه‌ها در شکل ۱-۱  آمده است.

۱-۱-۱ مدل آیرودینامیکی

جریان اطراف بدنه ایرشیپ با زاویه حمله صفر را به کمک روش سوپر پوزیشن[۱] بر روی یک سری توزیع چشمه و چاه که روی محور بدنه و بصورت المانهایی بطول   و با توزیع شدتی  که توسط یک پاره خط مستقیم و روی المان قرار دارد تخمین می‌زنیم.

پروفیل بدنه از طریق مساوی قرار دادن تابع جریان برابر با صفر وحل آن برایدر تعداد مشخصی از نقاط با فاصله مساوی مثلا” برای ۲۰ المان بدست می‌آید شکل (۱-۲).

خط محوری چشمه و چاه به ۲۰ المان با طول مساوی و در نتیجه به ۲۱ نقطه انتهایی تقسیم می‌شودکه هر المان توزیع شدت خطی دارد (شکل۱-۳).با مشخص کردن شدت‌ها در ۲۱ نقطه انتهایی توزیع شدت در همه جا تعریف شده است. پروفیل بدنه بوسیله ی تغییر در مقدار شدت این ۲۱ نقطه انتهایی تغییر می‌کند. ترکیبات جدیدی از این ۲۱ شدت تولید می‌شود که در قالب پایان نامه کارشناسی ارشد رضا حسن زاده ارائه شده است. ضریب درگ با استفاده از محاسبات لایه مرزی در نزدیک سطح بدنه بدست می‌آید که   محاسبات لایه مرزی آرام و درهم و همچنین ناحیه گذرا که در این تحقیق بررسی می‌شود بطور مفصل در قسمتهای بعدی شرح داده خواهد شد.

 این بدنه جدید به عنوان مبنا قرار می‌گیرد و می‌تواند در یک پروسه ی تکاملی بهینه سازی  شود تا به پروفیل با کمترین درگ دست یابیم.در چهل سال اخیر سیستم‌های حل مسأله ی بهینه سازی که بر اساس تکامل و وراثت بنا شده‌اند مورد توجه قرار گرفتند،استراتژی تکامل ریخنبرگ[۱]]۶ [یکی از این روش‌ها می‌باشد.روش قدرتمند دیگری که بر پایه تکنیک‌های هوش مصنوعی می‌باشد و قابل استفاده در فضا‌های عملکرد بزرگ و توابع چند بعدی و چند وضعیتی (دارای چندین می‌نیمم)و غیر خطی می‌باشد، روش الگوریتم ژنتیک[۲] است.