شبيه سازي عددي جريان حولِ شناورِ پروازي پله دار (دو پله) در آب آرام

Numerical simulation of flow around a two-stepped planing hull in calm water

يكي از روش‌هاي موثر براي كاهش درگ در شناورهاي پروازي استفاده از پله در كف بدنه شناور است. پله سبب كاهش سطح تماس بدنه شناور با آب شده و به تبع آن كاهش درگ شناور را بهمراه خواهد داشت. در اين مقاله، اثر استفاده از دو پله‌ي عرضي بر روي عملكرد هيدروديناميكي يك شناور پروازي چاين‌دار به روش عددي حجم محدود مورد بررسي قرار مي‌گيرد. معادلات متوسط زماني ناويراستوكس همراه با مدل اغتشاشي استاندارد k-ɛ كوپل‌شده با معادلات تسخير حجمي سطح آزاد براي شبيه‌سازي جريان آشفته در اطراف بدنه شناور به كمك نرم افزار انسيس سي‌اف‌ايكس حل مي‌شوند. به منظور اعتبارسنجي مدل عددي ارائه شده در اين مقاله، ابتدا نتايج عددي محاسبه شده با نتايج آزمايشگاهي تانتون و همكاران مقايسه مي‌شوند. سپس نتايج عددي بدست آمده براي نيروي درگ، توزيع فشار روي بدنه، سطح خيس‌شده، اسپري آب از چاين و الگوي موج اطراف بدنه‌ شناور در سرعت‌هاي مختلف ارائه و مورد تحليل و بررسي قرار مي‌گيرند. شناور پروازي دوپله مورد بررسي در مقايسه با مدل تك‌پله و بدون پله داراي مقاومت كمتري بوده كه ناشي از جدايش جريان از پله و همچنين كاهش سطح خيس‌شده كف شناور مي‌باشد. اين پارامتر، به خودي خود باعث كاهش مؤلفه مقاومت اصطكاكي مي‌شود. از طرفي ديگر، برخي اثرات منفي بر روي عملكرد هيدروديناميكي در آب آرام مشاهده ميشود كه مي‌توان به بزرگتر شدن ارتفاع سطح آزاد در پشت شناور و افزايش فشار هيدروديناميكي در قسمت سينه، اشاره نمود. در عين حال، لازم به ذكر است كه شناور دو‌پله داراي بازه تغييرات كوچكتري از زاويه تريم بوده و در مقايسه با حالت تك‌پله و بدون پله، كنترل رفتار طولي شناور را به طرز قابل توجهي، بهبود مي‌بخشد.

One of the most effective methods for reducing the drag force on planning hulls is the use of steps at the bottom of the ship. A step reduces the wetted surface area and consequently decreases the drag. In this article, the effect of using two transverse steps on the hydrodynamic performance of a hard-chined planning craft is considered with finite element based finite volume method. Navier stokes average time equations are solved with standard k-ɛ turbulence model coupled with volume of fluid equations for simulation of free surface turbulent flow around the hull using the Ansys-CFX software. In order to validate the proposed numerical model in this article, the obtained numerical results are compared against experimental results of Taunton et al. Subsequently, the results pertinent to the drag force, pressure distribution on the hull, the wetted surface, the water spray from the chine and wave pattern around the considered hull are presented and analyzed. Double-stepped planing hulls are found to have smaller drag, since flow separates from the steps and lead to reduction of the wetted surface which itself leads to significant reduction of frictional resistance. Meanwhile, they indicate some negative effects in their hydrodynamic performance in calm water like larger free water elevation behind the transom and larger hydrodynamic pressure in their bow section. It should be mentioned that two-stepped planing hulls have a small variable trim angle in comparison with one-stepped and non-stepped hulls and also improve the control of longitudinal running attitude.