تحليل الديناميات المائية للروبوتات تحت الماء لاستكشاف المحيطات باستخدام الأنسيز فلونت

مقدمة إلى الأجهزة العاملة تحت الماء واستكشاف المحيطات

وقد دخل استكشاف محيطات العالم عهدا جديدا مدفوعا بمركبات مستقلة تحت الماء، وهذه الآليات المتطورة تُنشر لرسم خرائط أعماق البحار، والرصد البيئي، والتفتيش على الهياكل الأساسية للطاقة في الخارج، وعلم الآثار البحرية، حيث أن البعثات تتجه نحو المياه العميقة والأكثر عدائية، فإن أداء جهاز تقييم المياه يعتمد بشدة على قدرتها على التحرك بكفاءة من خلال المياه.

أهمية التحليل الهيدرودينامي لمركبات الكربون المفلورة

فالماء أكثر كثافة من الهواء تقريباً بـ 800 مرة، مما يجعل من سحب قوة مهيمنة لأي مركبة تحت الماء، ويجب أن يقلل موقعها جيداً من جرها إلى مد فترة البطارية، وأن يضاعف السرعة، ويحافظ على الرقابة الدقيقة، ويكشف التحليل الهيدروليني عن كيفية فصل التدفق عن الهيكل، حيث تشكل الدوافع، وعن مدى صعوبة مقاومة الخصم، فضلاً عن صعوبة التراجع، والاستقرار، وقابلية المناورة، عن طريق توزيع القوى على طول الطريق.

وثمة عامل حاسم آخر هو الكتلة - الزيادة الواضحة في الكتلة بسبب السوائل التي يجب التعجيل بها في المركبة - والتنبؤ الدقيق بالآثار الجماعية الإضافية ضروري لنموذج المناورات العابرة مثل التحول أو الغوص - وتوفر نماذج المذيبات غير الثابتة التي توفرها الشبكة الدولية للسواتل (ANSYS Fluent) والنماذج التي توفر مجاناً من ستة مكونات - تسمح للمهندسين باستيعاب هذه الديناميات في اختبارات الافتراضية.

أساسيات الهيدرودينامية في الاتحاد الأفريقي

عناصر السحب

ويتكون السحب على متن مركبة من طراز قاذفة من جرة الاحتكاك (احتكاك الجلد) وسحب الضغط (سحب الشكل) - وينجم السحب الفيزيائي عن ضغوط على طول سطح الكول، وتتأثر بالهش السطحي والمنطقة المبللة، وينشأ السحب المضغوط من الفرق في الضغط بين واجهة المركبة وخلفها، ويتأثر بشدة بالشكل، أما بالنسبة للهيئات المبسطة، فتؤدي إلى حدوث جرعات كبيرة.

القوات المسلحة

وعلى الرغم من أن المركبات الفضائية التابعة للاتحاد الأفريقي ليست طائرات، فإنها تختبر قوات رفع عندما تكون مساحات التحكم مثل الزعانف أو الأجنحة مزودة بالتدفق، وتستخدم هذه القوى في مراقبة الأعماق، والتحوير، وتحقيق الاستقرار، ويجب أن يُعزى التحليل الهيدرودينامي إلى التفاعل غير الخطي بين الهيكل والزجاجات، ويمكن أن تتفاعل الطيارات المتطورة من الرؤوس مع الايقاظ، مما يؤثر على التفاعل بين نماذج تصميم القوى.

الكتلة المضافة والدماغ

وعندما يتسارع مكتب مراقبة الأسلحة، يجب أن يزيل المياه المحيطة به، التي تقاوم الحركة بسبب عدم وجودها، وهذا التأثير الكتلي الإضافي يعتمد على الاتجاه ويمكن أن يغير كثيرا استجابة المركبة لمدخلات المراقبة، وبالمثل، فإن قوات التثبيت تعارض الحركة وتستمد من الازدراء والضغط السوائل، كما أن المحاكاة الدقيقة للقوى العاملة في مجال مكافحة الأوبئة تقارن المعاملات الجماعية المضافة ونماذج الصبغة المستخدمة في التصميم الدينامي.

استخدام سائل الـ(أنيسيز) للحياكة الهيدرودينامية

إن فلونت هو أداة ناضجة ومجهزة بالصناعة من أجل تنمية الطاقة الفلورية توفر قدرات قوية لمحاكاة التدفق غير القابلة للاكتئاب والمضطربة، وبالنسبة لبيوت الهندسة المائية التابعة للاتحاد الأفريقي، يستخدم المهندسون عادة المذيب القائم على الضغط مع معادلة النافير - ستوكس التي تُدار في المتوسط، وتوضح الفروع التالية الخطوات والاعتبارات الرئيسية.

الهندسة الجيولوجية

وتبدأ العملية بنموذج صلب من برامجيات مكتب مراقبة الأسلحة التقليدية، التي كثيرا ما تكون مصممة في برنامج CAD مثل سولاند ووركس أو كاتيا، ويجب أن تكون الهندسة نظيفة ومائية، كما أن الملامح المعقدة مثل المحركات، والموانئ المستشعرة، ومعارض الكابلات إما مشمولة أو مبسطة حسب أهداف المحاكاة، ثم يتم استيراد النموذج إلى نظام تحليلي ذي قيمة عالية، أو أداة مصممة مثل نظام النقاط.

ظروف الحدود والإطار المرجعي

وبالنسبة لمحاكاة المركبات، كثيرا ما تكون المركبة ثابتة في نفق ريح افتراضي، حيث تتدفق المياه بسرعة مقصودة، وتوضع حالة الحدود الخالصة في ممر السرعة، بينما يستخدم المنفذ ضغطا، ويمكن استخدام الحدود الجامدة والجدارية في الكفاءة الحسابية، ولتحفيز آثار التعمق، يمكن إدراج درجة الضغط الهيدروكية التي لا تستخدم نماذج الإجهاد المرجعي على النحو المناسب.

نماذج الترسب

إن اختيار نموذج الاضطرابات الصحيحة هو توازن بين الدقة والتكلفة الحسابية، ويستخدم نموذج الكيلون على نطاق واسع في قوته، ولكنه قد يقلل من القدرة على الفصل، ويُعتبر نموذج الكميغا SST (نقل الإجهاد) خيارا شعبيا للمركبات الهوائية الخارجية والهيدروديناميات لأنه يجمع بين أفضل نماذج الكميغا بالقرب من الجدران ونموذج الإجهاد المتحرك في المنطقة.

Solver Settings and Convergence

ومن الشائع استخدام المذيب القائم على الضغط مع نظام SIMPLE أو SIMPLEC لتحليل الوضع الثابت، وبالنسبة للتحليل العابر (مثل المناورة أو رصف الدوافع)، يوصى بمخطط منظمة PISO وثانية الحد الزمني الضمني، ويرصد التقارب من خلال الموازين وقوى الرفع/السحب، ومن الناحية النموذجية، يمكن أن تخفض المخلفات من خلال ثلاثة أوامر من الحجم، وأن تتسارع عملية التقارب القوة.

نتائج المحاكاة التفسيرية

وبعد الحصول على حل مختلط، يستخرج المهندسون ويحللون ثروة من البيانات، وأكثر النواتج إلحاحا هي معامل سحب ورفع، وتقليص العجلات، وقطع الضغط والسرعة، وتوزيعات الاحتكاك السطحي تكشف عن أعلىية التدفق، وتزيد من عدم الاستقرار في منطقة الفصل، ونقاط الفرز، وتُحدد نواة الفرز باستخدام عوامل الضغط التي تُستخدم في عمليات الاختراق.

Pressure Distribution:] High-pressure zones on theow and low-pressure zones on the deck or stern create net drag. Reducing the pressure difference by shaping theow to a more streamlined ellipsoid or conoid reduces pressure drag. Similarly, suctiontoms on fins can be mitigated by adjusting the anglemy of attack or using s.

Velocity Vectors and Boundary Layer:] Near-wall velocity profiles show if the boundary layer is laminar, transitional, or turbulent. Transition prediction helps in deciding surface roughness treatments - a turbulent boundary layer is more resistant to separation but increases skin friction. RANS simulations with transition.

)٣( بالنسبة لمركبات الاتحاد الأفريقي التي توجد بها هيئات مزيفة - مثل تلك التي لها مقاطع مائية خلوية أو أجهزة استشعار متطورة - يمكن أن تؤدي القذف الدوري إلى قوى غير ثابتة ويقظة، وقد يحدد تحليل التردد باستخدام أجهزة تحويل ذات تردد عال سريع في قوات الرفع ما يضاهيها من تواتر.

استراتيجيات التأقلم الوبائي

وبعد تحديد مناطق المشاكل، يمكن للمهندسين اقتراح تعديلات في التصميم، وأكثر النهج شيوعا هو الشكل الأمثل للهجوم، حيث يمكن تحقيق انخفاض معامل الجر بنسبة 10 إلى 20 في المائة عن طريق تعديل نسبة طول قطرها، ووصف الأنف، والملصق.

Streamlined Hull Forms

إن شكل الطوربيد القياسي (ملامح المحاقن) هو نقطة انطلاق جيدة، ولكن المركبات الحديثة التابعة للاتحاد الأفريقي كثيرا ما تحمل أجزاء من الحمولة النموذجية التي تعطل المخروطات السلسة، وباستخدام جسم جناح مختلط أو شكل غير متماثل يمكن أن يستوعب أجهزة الاستشعار مع الحفاظ على تدفق حراري فوق مناطق كبيرة، وتسترشد مقارنات القوى العاملة من مختلف متغيرات الحواف باختيار أفضل حل وسط بين الحجم الداخلي والكفاءة الهيدرودينامية.

المراقبة على الوجه السطحي

ويجب أن توفر الصناديق والمروجين سلطة مراقبة كافية دون سحب مفرط، وأن تؤدي إلى تحقيق الحد الأمثل من قسمها (الناي أو ملامح الليمون)، وزاوية المسح، ونسبة الجانب إلى الحد من الجر المتعمد، كما أن المحاكاة الماهرة للمركبات الكاملة في مختلف زوايا الهجوم تولد القوة والبيانات الدقيقة التي تبرز نموذج ديناميكية المركبات، وهذه البيانات أساسية للتركيز الآلي وتخطيط البعثات.

أجهزة التحكم بالتدفقات السلبية

ويمكن تقييم أجهزة مثل الفلفل أو المولدات الدوافع أو الدوافع بسرعة باستخدام المحاكاة، مثلاً، قد تؤدي المكابح الطويلة على الهيكل إلى الحد من السحب الأفقي وتحسين الاستقرار في الاتجاه، فإضافة حد صغير في ذيل يمكن أن يوقف رفوف الدوافع، وقد تنظر المحاكاة المتعددة المراحل أيضاً في التشحيم أو التطهير من التطبيقات المتقدمة.

دراسات الحالة والأمثلة على البحوث

وقد نشرت أفرقة بحثية عديدة نتائج من الديناميكية المائية التي تستخدمها مؤسسة ماساتشوستس للتكنولوجيا، وقد استخدمت هذه الدراسة البارزة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) مع نموذج " كيومغا " (K-omega SST) لتقليل هيكل " أوديسي الرابع " ، مما أدى إلى تخفيض في نسبة الجرعات بنسبة 15 في المائة، وترتبط نتائج المحاكاة ارتباطا جيدا باختبارات الصها، مما يجعلها تسرعها، وتثبت النهج المتبع في إطاره.

وبالنسبة للمهتمين بتفاصيل تقنية أعمق، تنشر الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين العديد من الورقات عن الهيدروديناميات الهيدروجينية في الاتحاد الأفريقي، ويسفر بحث عن مجموعة المواد الرقمية [(FLT:0)] التابعة للمؤسسة البحرية لمؤسسة آسيا الوسطى (FLT:1] عن " تخفيض سحب المركبات تحت الماء " عن نتائج ذات صلة، بالإضافة إلى أن " نماذج متغيرة " .

الاتجاهات الناشئة في محاكاة الهيدرودينامية

ويتطور هذا المجال بسرعة، حيث يجري إدماج التعلم في مجال الآلات في إطار مبادرة الطاقة المتجددة من أجل استحداث نماذج بديلة تنبئ بالسحب من معايير الشكل فورا، وتُدرَّب هذه النماذج على نتائج عالية التموين وتتيح استكشاف الفضاء في التصميم في الوقت الحقيقي، وثمة اتجاه آخر هو التفاعل بين الهياكل الأساسية للسوائل، حيث يُغيّر الهيكل تحت الحمولات الهيدروجينية.

كما أن تدفقات متعددة المراحل تكتسب الاهتمام - إذ تحفز أثر الفقاعات من الطلاء أو التفاعل بين الموجات بالقرب من السطح - وبالنسبة للمركبات ذات المياه الضحلة التي يجب أن تعمل بالقرب من السطح الحر، يمكن تحليل القوى التي تحركها الموجات، والحمولات المشتعلة باستخدام حجم نماذج السائل (VOF) - يمكن أن تشمل الظروف الحقيقية للمحيطات مثل تذبذبذبذبات، وتدرج درجات الحرارة، وآثار التدفق الساحل.

خاتمة

إن التحليل الوبائي هو جزء لا غنى عنه من تصميم مركبات ذاتية عالية الأداء تحت الماء لاستكشاف المحيطات، ومن خلال زيادة قدرات الصندوق العالمي للطبيعة الشاملة للمحيطات، فإن المهندسين يكتسبون نظرة أعمق على الجاذبية والاستقرار وظواهر التدفق التي تحكم سلوك مكتب مراقبة المحيطات، ومن خلال الإعداد الأولي للمسح الجغرافي إلى التجهيز التفصيلي لهياكل الطوف، فإن تدفق العمل المحاكاة يؤدي إلى تحسين القدرة على استيعابها على نحو أفضل.