מבוא ל Hydrodynamics in Hull Design

הביצועים של כלי שיט ימי נשלטים ביסודו על ידי אינטראקציה בין השאול שלה לבין המים הסובבים. אינטראקציה זו, נלמדת תחת משמעת של הידרודינמיקה, מכתיב את כוחות ההתנגדות, המעלית והיציבות כי ניסיון סירה במהלך תנועה. עבור אדריכלים ימיים ומהנדסים ימיים, הבנה כיצד צורת הושול ומרקם פני השטח לשנות את הכוחות האלה היא קריטית לתכנון כלי לא רק מהיר ויעיל, אלא גם שווה ערך ימי ולהפחית את תהליך האלקטרומגנטי (Facter) באופן מהיר, אשר מאפשר לצמצום תהליך ניתוח איטי של כוח פיזיקלימי, אשר מאפשר שיטות עיבוד חיצוני (מסלולארי) של כוח מכני) של אנרגיה לטווח ארוך.

המשמעות של הידרודינמיקה של הושול משתרעת מעבר למהירות.עבור משלוח מסחרי, המהווה חלק משמעותי של סחר גלובלי, אפילו הפחתה צנועה בהתנגדות של hull לתרגם חיסכון דלק משמעותי פליטות נמוכות יותר. בעולם התחרותי של מרוצי יאכטות, כמה נקודות אחוז של הפחתה בגרור יכול להיות ההבדל בין זכייה והפסד. עבור כלי שיט ימי, שיפור ה הידרודינמיקה משפר טווח, יכולת תמרון, ואפקט משולב של מרקם של נפח.

הפיזיקה הבסיסית של Hull Resistance

כדי לנתח הידרודינמיקה ביעילות, יש להבין תחילה את מרכיבי ההתנגדות העיקריים לפעול על סירה נעה. אלה יכולים להיות מסווגים באופן רחב ההתנגדות החיכוך והתנגדות החייתית (אשר כולל היווצרות גלים והתנגדות צורה) ההתנגדות פריידית נובעת מן הלחץ העצום בין המים לבין משטח הירכיים כשכבת הגבול מתפתחת.

הממשק בין רכיבי ההתנגדות הללו מורכב.A hull שנועד למזער התנגדות חיכוך - על ידי להיות חלק מאוד ו slender - עשוי להגדיל באופן בלתי נמנע את ההתנגדות ייצור הגל אם צורתו יוצרת הפצה בלתי נסבלת של לחץ. versely, תופעות לוואי hull אופטימיזציה עבור עמידות ייצור גל נמוך עשוי להיות שטח מעודן גבוה יותר, הגדלת חיכוך זה דורש גישה מאוזנת, אשר יכול להעריך את מספר ספקטרום של תאים בקנה מידה גבוה של שפעת, אשר יכול להעריך את מספר רב יותר, אשר יכול להעריך את מספר ספקטרום של תאים בקנה מידה גבוה יותר, אשר עם תאים בקנה מידה גבוה יותר, אשר יכול להעריך את מספר אפילפטיים, אשר יכול להעריך את מספר ספקטרום של תאים עם תאים בקנה מידה גבוה יותר, אשר יכול להעריך את מספר אפילטיבי עם תאים מרובים של תאים עם תאים עם אפילפטיים עם מספר אפילפטיים עם מספר אפילפטיים, אשר יכול להעריך את מספר גבוה יותר, אשר יכול להעריך את מספר גבוה יותר, אשר יכול להיות עם מספר ספקטרום של שפעת.

התנהגות של שכבת חתלתול ועינויים

שכבת הגבול - האזור הדק של נוזל הסמוך משטח השאול - משחק תפקיד מרכזי בקביעת הן חיכוך והן צורה התנגדות. כמו מים זורמים לאורך השאול, שכבת הגבול מעבר של laminar (smoth, זרימת באופן מסודר) כדי להפחית את תפקוד המעבר חזק יותר (chaotic, ערבוב זרימה) בנקודה שנקבעה על ידי צורת הנגד, פני השטח, גס, ומספר גבוה יותר לגרור את הגבול, אבל גם כן, אבל הם עלולים יותר ממתחם גבוה יותר, אבל יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או טרמפגן, או טרמפולינה, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, לחץ על פני השטח, או טרמפולינה, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או טרמפולינה, ממתחם, ממתחם, או יותר, לחץ על פני השטח, או יותר, או יותר

התפקיד של Hull Shape בביצוע הידרודינמיקה

צורת ההולורד היא פרמטר העיצוב הבסיסי ביותר המשפיע על הידרודינמיקה.צורה תת-ימית קובעת כיצד מים מואצים סביב השאול וכיצד גלים נוצרים.צורה של hull מעוצב היטב מצמצם את ה ⁇ הלחץ שגורם זרימה שלילית ומפחית את האנרגיה שאבדה כדי להתעורר, כולל את רמות הגלות המסורתיות של hull, שבו הסירה יושבת במים ומבטלת את משקלה, ותוכנית sle-hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh

Common Hull Forms and their Hydroדינמיתחת

  • (ב) יובל (Deep-V) HullsFLT:1: פופולרי בספינת כוח במהירות גבוהה וכלי מלאכה פנאי, עמוק-V hulls יש כניסה חדה בקשת שחתכה דרך גלים, המציעה נסיעה חלקה בתנאים קשים.עם זאת, הם מייצרים שטח רטוב יותר וחיכוך גבוה יותר מאשר צורות שטוח, ואת חד יכול ליצור במהירות גבוהה יותר ייצור גל גבוה יותר במהירויות גבוהות יותר.
  • (FLT:0)פלוט-Botom HullsphFLT:1: Common in Small עקירות ו barges, hulls שטוח מציע יציבות ראשונית מעולה, אך לייצר גרר גבוה בשל ייצור גל והתנגדות מוגברת של צורה.
  • Round-Botom (Displacement) HullsFillo:1LT: Characteristic of Sailboats andמסורת Cruisers, hulls יש קווים חלק, זורמת אשר ממזער התנגדות ייצור גלים במהירויות העקירה.הם יעילים עבור טווח המהירות המתוכנן שלהם, אך יכול להיות לא יציב במספרים גבוהים יותר.
  • (FLT:0) עיצובים (Catamarans, Trimarans) ⁇ 1: Multihulls מפרידים בין העקירה ל-hlls, כל אחד עם יחס ארוך-ל-באם נמוך. זה באופן דרמטי מפחית התנגדות ייצור גלים, המאפשר מהירויות גבוהות יותר עבור כוח נתון.

אופטימיזציה מודרנית כרוכה לעתים קרובות שילוב של חלקים קדימה בסדר, כגון ניתוח חצי-דיסק או "תכנון" hull, אשר משתמש בשילוב של חלקים קדימה בסדר גודל קטע ft שטוח מעבר בין משטרים. CFD ניתוח מאפשר מהנדסים לחקור את קווי הלחץ ואת דפוסי זרם זרם עבור צורות מורכבות אלה, הוא החל על פרמטרים מפורטים כמו הצורה של chine, לרפא את הזווית של השבר, אבל את הקווים של הזווית transocktom.

דף הבית > דף הבית > דף הבית > ›

בעוד שצורת הושול קובעת את שדה זרימת השטח בקנה מידה גדול, מרקם פני השטח שולט אינטראקציה מקומית בין מים לבין הירכיים בקנה מידה המיקרו.החוסם של ה-hll יכול להיווצר מפגמים בייצור, צמיחה ימית (החליפה), או טיפולים על פני השטח מכוונת.קשה מגבירה את ההתנגדות החיכוך על ידי קידום המעבר המוקדם לזעזועים ועל ידי הגדלת הלחץ העצום בתוך השכבה, לא ניתן לגרור מחדש את המרקם - כמו הרעם - מצמצם את הגבולות.

סוגים של משטח Modifications

  • (FLT:0) מבקיצות ופולנים (FLT:1): הגישה הפשוטה ביותר היא למזער את החוספסות.ציפוי epoxy גבוהים וכבדות מלוטשות יכול להפחית את ההתנגדות החיכוך על ידי שמירה על משטח חלק הידראולי.עם זאת, אפילו פני השטח החלקיים ביותר יפתחו שכבת גבול סוערת על רוב אורך מהירויות התפעוליות האופייניות שלה.
  • (FLT:0 ,Riblets ו- Micro-GroovesFLT) 1:1: Riblets הם מיקרו-צמחים ארוכי טווח התואמים את כיוון זרימת הדם.הם להפחית חיכוך על ידי הגבלת התנועה המקוצרת של eddies in the Limitdive Limit, ו- AnSYSent fluent הראו כי משטחים מעוצבים כראוי יכולים להשיג הפחתה של 4% ו-8% בתנאי הגלום (הצורה) תחת ה-8%, יש צורך בשכבת.
  • (FLT:0) Hydrophobic ו Superhydrophobic Surfaces Surfaces: פני השטח האלה דוחים מים, יצירת שכבת אוויר דקת לכודה בין ה-hll לבין המים. שכבת האוויר הזו יכולה להפחית באופן משמעותי את הלחץ של Shear כי המהירויות של האוויר הרבה יותר נמוך מאשר מים.עם זאת, שמירה על שכבת האוויר הזו תחת תנאים דינמיים (מהירות גבוהה ולחצים).
  • (FLT:0) תואם את ה-AutosFLT:1: משטחים גמישים שעיוות מעט מתחת לזרימה יכולים לעכב את המעבר ולהקטין את גרר על ידי שינוי יציבות שכבת הגבול.ציפויים אלה הם יותר ניסיוניים אבל נחקרים באמצעות סימולציות מבניות נוזליות (FSI) בתוך שפעת ANSYSent.

בדיקת ההשפעה של מרקם פני השטח בסביבה וירטואלית היא יתרון גדול של CFD.SYS ANSYS Fluent מאפשר למשתמש ליישם פונקציות קיר עם גובה גסות מוגדר ופרמטרים עבור ג'ממטים riblet, או כדי מודל המיקרו-מבנה מפורט ב-Fidelity mesh גבוה.האתגר נמצא בטבע הרב-היקף של הבעיה - צורת המקרו-הסולק והמיקרו-סולם דורשות זהירות ואפקטים מדויקים כדי ללכוד אפקטים מדויקים.

שימוש ב- ANSYS Fluent for Hydroדינמית Simulation

ASYS Fluent היא חבילה מובילה של תוכנת CFD המספקת מסגרת מקיפה לסימולציה של זרימת נוזל, העברה חום ותופעות קשורות. עבור הידרודינמיקה של hull, פלורנט מציעה מערכת חזקה של כלים כדי מודל זרימת חינם מורכבת סביב סירה.זרימת העבודה סימולציה בדרך כלל כרוך הכנה גיאומטריה, דור, פיזיקה, הגדרה, פתרון, ופוסט-מעבד.

גאומטריה ודור מרש

הגיאומטריה של ה-Hll ניתן לייבא מתוכנה של CAD (למשל, SolidWorks, Rhino) בפורמטים כגון STEP או IGES. המודל חייב להיות מיגנטט ומוכוון כראוי. כדי להפחית את העלות החישובית, סימטריה מנוצלת לעתים קרובות על ידי מודלים של קיר טרה-קרקע מופעל רק חצי של hull (port או לוח כוכבים) וליישם מצב סימטריה גדול על המטוס המרכזי.

פיזיקה והגדרה Solver

כדי לפשט את פני השטח החופשי בין מים ואוויר, פלורנט מציע את נפח של פלויד (VOF) מודל, אשר עוקב את הנפח של כל שלב בכל תא.משטח החופשי מחדד באמצעות תוכניות דחיסות.הזרם הרב-phase מוגדר בדרך כלל כמו זרימה בלתי יציבה של קיר-מרס משופר, למרות שגישות מצב קבוע עם משטח חופשי קבוע יכול לשמש עבור הערכות ראשוניות.

תנאים מרשימים: החדירה נקבעת כחדירה מהירה עם מהירות מים קבועה ותכונות גל (אם מייצרים גלים), או כלחץ בלחיצת פרופיל לחץ הידרוסטטי.היציאה היא לחץ החוצה.גבול העליון הוא בדרך כלל סימטריה או לחץ בlet האוויר.החל הוא קיר ללא slip.המסם משתמש בממשק מבוסס לחץ או ניקוי זמן נמוך, הוא בדרך כלל אפשרות להורדת דיוק למשך זמן קצר.

תוצאות חיפוש ו-Competsing Metrics

לאחר פתרון, פלורנט מספק יכולות הדמיה עשירות.מהנדסים לייצר מזימות של חלוקת לחץ על ההילה, זרמי פני השטח, ונפח של גובה פני השטח החופשי. כוח לפקח על הגרור הכולל (התפרד ללחץ ורכיבי מולקווס) על אזורי ה-Tronicowd (החומרים האלה יכולים להיות בקנה מידה לערכים אמיתיים באמצעות ניתוח ממדי.

תוצאות חיפוש ואימות של תוצאות סימלוציה

האמינות של סימולציות CFD טמונה אימות שלהם נגד נתונים ניסיוניים. מחקרים רבים הוכיחו הסכמה טובה בין SYS Fluent תחזיות ובדיקות טנקיות להובלת צורות שונות.לדוגמה, מחקר על DTMB 5415 לוחם ימי לחימה (צורה של hull ציון) השתמש ב- Fluent כדי לחזות התנגדות כוללת בתוך 5% של ערכים ניסיוניים באמצעות מודל SST- ⁇ עם פונקציות כאלה בונה באמצעות אופטימיזציה של CD.

לגבי מרקם פני השטח, מחקר מקרה בדק hull מתכנן 40 מטרים עם בסיס חלק מודל חסכוני ומודל פגום. סימולציות פלורנט עם מצב גבול riblet (מודל משוער) חזו ירידה של 6.5% בהתנגדות חיכוך במהירות של 30 קשרים.הלחץ היה ללא פגע.

יישומים מעשיים וכיוונים עתידיים

התובנות שהתקבלו מצורות ואופטימיזציה של מרקם חלות ישירות על עיצוב ספינות מטען יעילות דלק, ferries מהירות גבוהה, כלי שיט ימי, ויאכטות מירוץ.לדוגמה, מפעיל ספינת מכולה יכול לשלב קשת bulbous (המתקבלת דרך פלורנט) עם ציפוי שחרור רע (דבקות נמוכה עבור ביופוץ) ופאנלים קדחתניים על מנת להשיג ירידה של 15% לחיסכון המקביל של דלק פחת של פחת של אלפי טון.

התפתחויות עתידיות ב הידרודינמיקה של Hale יהיו כרוכות אופטימיזציה רב-אובייקטיבי באמצעות למידת מכונה המשולבת עם פותרי CFD. ANSYS Fluent של מחקרים ועיצוב של ניסויים (DOE) יאפשר סריקה מהירה של משתנים ופרמטרים מרקמים.בנוסף, סימולציה בקנה מידה מלא הופכת להיות אפשרית עם ביצועים גבוהים, ומאפשר ניתוח במספרים בפועל במקום להסתמך על תוספת של מודלים ממודלים מתקדמים של שיטות מדידה של פני השטח.

מסקנה

הניתוח של צורת הושול ומרקם פני השטח באמצעות ANSYS Fluent מספק שיטה עוצמתית, יעילה לייעל את הידרודינמיקה כלי שיט.על ידי הבנת הפיזיקה של ההתנגדות - מפיתוח שכבת הגבול לדור הגל - מהנדסים יכולים לקבל החלטות מושכלות כי להפחית, לשפר את יעילות הדלק ולשפר את הביצועים.הגמישות של CFD מאפשר הערכה בו זמנית של גיאומטריה מיקרוסקופית ושינויים פני השטח, סלילת הדרך עבור עיצובים חדשניים כמו פיתוח יעיל יותר של חומרים סימולציה תעשייתית יעיל יותר.

  • מקור:0.2017 PROP PROFLT:0
  • מקור:0.10.17.Research article on ribletגרור הפחתה ביישומים ימיים
  • משאבים חיצוניים:0 (Society of Naval Architect and Marine Engineers)