پدیده کاویتاسیون برای یک پروانه کشتی در حال دوران

شناورها شامل انواع قایق ها، کشتی ها، اژدرها و….، دارای کاربردهای وسیعی در صنایع مختلف از جمله صنایع حمل و نقل، بازرسی، صنایع نظامی و … می باشند. از این رو مطالعه ی اجزای مختلف سیستم های شناوری اهمیت میابد. یک شناور برای حرکت و غلبه بر نیروی مقاوم هیدرودینامیکی سیال آب، نیاز به اعمال نیرویی دارد که این نیرو به وسیله ی سیستم پیش برنده ی شناور تولید می شود.

متداول ترین سیستم پیش برنده ی دریایی، سیستم پروانه ای است. یک پروانه متشکل از تعدادی پره، با حرکت دورانی شفت شناور، منجر به ایجاد اختلاف فشار سیال ما قبل و بعد خود شده و درنهایت باعث ایجاد نیروی محوری و حرکت شناور خواهد شد. بررسی های متعددی بر روی پروانه ها در زمینه ی عملکرد و راندمان آن ها و همچنین وقوع پدیده کاویتاسیون بر روی پره ها، انجام شده است.

لبه های تیز موجود در سازه پروانه که ناشی از هندسه آن است، می تواند موجب جدایی جریان و ایجاد کاهش شدید فشار موضعی در این ناحیه شود. هنگامی که سیال با کاهش فشار در دمای ثابت از فاز مایع وارد فاز بخار می شود، فرایند کاویتاسیون رخ خواهد داد و باعث شکل گیری حباب های ریز از بخار آب می گردد.

به علت جریان سیال، جابه جایی حباب از نقطه ای به نقطه ی دیگر میسر شده و به هنگام عبور از ناحیه پر فشار، فرایند انقباض یا شکست یک حباب اتفاق می افتد. فرایند شکست حباب به صورت انفجاری رخ می دهد. هنگامی که یک حباب در مجاورت یک دیواره منقبض می شود و در نهایت می ترکد، موجب بروز میکرو جت سیال در کنار دیوار خواهد شد که انفجار و انتشار امواج حاصل از آن می تواند سبب تخریب این جداره شود.

در شکل زیر فرایند انقباض و در نهایت شکست حباب و تشکیل میکرو جت سیال و برخورد آن با دیواره را نشان می دهد.

فروپاشی حباب های مجاور دیواره پره ها، به مرز بین سیال و سازه ضربه زده و پس از مدتی روی مرز جامد باعث ایجاد فرسایش و خوردگی می شوند. با توجه به اینکه سطح تماس حباب ها با پروانه بسیار کوچک می باشد، لذا تنش های موضعی ایجاد شده بر روی پره ها شدید بوده و با تکرار پروسه ی رشد و شکست حباب ها، خوردگی روی سطح پروانه به تدریج به حفره های بزرگ تبدیل می شود.

برای مطالعه ی تجربی فرایند کاویتاسیون بر روی پروانه ها نیاز به تونل کاویتاسیون بوده که این گونه تست ها زمان و هزینه ی زیاد ی می برند. از سویی دیگر به علت پیچیده بودن هندسه پروانه های دریایی و همچنین وجود خطا در صورت استفاده از تئوری های دوبعدی، تحلیل های عددی سه بعدی اهمیت می یابد.

در این پروژه یک پروانه ی کشتی با سه پره به قطر تقریبی 0٫29 m مورد بررسی قرار گرفته است. وقوع پدیده کاویتاسیون به ازای سرعت دورانی ثابت پروانه درون دامنه محاسباتی مکعب مستطیل شکل ارزیابی گردیده است.

ابعاد دامنه ی محاسباتی به صورت 8*8*15 m^3 بوده و تعداد المان های به کار رفته برای گسسته سازی آن 65,000 المان می باشد. با توجه به اینکه مسئله به صورت دو فازی می باشد، لذا دو فاز سیال آب و سیال بخار آب انتخاب گردیده است. مشخصات سیالات انتخاب شده بشرح زیر بوده، سیال آب (Water @ 25 C) با چگالی 997 kg/m^3 و ویسکوزیته ی دینامیکی 8٫899e-4 kg/m.s و سیال بخار آب (Water vapor @ 25 C) با چگالی 0٫02308 kg/m^3 و ویسکوزیته ی دینامیکی 9٫8626e-6 kg/m.s، که این مقادیر به صورت پیش فرض در نرم افزار ANSYS CFX، آمده است.

از آنجا که با دوران پروانه و ایجاد نیروی پیش رانش، شناور به سمت جلو حرکت می کند، شرط مرزی ورودی دامنه محاسباتی، ورود سیال با سرعت ثابت 12 m/s بوده که در واقع جریان یکنواخت با پروانه در حال دوران مواجه می شود. شرط مرزی خروجی شرط فشار ثابت می باشد. شرط مرزی مربوط به دیواره های اطراف دامنه محاسباتی، دیوار با لغزش آزاد (Free Slip Wall) تعریف شده است.

در این نوع شرط مرزی سیال گرادیان سرعت ندارد و در نتیجه تنش برشی وجود ندارد، بنابراین لایه مرزی تشکیل نشده و شبیه سازی جریان در اطراف پروانه به حالت واقعی، نزدیکتر خواهد بود. شرط مرزی مربوط به دیواره های پروانه، دیوار بدون لغزش (No Slip Wall) می باشد که در این نوع شرط گرادیان سرعت و در نتیجه تنش برشی وجود دارد. پروانه با سرعت دورانی 500 rpm دوران داشته و مسئله با گام زمانی 0٫001 s و مدل توربولانسی (Shear Stress Transport - SST)، به صورت پایا شبیه سازی شده است.

برای همگرایی و دستیابی به نتایج دقیقتر، ابتدا مسئله را بدون اعمال معادلات کاویتاسیون حل کرده و از نتایج به دست آمده در این مرحله، به عنوان شرایط اولیه در مرحله ی بعد که معادلات کاویتاسیون اعمال می شوند، استفاده خواهد شد. پس از شبیه سازی موقعیت حباب های ایجاد شده بر اساس کسر حجمی بخار آب به صورت زیر می باشد که با نتایج تجربی تطبیق خوبی دارد.