شبيه سازي عددي و بررسي تجربي حركت يك جسم پرسرعت زيرسطحي

Numerical simulation and experimental investigation of an underwater high-speed moving body

در اين تحقيق نحوه‌ي شكل‌گيري و سير تكامل حباب سوپركاويتاسيون و تأثير آن بر كاهش نيروي مقاوم براي يك جسم متحرك زيرسطحي بصورت عددي و آزمايشگاهي بررسي شده است. به منظور شبيه‌سازي عددي جسم متحرك زيرسطحي از معادلات ميانگين گيري شده ناوير استوكس زمانمند چندفازي همراه با مدل شش درجه آزادي حركت جسم صلب استفاده شده است. با توجه به عدم وجود نتايج آزمايشگاهي در مورد پرتابه‌هاي پرسرعت زير سطحي، در ابتدا به كمك كد عددي در دسترس موجود، حل عددي زمانمند براي پرتابه‌اي با سرعت حدود 100 متر بر ثانيه انجام و نتايج آن در راستاي تنظيم كد عددي، با نتايج آزمايشگاهي مقايسه شده است. پس از حصول اطمينان از دقت مناسب الگوريتم انتخاب شده، حل عددي زمانمند حركت پرتابه پرسرعت با سرعت 200 متر بر ثانيه مورد تحليل قرار گرفت. آزمايشها براي يك پرتابه با دماغه نيم‌كروي در آزمايشگاه هيدروديناميك دانشگاه صنعتي مالك اشتر شيراز انجام شده و مسير جسم توسط دوربين پرسرعت ثبت شده است. نتايج حاصل از حل عددي نشان مي‌دهدكه حباب سوپركاويتاسيون در زماني كمتر از 2 ميلي‌ثانيه پرتابه پرسرعت را بطور كامل احاطه كرده و نيروي پساي وارد بر پرتابه را 66% كاهش مي‌دهد.

In this study, significant features of supercavitation including formation, evolution and their effects on drag reduction for an underwater moving body are both experimentally and numerically investigated. To simulate the flow field of the underwater moving body, the multiphase Reynolds averaged Navier–Stokes equations (RANS) are coupled to a six-degree-of-freedom (6DOF) rigid body motion model. Due to the lack of high-speed underwater projectile experimental results, first, the lower-speed unsteady numerical simulation of the projectile with velocity 100 m/sec has been carried out and compared with the experimental data for tuning the available code. Then, the numerical simulation has been taken place for the high-speed underwater projectile with velocity 200 m/sec using the adjusted numerical algorithm. The experiments were performed for a spherical-nose projectile at Shiraz MUT Hydrodynamics Laboratory Cavitation Tank, and the projectile trajectory was recorded with a high-speed camera. Numerical results show that the supercavitation around the high speed projectile generates at less than 2 msec and drag force is reduced by 66%.