بررسی عددی ضریب عبور موج در موجشکنهای شناور دارای اشکال هندسی متفاوت و آبخور یکسان

Transcript

1 ششمین همایش بین المللی صنایع فراساحل 14 و 15 اردیبهشت ماه 1394 تهران دانشگاه صنعتی شریف بررسی عددی ضریب عبور موج در موجشکنهای شناور دارای اشکال هندسی متفاوت و آبخور یکسان حبیب حکیم زاده علی کبیری 1 دانشیار دانشکده عمران دانشگاه صنعتی سهند hakimadeh@sut.ac.ir 2 دانش آموخته کارشناسی ارشد سازههای دریایی دانشگاه صنعتی سهند a_kabiri@sut.ac.ir چکیده یکی از مسائل مهم و تأثیر گذار در طراحی موج شکنه یا شناور و بررسی ضریب عبور موج در آنها شکل هندس ی م وج ش کن ش ناور م یباش د. باتوجه به اینکه فراهم نمودن شرایط آزمایشگاهی برای بررسی انواع هندسه موج شکن شناور هزینه بر خواهد بود یکی از راه حله ای پیش نهادی استفاده از مدلهای عددی است. با توج ه ب ه فرض یات م ورد اس تفاده در ن رف افزاره ای م د س ازی هی درودینامیکی از جمل ه مع اد ت کام ل هیدرودینامیک بررسی عددی تأثیر هندسه موج شکن بر ضریب عبور موج در نرفافزار Flow3D برای پریودهای موج 0/63 تا 1/26 ثانیه به انجاف رسید که عمدتا این هندسهها مبتنی بر ذوزنقه و ایجاد انحناء در مقاطع مختلف هستند. صحت سنجی مد مبنا که یک پ انتون مس تلیلی س اده میباشد با مد آزمایشگاهی ساخته شده در فلوف موج مرکز تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری وزارت جهاد کشاورزی به انجاف رسیده است. در این تحقیق که شامل هفت هندسه مختلف بوده عمق آبخور ثابت فرض شده و جهت تأمین این آبخور مقاطع هندس ی پیش نهادی ب ا ج رف و چگالیهای متفاوت مورد بررسی قرار گرفتند. سرانجاف در محدوده پریودهای ذکر شده هندسهایی که بهترین کارایی را داشته و به لح ا اقتا ادی مق رون ب هص رفه باش د ب رای پ روههه ای آزمایشگاهی و واقعی در رابله با سازههای دریایی پیشنهاد شده است. کلمات کلیدی: موج شکن شناور ضریب عبور موج شبیه سازی عددی شکل هندسی مقدمه موج شکنهای شناور به عنوان جایگزینی برای موج شکنهای مرسوف ثابت محسوب می شوند که یکی از نقش های آنها حفاظ ت س احل در براب ر امواج میباشد. این سازه ها در مناطق ساحلی که شرایط دریا نسبتا آراف است کاربرد بیشتری دارند. از این رو اغلب برای حفاظت بنادر تفریح ی و قایقهای کوچک کاربرد دارند. موج شکنهای شناور در انواع کاربردهای موقت یا دائم عملکرد مناسبی را ارائه می دهند. در واقع کارایی موج شکن های شناور در حد موج شکن های ثابت مانند موج شکن های سنگریزه ای نیست اما دارای مزیت هایی از جمله هزینه ساخت پایین م دت زم ان ساخت کوتاه و بویژه در محلهایی که شرایط موج شدید نیست امکان ناب سریع و استفاده در عمق آب نسبتا زیاد بوده و این موارد ب ر ج ذابیت آنها افزوده است. منلبق شدن با تغییرات سلح آب و تغییرات فالی از دیگر مزیتهای این نوع موج شکنها میباشد. موجشکن شناور ب ر ش رایط محیلی دریا )کیفیت آب بستر دریا و...( تأثیر کمی داشته و میتوان از آن ها در مکان هایی ک ه بس تر دری ا ض عیف اس ت ب ه راحت ی اس تفاده نمود] 1 [. کاربرد عمده موج شکنه یا شناور در استهالک امواج میباشد. موج شکنه یا شناور مشابه سایر موج شکنها انرهی موج را با کاهش ارتف اع م وج تابشی کاهش داده و باعث حفاظت محدوده سمت ساحل میشوند. در برخورد موج با سازه بخشی از موج بازتاب شده قسمتی در اث ر آش فتگی و شکست مستهلک شده و به انواع دیگری از انرهی تبدیل میشود و بخشی نیز از سازه عبور میکند. ارتفاع م وج عب وری ب ه عن وان معی اری ب رای تخمین عملکرد موج شکن شناور به کار می رود به این ترتیب که ارتفاع موج عبوری به ارتفاع موج تابشی پارامتر هی درولیکی ض ریب عب ور م وج است که تعی نی کننده عملکرد و راندمان سازه میباشد. در خاوص تأثیر شکل هندسی موجشکنهای شناور بر ضریب عبور موج ملالعات بسیاری پس از جنگ جهانی دوف به انجاف رسیده است: ساتکو و هایدن مؤثرتر است] 2 [. کارو ر در سا می باشد] 3 [. مک کارتنی در سا 1974 میالدی نشان دادند که موجشکن شناور با مقلع مستلیل نسبت به مقاطع دایرهای و مثلثی در کاهش ارتفاع امواج 1979 میالدی نشان داد که نسبت عرض موج شکن به طو در سا کی سونگ تای در سا 1985 میالدی به بررسی مزایا و معایب موج شکن های شناور با اشکا امواج برخوردی پارامتری تاثیرگذار در عملکرد موج شکن های ش ناور مختلف پرداخت] 4 [ میالدی طی دو پژوهش جداگانه تاثیر اعضای متخلخل بر اندرکنش موج و سازه و نی ز عملک رد م وج ش کن ه ای شناور متخلخل دوبل را با استفاده از روش عددی محیط چند منظوره المان مرزی مورد ملالعه ق رارداد. وی در پ ژوهش او نت ایو خ وبی را در

2 زمینه سختی و نحوه اتاا مهارها بدست آورد و در پژوهش بعدی بدین نتیجه رسید که بهترین عملکرد موج شکن شناور در فرکانس های ب ا ی موج می باشد] 5 [. کاتاندوس و همکاران در سا 2005 میالدی به ملالعه آزمایشگاهی عملکرد موج شکن ه ای ش ناور جع ب ه ای تح ت ام واج م نظم و ن امنظم پرداختند. آنها در ملالعات خود تاثیر ویژگیهای امواج برخوردی و همچنین ویژگیهای هندسی سازه مثل ع رض س ازه و عم ق آبخ ور س ازه را ب ر عملکرد موج شکن های شناور مورد بررسی قرار دادند] 6 [. دنگ و همکاران در سا شکن تکی دوتایی و توری عرشه ای اقتاادی مناسب تشخیص داده شد] 7 [. اوز رن در سا 2008 میالدی تحقیقات آزمایشگاهی بر روی ضریب انتقا موج شکن-ه یا تحت امواج منظم و در حا ت با و بدون جریان میالدی در یک ملالعه آزمایشگاهی و ارائه پایان شناور ارائه دادند که در آنه ا س ه ن وع م وج مورد آزمایش قرار داده شده و نوع س وف ب ه لح ا س ادگی و نامه دکتری ضریب عبور انعکاس و شکست م وج را در م وج ش کن ه ای شناور لوله ای با سیستمهای مختلف مهاربندی مورد ملالعه قرارداد. در تحقیق انجاف شده مشخص گردید در صورت اس تفاده از مهاره ای ش معی عبور موج کمتر خواهد بود و در صورت وجود روگذری موج عبور امواج تیزتر بیشتر خواهد بود و کاهش ارتفاع موج در اثر شکست بیشتر از انعکاس موج خواهد بود] 8 [. در سا 2010 میالدی ونگ و سان در مورد موج شکن های شناور مشبک تحقیقاتی انجاف دادند. سازه مورد نظر آنه ا از تع دادی بل وک الماس ی شکل به گونه ای ساخته شد که ارتفاع موج انتقا هی پ نا و همکاران در سا یافته و نیروی مهار را کاهش دهد] 9 [ میالدی به ملالعه آزمایشگاهی موج شکن های نیمه استوانه ای سلحی) SCB ( با تخلخله ای مختل ف پرداختن د. آنها ویژگی های هیدرودینامیکی این موج شکن ها را تحت امواج نامنظم مورد بررسی قراردادند] 10 [. و همکاران در 2011 میالدی نتایو ملالعه آزمایشگاهی عملکرد موج شکن های شناور با چهار هندسه مختلف را ارائه نمودند. م د او آنه ا مد فیزیکی موج شکن های شناور اجرا شده در بندر بایونا موجشکن های شناور شکل )کاتاماران( را مورد بررسی قرار دادند] 11 [. فیال محمودین و ماساشی کاشیواگی در سا اسپانیا با مقیاس 1:15 بود و در مدلهای بعدی تغییرات عرض عمق آبخور و استفاده از 2014 میالدی نتایو ملالعاتی را ارائه دادند که بر مبنای آن طراحی و آنالیز موج شکن های شناور بهینه با کارایی با و هندسه ای خاص در محدوده فرکانس های وسیع باورت دو بعدی و سه بعدی ص ورت پذیرفت ه اس ت. ب رای ای ن منظ ور از ترکیب روشهای هنتیک الگوریتم )GA( و روش المان مرزی )BEM( بعنوان روش اصلی محاسبات عددی استفاده شده است. نتایو آزمایشگاهی نیز صحت بررسی های عددی را مورد تأکید قرار داده است واین نکته قابل اهمیت است که ترکیب این دو روش برای به دست آوردن م د بهین ه مؤثر است] 12 [. در سا 1393 کالهدوزان و همکاران در دانشگاه پلی تکنیک تهران طی تحقیقی با اس تفاده از روش م د س ازی فیزیک ی ب ه ارزی ا یب عملک رد هیدرودینامیکی موج شکن های شناور پله ای و همچنین مقایسه عملک رد آنه ا ب ا م وج ش کن ش ناور ش کل ب ا ع رض و عم ق آبخ ور مش ابه پرداختند] 13 [. نتایو نشان میدهند که کاربرد موج شکن شناور پلهای به جای موج شکن شناور شکل عالوه بر کاهش مقدار ماالح م ورد نی از برای ساخت موج شکن تأثیر قابل مالحظه ای بر عملکرد هیدرودینامیکی آن میگذارد. همچنین با افزایش گاف پله ه ا عملک رد م وج ش کنه ای شناور پله ای بهبود مییابد. مقایسه عملکرد هیدرودینامیکی موج شکن های شناور دو پله ای و سه پله ای نشان میدهد که عملک رد ای ن دو ن وع موج شکن به آبخور نسبی موجشکن بستگی دارد اما با افزایش گاف پله ها مقدار تفاوت عملکرد آنها کاهش می یابد. همچنین در سا 1393 کاظمی و همکاران با استفاده از نرف افزار انسیس آکوآ و با تکیه بر فرضیات سادهکننده در نظر گرفتهشده مثل بدون لزجت در نظر گرفتن سیا غیر چرخشی بودن سیا و با در نظر گرفتن معادله پالس بعنوان معادله حاکم ب ر س یا نت ایجی را در خا وص عملک رد هیدرودینامیکی موج شکنهای شناور پلهای ارائه دادند. به همین منظور و برای بررسی دقیقتر عملکرد موج شکن شناور در این تحقیق با درنظر گرفتن سیا ویسکوز و همچنین مد آشفته حل معاد ت کامل هیدرودینامیک از جمله معادله مومنتوف و معادله پیوستگی مد نظر قرار گرفت. همچنین با توجه به اینکه در اکثر تحقیقات عددی گذش ته از موج منظم در مدلسازیها استفاده شده در این تحقیق اقداف به شبیه سازی موج نامنظم جونزواپ در نرف افزار Flow3D شده است. همچنین نتایو عددی مد مبنا که یک پانتون مستلیلی ساده میباشد با مد آزمایشگاهی مرجع ]14[ مورد صحت سنجی واقع شده است. هیدرودینامیک موج شکنهای شناور با نگریستن به سلح دریا طبیعت سه بعدی و نامنظم بودن آن به چشم میخورد. سلح آب با زمان تغییر میکند و این نش انه غی ر دائم ی ب ودن شرایط آن است. بخشی از انرهی موج تابشی پس از برخورد موج با موج شکن شناور منعکس شده بخش دیگری از آن مستهلک شده و در نهای ت بخشی از آن به پشت سازه منتقل میگردد. اندازهگیری ارتفاع موج پشت سازه به منزله سنجش مستقیمی از راندمان موج شکن ش ناور در ک اهش اث ر م وج است. راندمان موج شکن شناور را عموما با ضریبی به ناف ضریب انتقا ملرح میکنند. ضریب انتقا نسبت ارتفاع موج عب وری از م وج شکن به موج تابشی میباشد. اگر ارتفاع موج تابشی به موج شکن با عبارت است از: H i و موج عبوری از موج شکن با H t نشان داده شود ضریب انتقا موج ش کن

3 C t = H t H i )1( حرکات موج شکن شناور است. سازه موج شکن شناور در هنگاف مقابله با موج با حرکات پیچیده شامل شش درجه آزادی حرکت واکنش نشان می دهد. شش درج ه حرک ت ب ه صورت انتقا شامل Heave Surge Sway و دوران شامل Pitch Yaw Roll تعریف می شوند این حرکات در ش کل 1 نش ان داده ش ده شکل 1: تعریف حرکات موج شکن شناور] 1 [ واکنش موج شکن به پریودهای طبیعی سازه مهارشده برای هر حرکت و پریود موج تابشی بستگی دارد و پریودهای طبیعی موج شکن به وسیله مشخاات فیزیکی موج شکن و سیستم مهار آنها تعی نی هندسه موج شکن جرف موج شکن توزیع جرف و گشتاورهای اینرسی موج شکن مشخاات سیستم مهار نظیر طو کابلهای مهار وزن واحد کابلها میشوند این مشخاات عبارتند از: رابله فاز بین امواج تابشی و امواج ثانویه تولید شده به وسیله حرکت موج شکن تواما به پریود امواج تابشی و پریود طبیعی موج شکن بستگی دارد هر درجه آزادی حرکت موج شکن دارای پریود طبیعی خاص خود است. این حرکات به مشخاات هیدرودینامیکی موج شکن شناور و سیستم مهار آن حو محور مربوطه بستگی دارد. سادهترین حرکت موج شکن وقتی است که جهت موج بر محور طولی موج شکن عمود باشد تحت چنین شرایلی حرکت بلور ایدهآ تنها شامل وSway Roll Heave است. )حالت دو بعدی میباشد( حرکات موج شکن به ارتفاع و پریود امواج مشخاات فیزیکی موج شکن سیستم مهار و اجزاء جنبی موج شکن بستگی دارد. حرکت موج شکن در صورت برخورد امواج مورب نسبت به حالت برخورد امواج عمودی پیچیده است زیرا در آن صورت حرکات منتجه شامل تمامی حرکات ششگانه می شوند. معادالت فیزیکی حاکم روش حل عددی مزایای کاهش زمان دستیا یب کاهش هزینه ساخت مد را داراست. همچنین در این است. به نتایو با توجه به دقت مورد نظر حل مسائل پیچیده هندسی تحلیل شرایط مرزی مختلف و روش اطالعات کامل با جزئیات بیشت ر از قبیل تغیی رات سرعت و فشار را در سراسر حوزه مورد نظر میتوان به دست آورد که معمو در شرایط آزمایشگاهی به علت محدودیتهای موجود در حسگرها و ابزار سنجش این امر به سختی امکان پذیر است. روشهای عددی مخت لف از جمله تفاض ل محدود المان محدود و حج م محدود با تقری ب مناس ب به حل مسائ ل میپردازند و جوابهای قابل قب ولی ارائه میدهند. توسعه و پیشرفت علوف و تکنولوهیهای کامپیوتری موجب پیدایش دینامیک سیا ت محاسباتی جهت حل عددی معاد ت مکانیک سیا ت گردیده است که به طور مخفف CFD نامیده شده و به یک روش سریع و کاربردی در این زمینه تبدیل شده برای اعما مد های فیزیکی حاکم بر مد مورد بررسی از معاد ت دیفرانسیلی استفاده میشود که این معاد ت درواقع بیان ریاضی مد ها هستند. در این تحقیق از معاد ت پیوستگی و مومنتوف استفاده شده است. معاد ت دیفرانسیلی که باید حل شوند در قالب سیستم مختااتی 3

4 کارتزین ),x(,y نوشته شدها د ن است معادله پیوستگی زیرا منقلع سازی میدان ملالعاتی توسط شبکه بندی کارتزین که طبیعت معادله پیوستگی جرف )2( درواقع اصل بقای جرف را به زبان ریاضی و در قالب یک معادله دیفرانسیل بیان میکند منظم و با ساختاری دارد بسیار آسان ρ V F t + x (ρua x ) + R y (ρva y) + (ρwa ) + ξ ρua x = R x DIF + R SOR 2 V F که در آن حجم سیا ρ چگالی سیا R DIF ترف پخش آشفتگی و R SOR ترف منبع تولید جرف است. w و v u به ترتیب مؤلفههای سرعت در راستای بردارهای y x و هستند. A y A x و A مساحت جریان عبوری از صفحات عمود بر راستای y x و میباشند. R ضریبی است که بسته به سیستم مختااتی انتخاب شده تعیین میگردد و در سیستم کارتزین مقداری برابر واحد دارد. همانطور که در قسمت قبلی بیان شد زمانی که سیستم هندسی انتخاب شده استوانهای باشد ترفهای بیشتری باید به معاد ت کارتزین حرکت افزوده گردد که یکی از این ترفها ضریب ξ است بنابراین در سیستم مختاات کارتزین ξ مقدار صفر را به خود میگیرد. R DIF ترف پخش آشفتگی نامیده میشود معادله پیوستگی پس از سادهسازیهای صورت گرفته با توجه به شرایط مسئله به شکل سادهشده معادله )3( درمیآید. (ua x x ) + (va y y) + (wa ) = 0 3 معادالت اندازه حرکت معاد ت )4( )5( و )6( معاد ت اندازه حرکت سیا هستند. معاد ت حرکت سیا معاد تی هستند که با حل آنها مقادیر مؤلفههای سرعت (u, v, w) در سه جهت محورهای مختااتی ),x(,y بدست میآیند. معاد ت اندازه حرکت در این نرفافزار همان معاد ت ناویر-استوکس در سه جهت هستند که عباراتی به آنها اضافه شده است: u t + 1 u F x + va yr u v t + 1 v F x + va yr v y + wa u y + wa v w t + 1 w F x + va yr w y + wa w } ξ A yv 2 xv F } + ξ A yuv xv F } = 1 p ρ = 1 p ρ x + G x + f x b x R SOR (u u ρv w δu s ) F = 1 p (R ρ y ) + G y + f y b y R SOR (v v ρv w δv s ) F + G + f b R SOR ρv F (w w w δw s ) در این معاد ت G y G x و G شتابهای بدنهای f y f x و f شتابهای ناشی از لزجت هستند. b y b x و b تأثیر تلفات جریان در هنگاف عبور از مسیرهای متخلخل و یا موجگیرهای متخلخل را در معاد ت وارد میکنند و عبارات انتهایی که ضریب دارا میباشند تزریق جرف توسط منبع را بیان میکنند. باشند. R SOR v w u w و w w سرعتهای منبع جرمی هستند و v s u s و w s δ سرعتهای سیا نسبت به منبع جرمی در سلح منبع جرمی می- 1 ضریبی است که وقتی مقدار آن صفر است منبع جرمی از نوع فشار ثابت بوده است بدین معنی که جرف با سرعت صفر به سیستم افزوده میگردد درنتیجه میبایست در منبع به آن فشار وارد شود تا از آن خارج شود )مانند منبع جرمی در انتهای موشک(. درواقع در این حالت گشتاور سیا خروجی در داخل منبع ساخته میشود. زمانی که δ مقدار یک را اختیار کند منبع 2 جرمی از نوع فشار ایستایی )مانند سیالی از یک لوله بلند خارج میشود( بوده است که سرعت آن تابع دبی و سلح منبع میباشد. در این حالت دیگر نیازی به فشار اضافه در منبع جرمی برای خروج سیا نیست. در این مسئله در سیستم وجود ندارد پس R SOR (b x, b y, b ) مقداری برابر صفر دارد پس عبارات انتهایی هر سه معادله برابر صفر هستند و همچنین سلح متخلخلی نیز معاد صفر میباشند. ξ برابر صفر و R برابر یک است. سایر پارامترها در بخش قبلی معرفی شدهاند. معاد ت )3-3( )4-3( و )5-3( عمال به شکل ساده شدهی معاد ت )7( )8( و )9( در این مسئله مورد استفاده قرار گرفتند u t + 1 u F x + va yr u y + wa u } = 1 p ρ x + G x + f x 7 1 stagnation pressure type 2 static pressure type 4

5 v t + 1 v F x + va yr v y + wa v } = 1 ρ (R p y ) + G y + f y w t + 1 w F x + va yr w y + wa w } = 1 p ρ + G + f 8 9 مدلسازی عددی در این ملالعه جهت مدلسازی عددی از نرف افزار Flow3D استفاده شده است که یک نرفافزار قوی و پیشرفته در زمینه CFD Flow_3D است. نرفافزار قابلیت شبیه سازی در فضای سهبعدی را دارا میباشد و بر اساس قوانین بنیادی بقای جرف مومنتم و انرهی پایه-گذاری شده است. این نرفافزار از یک شبکه متشکل از سلو های مستلیلی استفاده میکند که دارای مزایای بسیاری برای تولید آسان است و نظم مناسب آن شبیه سازی عددی را بهبود میبخشد و نیاز به ذخیره حافظه را کاهش میدهد. معاد ت حاکم بر حرکت سیا استفاده از روش VOF در این نرفافزار با استفاده از روش حجم محدود حل میشوند. یکی از قابلیتهای مورد توجه در این نرفافزار است که امکان تخمین سلح آزاد آب را میسر ساخته است. همچنین قابلیت استفاده از روش FAVOR برای مد نمودن مرزهای منحنی است و با توجه به آنکه معمو تغییرات پارامترها در مجاورت این نواحی زیاد است محاسبات با دقت بیشتری صورت میگیرند و صحت بیشتری دارند. صحت سنجی شبیه سازی جهت صحت سنجی مد عددی ساخته شده در نرفافزار ابتدا تعداد 20 آزمایش صورت گرفته بر روی پانتون ساده با آبخور 8 سانتیمتر در مرجع[ 4 ] با دوره تناوب و ارتفاع موجهای متفاوت در نرفافزار شبیهسازی شد. در این ملالعه به منظور ارزیابی دقت مد از شاخصهای ضریب تبیین متوسط R و متوسط درصد خلای مللق و جذر میانگین مربعات خلا استفاده شد. شاخص درصد خلای مللق برای اندازهگیری متوسط اختالف بین نتایو مشاهداتی و شبیهسازی به صورت رابله )10( تعریف شده است که در آن تعداد دادههای مورد بررسی می باشد. O i پارامتر آزمایشگاهی و S i پارامتر شبیهسازی و n 1 n Oi Si MPAE n 1 Oi همچنین جذر میانگین مربعات خلاها نیز به صورت رابله (11( ارائه شده است. RMSE n i 1 ( O S ) i n i 2 11 انتقا نتایو ارزیابی دقت مد عددی بر اساس شبیهسازی موج شکن پروفیل سلح آب ارتفاع موج قبل و بعد از موج شکن و در نتیجه محاسبه ضریب در شرایط آزمایش ارائه شده است. همانطور که مالحظه میشود مد شکن پانتونی و پروفیل سلح آب در مد مورد بررسی برخوردار است )شکل 2 (. متوسط درصد اختالف بین نمونه عددی و نمونه آزمایشگاهی برای ضریب انتقا میانگین مربعات 0/0661 میباشد. عددی با مقدار R 2 برابر 0/89 از دقت خوبی برای شبیهسازی موج در مقادیر محاسبه شده پارامتر % 7/88 و خلای جذر MPAE همانگونه که مشاهده میشود با توجه تحقیقات عددی گذشته نتایو عددی در محدوده قابل قبو قراردارند و مد عددی ساخته شده قابلیت توسعه با هندسههای دیگر موج شکن را دارد تفکیک ارتفاع امواج تابشی و انعکاسی مستخرج از نرفافزار 5 آلبورگ دانمارک )3.603 )WaveLab انجاف شده است. Flow_3D توسط نرف افزار ارائه شده بوسیله دپارتمان مهندسی عمران دانشگاه 3 Mean Percentage Absolute Error (MPAE) 4 Root Mean Square Error (RMSE) 5

6 شکل 2: نمودار مقایسه C t حاصل از شبیه سازی عددی و مد آزمایشگاهی هندسه های پیشنهادی با توجه به گستره عظیم اشکا هندسی تعداد زیادی از هندسههای قابل ترسیم در نرفافزارهای سه بعدی میتوانست پیشنهاد شود. در عین حا جهت دستیابی به یک روند منلقی در پیشنهاد اشکا هندسی شکلهای ارائه شده در جدو )1( بعنوان نمونه های شبیه سازی عددی تحقیق حاضر پیشنهاد گردید تا در عین قابلیت شبیه سازی نرف افزاری امکان ساخت و تولید آنها نیز در واقعیت فراهم باشد. بعد سوف تماف گزینهها ملابق نمونه آزمایشگاهی برابر 85 سانتیمتر انتخاب شده و در شبیه سازی آنها آبخور نمونه ها ثابت و برابر هشت سانتیمتر در نظر گرفته شده است در نتیجه سلح مقلع و حجم نمونهها متفاوت خواهد بود. جهت تأمین آبخور مورد نظر در هندسههای متفاوت جرف متناسب با حجم و در نهایت چگالی مربوط به هر یک از مدلها محاسبه و در نرف افزار اعما شده است. پیشینه تحقیقات مبنای اولیهی تامیمگیری بر روی انتخاب هندسه موج شکن بود ملابق یافته های قبل واضح بود که استفاده از هندسههای دایره و مثلث نتایو مثبتی در عملکرد موج شکن در پی نخواهد داشت در نهایت با الهاف از شکل عمدهی موج شکنهای متال به ساحل و ثابت که با مقلع ذوزنقهای هستند و به عنوان شکل هندسی ترکیبی )ترکیبی از مثلث و مستلیل( ایدهی اولیه انتخاب ذوزنقه با ابعاد نزدیک به پانتون آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت. نکته دیگر جهت استفاده از مد ذوزنقه وجود شیب و ارزیابی عمل کرد موج شکنهای مختلف با شیبهای متفاوت بود. همچنین ترکیب پانتون با مقاطع مخروطی نیز جزو ایدههای اشکا هندسی مد نظر قرار گرفت و در نهایت با توجه به تحقیقات گسترده سالهای اخیر در خاوص موج شکن شناور پلهای یک نمونه موج شکن پلهای که ابعاد آن از نظر طو و عرض و ارتفاع متناسب با سایر نمونههای پیشنهادی بود برای مقایسه با مدلهای پیشنهادی در نرفافزار شبیه سازی شد. در این گروه از شبیه سازیها با ثابت در نظر گرفتن آبخور موج شکن شناور عمال تأثیرات هندسه با همراهی جرف و چگالی در عملکرد موج شکن بررسی شده است. جدو )1( ابعاد جرف و چگالی نمونههای پیشنهاد شده را برای شبیه سازی با آبخور ثابت نشان میدهد. 6

7 جدو 1: هندسه های پیشنهادی برای ساخت مد عددی موجشکن شناور و مشخاات فیزیکی آنها شماره مدل مدل مبنا جهت مقایسه با مدل آزمایشگاهی مدل شماره یک هندسه مدل M=14.28 Kg =583.5 Kg/m 3 M=16.32 Kg =500 Kg/m 3 مشخصات مدل شماره مدل مدل شماره دو مدل شماره سه هندسه مدل M=12.24 Kg =667 Kg/m 3 M=14.28 Kg =700 Kg/m 3 مشخصات مدل شماره مدل مدل شماره چهار مدل شماره پنج هندسه مدل M=8.67 Kg =573 Kg/m 3 M=12.07 Kg =664 Kg/m 3 مشخصات مدل شماره مدل مدل شماره شش مدل شماره هفت هندسه مدل M=14.71 Kg =673 Kg/m 3 M=7.78 Kg =500Kg/m 3 مشخصات مدل نتایج و بحث 7

8 نمونه مبنا و نمونه شماره یک در ابتدا با هم مقایسه شدند و در نهایت مشخص شد عملکرد موج شکن ذوزنقهای در انتقا موج نزدیک به %13 در پریودهای مورد ملالعه بهتر است. در شکل )3( ابتدا عملکرد نمونه شماره یک و نمونه شماره دو بررسی شده که در عین تفاوت در هندسه به یک میزان در ماالح آنها صرفه جویی شده و تنها تفاوتشان پلهای بودن نمونه شماره دو هست. با توجه به اینکه آبخور در هر دو نمونه یکسان بوده لذا عمدهی صرفه جویی ماالح در نمونه شماره یک صرف تأمین آبخور و کم کردن چگالی آن شده لذا جرف نمونه کمتر بوده و این کاهش جرف با توجه به پیشینه ملالعاتی در خاوص تأثیر جرف بر روی ضریب عبور موج در ایجاد تفاوت بین ضریب عبور موج در دو نمونه نقش عمدهای خواهد داشت بلوری که این تغییر در هندسه و متعاقب آن افزایش جرف در قسمت آبخور )جهت حفظ آبخور( به میزان %17 ضرایب عبور موج را در مجموعه پریودهای مورد آزمایش کاهش میدهد. در مقایسه نمونههای ذوزنقه یا شکل 3: مقایسه ضریب انتقا موج در دو هندسه 1 و 2 با شیب متفاوت در قسمت آبخور تأثیر تغییر شیب در هندسه مقلع موج شکن شناور که هندسه پایه ی آن بر مبنای ذوزنقه شکل گرفته است بررسی شد. جهت این منظور هندسه ی نمونه های دو سه و چهار در معرض پنو موج انتخابی به ترتیب با پریودهای 1/11 0/95 0/79 0/63 و 1/26 ثانیه قرار گرفته و در نهایت عملکرد آنها در گذردهی موج با هم مقایسه شده است. نمونه شماره دو که مبتنی بر نمونه شماره یک می باشد به لحا شیب با هم یکسان بوده و یالهای آنها با شیب 69 درجه مد شده است در ادامه با تغییر در شیب یا پایینی نمونه شماره دو و کاهش آن تا 53 درجه نمونه شماره سه ایجاد شده و در نهایت با ترکیب مقلعی از دایره با نمونه شماره دو شیب 43 درجه حاصل گردیده است. نتایو مربوط به عملکرد این سه موج شکن در شکل) 4 ( نشان داده شده است. همانگونه که از روند نمودارها پیداست نمونه شماره سه با کاهش شیب یا ذوزنقه عملکرد بهتری نسبت به نمونه شماره دو دارد اما عملکرد نمونه شماره چهار که با ایجاد یک هندسه ی ترکیبی از تقاطع ذوزنقه و مقلع مخروطی شکل گرفته تا ضمن کاهش شیب امکان بررسی انحناء نیز وجود داشته باشد اندکی متفاوت است. شکل 4 : تأثیرات شیب در عملکرد موج شکن ها 8

9 یکی از د یل این موضوع جرف و چگالی کمتر نمونه شماره چهار میباشد که باعث شده ضرایب عبور موج در این نمونه نزدیک %18 نسبت به نمونه شماره سه افزایش یابد. ملابق جدو شماره )1( مقادیر جرف و چگالی نمونه شماره چهار به ترتیب %98/6 و %99/5 نمونه شماره سه میباشد. همچنین در محدوده پریودهای ملالعاتی این پروهه نمونه شماره سه در مقایسه با نمونه شماره دو نزدیک به %30 عملکرد بهت ری از خود نشان میدهد. با توجه به اینکه نمونه شماره دو از هر دو نمونه دیگر سنگینتر هست نقش کاهش شیب در بهبود عملکرد این نوع موج شکن کامال مشهود میباشد البته اگر با ثابت نگاه داشتن عرض موج شکن نسبت به کاهش شیب اقداف شود در نهایت ناچار به یک نمونه مثلثی و یا ذوزنقه با ارتفاع کوتاهتر خواهیم رسید که عمال کارایی موج شکن را دوباره کاهش خواهد داد. تأثیر ترکیب سطح مقطع پانتون و مقاطع منحنی شکل نمونههای شماره پنو و شش بعنوان دو نمونه اولیه در این پژوهش مل رح گردید تا عمل کرد آن با موج شکن پانتونی مقایسه شود. در مورد نمونه شماره پنو ایده اولیه از شکل دیوارهای ساحلی الهاف گرفته شد. درنهایت با ساده سازی انجاف گرفته مقلعی که توسط قلاعی از دایره با شعاع 10 سانتیمتر روی شکل پانتون مستلیلی زده شد منجر به ایجاد نمونه شماره پنو گردید همچنین در نمونه شماره شش از هر طرف پانتون یک نیمدایره به قلر ارتفاع پانتون از سلح مقلع آن کاسته شده است. با توجه به ثابت بودن آبخور در این سری از شبیه سازیها عمال بعلت یکی بودن چگالی نمونه شش با پانتون مستلیلی و به علت اینکه سلح مقلع نمونه %52/4 نسبت به پانتون کمتر میباشد در نتیجه موج شکن با کاهش شدید وزن و افت کارایی مواجه میشود. همین اتفاق بلور اولی برای نمونه شماره پنو نیز می افتد ولی در عین حا عملکرد و راندمان این دو نمونه در محدوده موج شکن پانتون مستلیلی باقی میماند و با توجه به کاهش حدود 50 درصدی استفاده از ماالح برای مناطقی که پریود امواج کم میباشد توصیه میشود. در شکل )5( نمودار مربوط به عملکرد این دو نمونه در مقایسه با نمونه مبنا ارائه شده است. شکل 5: مقایسه موج شکنهای با مقلع انحناء دار و نمونه مبنا ملابق نمودارهای رسم شده نمونه پیشنهادی شماره پنو قابلیت استفاده در مناطقی با پریود موج کم را دارا میباشد و در پریودهای با ی یک ثانیه عملکرد نمونه شش بهتر است. در صورت عدف وجود مشکل برای ساخت و تولید این شکل خاص از موج شکن بعلت صرفه اقتاادی در مارف ماالح جایگزین مناسبی برای موج شکن پانتونی مستلیلی در محدوده پریودهای کمتر از یک خواهد بود. راندمان این موج شکنها در این محدوده از پریودهای انتخابی %8 بیشتر از موج شکن پانتونی برآورد میشود. مقایسه نمونه پانتون پلهای با نمونه مبنا و سایر نمونههای کارآمد در سالهای اخیر تحقیقات زیادی در زمینهی پلهای کردن موج شکن پانتونی به انجاف رسیده و تمامی آنها بر بهبود کارایی موج شکن شناور با ایجاد این تغییر شکل تأکید دارند در عین حا جهت بررسی و مقایسه هندسههای پیشنهادی با یک نمونه کارا ابتدا هندسه موج شکن پلهای بر اساس نمونه مبنای این تحقیق در نرفافزار اتوکد مد شده و به محیط نرفافزار منتقل گردید تا در محدودهی پریودهای پیشنهادی شبیهسازی شود. شکل )6( نمودار عملکرد موج شکن پلهای را در مقایسه با پانتون معمولی نشان میدهد ملابق نمودار کارایی پانتون پلهای در محدوده پریودهای مورد بررسی نزدیک به %30 بیشتر از موج شکن با مقلع مستلیلی ساده میباشد. 9

10 یا شکل 6: مقایسه عملکرد پانتون معمولی و نمونه شماره هفت با توجه به اینکه جرف این نمونه و میزان ماالح مارفی %10 کمتر از پانتون معمولی است دستیابی به این کارایی نشان میدهد یکی از هندسه- های بسیار خوب جهت کم کردن ضریب عبور موج همین نوع موج شکن میباشد در شکل) 7 ( عملکرد نمونه شماره هفت با عملکرد نمونه شماره یک به عنوان نمونه پایهی ذوزنقهای و نمونه شماره سه که بهترین راندمان را در بین شیبهای مختلف دارا بود مورد مقایسه قرار گرفته تا راندمان نمونههای پیشنهادی این تحقیق با یک نمونه کارا مورد قیاس قرار گیرد. ملابق شکل راندمان موج شکن نمونه هفت از موج شکن ذوزنقهای معمولی با شیب یا 69 درجه بهتر است و عملکرد نمونه شماره سه با شیب 53 درجه که عمال بهترین گزینه در بین نمونههای مبتنی بر ذوزنقه نیز میباشد با %28 اختالف نسبت به موج شکن پلهای در محدوده پریودهای تعریف شده برای این پروهه بهعنوان کاراترین نمونه معرفی میشود اهمیت موضوع در این نکته هست که میزان صرفه جویی در ماالح برای ساخت نمونه شماره سه نزدیک به 2/5 برابر نمونه شماره هفت خواهد بود. نتیجه گیری شکل 7: انتخاب گزینه بهینه از بین نمونه پلهای و ذوزنقهای در شبیه سازی گروه او در این تحقیق با معرفی هفت نمونه هندسی به بررسی تأثیر هندسههای مختلف موج شکن بر ضریب عبور موج در آبخور ثابت پرداخته شده است. وجه مشت رک تماف هن دسه ها در بیش ینه عرض ) 24 سانتیمتر( ارتف اع )16 سانتیمتر( و ط و موج شکن )85 سانتیمتر( بوده است عمق آبخور ثابت فرض شده و برای انواع هندسه ها برابر هشت سانتیمتر در نظر گرفته شده است. شکلهای هندسی معرفی شده به چند گروه تقسیم شده و در هر گروه نتایو مورد بررسی قرار گرفت: گروه هندسی مبتنی بر ذوزنقه است. در این گروه ابتدا تأثیر ایجاد سکو در یا ذوزنقه مورد بررسی قرار گرفت که بهبود عملکرد 17 درصدی را برای پریودهای مورد ملالعه شامل شده 10

11 همچنین تأثیر تغییرات شیب یا مقلع بر عملکرد موج شکن مورد بررسی قرار گرفته که در طی این بررسی عملکرد نمونه شماره سه با 53 درجه شیب یا از سایر هندسهها بهتر بوده است. در عملکرد موج شکنهای ذوزنقهای تغییرات شیب بسیار مؤثر بوده و کمک خوبی به کاهش جرف موج شکن خواهد نمود. ترکیب مقاطع منحنی شکل با موج شکن پانتونی در این گروه تأثیرات ایجاد انحناء در ارتفاع با ترکیب مقاطع منحنی شکل و هندسه اصلی مورد بررسی قرار گرفته است. به جهت اینکه عمق آبخور ثابت فرض شده در پی کسر از سلح مقلع موج شکن و در نهایت حجم آن برای حفظ آبخور هشت سانتیمتری زف است تغییرات در جرف سازه ایجاد شود که در نهایت تأثیرات تغییر جرف در عملکرد موج شکن نیز عالوه بر تغییر هندسه مشهود خواهد بود. در عین حا این تغییرات باعث بهبود عملکرد موج شکن در انتقا موج نسبت به موج شکن پانتونی بوده )نزدیک به %8( و در نهایت باعث صرفه جویی نزدیک به %50 در ماالح موج شکن خواهد شد. انتخاب مقطع بهینه از بین نمونه پانتون پلهای و موج شکن ذوزنقهای نمونه سوف با بهترین عملکرد بر اساس نتایو این تحقیق با شیب 53 درجه به عنوان گزینه بهینه و اقتاادی جهت استفاده در ساخت موج شکنهای شناور پیشنهاد شده است. تغییرات هندسه موج شکن شناور تأثیرات عمدهای در عملکرد هیدرولیکی آنها خواهد داشت در نتیجه انتخاب یک هندسه مناسب که ضمن حفظ آبخور درکنار افزایش راندمان عملکرد موج شکن باعث صرفهجویی در استفاده از ماالح نیز شود حائز اهمیت میباشد. با توجه به اینکه عمده موج شکنهای شناور از جنس بت ن آرمه توخالی که با ماال ح سبک پر شدهاند ساخته شده و در شرایط محی لی خورنده دریا به کار گرفت ه میشوند بدیهی است کم شدن ماالح بکار رفته عالوه بر صرفه اقتاادی در تولید موج شکن اثرات زیست محیلی مثبتی نیز با خود به همراه خواهد داشت. مراجع [1] رضایی مزیک ا. صنایعی ف. و همکاران ملالعه عددی ضریب عبور موج در موج شکن ه ای ش ناور پ انتونی و کاتام اران مجموع ه مق ا ت سیزدهمین همایش صنایع دریایی (2011 MIC )آبانماه 1390 جزیره کیش. [2] Sutko, A., and Hayden, A.L., The effect of surge, heave and pitch on the performance of a floating breakwater, Proceeding of floating breakwater conference, Rhode Island, pp , [3] Carver RD. Floating Breakwater Wave-Attenuation Tests for East Bay Marina, Olympia Harbor, Washington; Hydraulic Model Investigation. DTIC Document; [4] McCartney BL. Floating breakwater design. J Waterw port, coastal, Ocean Eng. American Society of Civil Engineers; 1985;111(2): [5] Kee ST. Performance evaluation of submerged dual buoy/porous-membrane breakwaters. KSCE J Civ Eng. Springer; 2005;9(4): [6] Koutandos E, Prinos P, Gironella X. Floating breakwaters under regular and irregular wave forcing: reflection and transmission characteristics. J Hydraul Res. Taylor & Francis; 2005;43(2): [7] Dong GH, Zheng YN, Li YC, Teng B, Guan CT, Lin DF. Experiments on wave transmission coefficients of floating breakwaters. Ocean Eng. Elsevier; 2008;35(8): [8] Oeren Y. Experimental and Numerical Investigations of Floating Breakwater Performance. The University of Mississippi. USA.; [9] Wang HY, Sun ZC. Experimental study of a porous floating breakwater. Ocean Eng. Elsevier; 2010;37(5): [10] Teh HM, Venugopal V, Bruce T. Hydrodynamic Characteristics of a Free-Surface Semicircular Breakwater Exposed to Irregular Waves. J Waterw Port, Coastal, Ocean Eng. American Society of Civil Engineers; 2011;138(2): [11] Peña E, Ferreras J, Sanche-Tembleque F. Experimental study on wave transmission coefficient, mooring lines and module connector forces with different designs of floating breakwaters. Ocean Eng. Elsevier; 2011;38(10): [12] Mahmuddin F, Kashiwagi M. Performance Evaluation of an Optimied Floating Breakwater in Oblique Waves with a Higher-Order Boundary Element Method. Makara J Technol. 2014;18: [13] طاهری ا. کالهدوزان ف. بالی ف. ارزیابی آزمایشگاهی مقدار ضریب انتقا انرهی برای موجشکنهای شناور پله ای. نشریه مهندس ی دری ا شماره.58 47; [14] فروزنده ن. بررسی عملکرد موج شکن های شناور پانتونی با استفاده از مدلهای فیزیکی. دانشگاه صنعتی سهند پایان نامه کارشناس ی ارش د آذرماه