تحلیل، شبیه سازی و بهینه سازی به منظور کاهش صداي شناور
تحلیل، شبیه سازی و بهینه سازی به منظور کاهش صداي شناور
پروانه ها تاکنون بالاترین میزان تولید صدا از کشتیها (با اختلاف حداقل 10 دسی بل از سایرین) را در مهمترین دامنه فرکانس زیر 300 هرتز را به خود اختصاص داده است. با این حال، علت اصلی تولید این صدا و خصوصیات آن تاکنون رفع نشده است، زیرا در چهارچوب هاي دیگر مانند ایمنی، راحتی و آسایش پرسنل و موارد فنی دیگر نمی گنجد. در صورت وجود امکان توصیف فرایند تولید صدا می توان شیوه هایی براي کاهش صداي تولید شده اندیشید. تغییراتی از قبیل طراحی متفاوت پروانه ها، اقدامات ثانویه (مانند تهویه جزئی با هوا) و غیره را می توان پس از درك شرایط تولید این صدا اعمال نمود.
آنچه لابراتوار تخصصی شبیه سازی مهندسی سیملب انجام میدهد:
اقدامات مورد توجه براي کاهش صداي شناور
رانش
-1 طراحی و اصلاح پروانه براي کاهش کاویتاسیون − بهینه سازي طراحی اولیه پروانه − پروانه هاي با گام ثابت در مقابل پروانه هاي با گام متغیر − دو پروانه هم محور مخالف گرد − پروانه هاي با لبه خمیدهسیستم رانش
طراحی سیستم دو پروانه اي براي کاهش سرعت لبه پره سیستم پروانه ازیموث که منجر به بهبود میدان ویک وارده به پروانه میشودبهینه سازي پروانه/ شکل بدنه (نیاز به تست در تانک کشش دارد
− تعیین شکل بدنه بهینه براي سیستم رانش و نوع پروانه، به منظور کاهش مقاومت بدنه و کاهش اغتشاش در میدان ویک − نحوه انتشار صداي اضافی ناشی از تغییرات فشار از طریق بدنهطراحی بدنه
− صداي ناشی از جریان مربوط به شکل بدنه هاي متفاوت − صداي ناشی از جریان بر اساس تابعی از سرعت شناور − جریان اطراف اضافات بدنه در زیرآب نظیر سکان، اسکگ ، سیستم مانور سینه و … − شکل و فرم سینه − استفاده از سیستم پوششی میرا کننده و اختلاف میان انواع پوششهاماشین آلات موجود بر روي کشتی
− نحوه اتصال تجهیزات به بدنه مانند منفعل و یا پویا براي ماشین آلاتی از قبیل موتور اصلی، ژنراتورها، پمپ ها و .. − میرا نمودن صداي تجهیزات در محفظه ها − توجه به کاهش صدا در خرید تجهیزاتی که صداي کمتري تولید می کننداصلاحات عملیاتی
− تغییرات سرعت، شامل تاثیر سرعت شناور بر روي پروفیل صداي اضافی براي یک شناور خاص − تغییرات بار (بار کامل، بار جزئی و حالت بالاست)− تغییرات هیدروگرافی (عملیات در آب هاي کم عمق در برابر آب هاي عمیق، ویژگی هاي ستون آب
نگهداري و تعمیرات- تناوب و تعداد )لابراتوار تخصصی شبیه سازی مهندسی سیملب
Engineering Simulation Laboratory-ESimLab
تاثیر منابع تولید صدا
میزان صدا برحسب db تقریبا با سرعت،رابطه خطی دارد. از آنجا که قدرت تقریبا با مربع سرعت رابطه دارد مشاهدات تجربی بیانگر این مطلب است که سطح صداي اضافی با ریشه دوم قدرت دریک سرعت ثابت کاهش خواهد یافت. صداي کشتیها با منحنی استاندارد مشابه وضعیت دریا توصیف میشود. این منحنی ها درفرکانس 50 هرتز به اوج خود می رسند و نوسانات آنرا تا حدودزیادي مرتبط با چرخش پروانه هاي کشتی می دانند. امروزه این تغییرات را نه تنها در هنگام طراحی کشتی و پروانه ها، بلکه در هنگام آزمایش مدل ها و اندزه گیري ها در کشتی در نظر می گیرند. فرکانس زیر 300 هرتز معمولا فقط براي پیروي از الزامات ارتعاش تا مرز 80 هرتز در نظر گرفته می شود. با این حال، اگر ارقام را بر روي مقیاسهاي لگاریتمی جایگذاري نماییم، اهمیت بخش باند پهن در این بحث بیشتر مشخص می شود. حداکثر طیف باند پهن اغلب به اندازه سرعت 5 بار گردش تیغه و معمولا در حدود 40 تا 60 هرتز بسته به سرعت محور و تعداد تیغه ها در نظر گرفته می شود. این خصوصیت صدایی تنها به پروانه کشتیها محدود نمی شود و شامل ماشین الات، موتور وتهویه در کشتی هم می شود. صداي تولید شده توسط موتورها و تجهیزات فرعی تمایل به گسترش به تمام کشتی را دارند. سطح صداي اضافی تولید شده در موتور خانه معمولا ناشی از تعداد موتور هاي قرار گرفته در آن میباشد. سطح کلی صدا در یک محل مجموع شدت صوتی آن محل، ناشی از موتورهاي موجود در محل بعلاوه تاثیر پژواك صدا بر روي دیوارها میباشد. در حالت کلی، در یک موتورخانه داراي پژواك منطقی است که در تقریب اول سطح صداي اضافی در محل را یکسان فرض کنیم، مگر آنکه در نزدیکی یک موتور با صداي بالا (فاصله 2 متري از این ماشین). در مناطق مشترك، صداي اضافی از طریق پارتیشن ها، کف ها و سقف ها منتقل میشود. سیستمهاي تهویه و درها، مبلمان و پارتیشن ها میتوانند در سطح صداي اضافی یک محل از طریق ایجاد صداي پارازیتی تاثیر داشته باشند. صداي اضافی منتقل شده توسط پارتیشن ها، کفها و سقفها عموما توسط انرژي ارتعاشات ناشی از سیستم رانش و پروانه و همچنین ضربه و حرکت کشتی ناشی از شرایط دریا تولید میشوند . صد اي اضافی منتقل شده توسط سازه به نسبت فاصله از منبع تحریک و نسبت عکس با اندازه و ضریب انتقال سطح کاهش میباشد.
جدا از صداي منتقل شده توسط سازه، صداي منتقل شده هواي ناشی از سیستم اگزوز موتورها، تهویه ها و تجهیزاتی نظیر سوپاپ هاي بخار و … نیز میتواند وجود داشته باشد. سطح صداي اضافی اندازه گیري شده در راه پله ورودي به کشتی اغلب بالاتر از صداي اندازه گیري شده در داخل ساختمان محل سکونت خدمه میباشد . دلیل این امر انتقال صداي اضافی مانند اگزوز موتورهاي احتراق داخلی، سیستمهاي تهویه و تجهیزات فرعی مانند سیستم هیدرولیک با ماشین آلات جابه جایی بار و باد میباشد. بعضی تجهیزات که داخل پله ورودي به کشتی قرار داده شده اند نیز منابع تولید صداي اضافی میباشند.
در خصوص صداي اضافی ناشی از اگزوز گاز، محل قرار گیري قسمت بالایی مسیر خروجی دود (دودکش) نسبت به پله ورودي به کشتی سطح صداي اضافی را تعیین میکند. طیف صداي ناشی از اگزوز معمولا با فرکانس پائین میباشد بنابراین پارتیشن هاي شیشه اي در اطاق سکان نیازي به جدا سازي صدا براي کاهش قابل توجه سطح صداي اضافی ندارند. اگر سیستم تهویه در نزدیکی قرار داشته باشد، این خود منبع مشکل ساز دیگري از تولید صداي خارجی خواهد بود. صداي تولید شده در تهویه ها گاهی تا 120 دسی بل نیز میرسد
بحث کاهش صداي کشتیها باید توسط معماران کشتی و مهندسین موتور مورد بررسی قرار گرفته و توجه خاصی به کشتی هاي موجود و نسل آینده شده و میزان عملیاتی بودن، هزینه امکان پذیر بودن راه کارهاي موجود براي کاهش صدا در این کشتی ها نیز صورت پذیرد. این بررسی بهتر است ملاحظات عملیاتی بودن-تا حد امکان- و ملاحظات اقتصادي را مد نظر قرار دهد. با عنایت به توجه اندك به صداي ایجاد شده در زیر آب در طراحی و ساخت کشتی در حال حاضر، در نظر گرفتن جنبه هاي مختلف رانش شناور، و پس از آن طراحی بدنه، ماشین آلات کشتی، و راهکارهاي عملیاتی معطوف گردد.
در آینده موتورهاي الکترونیکی صداي کمتري از سایر روشهاي ایجادرانش، تولید خواهند کرد، البته این به معناي حذف موتورهاي دیزل و توربین گازي نیست و به معنی سیستم متمرکز تولید و انتقال انرژي الکتریکی به تمام مصرف کنندگان در سرتاسر کشتی است. یکی از نتایج مثبت این کار امکان حذف میله محرك است. میله محرك موجب ایجاد محدودیتهاي بسیاري در طراحی (نصب) و بهره برداري (همراستایی، آب بندي، صدا و ارتعاشات) می گردد. علاوه بر این، معمار کشتی امکان انتخاب محل بهینه قرار دادن تجهیزات را خواهد داشت. به طور مثال میتواند توربین گازي و موتور دیزل در محل مناسب قرار دهد. کشتی الکتریکی علاوه بر این نیاز به انتقال سیالات مختلف در کشتی را کاهش میدهد. اساس الکتریزه کردن کشتیها در حال حاضر در کشتیهاي تجاري به خصوص کشتیهاي مسافري که راحتی (صدا و ارتعاشات کمتر) بسیار حیاتی میباشد مورد استفاده قرار گرفته است .منابع اصلی صدا در کشتی
بیشتر صداي کشتی مربوط به کاویتاسیون یعنی حرکت پروانه و حبابهاي خلاء ناشی از چرخش ان است، اگرچه ماشین الات بر روي کشتی و موتور کشتی هم سروصدا ایجاد می کنند. کاویتاسیون ناشی از پروانه مهمترین عامل تولید صداي زیر آب توسط شناور میباشد. بنابراین براي خلاصی از این صدا بهترین راهکار استفاده از پروانه اي است که به طور خاص طراحی گردیده تا کاویتاسیون را به حداقل برساند . پروانه بسیاري از کشتیهاي جنگی و شناورهاي تحقیقاتی بگونه اي طراحی گردیده اند که کاملا از ایجاد کاویتاسیون در سرعت هاي پایین تر از یک میزان مشخص که به آن سرعت شروع کاویتاسیون گفته میشود جلوگیري کنند. در کشتی هاي جنگی و شناورهاي تحقیقاتی از پروانه هاي خاصی استفاده میکنند که براي افزایش سرعت 20 درصد نمونه هاي عادي هزینه در بر خواهند داشت چراکه تلاشهاي بیشتري – شروع کاویتاسیون طراحی شده اند. اینگونه پروانه ها به طور معمول براي طراحی، تست مدل و قالب گیري و ماشین کاري آنها صرف خواهد شد و البته طراحی این پروانه ها منجر به شناورهایی میشود که داراي کاهش چند درصدي بازدهی نسبت به شناورهاي معمول میباشد لذا احتمال استفاده از آن در ناوگان تجاري کم است . قسمتهاي مختلف کشتی، صداهاي مختلفی تولید می کنند که به صورت متفاوتی پراکنده می شوند با فرکانسهاي پایین که تا مسافت زیادي حرکت می کنند. صداهاي با فرکانس کوتاه تا صدها مایل حرکت کرده و میتوانند سطح صداهاي محیط را افزایش دهنددر منطقه بزرگی از اقیانوس و با صداهاي ارتباطی گونه هاي هم فرکانس تداخل پیدا کنند.
مهمترین عوامل صداساز در کشتی
1- موتورها
نیروي رانش بسیاري از کشتی ها بوسیله موتورهاي احتراق داخلی تامین میشود. بر اساس سرعت دورانی موتور (دور بر دقیقه ) میتوان تفکیکی ایجاد نمود بین صداي ایجاد شده در کشتی هاي با سرعت دوران پائین و کشتی هاي با سرعت دوران متوسط و بالا. کشتی هاي با سرعت متوسط و بالا داراي قدرت بیشتري بوده اما صداي بیشتري ایجاد مینمایند. در قدرت برابر، صداي منتقل شده توسط هوا که توسط این موتورها تو لید میشود مرتبط با سرعت و سرعت دوران و فشار ماکزیمم محفظه احتراق میباشد. صدا توسط اسکونجر، محفظه اگزوز و همچنین جعبه دنده تولید میشود. علاوه بر صداي تولید شده توسط فرآیند احتراق، صدا توسط دمنده هاي موتور (این صداها با فرکانس بالا میباشند) نیز تولید میشود . همچنین صداي تولید شده توسط عبور گاز از لوله هاي دودکش (فانل) را نیز باید به حساب آورد. علاوه بر صداي تولید شده توسط موتور اصلی، صداهایی نیز توسط موتورهاي جانبی مانند ژنراتورهاي تولید برق و ماشین آلات دیگر (نظیر وینچ ها و موتورهاي هیدرولیک) تولید میشود. قرار دادن موتور بر روي کاهنده صدا صداي تولید شده توسط آن را کاهش نمیدهد بلکه میزان ارتعاش منتقل شده به بدنه کشتی و در نتیجه صداي تولید شده از طریق تشعشع را کاهش میدهد. بزرگترین کشتی ها (با ظرفیت ناخالص کمتر از 60000 تن )، مخصوصا تانکرهاي نفتی، به توربینهاي بخار مجهز میباشند. در حالت کلی توربین هاي بخار با قدرت خروجی یکسان، داراي صداي کمتري از موتورهاي احتراق داخلی میباشند. با این وجود سوپاپ هاي بخار میتوانند باعث ایجاد صداي با فرکانس بالا گردند زمانیکه باز باشند و یا اینکه به صورت درست در محل خود قرار نگرفته باشند.2- پروانه
صداي تولید شده توسط پروانه مرتبط با ایجاد کاویتاسیون (به دلیل تولید حباب هاي هوا که در پره هاي پروانه تولید میشوند ) میباشد که مرتبط با خواص پروانه و پره هاي آن ( تعداد، نوع، سطح و …) است. پروانه هاي یکی از مهمترین منابع تولید صدا ي منتشر شده در کشتی هاي میباشند . در شناورهاي سرعت بالا عمدتا سیستم واتر جت جایگزین پروانه گردیده که منجر به کاهش وزن و آلودگی صوتی میگردد.3-تهویه
صداي تولید شده توسط سیستم تهویه عمدتا ناشی از هواکشها و سیستم رانش آن و شفت آن میباشد. این صدا مرتبط با شکل این هواکشها، سرعت جابه جایی هوا و مجاري ورودي و خروجی هوا میباشد.نرم افزارهای مورد استفاده به منظور بهینه سازی و کاهش نویز شناور در گروه مهندسی سیملب: ANSYS,ABAQUS,FLUENT,ESI VA ONE,FLUENT,STAR-CCM,STAR-CD
به منظور بهینه سازی، صرفا داشتن اطلاعات در مورد تکنولوژی و دانش مربوطه کافی نیست، بلکه بالاترین سطح از دانش فنی به منظور بهینه سازی صنعتی مورد باید مورد استفاده قرار می گیرد تا قابلبت رقابت جهانی با کاهش هزینه های ساخت در اثر طراحی اولیه دقیق صورت گیرد.
تیم مهندسی سیملب به عنوان شریک تجاری شما، آماده ارائه مشاوره مهندسی و انتقال دانش فنی و انجام پروژه های تحقیقاتی می باشد.