الصعوبة الخاصة في مسألة مقاومة السفينة هي: مقاومة الأمواج تتوقف على عدد فرود، ومقاومة الاحتكاك على عدد رينولدز. وفي نموذج مصغّر لا يمكن تحقيق الاثنين في آن. فتجربة النموذج تجري بتشابه فرود، ويُحجَّم مركّب الاحتكاك على حدة إلى المقياس الكامل بإجراء خاص.
ويمكن لـ CFD أن تسدّ تلك الفجوة، لأنها تُحلّ مباشرةً بالمقياس الكامل. والثمن أن الطبقة الحدية يجب حلّها عند عدد رينولدز للمقياس الكامل — وهذا يحدد متطلب الشبكة مباشرةً.
إطار ITTC
ينشر مؤتمر أحواض الجر الدولي (ITTC) إجراءات موصى بها لتطبيقات CFD على السفن؛ وهذه الوثائق تضع تعريف المجال والشبكة والحل وخطوات التحقق على أساس مشترك [1]. واتباع ذلك الإطار ليس تفضيلاً بل ضرورة عملية إن أُريد للنتائج أن تكون قابلة للمقارنة.
السطح الحر والميل
مسألة السفينة بالتعريف مسألة ذات سطح حر، وهي تجلب صعوبتين إضافيتين:
حلّ منظومة الأمواج. نمط أمواج كلفن يشع مبتعداً عن البدن. ويجب أن تحلّ الشبكة طولَ الموجة بعدد كافٍ من الخلايا؛ فعند تحليل غير كافٍ تُخمَد الأمواج عددياً وتخرج مقاومة الأمواج منخفضة. وما لم تُترك منطقة تخميد مقصودة في جانب الخروج من المجال، انعكست الأمواج عن الحد وأفسدت الحل.
حرية الميل والغطس. السفينة غير مثبّتة؛ فمع ارتفاع السرعة تميل وتغطس. وتقييد هاتين الدرجتين من الحرية يعطي مقاومة خاطئة، خصوصاً عند أعداد فرود العالية. أما إذا حُرّرتا فتصير المسألة مسألة حدود متحركة باقتران ثنائي الاتجاه: الجريان يحدد القوة، والقوة تحدد الوضعية.
المروحة: في الماء الحر أم خلف البدن؟
لمنحنى الماء الحر يكفي نموذج دوري بممر واحد في الحالة المستقرة. لكن المروحة تعمل في أثر البدن، والجريان الواصل إليها غير منتظم. فيتذبذب الحمل على الريشة عبر الدورة، ويبدأ التكهف عند ذروة ذلك التذبذب.
ولذلك فسؤال الكفاءة رخيص، وسؤال التكهف والاهتزاز مكلف — إذ يتطلب الأخير حلّ التفاعل بين البدن والمروحة حلاً عابراً. انظروا ملاحظة الآلات الدوارة وملاحظة التكهف.
المراجع
- International Towing Tank Conference. ITTC Recommended Procedures and Guidelines 7.5-03-02-03: Practical Guidelines for Ship CFD Applications. ITTC.
- Celik, I. B., Ghia, U., Roache, P. J., Freitas, C. J., Coleman, H. & Raad, P. E. (2008). Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. Journal of Fluids Engineering, 130(7), 078001. DOI: 10.1115/1.2960953