صفحه 1 از 1

سوپر کاویتاسیون

ارسال شده: دوشنبه ۱۳۹۱/۵/۳۰ - ۲۰:۴۲
توسط psi star
پدیده سوپر کاویتاسییون







چکیده :

اخیرا کاربرد سوپر کاویتاسیون در ساخت جنگ افزارهای زیر سطحی بسیار سریع و حتی مافوق صوت، نظر دانشمندان را به خود جلب کرده است. با استفاده از این پدیده، جنگ افزار زیر سطحی در داخل حبابی قرار می گیرد و در نتیجه درگ به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

هنگامی که زیر دریایی روسی کورسک در ماه آگوست سال 2000 غرق شد، شایعات زیادی به سرعت در محافل تحقیقاتی نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا به وجود آمد که این سانحه به آزمایش یک نوع اژدر بسیار سریع مرتبط می باشد.

چند ماه پیش از آن، یک بازرگان آمریکایی به نام ادموند پوپ، که افسر بازنشسته نیروی دریایی آمریکا بود، به اتهام اقدام برای خرید طرح های مربوط به اژدرهای سریع بازداشت شده بود. اگر چه هنوز جزئیات سانحه غرق شدن کورسک و مساله جاسوسی پوپ در پرده ای از ابهام پوشیده شده است، لیکن شواهد امر، نشان می دهد که هر دو ماجرا به گونه ای به یک تکنولوژی فوق مدرن برای ساخت شناورهای زیر سطحی بسیار سریع و حتی مافوق صوت مربوط می باشند. هم اکنون سرعت شناورهای متعارف حداکثر 80 مایل در ساعت است.





کلمات کلیدی



کاویتاسیون، سوپر کاویتاسیون، درگ، اژدر اشکوال، هیدرودینامیک، حباب، اژدر اسپیر فیش کاویتاتور، راکت، توربین گا ز، رمجت، اژدر حوت



مقدمه :

در حال حاضر نیروی دریایی کشورهای پیشرفته در حال تحقیق برای طراحی و ساخت جنگ افزارهای زیر سطحی بسیار سریع هستند که می توانند چشم انداز جنگ های دریایی را در آینده نه چندان دور دگرگون کنند.

این فناوری بر پایه پدیده فیزیکی به نام سوپر کاویتاسیون استوار است که اجازه می دهد یک شناور زیر سطحی در هاله ای از یک حباب بزرگ قرار گیرد تا به جای تماس با آب که درگ زیادی تولید می کند، تنها با بخار آب در تماس باشد و بدین گونه درگ به میزان بسیاری کاهش می یابد و در نتیجه با نیروی محرکه ای برابر با یک شناور زیر آبی متعارف، به سرعت بسیار بالاتری دست می یابد.

اولین مطالعات مربوط به این گونه جنگ افزارهای سریع در شوروی پیشین انجام شد و سرانجام پس از چند دهه تحقیق، نخستین اژدر با نیروی محرکه راکت را به نام اسکوال را در سال 1977 آزمایش شد برای پی بردن به پدیده سوپر کاویتاسیون، نخست می بایست اثر کاویتاسیون را در مکانیک سیالات بررسی کرد.









کاویتاسیون



همان اصلی که باعث پرواز یک هواپیما می شود، موجب پدید آمدن اثر کاویتاسیون در اطراف یک شناور می گردد و می توان هر دو حالت را به وسیله اصل برنولی توضیح داد. هر گاه سرعت سیالی افزایش یابد، با نگرش به اصل بقای انرژی فشار آن کاهش می یابد.

هر گاه دمای مایع در فشار ثابت، افزایش و یا فشار آن در دمای ثابت کاهش یابد، در نهایت حالت مایع شروع به تغییر کرده وحباب هایی پر شده از بخار آب و یا گاز تولید می گردند. این حباب ها را می توان به عنوان فضاهای خالی در مایع در نظر گرفت، بنابراین هم به وسیله افزایش دما در فشار ثابت و هم کاهش فشار دینامیکی در دمای ثابت، در مایع حباب به وجود می آید. نخستین روش جوشیدن و دومین روش کاویتاسیون نام دارد، مهمترین اثرات کاویتاسیون عبارتند از :

1- ایجاد تغییرات در هیدرودینامیک سیال

2- صدمه به سطوح مرزی بین جامد و سیال

3- ایجاد ارتعاش









عدد کاویتاسیون



عدد کاویتاسیون از لحاظ کمی، رفتار دینامیکی جریان سیال را مشخص می نماید. این عدد کمیتی بدون بعد می باشد که اثر متغیرهایی مانند فشار، سرعت سیال و هندسه سطوح مرزی تماس را بر کاویتاسیون، به یکدیگر مربوط میسازد.

P = فشار مطلق مایع

P =فشار درون حباب

P = چگالی مایع

V = سرعت نسبی بین شناور و مایع

بنابراین، این کمیت چگونگی مقاومت سیستم هیدرودینامیکی را در مقابل ظهور کاویتاسیون و میزان پایداری نشان می دهد. صورت ومخرج این کسر به ترتیب میزان فشار لازم برای فروپاشی و ایجاد حباب های کاویتاسیون کمتر باشد، مقاومت سیستم بیشتر و هر چه این عدد بیشتر گردد، کاویتاسیون آسانتر رخ می دهد.

به عنوان مثال با مقایسه عدد کاویتاسیون با مقدار بحرانی آن، میزان کاویتاسیون در دماغه ناو را اندازه گرفت.

با توجه به پارامترهای دینامیکی سیستم، مشخص می گردد که در کاویتاسیون، k ثابت نمی باشد. در ابتدای کاویتاسیون K=Ki لیکن با ادامه عمل کاویتاسیون، K مرتب کاهش می یابد. با کاهش یافتن K حجم فضای کاویتاسیون افزایش می یابد. به عنوان مثال عدد کاویتاسیون و شکل دماغه یک پرتابه در درون آب، مشخص کننده شکل و اندازه کاویتاسیون می باشند. چنانچه پرتابه ای به درون آب انداخته شود در ابتدای برخورد با آب، در درون حباب بزرگی قرار می گیرد و در نتیجه اندازه درگ ومقدارK حداقل می باشد. با کاهش سرعت، حباب کوچکتر شده وK افزایش می یابد و در نهایت از بین می رود.

از آنجایی که چگالی آب هزار برابر چگالی هوا می باشد، بنابر این بر یک جسم متحرک در آب هزار برابر بیشتر نیروی درگ وارد می شود. با افزایش سرعت، این نیرو نیز افزایش می یابد به همین دلیل سرعت شناورهای زیر سطحی در آب بسیار کمتر از سرعت هواپیما است.

بنابراین همواره دغدغه مهندسان دریایی، طراحی مطلوب بدنه و افزایش قدرت نیروی محرکه بوده است.



سوپر کاویتاسیون



کاویتاسیون در مهندسی دریایی، به عنوان یک مزاحم در نظر گرفته می شود، زیرا علاوه بر ایجاد مشکلات ذکر شده، میزان درگ بر شناورهای زیر سطحی را افزایش می دهد و محدودیت های زیادی را در طراحی و ساخت آنها ایجاد می کند.

لیکن با ایده نوین سوپر کاویتاسیون، نه تنها مشکلات یاد شده حل می گردند، بلکه از ویژگی های منحصر به فرد آن برای افزایش فوق العاده سرعت شناورهای زیر سطحی نیز می توان استفاده کرد.

همانگونه که از نام آن بر می آید، سوپر کاویتاسیون همان کاویتاسیون است و تنها از نظر شدت بالای آن، با این پدیده متفاوت می باشد. به عبارت دیگر می توان آن را نوعی کاویتاسیون بسیار شدید نامید. در سرعت های بسیار بالا این پدیده رخ می دهد وفضای خالی حاوی حباب ها گسترش یافته و در نتیجه عدد کاویتاسیون به شدت کاهش می یابد. در نتیجه شناور به جای آب در درون یک حباب بزرگ قرار می گیرد و تماس آن با آب و در نتیجه درگ، به حداقل و حتی صفر کاهش می یابد.

هدف مهندسان در حال حاضر این است که با شیوه هایی نوین، آب دقیقا در نوک دماغه شناور زیر سطحی، به بخار تبدیل گردد و همچنین با تزریق مصنوعی بخار، کاویتاسیون به مرحله سوپر کاویتاسیون برسد و حباب های کوچک منبسط شده و یک حباب بزرگ به صورت هاله ای شناور را احاطه نماید.

در یک شناور قرینه باریک، شکل این هاله به صورت یک بیضی گون کشیده شده در جهت حرکت است که از شناور درازتر می باشد. در این حالت دیگر شناور با آب تماسی ندارد و در نتیجه نیروی درگ به شدت کاهش می یابد و با نیروی محرکه ای متعارف می توان به سرعت های بسیار بالا و حتی مافوق صوت دست پیدا کرد.

با تزریق مصنوعی هوا یا گاز، که در اصطلاح « سوپر کاویتاسیون تهویه » نامیده می شود، نیز می توان ضمن افزایش حجم و پایداری حباب محیط بر شناور، نوعی مکانیزم کنترلی را برای کنترل این فرایند و هدایت آن طراحی نمود. مزیت سوپر کاویتاسیون بر کاویتاسیون این است که پایدارتر و رفتار آن از نظر هیدرودینا میکی قابل پیش بینی تر می باشد.



هیدرود ینامیک پرتابه



هنگامی که پرتابه ای به داخل آب پرتاب می شود، ستونی از هوا را بهمراه خود به درون آب می راند بنابراین حبابی از هوا جسم را احاطه می کند. این حباب از نوع تهویه مصنوعی می باشد. به علت سرعت بالای پرتابه، حوزه ای کم فشار در اطراف جسم به وجود می آید و در نتیجه کاویتاسیون از نوع بخار آب نیز پدید می آید، همین امر باعث می شود تا به علت عدم تماس جسم با آب، سرعت آن افزایش یافته و در عمق بیشتری در آب نفوذ کند. مسیر حرکت این پرتابه ناپایدار می باشد زیرا وضعیت آن نسبت به حباب محیط بر آن ثابت نیست و با حرکتی نوسانی بخش انتهای آن با دیواره حباب برخورد می کند و این مساله علاوه بر ایجاد اغتشاش در الگوی هیدرودینامیکی حباب، به علت برخورد جسم با آن، درگ را نیز افزایش می دهد. در نتیجه با کاهش سرعت، عدد کاویتاسیون نیز افزایش یافته و حباب بتدریج کوچکتر شده و درگ نیز با شتاب بسیاری افزایش می یابد و سر انجام جسم متوقف می شود.



جنگ افزارهای سوپر کاویتاسیون



کاربرد سوپر کاویتاسیون در ساخت جنگ افزارهای زیر سطحی سریع، توجه دانشمندان و کارشناسان امور نظامی را از اوایل دهه 1960 میلادی به خود جلب نموده است. با استفده از این پدیده می توان اژدری را طراحی کرد که تنها نقطه تماس آن آب دریا، دماغه آن باشد و آب را در حبابی بزرگ به سوی هدف شلیک کرد.

چنین اژدری می تواند به سرعت مافوق صوت، دست یابد، با طراحی مناسب دماغه و رساندن اژدر به سرعت حداقل50 متر در ثانیه، عمل سوپر کاویتاسیون با شدت مناسب شروع می گردد و حوزه ای کم فشار در اطراف بدنه به وجود می آید.

دماغه باعث می شود تا آب دریا با زاویه ای مناسب از آن دور شود و با بدنه تماس نداشته باشد. در نتیجه فشار ناحیه اطراف بدنه تا حد فشار بخار آب کاهش می یابد و حباب ها ظاهر می گردند. با ادامه این فرایند، حباب های کوچک به هم پیوسته و تشکیل یک حباب بزرگ را می دهند.

در نهایت تمام حجم اژدر در یک حباب بیضی گون قرار می گیرد، به دلیل حایل شدن حباب بین بدنه و آب دریا، درگ تا میزان یک بر دویست هزارم مقدار اولیه کاهش می یابد.



اژدر اسکوال



در دهه 1960، ناوگان شوروی پیشین، پر سر و صدا و آهسته بود و از این نظر غرب دارای تفوق و برتری کامل بود، به همین دلیل کارشناسان آن کشور، تصمیم گرفتند به جای تلاش در جهت افزایش کیفیت و کارایی ناوگان خود، این نقیصه را با بهره جویی از یک ایده نوین وجهشی شگفت آور در فناوری طراحی شناورهای زیرسطحی، جبران نمایند.

انستیتو هیدرودینامیک کیف در جمهوری اوکراین مطالعات سوپر کاویتاسیون را در سال 1960 آغاز نمود، پس از سال ها تحقیق سر انجام در سال 1977 موفق به ساخت و آزمایش اولین نسل اژدر سوپر کاویتاسیون به نام (اسکوال) شدند. این اژدر دارای قطر 533 میلی متر، طول 25/8 متر و وزن 2700 کیلوگرم می باشد. نیروی محرکه آن به وسیله راکتی با سوخت جامد تأمین می شود، این اژدر قادر است در عمق 400 متری و حداکثر 12 کیلومتر برد عمل نماید.

سرعت اژدرهای معمولی بین 35 تا 45 نات است و سریع ترین اژدر در پیمان ناتو متعلق به کشور بریتانیا به نام اسپیر فیش است که حداکثر سرعت آن 75 نات است.

این در حالی است که اولین نسل اسکوال به سرعت 200 نات و نوع جدیدتر آن به سرعت 260 نات دست یافته اند. اسکوال اژدری بسیار پر سرو صدا می باشد و شناسایی و رد گیری آن آسان است لیکن سرعت بالای آن، این عیب را جبران می کند زیرا با چنین سرعتی قدرت هر گونه واکنشی از سوی شناورهای دشمن سلب می گردد.

همانگونه که بیشتر اشاره شد، فرایند سوپر کاویتاسیون به وسیله دماغه اژدر انجام می پذیرد بنابر این شکل آن از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

تصور بر این است که دیسکی مدور یا بیضی در دماغه به عنوان ایجاد کننده کاویتاسیون عمل می نماید. این دیسک باعث می شود تا جریان آب دریا از اطراف بدنه اژدر دور شده و حوزه کم فشار در این ناحیه به وجود آید. لبه های این دیسک نیز است تا از نظر هیدرودینامیکی کمترین اغتشاش مرزی بین آب دریا و بخار آب به وجود آید. برای کاهش هر چه بیشتر درگ، این دیسک دارای کمی انحنا می باشد. درست در پشت دیسک کاویتاتور، مجراهای خروجی گاز قرار دارند و قسمتی از گازهای محترفه اگزوز موتور راکت، از طریق این مجراها به داخل حباب محیط بر اژدر، تزریق می شود تا حجم و پایداری آن افزایش یابند.

بدنه این اژدر استوانه ای و در قسمت دماغه مخروطی شکل است. موتور راکت در انتهای آن قرار دارد. راکت اصلی به وسیله هشت راکت کوچکتر که به عنوان استارتر عمل می کنند، احاطه شده است. این راکت های کوچک اژدر را برای آغاز فرایند سوپر کاویتاسیون به سرعت بالا(50 متر در ثانیه) می رسانند و پس از آن راکت اصلی روشن می شود.

در انتهای اژدر، قرقره سیم هدایت و کنترل قرار دارد و سیگنال های الکتریکی توسط زیر دریایی به آن ارسال می شوند. دانشمندان غربی معتقدند که این اژدر بر روی محیط حباب و حول محور خود دارای رقص محوری آرامی می باشد و به طور متناوب با دیواره حباب برخورد می کند و از آن دور می شود. به همین دلیل در حدود 3/2 طول بدنه از دماغه، چهار سازه بالک مانند، تعبیه شده اند که با مکانیزمی فنری در تماس با سطح داخلی حباب قرار دارند و قسمت انتهای اژدر را در حالت تعادل نگه می دارند.

به نظر می رسد این اژدر هنوز در مراحل ابتدایی باشد، چون فقط می تواند در یک مسیر مستقیم حرکت کند. مسأله هدایت این اژدر هنوز در مراحل ابتدایی باشد، چون فقط می تواند در یک مسیر مستقیم حرکت کند. مسأله هدایت این اژدر بغرنج می باشد، چون تنها بخش کوچکی از آن یعنی دماغه یا کاویتاتور با آب در تماس است و هر نوع کوشش برای هدایت و تغییر مسیر آن با استفاده از روش های متعارف، منجر به کاهش حجم حباب و سرعت می گردد.

شواهد، حاکی از آن است که تحقیقات گسترده ای برای هدایت و کنترل این نوع اژدر در حال انجام است تا دقت و قدرت مانور آن افزایش یابد. روش های تحت بررسی عبارتند از استفده از سطوح کنترلی مانند بالک و یا نیروی رانشی برداری شامل نازل های جهت دار، راکت موتور و همچنین کاویتاتوری متحرک، که با تغییر زاویه و جهت نیروی عکس العمل باعث تغییر جهت اژدر گردد. مسأله اصلی در هنگام مانور این است که اژدر همواره در داخل حباب باشد وتغییر جهت اژدر و حباب همزمان صورت گیرد، در غیر این صورت هرگونه انحراف محوری طولی اژدر و حباب باعث برخورد آنها با یکدیگر و کاهش حجم حباب می گردد و در نهایت حباب ار بین می رود. بنابراین هدایت و کنترل اژدر نیازمند یک سیستم کنترلی می باشد.

آمریکا تا کنون توانسته است گلوله های ضد مین سوپر کاویتاسیون را با موفقیت آزمایش نماید. این پرتابه ها در آینده نزدیک در سیستم ضد مین رمیکس مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

عملیات مین روبی معمولا خطرناک و پرهزینه می باشند. لیکن در این سیستم یک توپ 20 میلی متری که در بالگرد مستقر است، گلوله ها را از ارتفاع 350 متری به طرف مین شلیک می کند.

این گلوله ها که بر مبنای پدیده سوپر کاویتاسیون ساخته شده اند و می توانند با سرعت فزاینده ای در عمق بیشتری نفوذ کنند. در حالی که گلوله های متعارف، تنها پس از 1 متر نفوذ در آب، به علت درگ شدید، تاثیر خود را از دست می دهند، این گلوله ها می توانند با سرعت 2300 مایل در ساعت تا عمق 20 متر نفوذ کنند.

مواد واکنشی گلوله ها پس از برخورد و نفوذ آنها در بدنه مین، باعث می شوند تا مواد منفجره مین ها به جای انفجار، بسوزند.

این مرکز همچنین سیستم ضد اژدری مشابه رمیکس را که ناو- پایه می باشد، نیز در دست مطالعه دارد. از دیگر جنگ افزارهای مورد تحقیق نیروی دریایی آمریکا، سیستم AHSUM است که نوعی توپ ضد اژدر با گلوله های سوپر کاویتاسیون است که در زیردریایی و یا زیر خط آبخور ناو مستقر خواهد شد. این توپ که به وسیله سونار هدایت خواهد شد، هم ارز سیستم ناو- پایه ضد موشک فالانکس است که توپی است با قدرت آتش بالا و به وسیله رادار هدایتن می گردد.

از دیگر حوزه های تحقیقاتی مورد علاقه آمریکا، طراحی و ساخت اژدری با سرعت 200 نات است و در زمینه بر خورد با چالش هایی نظیر سیستم پرتاب، هیدرودینامیک، آکوستیک، کنترل، هدایت و نیروی محرکه مناسب برای آن، مطالعات گسترده ای آغاز شده است.







نیروی رانش



اژدرهای سوپر کاویتاسیون کنونی از راکت برای نیروی رانش استفاده می نمایند از اشکالات راکت، برد کم و کاهش بازدهی با افزایش عمق می باشد. اولین مشکل با استفاده از سوخت هایی با چگالی انرژی بالا و دومین با ساخت پروانه سوپر کاویتاسیون قابل حل می باشند. رسیدن به مرحله سوپر کاویتاسیون نیاز به انرژی و توان بسیاری دارد. برای افزایش برد می بایست از سوخت هایی با چگالی انرژی بالا استفاده کرد تا حداکثر نیروی رانش به وجود آید.

با چنین راکت و سوختی می شود به برد چند ده کیلومتر و سرعت 200 متر به ثانیه دست یافت. دانشمندان روسی پس از بررسی سیستم های نیروی محرکه دیزلی، موتور الکتریکی، اتمی و توربین گازی به این نتیجه رسیده اند که توربین گازی و نیروی رانشی جت با سوخت فلزی ( آلومینیوم، منیزیم و یا لیتیوم ) و استفاده از آب دریا به عنوان اکسید کننده وخنک کننده بهترین شیوه است. (آلومینیوم در صورت سوختن 10000 درجه سانتی گراد حرارت تولید می کند).

یکی از روشها برای افزایش عمل اکسیداسیون، ذوب کردن آلومینیوم و استفاده از بخار آب می باشد. حرارت حاصله از این مورد استفاده برای اکسیداسیون را نیز بخار می کند. آنگاه گازهای حاصل از احتراق، توربین متصل به پروانه را به حرکت در می آورند.



آمریکا نیز در حال بررسی نوعی رامجت آبی با سوخت آلومینیوم است. در این روش پودر آلومینیوم به درون گردانی از آب دریا در محفظه احتراق گردابی تزریق می شود. با انجام واکنش شیمیایی اکسیداسیون و تولید حرارت زیاد، آب دریا به بخار پرفشار تبدیل می شود. این بخار از درون نازل رامجت می توان از توربین نیز استفاده نمود، زیرا نیروی بخار آب پرفشار باعث حرکت پره های توربین می گردد. توربین نیز پروانه متصل به آن را می چرخاند.

آزمایش ها نشان داده اند که نیروی رانش پروانه، 20 درصد بیشتر از راکت می باشد و از لحاظ تئوری این مقدار را می توان به دو برابر رساند.

از دیگر روش های موثر استفاده از نیروی محرکه مگنتو هیدرودینامیک می باشد که به وسیله آن می توان از نیروی واکنشی وارد بر آبجت خروجی از نازل، برای رانش اژدر استفاده نمود.





تحقیقات سوپر کاویتاسیون



هدف از پروژه جنگ افزارهای زیر سطحی فوق سریع، افزایش توانایی هدایت، کنترل و مانورپذیری آنها، در عملیات واکنش سریع می باشد. این تلاش ها سرانجام به طراحی سیستم خودکار و مستقل سلاح های زیر سطحی منجر خواهد شد. بدین ترتیب انقلابی در زمینه جنگ های دریایی و عملیات زیر سطحی و سطحی رخ خواهد داد و زمان واکنش نسبت به یک تهدید زیر سطحی از دقایق به ثانیه ها کاهش خواهد یافت.

تحقیقات این گونه پروژه ها عباتند از :

1- فیزیک سوپر کاویتاسیون که شامل محاسبات و آنالیز عددی جریان دو فازی ( مایع – گاز ) می باشد ؛

2- هدایت که به حساسه های آکوستیکی و غیر آکوستیکی، پردازش سریع اطلاعات، فناوری آشیانه یابی؛ هدایت خودکار تا زمان برخورد به هدف و کمیت گذاری نویز مربوط می باشد؛

3- کنترل که عبارت است از کنترل و مانور شناور، پایداری حباب، سوپر کاویتاسیون از لحاظ شکل و حجم، رفتار ناپایدار حباب، ناپایداری در اثر نوسانات شناور در داخل حباب، اندرکنش حباب و گازهای خروجی سیستم رانش، شکل کاویتاتور، افزایش عمل سوپر کاویتاسیون به وسیله هوادهی، سطوح کنترولی و الگوریتم کنترل.

تحقیقات یاد شده نیازمند آنالیز و تحلیل، محاسبات عددی، شبیه سازی، مدل سازی و آزمایش میباشند و در نهایت سیستم های هدایت، کنترل و آشیانه یابی میبایست در یک سیستم یگانه محتمع گردند.



حوت،فناوری ایرانی :



در رزمایش پیامبر اعظم (ص) در سال 85 شاهد آزمایش اژدری بسیار سریع بنام حوت بودیم که توجه همه جهانیان را بخود معطوف کرد به نظر میرسد فناوری استفاده شده در سیستم رانش این اژدر از نوع سوپر کاویتاسیون بوده که توانسته چنین سرعتی را به این اژدر ببخشد با آزمایش این اژدر بود که ایران توانایی فنی وتکنولوژیکی خود را در صنایع نظامی بازدارنده به رخ جهانیان کشید و خود را در زمره کشورهای بهره مند از این فناوری کلیدی قرار داد.





نتیجه گیری :



از لحاظ تئوری، محدودیتی برای سرعت جنگ افزارهای سوپر کاویتاسیون وجود ندارد و ساخت سلاحهای مافوق صوت با حل مسائل تکنیکی در آینده نه چندان دور امکان پذیر میباشد.

می توان تصور کرد که در آینده با ساخت زیردریایی های کوچک سرنشین دار که از زیردریایی مادر جدا میشوند، در زیر آب همانند هواپیماهای جنگنده با یکدیگر به نبرد پرداخته و به سوی یکدیگر گلوله یا موشک پرتاب کنند.

دیگر احتمال ساخت اژدرها دوربرد چندمرحله ای میباشد که به کلاهکهای هسته ای مجهز باشند. این اژدرها میتوانند به ناگهان در نزدیک ساحل از آب خارج شده و به صورت غافلگیرکننده، پیش از اینکه هر گونه سیستم هشداردهنده هوافضایی قادر به شناسایی و درگیری آنها باشند، کلاهک هسته ای خود را بر روی اهداف زمین پرتاب کنند.

از دیگر جنگ افزارهای آینده میتوان به گلوله های سوپر کاویتاسیون اشاره کرد که بر ضد زمین، اژدر، قایق های سریع، هواپیماها و بالگردهای کوتاه پرواز مورد استفاده قرار خواهند گرفت.

همچنین می توان از موشکها و اژدرهای ضدناو و زیردریایی نیز نام برد.

شناورها و جنگ افزارهای سوپر کاویتاسیون در آینده سناریوی جنگ های دریایی را دگرگون خواهند کرد و مسلماٌ کشورهایی که به این فناوری دست پیدا کنند، حاکمان مطلق دریاها خواهند بود.

Re: سوپر کاویتاسیون

ارسال شده: چهارشنبه ۱۳۹۹/۱۱/۸ - ۱۱:۵۲
توسط rohamjpl
کاويتاسيون باعث ايجاد حباب در يک مايع در اثر کاهش فشار آن مايع ميگردد. هر گاه دمای مايع ، در فشار ثابت افزايش و يا فشار آن در دمای ثابت ، کاهش يابد ، در نهايت حالت مايع شروع به تغيير کرده و حبابهای پر شده از بخار آب و يا گاز توليد می گردند . اين حبابها را می توان به عنوان فضاهای خالی در مايع در نظر گرفت ( در زبان انگليسی کاويتی Cavity نام دارند )مقدار اون $K = ( Po - Pv ) / PV²/2 $فشاردر درون حباب = Pv,فشار مطلق مايع = Poسرعت نسبی بين شناور و مايع = Vچگالی مايع = P
علاوه بر موارد بالا، «کاویتاسیون گسترده» (Supercavitation)، پدیده برای افزایش ماکزیمم سرعت استفاده می‌شود. کاویتاسیون گسترده، ، پدیده‌ای است که طی آن حباب‌های بزرگی، تقریبا تمام جسم را پوشانده است. در این شرایط با دور راندن آب از اطراف جسم، «نیروی پسا» (Drag Force) به شدت کاهش می‌یابد.
اگر افت فشار به اندازه کافی بزرگ باشد ، یا اگر درجه حرارت به اندازه کافی زیاد باشد ، ممکن است افت فشار به حدی منجر شود که مایعات در اثر افت فشار محلی به زیر فشار اشباع سیال پمپ شده ، بخار شود. هر حباب بخار حاصل از افت فشار در چشم پروانه در اثر پرش سیال در طول پره های پروانه جاروب می شود. هنگامی که حباب ها وارد منطقه ای می شوند که فشار محلی بیشتر از فشار اشباع دورتر از پروانه است ، حباب های بخار به طور ناگهانی فرو می ریزند. به این روند تشکیل و فروپاشی بعدی حباب های بخار در پمپ ، کاویتاسیون گفته می شود.
تصویر
این اتفاق می افتد که در هوا ، این محلول خطی حتی برای انحرافات نسبتاً بزرگ کاملاً خوب نگه داشته می شود . فقط، زمانی که چیزی حرکت سریعتر از سرعت صوت، به حالت موج خطی به وضوح می تواند مورد استفاده قرار نمی شود برای انتقال داشتیم انرژی، از این رو هر گونه اختلال در سیال به دام افتاده تا زمانی که پویایی کاملا غیرخطی نباشد و شما به یک موج شوک تبدیل نشوید ، این فتق قوی تر می شود .
در مایعات غیرقابل انعطاف مانند آب ، این لزوما به همان روش کار نمی کند. در آب ، پویایی بسیار شدیدتر است ، حتی بسیار کمتر از سرعت صدا. به طور خاص ، شما به راحتی با حباب های حفره پایان خواهید یافت . همانطور که قبلاً گفتم ، این حالت نسبتاً قابل توجهی از حرکت در زیر آب را فراهم می کند ، که کاملاً شبیه هر چیزی نیست که در هوا بگیرید.
، مانع صوتی در زیر آب واقعاً مهم نیست ، زیرا جلوه های غریبه قبل از نزدیک شدن به آن ظاهر می شوند.
با این حال ، اگر بتوانید فتوباسیون های فشار را به اندازه کافی کوچک حتی نزدیک به سرعت صدا نگه دارید ، هنوز مهم خواهد بود. در واقع، این است و برای هر حرکت مافوق صوت در زیر آب، اگر شما در آن در مقیاس بزرگ به اندازه کافی است. به عنوان مثال ، برخورد یک سیارک به اقیانوس بدون شک باعث ایجاد یک مخروط صوتی کاملاً مشابه آنچه که توسط هواپیماهای مافوق صوت تولید می شود ، می شود.
از طرف دیگر "کاویتاسیون" کاهش محلی فشار در مایع ، در (تقریبا) دمای ثابت است. همانند جوشیدن ، مقداری از مایع هنگام فشار مایع با فشار بخار بخار می شود ، اما بخار نمی تواند از هر جایی خارج شود زیرا مایع اطراف آن فشار بیشتری دارد. اگر یک حباب بخار در مایع شروع به حرکت کند ، خیلی زود به جایی می رسد که فشار مایع بالاتر است و دوباره در مایع فرو می ریزد.
امواج فشار ناگهانی در مایع ، که هنگام ریزش حباب ایجاد می شود ، می تواند به اجزای فلزی مانند پروانه ، توربین آب و غیره آسیب برساند.
یک واقعیت کوچک: میگوهای تپانچه می توانند حباب های کاویتاسیون سونولومینسنت ایجاد کنند که تا 5000 K (4700 درجه سانتیگراد) می رسند که بلندی آنها به 218 دسی بل می رسد و مانع صوتی آب را می شکند.
آب ، در دمای اقیانوس ، تقریباً غیرقابل فشرده است . جسم متحرک اساساً به جای لمس مستقیم آب ، از طریق ابر بخار در حال حرکت است.
در طراحی مشخصات و شکل جسم ، باید کارآمدترین روش تبدیل آب مایع به بخار را در نظر بگیرید.
، در لبه جلوی جسم در حال حرکت. با گسترش حباب بخار ، جسم از طریق خلا object ایجاد شده توسط بخار منبسط شده شروع به حرکت می کند.
سپس جسم متحرک توسط حباب بخار ایجاد شده در لبه جلوی آن محاصره می شود زیرا از حباب منبسط شده سریعتر از آب اطراف آن می تواند بخار را خنک کرده و به حالت مایع بازگرداند. که به جسم در حال حرکت اجازه می دهد تا در واقع به جای آب مایع از طریق بخار حرکت کند.
تصویر
.تصویر
اگر پیوستگی ، سرعت نامحدود صدا ، بدون گرانروی و جریان آرام را فرض کنیم ، کلید در معادله برنولی است. به طور کلی تغییر فشار بسیار پیچیده است ، اما برای دستیابی به ایده هایی در مورد نحوه کار می توان تغییر فشار را یک سیستم بسیار ساده در نظر گرفت که می تواند به صورت تحلیلی محاسبه شود.
من به این سیستم ساده رسیدبیایید بگوییم در جایی از آب دور از سطح ، ناگهان حباب کاویتاسیون به شعاع R با فشار P0 − ΔP تولید می شود. در جایی که P0 فشار اتمسفر است ، فرض کنیم مقیاس سیستمی که ما با آن بازی می کنیم به اندازه کافی کوچک است که فشار آب بدون مزاحمت در هر نقطه برابر با فشار جو است. به دلیل افت فشار ، آب شروع به حرکت شعاعی می کند تا حباب را پر کنید همانطور که در تصویر نشان داده شده است. اگر جریان ادامه داشته باشد و به صورت لایه ای باشد ، ما دارای شار نسبی زیر هستیم$v 4\pi r^2= constant $,$v=\frac{C}{r^2} $برنولی اعمال شود $ P_0=P(r)+\frac{1}{2}\rho v^2=P(r)+\frac{1}{2}\rho \frac{C^2}{r^4}$زیرا v = 0 در نقطه ای دور از حباب است. شرط مرزی در r = R می دهد$P_0=(P_0-\Delta P)+\frac{1}{2}\rho \frac{C^2}{R^4} $و$$P(r)=P_0+\Delta P \frac{R^4}{r^4}همانطور که انتظار می رود r → ∞ ، P (r) P0. بنابراین هرچه از منبع اختلال دورتر می شویم ، تغییر فشار محو می شود.
در یک حالت کلی تر که هنوز فرضیات فوق وجود دارد ، مشخصات سرعت جریان معادل معادله ما (1) کاملاً پیچیده است. معادله (1) را می توان با یک معادله شار عمومی جایگزین کرد که در امتداد یک جریان ساده نگه داشته می شود
vA = ثابت ..................................
که در آن A سطح مقطع یک بخش ساده است. خطوط جریان ساده جریان ناشی از جسم در حال حرکت به این شکل است می توانیم معادله را به عنوان معادله ای که در قاب جسم در حال حرکت است ، ، در ابتدا خطوط جریان به طور یکنواخت از هم جدا شده اند. اجازه دهید سطح مقطع هر برش از بخش خط جریان را A0 نشان دهیم ، از اینجا می دانیم که اگر سطح مقطع یک بخش خط جریان برابر با A0 باشد فشار آن بدون تغییر یا P0 است. می توانیم ببینیم که خطوط جریان نزدیک جسم چگال تر هستند ، به این معنی که سطح مقطع آنها کوچکتر از A0 است. بنابراین از معادله که نوشتم متوجه می شویم که آب در آنجا با سرعت بیشتری حرکت می کند و معادله برنولی می گوید فشار آنجا کمتر از P0 است. همانطور که عمود بر جریان حرکت می کنیم ، از جسم در حال حرکت سطح مقطع خطوط جریان بیشتر و بیشتر شبیه ناحیه بدون مزاحم می شود و فشار در آنجا نیز افزایش می یابد. بنابراین می تواند توضیح دهد که چگونه اختلال فشار بیش از فاصله از منبع کاهش می یابد.تصویر
حفره یک پدیده فیزیکی است که در آن تغییر فاز شدید ناشی از کاهش فشار جزئی مایع در زیر فشار اشباع بخار است. ایجاد حفره در فرآیندهای صنعتی اغلب اثرات سوئی دارد. به عنوان مثال ، کاویتاسیون نه تنها باعث فرسایش ، سر و صدا و لرزش در انواع ماشین آلات سیال مانند پره های پروانه ، پمپ ها و توربین ها می شود ، بلکه باعث کاهش کارایی میکسر ونتوری می شود . کاویتاسیون در فرآیندهای مختلف کاویتاسیون آشکار می شود. طول حفره و فشار میدان جریان شاخص های مهمی برای توصیف فرآیندهای کاویتاسیون هستند که عمدتا مناطق کاویتاسیون و بی ثباتی را منعکس می کنند. بنابراین ، با تنظیم طول حفره و فشار میدان جریان ، می توان به طور مثر اثرات سو را مهار کرد و اثرات مثبت حفره را تقویت کرد.
شماره حفره پارامتر مهمی برای توصیفماره حفره پارامتر مهمی برای توصیف حالت جریان فرایند حفره سازی است. ، تعداد حفره است از گلو بخش سرعت جریان تشکیل V هفتم ، چگالی آب ρ L ، فشار بخار اشباع از درجه حرارت آب ص گرم ، و فشار خروجی ص خارج . در این مقاله ، شرایط جریان مربوطه با شماره حفره σ شرح داده شده است ، همانطور که در معادله معادل بیان شده است. ( 1 ):$\sigma { = }\frac{{p_{out} - p_{g} }}{{\frac{1}{2}\rho_{l} v_{th}^{2} }} $
نوسان طول حفره عمدتا به دلیل ریزش حفره ابر ایجاد می شود. دو نوع مکانیسم ، یعنی جریان ورودی مجدد و موج شوک فشار ، منجر به ریزش حفره ابر می شود. از نظر حفره خارجی که توسط یک موج فشار هدایت می شود ، که موج فشار باعث جدا شدن حفره ابر می شود. از آنجا که نسبت طول حفره به طول وتر هیدروفیل بیشتر از 0.5 است ، دم حفره به شدت نوسان می کند ، که موجی فشار قوی ایجاد می کند که در بالادست منتشر می شود و حفره متصل شده را از قسمت گلو جدا می کند. در مورد حفره داخلی که توسط جریان ورودی مجدد هدایت می شود ، تغییر شکل شناسی حفره ابر را شبیه سازی کرده و دریافت که جریان ورودی مجدد در منطقه نزدیک دیواره رخ می دهد ، که جریان ورودی مجدد حفره متصل را شکسته و در نتیجه باعث ریختن حفره ابر می شود. نوسانات دوره ای در طول حفره که توسط جریان ورودی مجدد ایجاد می شود ، مباحث بیشتر در حد ارشد هست