تعیین ماتریس جرم افزوده‌ کشتی ‌هوایی با استفاده از روش المان مرزی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• علی جعفریان ¹
• سید محمدرضا علوی طباطبایی ¹
• سعید شاخصی ²

¹ مهندسی مکانیک، پژوهشگاه فضایی ایران

² مهندسی مکانیک پژوهشگاه فضایی ایران

10.22067/jacsm.2022.71335.1040

چکیده

در مقاله‌ حاضر ماتریس جرم افزوده‌ کشتی هوایی با استفاده از روش المان مرزی تعیین شده‌است. گسسته‌سازی معادلات حاکم بر روی شبکۀ مثلثی بر روی سطح جسم انجام شده‌است. شبکۀ محاسباتی بر روی سطح جسم با استفاده از نرم‌افزار گمبیت ایجاد شده و به‌صورت ورودی در کد المان مرزی نوشته شده به زبان فرترن به‌کار گرفته شده‌است. ابتدا به‌منظور صحه‌سنجی کد المان مرزی، ماتریس جرم افزوده‌ برای هندسه‌های متداول مانند کره و بیضی‌گون با نسبت قطر بزرگ به قطر کوچک 2 و 85/3 انجام شده‌است. نتایج حاصل از شبیه‌سازی المان مرزی کاملاً با مقادیر به‌دست آمده از حل تحلیلی تطابق دارند. سپس ماتریس جرم افزوده برای بدنۀ کشتی هوایی با دو پروفیل NPL و GNVR که از پرکاربردترین پروفیل‌ها در بدنۀ کشتی‌های هوایی است محاسبه شده‌است. در نهایت هندسۀ کامل کشتی هوایی به همراه مجموعۀ دم و سبد، با استفاده از دو پروفیل مختلف بدنه شبکه‌بندی شده‌است و ماتریس جرم افزوده برای کشتی هوایی در دو حالت به‌دست آمده‌است.

کلیدواژه‌ها

• کشتی هوایی
• روش المان مرزی
• جرم افزوده

20.1001.1.2008918.1401.34.2.2.5

موضوعات

• آئرودینامیک

---

عنوان مقاله [English]

Calculating the Added Mass Matrix of an Airship Using Boundary Element Method

نویسندگان [English]

• Ali Jafarian ¹
• Sayed Mohammadreza Alavi Tabatabaei ¹
• Saeed Shakhesi ²

¹ Iranian Space Research Center, Tehran, Iran.

² Iranian Space Research Center, Tehran, Iran.

چکیده [English]

In this paper the boundary element method is used to calculate the added mass matrix of an airship. Here, the governing equations are desecrated on the triangular computational cells on the surface of the airship geometry. The computational grid cells are generated on the surface of the body using the Gambit software and inserted to the BEM Fortran code. First, in order to validate the numerical code, the added mass of a sphere and ellipsoid with two different fineness ratio (a/b=2, 3.85) is obtained and the results are compared with the analytical results. The BEM results are in a very good agreement with the analytical results. Then the BEM code is used to calculate the envelope added mass matrix with NPL and GNVR body profile which are two common body profiles in airships. Finally, the simulation is conducted for the whole airship with fins and gondola and the added mass matrix is obtained for two envelope profiles.

کلیدواژه‌ها [English]

• Airship
• Boundary Element Method
• Added Mass

مراجع

1. Liao, L., and Pasternak, I., "A Review of Airship Structural Research and Development", Progress in Aerospace Sciences, Vol. 45, No. 4-5, Pp. 83-96, (2009).

   2. Li, Y., Nahon, M., and Sharf, I., "Airship Dynamics Modeling: A Literature Review", Progress in aerospace sciences, Vol. 47, No. 3, Pp. 217-39, (2011).
   3. Banerjee, P. K. and Butterfield, R., "Boundary Element Methods in Engineering Science", McGraw-Hill London, Vol. 17: (1981).
   4. Au, M., and Brebbia, C., "Numerical Prediction of Wave Forces Using the Boundary Element Method", Applied Mathematical Modelling, Vol. 6, No. 4, Pp. 218-28, (1982).
   5. Choi, Y. R., Hong, S. Y., and Choi, H. S., "An Analysis of Second-Order Wave Forces on Floating Bodies by Using a Higher-Order Boundary Element Method", Ocean Engineering, Vol. 28, No. 1, Pp. 117-38, (2001).
   6. Zhou, Z., Lo, E. Y., and Tan, S., "Effect of Shallow and Narrow Water on Added Mass of Cylinders with Various Cross-Sectional Shapes", Ocean engineering, Vol. 32, No. 10, Pp. 1199-215, (2005).
   7. Lin, Z., and Liao, S., "Calculation of Added Mass Coefficients of 3d Complicated Underwater Bodies by Fmbem", Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, Vol. 16, No. 1, Pp. 187-94, (2011).
   8. Ghassemi, H., and Yari, E., "The Added Mass Coefficient Computation of Sphere, Ellipsoid and Marine Propellers Using Boundary Element Method", Polish Maritime Research, Vol. 18, No. 1, Pp. 17-26, (2011).
   9. Mirzaei, D., Jafarian, A., Badri, M. A., and Zamani, M. R., "Evaluation of Added Mass for an Underwater Vehicle Using Boundary Element Method", Tabriz Journal of Mechanical Engineering, Vol. 47, No. 3, Pp. 243-50, (2017).
   10. Gomes, S. B. V., "An investigation into the flight dynamics of airships with application to the YEZ-2A", PhD diss., Cranfield University, (1990).
   11. Gomes, S. B. V., and Ramos, J. G., "Airship Dynamic Modeling for Autonomous Operation", Paper presented at the Proceedings, 1998 IEEE International Conference on Robotics and Automation (Cat. No. 98CH36146), (1998).
   12. Li, Y., Nahon, M., and Sharf, I., "Dynamics Modeling and Simulation of Flexible Airships", AIAA journal, Vol. 47, No. 3, Pp. 592-605, (2009).
   13. H. Lamb, "Hydrodynamics", Reprint of the 1932 sixth edition, Cambridge University Press, Cambridge, (1993)
   14. Mueller, J., Paluszek, M., and Zhao, Y., "Development of an Aerodynamic Model and Control Law Design for a High Altitude Airship", AIAA 3^rd Unmanned Unlimited Technical Conference, Workshop and Exhibit, (2004).
   15. Azouz, N., Chaabani, S., Lerbet, J., and Abichou, A., "Computation of the Added Masses of an Unconventional Airship", Journal of Applied Mathematics, Vol. 2012, Article ID 714627, Pp.19 , (2012).
   16. Tuveri, M., Ceruti, A., Persiani, F., and Marzocca, P., "A Mesh Based Approach for Unconventional Unmanned Airship Added Masses Computation", SAE Technical Paper, (2013).
   17. Tuveri, M., Ceruti, A., and Marzocca, P., "Added Masses Computation for Unconventional Airships and Aerostats through Geometric Shape Evaluation and Meshing", International Journal of Aeronautical and Space Sciences,Vol. 15, No. 3, Pp. 241-57, (2014).
   18. Kanikdale, T., Marathe, A., and Pant, R., "Multi-Disciplinary Optimization of Airship Envelope Shape", 10^th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference, (2004).
   19. Currie IG., "Fundamental mechanics of fluids", CRC press, (2016).