احسان بهمیاری

پروانه های شکافنده سطح (SPP ) جهت دستیابی به سرعت های بالا در شناورهای تندرو استفاده می شود. این پروانه ها در حالت نیمه مغروق و در محیط دوفازی آب و هوا فعالیت می کنند. پره های این پروانه دائما در آب فرو رفته و از آب بیرون می آید و در نتیجه تنش و جابجایی ناشی از بار سیکلی را تجربه می کنند. در این رساله، تأثیر سیال بر سازه (FSI ) و انتشار ترک پروانه های SPP مورد بررسی قرار گرفته است. مطالعه تأثیر سیال بر سازه در چهار نسبت مغروقیت 30%، 50%، 70% و 90% تحت ضریب پیشروی کم و زیاد انجام شده است. کوپل معادلات ناویر استوکس رینولدز متوسط (RANS ) و تئوری الاستیسیته برای شبیه سازی دینامیک سیال و تغییر شکل سازه در نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی STAR-CCM+ استفاده شده است. تحلیل در پنج موقعیت قرارگیری پره بعد از چند دور چرخش پروانه انجام شده است. مطالعه رشد ترک و خستگی چرخه بالا در پروانه بصورت عددی و با استفاده از روش المان محدود انجام شده است. بار سیکلی ناشی از فشار هیدرودینامیکی روی پره با استفاده از شبیه سازی جریان اطراف پروانه در نرم افزار STAR-CCM+ محاسبه شده است. ترک اولیه در نزدیکی ریشه پره فرض شده است و عمر خستگی با استفاده از معادله پاریس- اردوغان محاسبه شده است. نتایج نشان می دهد که در ضریب پیشروی 0.4، نسبت مغروقیت بالا، گشتاور، نیروی پیشرانه، راندمان، ماکزیمم جابجایی و ماکزیمم تنش را افزایش می دهد. هنگامی که ضریب پیشروی یک است، راندمان، ماکزیمم جابجایی و ماکزیمم تنش در نسبت مغروقیت 50% به بالا ثابت باقی می ماند. ماکزیمم جابجایی در نوک پره رخ می دهد در حالی که ماکزیمم تنش در ریشه پره و در نزدیکی لبه فرار رخ می دهد. بیشترین تغییرشکل پره هنگامی رخ می دهد که پره وارد آب شده، بر سطح آب عمود شده و خارج می شود. جریان دوفازی اطراف پره جابجایی آن را افزایش می دهد. رشد ترک در 13 مرحله با استفاده از قانون مکانیک شکست الاستیک خطی و با مدل کانتورانتگرال انجام شده است. ترک نزدیک ریشه پره عمر کمتری را دارد. همچنین تاریخچه زمانی ماکزیمم بازشدگی دهانه ترک (CMOD ) و مولفه های تنش در نوک ترک به مدت زمان برهمکنش پره و آب بستگی دارد و زمانی که پره از آب بیرون می آید به شدت کاهش می یابد.