Effects and Mechanisms of Blade Perforation on the Cavitating Flow and Induced Noise of a Symmetric Propeller
यह अध्ययन संख्यात्मक सिमुलेशनों का उपयोग करके यह प्रदर्शित करता है कि एक सममित प्रोपेलर पर ब्लेड छिद्रण (परफोरशन) एक स्थिर जेट के निर्माण के माध्यम से कैविटी विकास को बाधित करके कैविटेशन वॉल्यूम को प्रभावी ढंग से दबा देता है और दूर-क्षेत्र विकिरणित शोर (फार-फील्ड रेडिएटेड नॉइज़) को 17 dB तक कम कर देता है, हालांकि इसके लिए प्रणोदन दक्षता में 11.8% की कमी का त्याग करना पड़ता है।
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गहरे समुद्र में, सन्नाटा एक कवच का रूप होता है। पनडुब्बियों और पानी के नीचे चलने वाले वाहनों के लिए, बिना शोर किए चलने की क्षमता उतनी ही महत्वपूर्ण है जितनी कि चलने की क्षमता। इन जहाजों में अनचाहे शोर का प्राथमिक स्रोत प्रोपेलर है, जो वह घूमने वाला उपकरण है जो जहाज को आगे धकेलता है। जैसे ही प्रोपलर का ब्लेड पानी को काटता है, यह अत्यंत कम दबाव वाले क्षेत्र बनाता है। जब दबाव बहुत कम हो जाता है, तो पानी खुद उबलने लगता है, जिससे तापमान ठंडा रहने के बावजूद वाष्प के छोटे बुलबुले बनने लगते हैं। इस घटना को 'कैविटेशन' (cavitation) कहा जाता है। ये बुलबुले अस्थिर होते हैं; वे तेजी से बढ़ते हैं और फिर हिंसक रूप से ढह जाते हैं, जिससे शॉकवेव्स (shockwaves) पैदा होती हैं जो पानी के माध्यम से तेज शोर के रूप में यात्रा करती हैं और प्रोपेलर के धातु को कंपन करने तथा अंततः घिसने का कारण बनती हैं। इंजीनियरों के लिए चुनौती लंबे समय से यह रही है कि इस उबाल और इसके परिणामस्वरूप होने वाले शोर को बिना जहाज को चलाने के लिए आवश्यक शक्ति से समझौता किए कैसे रोका जाए।
हुआजोंग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी और नेवल यूनिवर्सिटी ऑफ इंजीनियरिंग, चीन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस जटिल समस्या के लिए एक आश्चर्यजनक रूप से सरल समाधान खोजा है: प्रोपेलर ब्लेड में छेद करना। पूरे ब्लेड को नया आकार देने या जटिल चलते हुए पुर्जे जोड़ने के बजाय, उन्होंने इस बात की जांच की कि धातु में छोटे, स्थायी छेद करने से क्या होता है, जो ब्लेड के उच्च-दबाव वाले हिस्से को निम्न-दबाव वाले हिस्से से जोड़ते हैं। पानी और वाष्प के अराजक व्यवहार की नकल करने वाले शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने इन छेदों के विभिन्न आकार, संख्या और स्थानों का परीक्षण किया। उनका कार्य यह प्रकट करता है कि यह सरल संशोधन बुलबुलों के निर्माण और उनके द्वारा उत्पन्न शोर को काफी कम कर सकता है, हालांकि इसके साथ दक्षता में थोड़ी कमी आती है।
शोधकर्ताओं ने एक मानक तीन-ब्लेड वाले प्रोपेलर पर ध्यान केंद्रित किया, जो पानी के नीचे चलने वाले वाहनों के लिए एक सामान्य डिजाइन है। उन्होंने प्रोपेलर का एक विस्तृत डिजिटल मॉडल बनाया और उसके चारों ओर बहते पानी का मॉडल तैयार किया, जिसमें पानी के वाष्प में बदलने और वापस आने की प्रक्रिया को ट्रैक करने के लिए उन्नत गणित का उपयोग किया गया। अपने कंप्यूटर मॉडल को सटीक बनाने के लिए, उन्होंने पहले अपने परिणामों की तुलना वाटर टनल में किए गए वास्तविक प्रयोगों से की, जिससे यह पुष्टि हुई कि उनके सिमुलेशन यह सही ढंग से अनुमान लगा सकते हैं कि प्रोपेलर कितना थ्रस्ट (thrust) उत्पन्न करता है और कितना शोर करता है। एक बार मॉडल के मान्य होने के बाद, उन्होंने नौ अलग-अलग संस्करणों का परीक्षण किया, जिनमें से प्रत्येक में छेदों का एक अनूठा पैटर्न था। उन्होंने छेदों के व्यास, प्रत्येक ब्लेड पर छेदों की संख्या और ब्लेड पर छेदों के स्थान में बदलाव किया।
इन परीक्षणों के परिणाम चौंकाने वाले थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि छेदों का आकार और छेदों की कुल संख्या वाष्प के निर्माण को नियंत्रित करने में सबसे महत्वपूर्ण कारक थे। एक विशिष्ट विन्यास (configuration), जिसे उन्होंने इष्टतम डिजाइन के रूप में पहचाना, ने एक मानक, ठोस ब्लेड की तुलना में वाष्प के बुलबुलों की कुल मात्रा को लगभग 88 प्रतिशत तक कम कर दिया। बुलबुलों में इस भारी कमी का सीधा असर प्रोपेलर के शांत होने पर पड़ा। पानी में उत्सर्जित होने वाला कुल शोर लगभग 17 डेसिबल कम हो गया, जो एक महत्वपूर्ण कमी है जो जहाज को पता लगाने में बहुत कठिन बना देगी। हालांकि, यह सुधार मुफ्त नहीं था। छिद्रित प्रोपेलर को घुमाने के लिए थोड़ी अधिक शक्ति की आवश्यकता थी, और गति में बदलने के लिए उस शक्ति को उपयोग करने की इसकी समग्र दक्षता लगभग 12 प्रतिशत कम हो गई। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि जबकि छेदों ने पानी के उबाल और उसके परिणामस्वरूप होने वाले शोर को सफलतापूर्वक दबा दिया, लेकिन वे ऐसा ब्लेड के ऊपर से बहने वाले पानी के प्रवाह को बदलकर करते हैं, जिससे थोड़ा ड्रैग (drag) उत्पन्न होता है।
यह समझने के लिए कि छेद क्यों काम कर रहे थे, शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन के भीतर अदृश्य धाराओं का बारीकी से निरीक्षण किया। एक सामान्य प्रोपेलर में, ब्लेड के पीछे का पानी (सक्शन साइड) बहुत कम दबाव में होता है, जिसके कारण पानी उबलने लगता है और बुलबुलों की एक बड़ी चादर बन जाती है। छेद एक सेतु (bridge) के रूप में कार्य करते हैं, जिससे ब्लेड के सामने वाले हिस्से से उच्च-दबाव वाला पानी पीछे की ओर तेजी से प्रवाहित होता है। यह ब्लेड के निम्न-दबाव वाले हिस्से पर छेदों से निकलने वाली पानी की एक स्थिर, केंद्रित जेट (jet) बनाता है। यह जेट उस क्षेत्र से टकराता है जहाँ आमतौर पर बुलबुले बनते हैं, जिससे दबाव इतना बढ़ जाता है कि पानी उबलना बंद कर देता है। इसके अलावा, यह पानी की जेट उस बड़े, निरंतर बुलबुलों के समूह को तोड़ देती है जो आमतौर पर ब्लेड पर बनता है, जिससे इसे छोटे, कम ऊर्जावान टुकड़ों में विभाजित किया जा सके जो शोर पैदा करने वाले शॉकवेव्स के बजाय शांति से ढह जाएं।
अध्ययन ने यह भी जांचा कि इन परिवर्तनों ने प्रोपेलर के कंपन पैदा करने वाले दबाव के उतार-चढ़ाव को कैसे प्रभावित किया। एक बिना छेद वाले प्रोपेलर में, बुलबुलों के बनने और ढहने के कारण ब्लेड की सतह पर दबाव बहुत तेजी से बदलता है, जिससे एक लयबद्ध, धड़कने वाला बल पैदा होता है। छेदों के साथ, ये हिंसक उतार-चढ़ाव सुचारू हो जाते हैं। ब्लेड पर दबाव अधिक स्थिर हो जाता है, जिसका अर्थ है कम कंपन और पानी में कम शोर। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि छेद ब्लेड के मध्य भाग में सबसे अधिक सहायक रहे, लेकिन ब्लेड के सिरे (tip) के पास उनका प्रभाव थोड़ा अलग था, जहाँ पानी का जटिल भंवर जिसे 'टिप वोर्टेक्स' (tip vortex) कहा जाता है, जेट के साथ हस्तक्षेप करता है। इसके बावजूद, शोर और कंपन में समग्र कमी बहुत गहरी थी।
निष्कर्ष इंजीनियरों के सामने एक स्पष्ट तस्वीर पेश करते हैं कि उन्हें किस तरह के समझौते (trade-off) का प्रबंधन करना होगा। छिद्रित प्रोपेलर एक पूर्ण समाधान नहीं है जो बिना किसी परिणाम के सब कुछ ठीक कर देता है। यह शांत संचालन और कम कंपन का भारी लाभ प्राप्त करने के लिए अपनी ड्राइविंग शक्ति का एक हिस्सा त्याग देता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि सबसे अच्छा दृष्टिकोण केवल कहीं भी छेद करना नहीं है, बल्कि शांत संचालन की आवश्यकता और कुशल गति की आवश्यकता के बीच संतुलन बनाने के लिए छेदों के आकार और संख्या को सावधानीपूर्वक चुनना है। इन छोटे छिदों के माध्यम से पानी के प्रवाह को ठीक से समझकर, डिजाइनर अब ऐसे प्रोपेलर बना सकते हैं जो काफी शांत हों, जिससे बिना किसी पूर्ण पुनर्गठन के पानी के नीचे चलने वाले वाहनों को बहुत अधिक गुप्त (stealthy) बनाया जा सकता है। यह कार्य दर्शाता है कि कभी-कभी, एक शक्तिशाली तरल पदार्थ को नियंत्रित करने का सबसे प्रभावी तरीका उसे रोकना नहीं, बल्कि उसे गुजरने देना है।
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