ديناميكيات التموج

في ديناميكا الموائع ، يشير مصطلح "slosh" إلى حركة السائل داخل جسم آخر (والذي عادة ما يكون هو الآخر في حالة حركة).

بالمعنى الدقيق، يجب أن يمتلك السائل سطحًا حرًا ليُشكّل مشكلة ديناميكية تموج ، حيث يمكن لديناميكيات السائل أن تتفاعل مع الحاوية لتغيير ديناميكيات النظام بشكل ملحوظ. ^{[ 1 ]} تشمل الأمثلة المهمة تموج الوقود في خزانات المركبات الفضائية والصواريخ (خاصة المراحل العليا)، وتأثير السطح الحر (تموج الشحنة) في السفن والشاحنات التي تنقل السوائل (مثل النفط والبنزين). مع ذلك، أصبح من الشائع الإشارة إلى حركة السائل في خزان مملوء بالكامل، أي بدون سطح حر، باسم "تموج الوقود".

تتميز هذه الحركة بـ" موجات القصور الذاتي "، وقد تُشكل تأثيرًا هامًا في ديناميكيات المركبات الفضائية الدوارة. وقد تم اشتقاق علاقات رياضية وتجريبية واسعة النطاق لوصف تموج السوائل. ^{[ 2 ] [ 3 ]} تُجرى هذه الأنواع من التحليلات عادةً باستخدام ديناميكيات الموائع الحسابية وطرق العناصر المحدودة لحل مشكلة تفاعل المائع مع الهيكل ، خاصةً إذا كان الوعاء الصلب مرنًا. تشمل معلمات ديناميكيات الموائع غير البُعدية ذات الصلة: عدد بوند ، وعدد ويبر ، وعدد رينولدز .

يُعدّ التموج تأثيرًا مهمًا للمركبات الفضائية، ^{[ 4 ]} والسفن، ^{[ 3 ]} وبعض المركبات البرية وبعض الطائرات . وكان التموج عاملًا في خلل رحلة الاختبار الثانية لصاروخ فالكون ، كما تم ربطه بالعديد من حالات الشذوذ الأخرى في المركبات الفضائية، بما في ذلك كارثة وشيكة ^{[ 5 ]} مع قمر نير شومايكر الصناعي ( NEAR Shoemaker ) المخصص للقاء الكويكبات القريبة من الأرض.

يُعدّ تموج السائل في بيئة انعدام الجاذبية ^{[ 6 ] [ 7 ]} ذا أهمية بالغة للمركبات الفضائية، وخاصة الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض ، ويجب مراعاة التوتر السطحي للسائل الذي يُمكن أن يُغيّر شكل (وبالتالي القيم الذاتية ) كتلة السائل. عادةً، يُشكّل الوقود السائل جزءًا كبيرًا من كتلة القمر الصناعي عند بداية عمره التشغيلي أو بالقرب منها، وقد يُؤثّر التموج سلبًا على أداء القمر الصناعي بعدة طرق. على سبيل المثال، يُمكن أن يُؤدّي تموج الوقود إلى عدم دقة في توجيه المركبة الفضائية، وهو ما يُعرف غالبًا بالارتعاش . كما يُمكن أن تُسبّب ظواهر مماثلة تذبذبًا غير منتظم ، وقد تُؤدّي إلى انهيار هيكلي للمركبة الفضائية.

مثال آخر هو التفاعل الإشكالي مع نظام التحكم في وضعية المركبة الفضائية، لا سيما بالنسبة للأقمار الصناعية الدوارة ^{[ 8 ]} التي قد تعاني من رنين بين التموج والتذبذب ، أو تغيرات سلبية في عزم القصور الذاتي الدوراني . ونظرًا لهذه المخاطر ، أجرت وكالة ناسا في ستينيات القرن الماضي دراسات مكثفة ^{[ 9 ]} حول تموج السوائل في خزانات المركبات الفضائية، وفي تسعينيات القرن نفسه، أجرت تجربة ديناميكيات انعدام الجاذبية في الطابق الأوسط ^{[ 10 ]} على متن مكوك الفضاء . وقد طورت وكالة الفضاء الأوروبية هذه الدراسات ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} بإطلاق القمر الصناعي SLOSHSAT . ومنذ عام 1980، تم اختبار معظم المركبات الفضائية الدوارة في برج السقوط التابع لمختبرات الديناميكيات التطبيقية باستخدام نماذج مصغرة. ^{[ 15 ]} كما قدم معهد أبحاث الجنوب الغربي مساهمات واسعة النطاق [ 16 ^{] ، لكن} البحث منتشر على نطاق واسع ^{[ 17 ]} في الأوساط الأكاديمية والصناعية.

تتواصل الأبحاث حول تأثيرات التموج على خزانات الوقود في الفضاء . في أكتوبر 2009، أجرت القوات الجوية الأمريكية وتحالف الإطلاق الموحد (ULA) تجربة عملية في المدار على المرحلة العلوية المعدلة من صاروخ سنتور، وذلك ضمن إطلاق القمر الصناعي DMSP-18، بهدف تحسين فهم "ترسب الوقود وتموجهه". "سمح الوزن الخفيف للقمر الصناعي DMSP-18 باستخدام 5400 كيلوغرام (12000 رطل) من وقود ثاني أكسيد الأكسجين (LO2 ₎ والهيدروجين السائل (LH2 ₎ ، أي ما يعادل 28% من سعة سنتور"، لإجراء الاختبارات في المدار. استمرت فترة تمديد المهمة بعد إطلاق المركبة الفضائية 2.4 ساعة قبل تنفيذ عملية الاحتراق المخطط لها لإخراجها من المدار . ^{[ 18 ]}  

يعمل برنامج خدمات الإطلاق التابع لناسا على تجربتين مستمرتين في ديناميكيات السوائل المتذبذبة مع شركاء: CRYOTE و SPHERES -Slosh. ^{[ 19 ]} تخطط شركة ULA لإجراء عروض توضيحية إضافية صغيرة النطاق لإدارة السوائل المبردة ضمن مشروع CRYOTE في الفترة 2012-2014 ^{[ 20 ]} ، مما سيؤدي إلى اختبار واسع النطاق لمستودع وقود الأقمار الصناعية المبردة التابع لشركة ULA ضمن برنامج ناسا الرائد للعروض التوضيحية التكنولوجية في عام 2015. ^{[ 20 ]} سيدرس مشروع SPHERES-Slosh، بالتعاون مع معهد فلوريدا للتكنولوجيا ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، كيفية تحرك السوائل داخل الحاويات في بيئة انعدام الجاذبية باستخدام منصة اختبار SPHERES على متن محطة الفضاء الدولية .

يؤثر تموج السوائل بشكل كبير على ديناميكيات التوجيه وأداء السلامة لمركبات نقل السوائل على الطرق السريعة بطريقة سلبية للغاية. ^{[ 21 ]} تقلل القوى والعزوم الهيدروديناميكية الناتجة عن تذبذبات حمولة السائل في الخزان أثناء مناورات التوجيه و/أو الكبح من حد الاستقرار والتحكم في مركبات نقل السوائل المملوءة جزئيًا. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} تُستخدم أجهزة منع التموج، مثل الحواجز، على نطاق واسع للحد من تأثير تموج السوائل السلبي على أداء التوجيه واستقرار مركبات نقل السوائل، وذلك لمنع حركة الحمولة التي تُزعزع استقرار المركبة والمعروفة باسم "تأثير الموجة". ^{[ 25 ]} نظرًا لأن شاحنات نقل السوائل تحمل في أغلب الأحيان سوائل خطرة مثل الأمونيا والبنزين وزيوت الوقود، فإن استقرار مركبات نقل السوائل المملوءة جزئيًا يُعد أمرًا بالغ الأهمية. وقد أُجريت تحسينات وتقنيات للحد من التموج في خزانات الوقود، مثل الخزانات الإهليلجية والمستطيلة والبيضاوية المعدلة والخزانات ذات الشكل العام، عند مستويات تعبئة مختلفة باستخدام التحليلات العددية والتحليلية والقياسية. تركز معظم هذه الدراسات على تأثيرات الحواجز على التموج، بينما يتم تجاهل تأثير المقطع العرضي تمامًا. ^{[ 26 ]}

تستخدم سيارة مشروع بلودهاوند إل إس آر التي تبلغ سرعتها 1000  ميل في الساعة صاروخًا يعمل بالوقود السائل، ويتطلب ذلك خزان مؤكسد مزود بحواجز خاصة لمنع عدم الاستقرار الاتجاهي، وتغيرات دفع الصاروخ، وحتى تلف خزان المؤكسد. ^{[ 27 ]}

يمكن أن يتسبب تموج أو تحرك البضائع أو مياه التوازن أو السوائل الأخرى (على سبيل المثال، من التسريبات أو مكافحة الحرائق) في انقلاب كارثي للسفن بسبب تأثير السطح الحر ؛ ويمكن أن يؤثر ذلك أيضًا على الشاحنات والطائرات.

يُستخدم تأثير التموج للحد من ارتداد كرة هوكي العجلات . يُمكن لتموج الماء أن يُقلل بشكل ملحوظ من ارتفاع ارتداد الكرة ^{[ 28 ]،} ولكن يبدو أن بعض كميات السائل تُؤدي إلى تأثير الرنين . تحتوي العديد من كرات هوكي العجلات المتوفرة في الأسواق على الماء لتقليل ارتفاع الارتداد.

• ظاهرة السيس ، وهي ظاهرة تؤثر على البحيرات وغيرها من المسطحات المائية المغلقة
• التناثر (ميكانيكا الموائع) ، ظواهر السطح الحر الأخرى
• صوت ارتطام الماء ، علامة طبية مسموعة