وعاء ضغط متغير الطفو

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

نظام وعاء الضغط ذو الطفو المتغير هو نوع من أجهزة التحكم بالطفو الصلبة لأنظمة الغوص، حيث يحافظ على حجم ثابت ويُغير كثافته بتغيير وزن (كتلة) محتوياته، إما عن طريق تحريك السائل المحيط داخل وخارج وعاء الضغط الصلب، أو عن طريق تحريك سائل مُخزن بين حاويات داخلية وخارجية ذات حجم متغير. يُستخدم وعاء الضغط لتحمل الضغط الهيدروستاتيكي للبيئة تحت الماء. يمكن أن يكون الضغط الداخلي لوعاء الضغط ذي الطفو المتغير أكبر أو أقل من الضغط المحيط ، ويمكن أن يتغير فرق الضغط من موجب إلى سالب ضمن نطاق عمق التشغيل، أو يبقى موجبًا أو سالبًا في جميع أنحاء نطاق الضغط، وذلك حسب خيارات التصميم.

تُعدّ خاصية الطفو المتغير سمة مفيدة لأي نظام متحرك تحت الماء يعمل في المياه المتوسطة دون دعم خارجي. [ 1 ] وتشمل الأمثلة الغواصات ، والمركبات الغاطسة ، ومركبات الهبوط القاعية ، والمركبات التي يتم تشغيلها عن بُعد والمركبات ذاتية التشغيل تحت الماء ، والغواصين تحت الماء .

تحتاج بعض التطبيقات إلى دورة واحدة فقط من الطفو الموجب إلى السالب والعودة للوصول إلى العمق المطلوب والصعود إلى السطح بين عمليات النشر؛ بينما قد تحتاج تطبيقات أخرى إلى عشرات أو مئات الدورات على مدى عدة أشهر خلال عملية نشر واحدة، أو إلى تعديلات مستمرة ولكن طفيفة جدًا في كلا الاتجاهين للحفاظ على عمق ثابت أو طفو محايد عند تغير الأعماق. تتوفر عدة آليات لهذه الوظيفة؛ بعضها مناسب لدورات متعددة بين الطفو الموجب والسالب، والبعض الآخر يجب إعادة تعبئته بين الاستخدامات. وتعتمد ملاءمتها على الخصائص المطلوبة للتطبيق المحدد.

استخدامات الطفو المتغير في أنظمة الغوص

تحتاج الأنظمة المتنقلة تحت الماء، التي تعمل في المياه المتوسطة دون دعم خارجي، إلى طفو متغير، [ 1 ] ولذلك تُعد هذه الأنظمة موضوعًا بحثيًا رئيسيًا في مجال المركبات تحت الماء . [ 2 ] تشمل الأمثلة الغواصات، والمركبات الغاطسة، ومركبات الهبوط القاعية، والمركبات التي يتم تشغيلها عن بُعد والمركبات ذاتية التشغيل تحت الماء، [ 3 ] والغواصين تحت الماء الذين يعملون تحت الضغط الجوي المحيط أو تحت ضغط جوي واحد. [ 4 ]

يمكن للغواصة أن تقترب من حالة التوازن عند غمرها ، لكنها تفتقر إلى الاستقرار الذاتي في الأعماق. عادةً ما يكون هيكلها المضغوط والمغلق أكثر قابلية للانضغاط من الماء، وبالتالي يفقد طفوه مع ازدياد العمق. [ 5 ] وللتحكم الدقيق والسريع في الطفو والتوازن في الأعماق، تستخدم الغواصات خزانات التحكم في العمق ( DCT )، والتي تُسمى أيضًا الخزانات الصلبة (نظرًا لقدرتها على تحمل ضغط أعلى) أو خزانات التوازن . هذه الخزانات عبارة عن أوعية ضغط ذات طفو متغير. يمكن التحكم في كمية الماء في خزانات التحكم في العمق لتغيير طفو الغواصة بحيث تتحرك لأعلى أو لأسفل في عمود الماء، أو للحفاظ على عمق ثابت مع تغير الظروف الخارجية (وخاصة كثافة الماء)، ويمكن ضخ الماء بين خزانات التوازن للتحكم في التوازن الطولي أو العرضي دون التأثير على الطفو. [ 6 ]

يمكن التحكم في عمق تشغيل المركبات تحت الماء عن طريق التحكم في الطفو - إما بتغيير الوزن الإجمالي أو الحجم المزاح - أو عن طريق الدفع الموجه. ويمكن التحكم في الطفو بتغيير الوزن الإجمالي للمركبة مع ثبات الحجم [ 7 ] ، أو بتغيير الحجم المزاح مع ثبات وزن المركبة. ويُستخدم الطفو الناتج للتحكم في سرعة الحركة الرأسية وعمق التحليق [ 7 ] ، وفي الطائرات الشراعية تحت الماء، يُستخدم صافي طفو موجب أو سالب لدفع الحركة الأمامية.

يستخدم نظام الغوص Avelo وعاء ضغط متغير الطفو، وهو بمثابة أسطوانة غاز التنفس الرئيسية ومعوض طفو الغوص ، مع مضخة تعمل ببطارية قابلة لإعادة الشحن ووحدة صمام تفريغ قابلة للفصل عن الأسطوانة. [ 4 ] [ 8 ]

تم النظر في أنظمة الطفو المتغير للتحكم في عمق توليد الكهرباء بواسطة توربينات تيارات المحيط المربوطة . [ 9 ]

يعتمد نوع نظام الطفو المتغير الأنسب لتطبيق معين على دقة التحكم المطلوبة، ومقدار التغيير اللازم، وعدد دورات تغيير الطفو الضرورية أثناء عملية النشر. [ 10 ]

أنواع أنظمة الطفو المتغير

نظام زيت مضخوخ ذو كتلة ثابتة وحجم متغير. أعلى: حالة حجم منخفض، طفو منخفض. أسفل: حالة حجم مرتفع، طفو مرتفع. PV = وعاء الضغط. Bi = منفاخ داخلي. Bo = منفاخ خارجي. P = مضخة. CV = صمام عدم الرجوع. V = صمام.
نظام يعمل بمكبس مملوء بالزيت، ذو كتلة ثابتة وحجم متغير. أعلى: حالة حجم منخفض، طفو منخفض. أسفل: حالة حجم كبير، طفو كبير. PV = وعاء الضغط، Bo = منفاخ خارجي ، P = مكبس، C = أسطوانة، R = قضيب المكبس، M = محرك
نظام ضخ الماء ذو ​​الحجم الثابت والكتلة المتغيرة : اليسار: ضغط داخلي منخفض، يتم الضخ في كلا الاتجاهين. اليمين: ضغط داخلي مرتفع، يتم طرد الماء الموازن بواسطة ضغط الغاز الداخلي. PV = وعاء الضغط، LP = ضغط داخلي منخفض ، HP = ضغط داخلي مرتفع، P = المضخة، CV = صمام عدم الرجوع، IV = صمام المدخل، OV = صمام المخرج.

استُخدمت أنواع عديدة من أنظمة الطفو المتغير، وسيتم وصفها بإيجاز هنا. يعتمد بعضها على وعاء ضغط غير قابل للانضغاط نسبياً، وتكون مستقرة تقريباً مع تغير الضغط الهيدروستاتيكي.

  • نظام تفريغ الوزن ذو الكتلة المتغيرة. وهو نظام يُستخدم لتفريغ أوزان ذات كثافة أعلى من المحيط، وبمجرد تفريغها، تُفقد هذه الأوزان. يتميز هذا النظام ببساطته وملاءمته للمركبات التي لا تحتاج إلا إلى عدد محدود جدًا من تعديلات الطفو أثناء عملية النشر. وهو أسلوب شائع لتحقيق طفو إيجابي في حالات الطوارئ، نظرًا لسهولة إعداد آلية تفريغ آمنة. كما يُمكن إنشاء نظام مماثل لتفريغ مواد ثابتة منخفضة الكثافة. [ 10 ] : 21 ولا تُعد هذه الأنظمة أوعية ضغط، حيث تُخزن الأوزان أو العوامات غير القابلة للانضغاط عند الضغط الجوي المحيط.
  • نظام ملء الخزان أحادي الاتجاه ذو الكتلة المتغيرة. وهو عبارة عن خزان فارغ يتحمل ضغط التشغيل الخارجي، ويمكن ملؤه جزئيًا أو كليًا بواسطة صمام تحكم. يمكن تفريغ الخزان مرة أخرى على السطح للغطسات اللاحقة، ولكن ليس أثناء وجوده تحت الضغط خلال الغطسة. [ 10 ] : 24
  • نظام ضخ الزيت ذو الكتلة الثابتة والحجم المتغير. تستهلك هذه الطريقة طاقة أكبر، لكنها قابلة للتكرار إلى ما لا نهاية طالما توفرت الطاقة، إذ لا تُهدر أي مواد استهلاكية. تقوم مضخة إزاحة موجبة بنقل الزيت المخزن في حاوية متغيرة الحجم داخل وعاء ضغط مملوء بالغاز إلى حاوية خارجية متغيرة الحجم، مما يزيد حجم الزيت المزاح في المركبة بشكل غير قابل للانضغاط. قد تتم عملية إعادة النقل عن طريق فرق الضغط الذي يتحكم فيه صمام، أو عن طريق الضخ أيضًا. [ 10 ] : 24
    • نظام ذو كتلة ثابتة وحجم متغير، يعمل بالزيت بواسطة مكبس. يشبه هذا النظام إلى حد كبير نظام الزيت المضخوخ، إلا أن التخزين الداخلي يكون في أسطوانة مزودة بمكبس يُقلل أو يزيد حجمها باستخدام محرك ميكانيكي، يُشغل عادةً بمحرك كهربائي. في الواقع، يعمل المكبس كمضخة. [ 10 ] : 25
  • نظام الطفو المتغير بالماء المضخوخ. يُضخ الماء المحيط إلى داخل وخارج وعاء الضغط لتغيير الكثافة الكلية للوعاء، وبالتالي للمركبة التي يُعدّ جزءًا منها. في اتجاه واحد، قد يكون هذا النقل ممكنًا عن طريق فرق الضغط، ولكن في اتجاه واحد على الأقل، يجب ضخه. العملية قابلة للتكرار طالما استمرت الطاقة، حيث يُسحب الماء من المحيط. [ 10 ] : 22

الآلية

خزان الطفو الموجود داخل الهيكل المضغوط للمركبة، كما هو الحال في الغواصة، يتعرض للضغط الداخلي للمركبة، لذا قد تكون أحمال الضغط الخارجي على الخزان منخفضة نسبيًا. في هذه الحالة، قد لا يتطلب نقل مياه التوازن إلى الخزان ضخًا، مع أن استخدام مضخة إزاحة موجبة قد يكون مفيدًا للتحكم بدقة في حجم المياه الداخلة. يتم تصريف مياه التوازن في مواجهة الضغط الخارجي، الذي يعتمد على العمق، ويتطلب عمومًا جهدًا كبيرًا. [ 6 ]

إذا كان خزان الطفو مُعرَّضًا مباشرةً للضغط الهيدروستاتيكي المحيط، فقد يكون الحمل الخارجي الناتج عن العمق كبيرًا، ولكن إذا كان ضغط الغاز الداخلي مرتفعًا بما يكفي، فسيكون فرق الضغط أقل، ولن يتعرض وعاء الضغط لأحمال ضغط خارجي صافية عالية قد تُسبب عدم استقرار الانبعاج، مما يسمح بوزن هيكلي أقل. في الحالة القصوى، يكون الضغط الداخلي مرتفعًا بما يكفي لإخراج مياه التوازن بسرعة عند أقصى عمق تشغيلي، كما هو الحال في أسطوانة الغوص المتكاملة وجهاز التحكم في الطفو من أفيلو. تُستخدم مضخة لنقل الماء المحيط إلى وعاء الضغط عكس الضغط الداخلي، مما يزيد من ضغط الغاز بما يتناسب مع انخفاض الحجم، لذا فإن الحجم الداخلي بأكمله لا يكون متاحًا لاحتواء مياه التوازن، لأنه على الرغم من انخفاض حجم الغاز، سيبقى دائمًا جزء منه. يمكن فصل الماء والهواء في وعاء الضغط بواسطة غشاء أو مكبس حر لمنع ضخ الهواء للخارج في بعض الأوضاع، ولمنع الهواء من الذوبان في مياه التوازن تحت ضغط عالٍ. [ 10 ] [ 4 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 جنسن، هارولد فرانكلين الثالث (يونيو 2009). "2.2. فوائد الطفو المتغير" . مقياس نظام الطفو المتغير (أطروحة). معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ص 19-20 . 
  2. ↑ رانغاناثان، ثياغاراجان؛ ثونديياث، أسوكان. تصميم وتحليل أنظمة الطفو المتغيرة المتتالية للنشر الانتقائي تحت الماء (ملف PDF) . وقائع المؤتمر الدولي الثالث عشر للمعلوماتية في التحكم والأتمتة والروبوتات (ICINCO 2016). المجلد 2. SCITEPRESS - منشورات العلوم والتكنولوجيا، المحدودة. الصفحات 319-326 . doi : 10.5220/0005979903190326 . ISBN   978-989-758-198-4.
  3. ↑ وورال، مارك؛ جاميسون، إيه جيه؛ هولفورد، إيه؛ نيلسون، آر دي؛ بلاير، مايكل؛ باجلي، فيل (يوليو 2007). نظام طفو متغير لمركبات أعماق المحيط . مؤتمر المحيطات 2007 - أوروبا. doi : 10.1109/OCEANSE.2007.4302317 – عبر ResearchGate.
  4. ١ ٢ ٣ ٤ "التكنولوجيا: حلول أفيلو" . diveavelo.com . مختبرات أفيلو. مؤرشف من الأصل بتاريخ ٢٤ نوفمبر ٢٠٢١. تم الاطلاع عليه بتاريخ ٢٤ نوفمبر ٢٠٢١ .
  5. ↑ مور، سي إس (أغسطس 1974). "الاستقرار التام: التوازن تحت الماء: الاستقرار في الأعماق". في كومستوك، جون ب. (محرر). مبادئ الهندسة البحرية ( طبعة منقحة). نيويورك، نيويورك: جمعية المهندسين المعماريين البحريين ومهندسي الملاحة البحرية . ص 111-112 .  
  6. 1 2 3 "الغواصة من نوع الأسطول على الإنترنت: أنظمة ضبط وتصريف الغواصات. Navpers 16166" . marinet.org . تم الاطلاع عليه في 1 يناير 2022 - عبر جمعية منتزه سان فرانسيسكو البحري الوطني.
  7. 1 2 تيواري، بريج كيشور؛ شارما، راجيف (8 أبريل 2020). "تصميم وتحليل نظام طفو متغير للتحكم الفعال في تحليق المركبات تحت الماء باستخدام وحدة تحكم بتغذية راجعة للحالة" . مجلة علوم وهندسة البحار . 8 (4). MDPI: 263. Bibcode : 2020JMSE....8..263T . doi : 10.3390/jmse8040263 .
  8. ↑ "خزان جديد يسمح للغواصين بالاستغناء عن سترة التحكم في الطفو" . الغوص . PADI Media. 22 نوفمبر 2021.
  9. ↑ حسنخاني، أريزو؛ فانزويتن، جيمس؛ تانغ، يوفي؛ دنلاب، بروك؛ دي لويرا، ألكسندرا؛ سلطان، كورنيل؛ زيروس ، نيكولاوس (يوليو 2021). "النمذجة والمحاكاة العددية لتوربينات تيار المحيط المتحكم فيها بالطفو" . المجلة الدولية للطاقة البحرية . 4 (2): 47-58 . دوى : 10.36688/imej.4.47-58 . S2CID 238999433 . 
  10. 1 2 3 4 5 6 7 جنسن، هارولد فرانكلين الثالث (يونيو 2009). "3. أنظمة الطفو المتغير الحالية" . مقياس نظام الطفو المتغير (أطروحة). معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ص 21-26 .