автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Гидродинамические аспекты проектирования кавитационных труб

На правах рукописи

БОРУСЕВИЧ

Валерии Олегович

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КАВИТАЦИОННЫХ ТРУБ

05.08.01 -Теория корабля и строительная механика корабля

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург2005

Работа выполнена в ФГУП «ЦНИИ имени академика А.Н. Крылова»

Научный руководитель: кандидат технических наук

заслуженный деятель науки РФ, А.С. Горшков

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор А.Ш. Ачкинадэе

кандидат технических наук М.А. Мавлюдов

Ведущая организация: Институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова

Защита состоится /vuo И iL- 2005 г. в конференц-зале на заседании

диссертационного совета Д 411.004.01 при ЦНИИ имени академика А.Н. Крылова по адресу: 196158, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел. 123-69-41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНИИ имени академика А.Н. Крылова.

Автореферат разослан

хЖ

2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 411.004.01,

кандидат технических наук, доцент

B.C.Дорин

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследований. Многоцелевые экспериментальные установки, к которым относятся кавитационные и гидродинамические трубы, сохраняют свое значение и сохранят его и в будущем при изучении комплексных гидродинамических проблем, таких как взаимодействие движителя и корпуса судна в широком диапазоне чисел кавитации. Входя в состав судостроительных испытательных центров совместно с опытовыми бассейнами, кавитационные и гидродинамические трубы традиционно используются для изучения задач кавитации изолированных движителей, крыльев и тел в потоке, а также ряда других задач, которым уделяется все большее внимание в настоящее время, касающихся шумоизлучения, нестационарных сил и давлений при работе движителей в моделируемом потоке за корпусом. Снижение шума и вибраций за последние годы стало одной из приоритетных целей не только для кораблей ВМФ, но и для таких судов, как океанографические и сейсмические суда, а также круизные лайнеры. Круг задач, которые в настоящее время решаются в кавитационных и гидродинамических трубах, и для исследования которых такого рода установки являются уникальным экспериментальным средством, существенно расширился. Расширение номенклатуры проводимых испытаний ставит новые требования к этим установкам (предельно низкие уровни турбулентности потока и фонового шума в рабочем участке, увеличенные для испытаний движителя за макетом корпуса размеры рабочего участка, низкие значения чисел кавитации, соответствующие высоким скоростям движения) и делает актуальной задачу их проектирования. Ведущие судостроительные испытательные центры, такие как бассейн Давида Тейлора CDNSWC в США, Гамбургский бассейн HSVA в Германии, Парижский бассейн во Франции построили и ввели в эксплуатацию в 90-е годы XX века такие установки, несмотря на то, что уже располагают в своем составе целым рядом построенных ранее кавитационных труб различного назначения. На рубеже XXI века их примеру последовал Китайский центр CSSRC. Однако, характеристики последней установки оказались существенно хуже несмотря на использование очень удачных прототипов, каковыми для кавитационной трубы CLCC Китайского научно-исследовательского судостроительного центра CSSRC послужили большая кавитационная труба HYKAT Гамбурского центра HSVA и большая кавитационная труба LCC Тейлоровского центра CDNSWC в Мемфисе.

Без понимания влияния различных факторов на конечный результат, в отсутствии анализа и систематизации данных по проектированию различных элементов и кавитационной трубы в целом, при недостаточно полной формулировке требований к параметрам потока в рабочем участке и определении приоритетности требований, и, наконец, в отсутствии метода проектирования установки, учитывающего все перечисленные моменты, положительный результат не может быть в полной мере достигнут при создании проекта новой установки.

В разное время предпринимались попытки систематизации существующих данных по установкам с обращенным движением. Значительный вклад как в развитие вопросов проведения экспериментов в кавитационных и гидродинамических трубах, так и вопросов проектирования этих установок и совершенствования отдельных элементов существующих установок внесли А.Ф.Болотин, А.С.Горшков, В.ПИльин, В.ПКарликов, Ю.ЛЛевковский, Г.В.Логвинович, М.А.Мавлюдов, МШТлессет, А.А.Русецкий, А-В.Чалов, Ф.Хэммит, В.Ф.Шупшанов, Л.А.Эпштейн и другие. Наиболее полной работой, посвященной вопросам проектирования кавитационных и гидродинамических труб, является монография А.С.Горшкова и А.А.Русецкого, в которой обобщены и систематизированы данные по эксплуатационным характеристикам более чем 90 установок различных мировых испытательных центров, работающих в области судостроения и учебных институтов гидродинамического профиля, описаны критерии и методы проведения модельных испытаний в этих установках и даны основные

рекомендации по общим вопросам, относящимся к установкам всех типов.

При этом существуют лишь обобщенные представления о проектировании элементов установки, взаимосвязь отдельных проектных решений и их влияние на параметры потока в рабочем участке изучены недостаточно, а отдельные аспекты при проектировании не учитываются. Требования к фоновому шуму некавитационной природы не принимаются в расчет при проектировании. Влияние степени турбулентности потока на уровни фонового шума не учитывается при проектировании элементов системы управления турбулентностью потока в рабочем участке. При выборе степени расширения диффузорного участка принимается во внимание только необходимость обеспечения достаточного запаса по кавитации поворотного колена, расположенного за диффузорным участком, и общие рекомендации по ограничению величины угла раскрытия для предотвращения отрывного течения. Задача достижения требуемых кавитационных характеристик при минимальных гидравлических потерях с учетом необходимости наиболее равномерного поля скоростей в выходном сечении диффузора, не рассматривалась ранее. Частота вращения и диаметр импеллера выбираются отличными от оптимальных по кавитационным характеристикам, в результате чего кавитация импеллера, как правило, ограничивает диапазон режимов испытаний установки. Необходимость увеличения размеров рабочего участка противоречит требованию получения низких чисел кавитации в используемых конструкциях кавитационных труб с симметричной формой конфузорного участка. Таким образом, необходимо рассмотрение нетрадиционных технических решений в отношении основных элементов, оказывающих влияние на характеристики установки: рабочего участка, конфузора, диффузора, поворотных колен, импеллерного насоса и элементов системы управления турбулентностью потока. Такая задача может быть решена на основании комплексного метода гидродинамического проектирования, учитывающего все перечисленные требования и позволяющего осуществлять прогноз выходных параметров и поиск оптимальных решений.

Целью работы является разработка метода гидродинамического проектирования, обеспечивающего создание универсальных кавитационных труб замкнутого типа для нужд судостроения.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

- анализ номенклатуры и условий проведения экспериментальных исследований, проводимых в кавитационных трубах в обеспечение проектирования судов и кораблей, и определение необходимых требований к установкам для проведения испытаний;

- систематизация и анализ данных по проектированию различных элементов установок, оценка достоверности используемых методов на основе применения к действующим установкам с известными характеристиками и полученных новых экспериментальных данных, разработка новых методов и технических решений, обеспечивающих достижение заданных требований;

- апробация разработанных положений при рабочем проектировании универсальной кавитациошюй трубы замкнутого типа: определение эффективности разработанных технических решений, достоверности прогнозирования натурных характеристик установки и уточнение разработанных положений по результатам натурных испытаний.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы экспериментальные, аналитические и численные методы решений. Проведены модельные испытания на этапе разработки технического проекта и натурные испытания в процессе эксплуатации построенной установки.

Научная новизна. В ходе выполнения работы рассмотрены гидродинамические аспекты проектирования экспериментальных установок для нужд судостроения и получены следующие основные результаты:

- установлена зависимость уровней фонового шума в рабочем участке установки от ее

основных параметров, позволяющая определить вклад отдельных гидродинамических источников и осуществлять прогноз ожидаемых уровней на ранней стадии проектирования кавитационной трубы;

получены оригинальные технические решения в отношении основных элементов, обеспечивающих спецификационные характеристики установки. В частности, произведен расчет формы конфузорного участка, обеспечивающей наилучшие кавитационные качества при любых абсолютных размерах, не достижимые при традиционно используемых формах. Оптимизированы по кавитанионным характеристикам и величине гидравлических потерь параметры диффузорного участка и щ. Расчигана конструкция хонейкомба с параметрами, обеспечивающими необходимую редукцию турбулентности потока до в рабочем участке при

незначительных гидравлических потерях. Определены оптимальные параметры импеллера, диаметр и частота вращения, обеспечивающие наиболее высокие кавитационные качества в сравнении с наилучшими известными прототипами;

- произведена натурная проверка результатов выполненных модельных испытаний и расчетов.

В итоге разработан и апробирован комплексный метод гидродинамического проектирования кавитационных труб замкнутого типа, обеспечивающий решение проектных задач при разработке установки с характеристиками, отвечающими потребностям судостроения на современном этапе (максимальная скорость Уо потока в рабочем участке не менее 15м/с, фоновый шум на скорости V,,-6м/с в рабочем участке не более 90 дБ в третьоктавной полосе частот, неоднородность потока не более 0.5%, турбулентность 0.1+0.2%, минимальное число кавитации на оси рабочего участка с

высотой сечения не более

Практическая значимость работы и внедрение результатов исследований. На базе результатов, полученных в диссертации, разработан рабочий проект универсальной кавитационной трубы Индийского испытательного центра, удовлетворяющей заданным требованиям и имеющей высокие спецификационные параметры. Установка введена в эксплуатацию в 2001 году. Натурные испытания установки подтвердили эффективность разработанных решений и достоверность методов прогноза ожидаемых характеристик. Кроме того, разработан ряд эскизных проектов, включенных в коммерческие предложения по запросам Заказчиков. Результаты работы могут быть использованы при проектировании новых и модернизации существующих экспериментальных установок.

Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка задач данной работы, обоснования и разработка представленных к защите положений, участие в проведении экспериментальных модельных и натурных исследований, анализ и обобщение результатов, формулировка рекомендаций и выводов.

На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы, включающие результаты исследований и основанные на них выводы и рекомендации:

- прогноз ожидаемых уровней фонового шума в рабочем участке кавитаиионных труб на ранней стадии проектирования, основанный на анализе полученных натурных данных установки, спроектированной и введенной в эксплуатацию при участии автора, а также данных ряда действующих установок;

- предложенные решения в отношении элементов системы управления турбулентностью потока, позволяющие получить требуемые уровни турбулентности потока при минимальных гидравлических потерях, вносимых этими элементами; выполненные оценки достоверности прогнозирования ожидаемой степени турбулентности в рабочем участке проектируемой установки на основе расчетов для ряда действующих установок и сопоставления с измеренными для них характеристиками, позволяющие оценить эффективность предложенных решений;

- предложенные технические решения и методы проектирования конфузорного, диффузорного участков, а также поворотного колена и импеллерного насоса, обеспечивающие возможность проведения испытаний при минимально возможных числах кавитации в рабочем участке установки в отсутствии кавитации каких-либо элементов проточного канала;

- экспериментальные данные модельных и натурных испытаний кавитационной трубы Индийского испытательного центра, спроектированной с использованием положений настоящей работы, подтверждающие эффективность предложенных в работе решений и достоверность используемых методов;

- созданный на базе перечисленных составляющих комплексный метод гидродинамического проектирования, применяемый как для проектирования отвечающих современным требованиям универсальных навигационных труб замкнутого типа, так и для модернизации действующих навигационных и гидродинамических труб.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием методов исследования, соответствующих современному состоянию прикладной гидромеханики. Работа базируется на общепринятых положениях, относящихся к проектированию кавитационных и гидродинамических труб, методах теории подобия. Используемые методы расчета отработаны на тестовых задачах. Результаты, полученные различными методами (например, прогнозируемые и фактически измеренные при натурных испытаниях установки ) достаточно хорошо согласуются между собой.

Апробация работы. Положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на научно-технической конференции по вопросам судовой и промышленной акустики и прочности судового малошумного оборудования «Судовая акустика-2005».

Публикации. Основное результаты диссертационной работы опубликованы в 2-х трудах.

Объем диссертации и структура. Диссертация состоит из введения, трех разделов, списка используемых источников и приложения. Общий объем работы 185 страниц машинописного текста, включая 69 рисунков. Перечень используемых источников содержит 35 наименований.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дана общая характеристика проблемы, сформулирована цель исследований и методы ее достижения. Дана краткая характеристика работы, включая научную и практическую значимость полученных результатов.

В первом разделе приведены результаты анализа современного состояния проблемы и обзор литературных источников по теме исследований.

Вопросы, связанные с проектированием отдельных элементов установок с обращенным движением, рассмотрены в работах А.С. Горшкова, Г. Батчелора, Д. Ламли, Ю.Л. Левковского, К. Витошинского, X. Цина, И.Е. Идельчика и других. Некоторые обобщения и общие рекомендации даны в работе А.С.Горшкова и А.А. Русецкого «Кавитационные трубы». Однако, по ряду параметров, рассматриваемых в работах перечисленных авторов, установки не в полной мере соответствуют актуальным требованиям к степени турбулентности потока, минимальным числам кавитации при соответствующих размерах рабочего участка, уровням фонового шума. Причем, требования к шумности в принципе не принимались в расчет при проектировании установок. В последние годы интерес к углубленному исследованию виброакустических характеристик кораблей и судов привел к необходимости проектирования экспериментальных установок, отвечающих повышенным требованиям к уровням фонового шума в рабочем участке. Это нашло отражение в ряде работ Д. Ветцеля, Р. Арндта, Р. Эттлера, М Вилсона, посвященных проектированию введенных в

эксплуатацию в 90-е годы в Германии и США малошумных установок HYKAT и LCC. Однако, выполненные перечисленными авторами исследования не позволяют в полной мере выявить вклад различных источников в уровни фонового шума установки и на основании этого достоверно определить ожидаемые уровни и перечень необходимых мероприятий для их достижения. Вследствие этого, спроектированная по прототипу установок HYKAT и LCC, установка CLCC в Китае оказалась существенно более шумной в сравнении с прототипами, как показали натурные испытания.

Содержанием раздела обоснована необходимость разработки комплексного метода проектирования кавитационных труб насосного типа, учитывающего как современные требования к экспериментальным установкам в соответствии с номенклатурой испытаний, так и изменившиеся возможности для решения задач в обеспечение проектирования установок. В заключение раздела сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Во втором разделе, представляющем собой основную часть работы, изложен общий метод проектирования универсальной кавитационной трубы замкнутого типа, основные принципы выбора компоновки установки и определения ее элементов, выполнен анализ методов решения частных задач проектирования элементов КТ и даны рекомендации по их использованию, дан алгоритм решения общей проектной задачи путем последовательного решения частных задач в определенном порядке и с использованием последовательных приближений при их решении. Метод проиллюстрирован на примере построенной в 2001 г. Кавитационной трубы Индийского испытательного центра, спроектированной при участии автора.

На рисунке 1 представлена блок-схема, поясняющая порядок решения отдельных проектных задач, их взаимосвязь а также входные и выходные параметры решаемых задач. Большая часть перечисленных задач может быть решена численными методами либо аналитически с использованием баз данных и выводов настоящей работы. Применение модельного эксперимента целесообразно для решения ряда вопросов, связанных с проектированием импеллера: прогнозирования поля скоростей в диске импеллера, поиска оптимальных характеристик геометрии насоса с целью отдаления момента возникновения кавитации, прогноза натурных характеристик насоса. На приведенной схеме блоки, требующие проведения модельного эксперимента, выделены, цветом. Эти задачи могут быть решены с использованием гидродинамического макета импеллерного участка, включающего импеллер, спрямляющий аппарат и устройство для моделирования поля скоростей в диске импеллера, а также аэродинамического макета, включающего часть проточного канала от поворотного колена перед конфузором до импеллерного участка.

В разделе обоснованы требования к параметрам потока в рабочем участке, которым должна отвечать универсальная кавитационная труба. Это требования к значению максимальной скорости потока V' -' 15+18 м/с, степени неоднородности и турбулентности

потока, не превышающих, соответственно ^ £0.5% и £ ¿0.2*/о, растворительной

способности, характеризуемой значением СС^ в1, минимально достижимому числу кавитации на оси рабочего участка, выражаемому через его высоту 2 Ад и скорость потока

Уд как (ТГ ~ ^у! ' ФоновомУ шуму Цп в третьоктавной полосе частот, не

превышающему 90 дБ при скорости потока У^5м/с. Далее в разделе представлены методы проектирования отдельных элементов установки, обеспечивающие в целом выполнение всех заданных требований.

Рассмотрена задача проектирования системы регулирования турбулентности

потока в рабочем участке на основе метода Ламли-МакМахона. Редукционный коэффициент ховейхомба т\ в данном методе выражается через соотношение масштаба исходной турбулентности Ь и длины хонейкомба 1 , а также коэффициента потерь давления в хонейкомбе к, зависящего в свою очередь от поперечных размеров ячейки и скорости течения

Влияние конфузора учитывается формулами, предложенными Батчелором

и2)

ц + 2У( й2

зс2 1с/2

ру V

где - величины, выраженные через коэффициент

4 4

поджатая конфузора С.

В связи с ограниченным использованием данного метода выполнен анализ его достоверности путем сравнения результатов расчета по данному методу с фактическими замерами турбулентности потока в рабочих участках ряда установок.

Метод применен к расчету одноступенчатых и двухступенчатых конструкций хонейкомба, в результате чего показано преимущество двухступенчатой конструкции, которая обеспечивает меньшие гидравлические потери при равном коэффициенте редукции исходной турбулентности потока.

Рассмотрена задача проектирования конфузорного участка: последовательно осуществляется выбор коэффициента поджатая для достижения заданной неоднородности и турбулентности потока, а затем проектируется форма криволинейных стенок, обеспечивающая заданное минимальное число кавитации. Поскольку традиционно используемые в аэродинамических и гидродинамических трубах симметричные формы профилировки стенок конфузора Цина и Витошинского не обеспечивают требований по числам кавитации, рассмотрены альтернативные классы решений в форме полиномов 3-его и 5-ого порядка. Показана принципиальная невозможность достижения заданных минимальных чисел кавитации при симметричной конструкции конфузора и предложена несимметричная форма с плоской верхней стенкой. На примере кавитаиионной трубы Индийского испытательного центра произведены расчеты течения в конфузоре предложенной формы при различных положениях точки перегиба Хм для полинома 5-ого порядка и точки стыковки X* для полинома 3-его порядка, найдены оптимальные положения указанных "о условиям одновременного удовлетворения

кавитационного критерия С> 0 и критерия отрыва Сгрэтфорда

Выполнен анализ влияния предлагаемых несимметричных форм на степень неоднородности потока в рабочем участке.

Рисунок 1 - Проектирование KT Блок-схема.

В таблице 1 приведены результаты расчета, показывающие, что в влияние формы проявляется только в начале рабочего участка и практически отсутствует на расстоянии

.Л? более половины длины от входа.

На рисунке 2 приведены результаты раочета значений тангенциальной скорости на стенках для двух отобранных форм, выделенных в таблице 1. Обе отобранные формы имеют эквивалентные хавитационныо качества, позволяющие обеспечить требуемое минимальное число кавитация в рабочем участке. По критерию отрыва окончательно отобрана форма полипома 5-го порядка. Полученные выводы подтверждены результатами испытаний на аэродинамической модели, включающей поворотное колено со следующим за ним конфузором и рабочим участком.

Рассмотрена задача проектирования днффуэорного уяастка. Решена оптимизационная задача определения значений угла раскрытия а, н степени раскрытия

диффузора, следующего за рабочим участком, по критерию минимизация

гидравлических потерь диффузора с поворотным коленом при одновременном выполнении требования достижения минимального числа кавитации.

(В-

а,

' Стр 1

тР 'калена

8в1п— 2

В результате определено, что оптимальные значения параметров диффузора для рассматриваемого типа невинтовых кавитанионпых труб составляют

Рассмотрено влияние формы стенок диффузора на поле скоростей в выходном сечении диффузора н показано, что выбор формы о плоской верхней стенкой, являющейся наилучшей по кавнтационным качествам одновременно обеспечивает наименьшую неравномерность поля скоростей в выходном сеченин диффузора, что существенно для решения задачи проектирования нмпеллерного насоса.

Рассмотрено вллянно течения в рабочем участке па вероятность возникновения отрыва в диффузоре и оделены выводы об отсутствии отрыва при выбранных параметрах диффузора и целесообразности сокращения рабочего участка для обеспечения наименьшей неравномерности поля скоростей в выходном сеченни диффузора.

Рассмотрена задача о течении в поворотном колено. Показано, что при рекомендуемых о точка зрения минимизации гидравлических потерь параметрах колена (радиусы закругления, шаг решетки, углы установки и размеры лопаток) наиболее критичным элементом по кавитации являются лопатки: как для случая применения используемых в большинство кавнтвинонных труб лопаток упрощенной формы, так и для более сложных лопаток о профилировкой типа NACA. Рассчитана требуемая модификация формы лопаток, обеспечивающая им эквивалентные о другими элементами в составе колена кавнтаиионные качества. На рисунке 3 применительно к случаю навигационной трубы Индийского испытательного центра приведены результаты сравнения навигационных качеств для различных случаев профилировки лопаток.

хорда профиля NACA хорд» модифицированного профиля

Риоуиок - 3.

При этом в качестве критерия для сравнения использована величина Дс,,^, характеризующая запас по числу кавитации в рабочем участке до наступления кавтаиии в поворотном колене.

Применительно к течению в обратном канале выполнен анализ требований к растоорнтельной способности кавитвиионной трубы о оптимальными для универсальной установки параметрами, а также в качестве примера трубы Индийского испытательного центра. Определены требуемые размеры обратного канала для установки, определяющие общие габариты.

В параграфе, посвященном проектированию импеллера, приведены результаты модельных испытаний по измерению поля скоростей в диске импеллера для трубы Индийского испытательного центра и сравнение о данными для трубы Гамбургского центра ИУКАТ, имеющей признанно высоте характеристики. Как показано па рисунке 4 принятие параметров участков в соответствии о рекомендациями настоящего метода обеспечивает более равномерное поло скоростей в диско импеллера, Учитывая критичность определения величины гидравличеоких потерь для получения конечного результата при проектировании импеллерного насоса для Кввипщношюй трубы, выполнена оценка достоверности рекомендуемых расчетных формул на основании тестовых расчетов применительно к установкам о известными данными и характеристиками по результатам натурных испытаний.

Рисунок - 4.

Приведены примеры определения оптимальных величин диаметра , частоты

вращения пш и относительного диаметра ступицы по методу, предложенному в работе Ю.Л. Левковского, для ряда установок с известными кавитационными характеристиками импеллеров. Аналогичным образом определены параметры для импеллера спроектированной установки Индийского испытательного центра.

Параграф содержит описание экспериментальных установок и методов, рекомендуемых для применения при проектировании импеллерного насоса. Приведены результаты модельных испытаний, полученные для имлеллера кавитационной трубы Индийского испытательного центра и сравнение прогнозируемых на основании модельных данных параметров установки с натурными данными. На основании данных проведенных натурных испытаний подтверждена достоверность использованных методов расчета гидравлических потерь проточного канала и прогнозирования расходно-налорных характеристик импеллера, а также уточнен масштабный экстрополятор, используемый для прогноза щелевой формы кавитации импеллера.

Выполнено сопоставление импеллеров двух кавитационных труб ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова, трубы ИУКЛТ Гамбургского бассейна и кавитационной трубы Индийского испытательного центра. Для сопоставления использован критический

параметр ^ _ Д|,т > представляющий собой отношение критического числа кавитации

2Ь>±-Р/)

построенного по давлению в диске импеллера

скорости потока в

рабочем участке к коэффициенту гидравлических потерь установки . Использование такого критерия позволяет характеризовать кавитационные качества собственного импеллера, в то время как критическое число кавитации характеризует совместные свойства как импеллера, так и всего гидравлического тракта трубы. В результате сопоставления показано, что импеллер, спроектируемый для кавитационных труб Индийского испытательного центра имеет лучшие характеристики в сравнении с трубами ЦНИИ им.акадАН.Крылова и трубой ИУКЛТ, установкой Гамбургского бассейна ШУЛ, имеющей признанно высокие характеристики.

Таблица 2

Наименование установки сгдт (ЦНИИ им. акад. АЛКрылова) БСГДТ (ЦНИИ яшим. АЛКрылова) НУКАТ (НЭУА) КТ ИЩ

10.8 17.0 10.4 (.1

Спроектированный импеллер, обладающий высокими навигационными качествами при достаточно высоком КПД может бьпъ рекомендован и для использования в новых установках. При известных значениях скорости потока У0 и плошали поперечного сечения рабочего участка 5д новой установки (Н) и используемого прототипа (П), рассчитав гидравлические потери Си и чож||° определить значения безразмерных

ТГ Д _ л/^0

величин диаметра

простые соотношения

и частоты вращения импеллера

■А

,используя

В заключительном параграфе раздела приведены данные акустических измерений, выполненных в кавитационной трубе Индийского испытательного центра и в в специальном звукозаглушенном бассейне ЦНИИ им.акад. А.Н. Крылова. На основании полученных данных сделан вывод о характере распространения излучения от источника, помещенного в кавитационной трубе. Как видно на рисунке 5, зависимость интенсивности излучения от расстояния оказывается достаточно близкой к закону распространения в свободном поле.

Используя полученные данные, проведена оценка вклада различных источников в уровни фонового шума в рабочем участке универсальной Кавитационной трубы насосного типа. Показано, что при выборе элементов установки в соответствии с рекомендациями настоящей работы, ИСТОЧНИКИ кавитаиионного шума исключены вплоть до наступления кавитации рабочего участка, а среди возможных источников гидродинамического шума определяющее значение имеет турбулентный шум пограничного слоя на стенках рабочего участка. Шум обтекания поворотных лопаток и кромочный шум импеллера не могут влиять на измерения в рабочем участке.

На основании сделанных выводов о вкладе различных источников в уровни

фонового шума в рабочем участке установки и результатов анализа представительной выборки ряда установок, сделан вывод о возможности выполнения требований к фоновому шуму в рабочем участке, сформулированных в начале настоящего раздела. На рисунке 6 представлены данные по фоновым уровням шума в рабочем участке для ряда установок. Необходимыми условиями достижения указанных требований является обеспечение низкой степени турбулентности потока в рабочем участке Б £ 0.2 % и обработка стенок участка, обеспечивающая чистоту поверхности Rz ¿20 мкм.

Чл- ДВ

HYKAT (Герюпня) ГНИД (Индии) СГЩФранцня) LCT (США) КБ (Германия) ЕКТ (Россия) КТСД (Россия) CSSRC (Китай)

Рисунок - б

Третий раздел иллюстрирует результат применения метода гидродинамического проектирования к проекту кавитационной трубы Индийского испытательного центра. По своимспецификационным параметрам Ут = 15.9л«/е,А^^ =0.5%>

£■ = 0.25%, т я 0.08 установка соответствует сформулированным в

первом разделе работы требованиям к универсальной установке для решения задач проектирования судов. Возможности установки иллюстрирует диаграмма рабочих режимов, приведенная на рисунке 7.

Здесь пунктирные линии соответствуют заданным требованиям, а сплошные характеризуют фактически полученные результаты испытаний установки. Линии I и II соответствуют максимальному н минимальному значению скорости потока в рабочем участке, линии Ш и IV - максимальным и минимальным числам кавитации, линия V -появлению кавитации импеллера, VI- газовой кавитации.

Основные результаты и выводы

1. В результате выполненной работы создан метод для проектирования универсальных кавитационных труб насосного типа, обладающих низкой шумностью (не более 90 дБ в третьоктавной полосе частот при скорости потока в рабочем участке V0=6M/C), возможностью достижения чисел кавитации минимальных для выбранных размеров рабочего участка, низкими уровнями турбулентности и неоднородности потока. Разработанные рекомендации позволяют при проектировании новой установки определить все основные параметры расчетным путем при минимальном объеме экспериментальных исследований, необходимых только для проверки характеристик импеллерного насоса. Метод включает в себя:

1.1. Обоснование требований к проектируемой установке на основе анализа номенклатуры проводимых экспериментов, позволяющее осуществить рациональное задание исходных данных на проектирование. 1.2.Общий алгоритм проектирования, определяющий последовательность решения связанных проектных задач и минимизирующий необходимость выполнения последовательных приближений в процессе проектирования.

1.3.Рекомендации по выбору параметров системы управления турбулентностью потока, основанные на применении протестированного по результатам испытаний ряда действующих установок метода расчета, позволяющие при минимальных гидравлических потерях получить требуемые уровни турбулентности потока в рабочем участке 0.1+0.2%.

1.4.Метод проектирования конфузора, обеспечивающего достижение минимально

возможных чисел кавитации, составляющих на оси рабочего участка величину ^ ,

определяющуюся только поперечным размером 2Ьо и скоростью течения Уо в рабочем участке.

1.5 .Рекомендации по выбору параметров диффузора из условий оптимизации по кавитационным характеристикам, величине гидравлических потерь и неоднородности в выходном сечении.

1 .б.Рскомендации по выбору оптимальных характеристик импеллера, обеспечивающие

наилучшие кавитационные и акустические характеристики установки. 1.7.Определение параметров установки, обеспечивающих необходимую растворительную способность.

1.8.Определение ожидаемых уровней фонового шума при проектировании универсальной навигационной трубы насосного типа

2. Метод применен для проектирования установки Индийского испытательного центра. Разработаны технический и рабочий проекты установки Индийского испытательного центра.

3. Исследованы характеристики ряда кавитационных труб, включая спроектированную с использованием разработанных положений кавитационную трубу Индийского испытательного центра. Полученные результаты испытаний спроектированной и введенной в действие установки подтвердили достоверность и эффективность использованных положений и разработанных методов и рекомендаций гидродинамического проектирования кавитационных труб замкнутого типа. Разработанные положения уточнены по результатам натурных испытаний.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Борусевич В.О. Фоновый шум в рабочем участке кавитапионной трубы: определение вклада различных источников, прогноз ожидаемых уровней // Морской Вестник, №1(13), СПб., 2005.

2. Борусевич В.О., Русецкий А.А. Вопросы проектирования современных экспериментальных установок для исследования судовых движителей, обеспечивающих наилучшие условия обитаемости и экологической безопасности // Сборник научно-технических трудов Российской академии транспорта, №6, СПб., 2005.

3. Борусевич В.О. Гидродинамические источники фонового шума в рабочем участке кавитапионной трубы. Определение необходимых мероприятий в обеспечение заданных требований к фоновому шуму // Сборник докладов НТК «Судовая акустика-2005», СПб. ,2005

447

Ведение

Раздел 1 Анализ состояния вопроса. Положения, выносимые на защиту.

Раздел 2 Метод гидродинамического проектирования универсальной кавитационной трубы замкнутого типа.

2.1 Алгоритм проектирования.

2.2 Методы гидродинамического проектирования элементов установки.

2.2.1 Требования к параметрам потока в рабочем участке. Проектирование рабочего участка.

2.2.2 Прогнозирование степени турбулентности в ядре потока рабочего ♦ участка. Проектирование системы управления турбулентностью потока.

2.2.3 Проектирование конфузора.

2.2.4 Проектирование диффузора. Определение оптимальной величины угла расширения и коэффициента раскрытия, рекомендации для выбора формы.

2.2.5 Проектирование поворотных колен. Оптимизация кавитационных характеристик.

2.2.6 Проектирование обратного канала: анализ течения в обратном канале, обоснование требований к растворительной способности и определение параметров обратного канала.

2.2.7 Проектирование импеллерного насоса.

2.2.7.1 Рекомендации к проектированию элементов кавитационной трубы с учетом необходимости уменьшения неоднородности поля скоростей в диске импеллера.

2.2.7.2 Определение гидравлических потерь проточного канала и его отдельных элементов.

2.2.7.3 Выбор оптимальных величин диаметра и частоты вращения импеллера.

2.2.7.4 Определение геометрических параметров лопастей насоса.

2.2.8 Оценка акустических качеств проектируемой установки. Критерии достижения заданных требований по уровням фонового шума в рабочем участке.

Раздел 3 Применение результатов работы.

3.1 Эксплуатационные качества кавитационной трубы. Диаграмма эксплуатационных режимов КТ ИИЦ.

3.2 Степень турбулентности и неоднородности потока в рабочем участке трубы КТ ИИЦ.

3.3 Акустические характеристики установки.

Постоянное совершенствование средств вычислительной техники и развитие численных методов расширяет круг вопросов, при решении которых наряду с традиционно используемыми экспериментальными методами значительный объем исследований выполняется расчетными методами. Однако очевидный прогресс расчетных методов не дает оснований говорить о вытеснении экспериментальных модельных исследований и полной замене их в каких-то областях расчетом. Существующие тенденции указывают не на снижение роли эксперимента в настоящее время и в будущем, а на изменение подхода при решении различных задач гидромеханики: физический эксперимент используется в более полном взаимодействии с расчетными методами. Можно назвать, по крайней мере, три причины, по которым физические эксперименты на моделях исследуемых объектов и в настоящее время, и в обозримом будущем останутся актуальными, несмотря на широкое развитие расчетных методов исследований [1].

Используемые в математических моделях уравнения либо являются приближенными, либо имеют ограниченную область применимости (ламинарный поток, отсутствие кавитации, дозвуковые значения скоростей и т.д.). Поэтому, при использовании результатов расчета, полученных с использованием тех или иных математических моделей, должны быть определены критерии определения диапазонов изменения параметров, в которых используемые аппроксимации и допущения не приводят к неприемлемым ошибкам. Такие критерии могут быть получены только экспериментально на физических моделях.

Развитие судостроения требует рассмотрения новых конструкционных решений. Для математического описания поведения этих комплексных структур в различных условиях необходимо построить системы уравнений и граничных условий, либо получаемых, либо подтверждаемых по результатам эксперимента.

Разнообразие режимов движения судна и стремление к повышению экономической эффективности эксплуатации судов приводит к необходимости отыскания путей воздействия на условия течения. Последнее требует выполнения углубленных исследований процессов, происходящих при движении тела в потоке. Однако, до тех пор, пока уравнения этих тонких явлений, описывающих процессы воздействия на поток и реакции потока на вносимое возмущение, не получены, их математическое моделирование невозможно.

Представляется, что в процессе дальнейшего развития гидродинамические лаборатории будут уделять все большее внимание решению перечисленных проблем. В этом случае, с одной стороны, развитие компьютерных методов приведет к замене значительного объема стандартных испытаний математическим моделированием. При этом с другой стороны, появление новых технических проблем и необходимость создания новых математических моделей для описания тех процессов, которые пока имеют только экспериментальное описание, приведет к необходимости выполнения комплексных физических исследований с использованием экспериментальных установок [2]. Универсальность и функциональность таких установок — качества, позволяющие проводить экспериментальные исследования с расширяющейся номенклатурой и изменяющимися требованиями к проведению испытаний, являются необходимыми при проектировании новых установок.

С повышением скорости хода судов и созданием достаточно мощных энергетических установок вопросы изучения кавитации движителей стали столь актуальны, что привели на рубеже 19-20 веков к созданию нового типа экспериментальных установок, названных кавитационными трубами. Предназначенные первоначально исключительно для изучения кавитации как явления возникающего на лопастях гребных винтов, установки со временем совершенствовались и использовались для решения все более широкого круга задач, в том числе связанных не только с кавитацией. В связи с этим появился и развивается целый класс экспериментальных установок, включающий в себя разнообразные типы кавитационных и гидродинамических труб, объединенных общим принципом организации эксперимента: в рабочем участке установки создается поток жидкости с регулируемой скоростью и изучаемые объекты испытываются в условиях обращенного движения при переменных значениях скорости и давления. При этом используется принцип обратимости, согласно которому все характеристики гидродинамического поля и силовое воздействие жидкости на помещенное в ней тело должны сохраняться неизменными, если вместо условия движения тела в неподвижной жидкости с постоянной скоростью рассматривать случай обтекания с той же скоростью неподвижного тела однородным встречным потоком.

Кавитационные и гидродинамические трубы различаются между собой по размерам, количественному значению характеристик потока и экспериментальным возможностям, связанным с принципиальными конструктивными решениями. Наибольшей универсальностью обладает безресорберная невинтовая кавитационная труба замкнутого типа с удлиненным рабочим участком, позволяющая при наличии соответствующих компактных приводов, размещаемых внутри рабочего участка, проводить испытания как движителей в изолированном действии, так и работающих за корпусом, а также в равной степени испытания коротких и удлиненных тел в потоке. Скорость потока в рабочем участке такой установки задается импеллерным насосом и регулируется изменением частоты вращения рабочего колеса (импеллера). Давление в рабочем участке регулируется независимо от скорости потока при помощи систем пневматических или гидравлических устройств, создающих вакуум и избыточное давление в замкнутом объеме установки. Отсутствие в конструкции установки ресорберов, способствующих более эффективному растворению пузырьков газа в объеме воды, снижает гидравлические потери и в то же время практически не ограничивает номенклатуру и режимы стандартных испытаний, выполняемых в обеспечение проектирования кораблей и судов. Вертикальная компоновка корпуса трубы, при которой большая часть проточного канала находится под воздействием избыточного гидростатического давления, и в отсутствие ресорберов обеспечивает достаточную растворительную способность установки, исключающую возникновение газовой кавитации при стандартных испытаниях.

Принципиальная общая схема такой кавитационной трубы представлена на рисунке 1. Корпус трубы состоит из следующих конструктивных элементов: рабочий участок, имеющий наименьшее в составе трубы сечение и, соответственно, наибольшие скорости течения, и обратный канал увеличенного по отношению к рабочему участку сечения. Увеличенное поперечное сечение элементов обратного канала позволяет за счет снижения скорости течения и увеличения давления уменьшить величину гидравлических потерь в обратном канале и предотвратить кавитацию самих элементов проточного канала и импеллерного насоса, а также обеспечить растворение выделяющихся в процессе испытаний в рабочем участке воздушных пузырьков за период прохождения жидкостью замкнутого цикла движения. Значительная разница сечений обратного канала и рабочего участка способствует также формированию в рабочем участке потока с низкими уровнями неоднородности и турбулентности. В состав трубы входит также осевой насос, включающий в себя валовую линию и импеллер, который может быть снабжен спрямляющим (направляющим) аппаратом. Импеллерный насос предназначен для подвода от внешнего привода энергии, которая затрачивается на компенсацию необратимых гидралических потерь, составляющих порядка 10-30% кинетической энергии потока в рабочем участке. Рабочий участок составляет основное звено трубы, определяющее в значительной степени и остальные элементы корпуса. Достаточное распространение получили установки, имеющие рабочий участок кругового сечения, однако, это в большинстве своем винтовые трубы для испытания моделей изолированных движителей. Рабочий участок универсальной трубы, где в равной степени можно проводить испытания движителей с макетом корпуса, имеет квадратное или прямоугольное сечение, что обеспечивает наилучшие условия проведения испытаний моделей судов, располагаемых в нем, в то время как в районе импеллера по очевидным причинам сечение обратного канала является круговым. Таким образом, один из участков на пути движения потока от выхода рабочего участка до импеллера должен быть переходным, изменяющим сечение от квадрата или прямоугольника к кругу, также как и на пути движения жидкости от импеллера к входу рабочего участка должен присутствовать второй переходной участок, трансформирующий круговое сечение вновь в квадратное или прямоугольное.

На основании изложенного, в составе обратного канала необходимо рассматривать следующие принципиально необходимые конструктивные элементы. Непосредственно за рабочим участком (1) должен следовать главный диффузор (2), снижающий при сохранении безотрывного обтекания скорость и повышающий давление в такой степени, чтобы исключить возникновение кавитации в следующем за диффузором первом поворотном колене (3). За первым поворотным коленом следует вертикальный участок (4), второе поворотное колено (5), нижний горизонтальный участок перед импеллером (6). Один из участков (4) или (6) является переходным с квадрата (прямоугольника) на круг. При этом, данные участки могут быть также диффузорами, обеспечивая дальнейшее расширение сечения для снижения скорости течения и увеличения давления. Особенностью конструкции второго поворотного колена, как правило, является наличие линии вала, пересекающей поворотные лопатки (либо это может быть в третьем поворотном колене). Далее следует импеллерный участок (7), с установленным в нем импеллером, имеющий в составе спрямляющий (направляющий) аппарат. Выбор диаметра импеллера по условию отдаления кавитации и снижения шума определяет сечение импеллерного участка. Начальная часть импеллерного участка может быть конфузорной, что способствует выравниванию поля скоростей в диске импеллера. Импеллер создает наиболее сильные вихревые возмущения в потоке и часть обратного канала за импеллером должна выполнять функцию погашения этих возмущений. Прежде всего, эту функцию выполняет спрямляющий аппарат, расположенный в импеллерном участке непосредственно за импеллером. Его наличие позволяет как снизить в целом уровень возмущений в потоке, что в конечном итоге проявляется и в рабочем участке, так и утилизировать часть энергии, затрачиваемой на закрутку потока, тем самым, увеличивая КПД импеллерного насоса. За импеллерным участком следует второй нижний горизонтальный участок (8), третье поворотное колено (9), второй вертикальный участок (10). Участки (8) и (10) также как (4) и (6) обеспечивают изменение поперечного сечения (с кругового на квадратное) и дальнейшее расширение потока. Расширение сечения обеспечивает увеличение времени на диссипацию завихренности от работающего импеллера на пути движения до рабочего участка и, хотя и повышает степень неоднородности потока, снижает абсолютную энергию возмущения. Следующее далее четвертое поворотное колено (11), хоннейкомб (12) и стабилизирующий участок (13) имеют неизменное на входе и выходе, наибольшее во всем проточном канале, сечение. Хотя скорость потока в этих секциях минимальна, они расположены непосредственно перед рабочим участком и оказывают наиболее значительное влияние на формирование потока в рабочем участке, поэтому их проектированию уделяется особое внимание. Хонейкомб, или сотовый выпрямитель, осуществляет разрушение крупномасштабных вихрей и диссипацию мелкомасштабных в хонейкомбе и следующем за ним стабилизирующем участке. В конфузоре (14) происходит резкое ускорение и поджатие потока, что также способствует диссипации вихревых структур и достижению низких уровней турбулентности потока в рабочем участке. Поджатие в конфузоре позволяет также снизить неоднородность потока по сечению рабочего участка.

Многоцелевые универсальные экспериментальные установки, к которым относятся кавитационные и гидродинамические трубы, сохраняют свое значение и, по-видимому, сохранят его и в будущем при изучении комплексных гидродинамических проблем, таких, например, как взаимодействие движителя и корпуса судна в широком диапазоне чисел кавитации [3]. Входя в состав судостроительных испытательных центров совместно с опытовыми бассейнами, кавитационные и гидродинамические трубы традиционно используются для изучения задач кавитации изолированных движителей, крыльев и тел в потоке [4], а также ряда других задач, которым уделяется все большее внимание в настоящее время, касающихся шумоизлучения, нестационарных сил и давлений при работе движителей в моделируемом потоке за корпусом [5],[6]. Снижение шума и вибраций за последние годы стало одной из приоритетных целей не только для кораблей ВМФ [7],[8], но и для таких судов, как океанографические и сейсмические суда, а также круизные лайнеры [9],[10]. Круг задач, которые в настоящее время решаются в кавитационных и гидродинамических трубах, и для исследования которых такого рода установки являются уникальным экспериментальным средством, существенно расширился. Расширение номенклатуры проводимых испытаний ставит новые требования к этим установкам (предельно низкие уровни турбулентности потока и фонового шума в рабочем участке, увеличенные для испытаний движителя за макетом корпуса размеры рабочего участка, низкие значения чисел кавитации, соответствующие высоким скоростям движения) и делает актуальной задачу их проектирования. Ведущие судостроительные испытательные центры, такие как бассейн Давида Тейлора СБК8\УС в США, Гамбургский бассейн НБУА в Германии, Парижский бассейн во Франции построили и ввели в эксплуатацию в 90-е годы XX века такие установки, несмотря на то, что уже располагают в своем составе целым рядом построенных ранее кавитационных труб различного назначения. На рубеже XXI века их примеру последовал Китайский центр СББИС. Однако, характеристики последней установки оказались существенно хуже. Правильный выбор элементов трубы обеспечивает соответствие установки заданным требованиям, и во многих случаях оправданными являются экспериментальные исследования отдельных элементов установки на крупномасштабных макетах в стадии проектирования [11], [12] и даже постройка полной уменьшенной копии проектируемой установки сравнительно большого масштаба. Однако и такие достаточно затратные методы, используемые при проектировании, не позволяют только на основании модельных испытаний предсказать основные характеристики вновь создаваемой установки, поскольку ряд важных параметров на моделях не может быть воспроизведен в полном соответствии с требованиями натурной установки: это и числа Рейнольдса для всех элементов проточного канала, и масштаб и степень турбулентности, и амплитудно-частотные акустические характеристики, и кавитационные характеристики, которые воспроизводятся лишь с учетом масштабного эффекта. По этой причине достаточно часто авторы для создания новой установки используют наиболее удачные существующие натурные прототипы, например [13]. Однако, как показывает в полной мере указанный пример [13], использование даже очень удачных прототипов, каковыми для Кавитационной трубы СЬСС Китайского научно-исследовательского судостроительного центра СБвЯС послужили большая кавитационная труба НУКАТ Гамбурского центра НБУА и большая кавитационная труба ЬСС Тейлоровского центра в Мемфисе, не гарантирует повторения столь же высоких, как и для прототипов, качеств в новой установке.

Без понимания влияния различных факторов на конечный результат, в отсутствии анализа и систематизации данных по проектированию различных элементов и кавитационной трубы в целом, при недостаточно полной формулировке требований к параметрам потока в рабочем участке и определении приоритетности требований, и, наконец, в отсутствии метода проектирования установки, учитывающего все перечисленные моменты, положительный результат не может быть в полной мере достигнут при создании проекта новой установки.

Существуют лишь обобщенные представления о проектировании элементов установки, детально взаимосвязь отдельных проектных решений и их влияние на параметры потока в рабочем участке" изучены недостаточно, а отдельные аспекты при проектировании не учитываются. В частности, требования к фоновому шуму не прйнимаются в расчет при проектировании. Как следствие, при выборе элементов системы управления турбулентностью потока не учитывается влияние на уровни фонового в рабочем участке. Частота вращения и диаметр импеллера выбираются отличными от оптимальных по кавитационным характеристикам, в результате чего, как правило, кавитация импеллера ограничивает диапазон режимов испытаний установки. Необходимость увеличения размеров рабочего участка входит в противоречие с требованием получения низких чисел кавитации в используемых конструкциях кавитационных труб с симметричной формой конфузорного участка. Таким образом, необходимо рассмотрение нетрадиционных технических решений в отношении основных элементов, оказывающих влияние на характеристики установки: рабочего участка, конфузора, диффузора, поворотных колен, импеллерного насоса и элементов системы управления турбулентностью потока. Такая задача может быть решена на основании комплексного метода гидродинамического проектирования, учитывающего все перечисленные требования и позволяющего осуществлять прогноз выходных параметров и поиск оптимальных решений.

Целью работы являлась разработка метода гидродинамического проектирования, обеспечивающего создание универсальных кавитационных труб для нужд судостроения, отвечающих современным требованиям.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи: анализ номенклатуры и условий проведения экспериментальных исследований, проводимых в кавитационных трубах в обеспечение проектирования судов и кораблей, и определение необходимых требований к установкам для проведения испытаний; систематизация и анализ данных по проектированию различных элементов установок, оценка достоверности используемых методов на основе применения к действующим установкам с известными характеристиками и полученных новых экспериментальных данных, разработка новых методов и технических решений, обеспечивающих достижение заданных требований; апробация разработанных положений при рабочем проектировании универсальной кавитационной трубы: определение эффективности разработанных технических решений, достоверности прогнозирования натурных характеристик установки и уточнение разработанных положений по результатам натурных испытаний.

Для решения поставленных задач в работе использованы экспериментальные, аналитические и численные методы решений. Проведены модельные испытания на этапе разработки технического проекта и натурные испытания в процессе эксплуатации построенной установки.

В ходе выполнения работы получены следующие основные результаты: установлена зависимость уровней фонового шума в рабочем участке установки от ее основных параметров, позволяющая определить вклад отдельных гидродинамических источников и осуществлять прогноз ожидаемых уровней на ранней стадии проектирования кавитационной трубы; получены оригинальные технические решения в отношении основных элементов, обеспечивающих спецификационные характеристики установки. В частности, произведен расчет формы конфузорного участка, обеспечивающей наилучшие кавитационные качества при любых абсолютных размерах, не достижимые при традиционно используемых формах. Оптимизированы по кавитационным характеристикам и величине гидравлических потерь параметры диффузорного участка 0С1 и 111. Расчитана конструкция хонейкомба с параметрами, обеспечивающими необходимую редукцию турбулентности потока до 0.1-Ю.2% в рабочем участке при незначительных гидравлических потерях. Определены оптимальные параметры импеллера, диаметр и частота вращения, обеспечивающие наиболее высокие кавитационные качества в сравнении с наилучшими известными прототипами;

- произведена натурная проверка результатов выполненных модельных испытаний и расчетов.

В итоге разработан и апробирован комплексный метод гидродинамического проектирования кавитационных труб насосного типа, обеспечивающий решение всех проектных задач при разработке установки с характеристиками, отвечающими потребностям судостроения на современном этапе (максимальная скорость У0 потока в рабочем участке не менее 15м/с, фоновый шум на скорости У0=6м/с в рабочем участке не более 90дБ в третьоктавной полосе частот, неоднородность потока не более 0.5%, турбулентность 0.1-Ю.2%, минимальное число gho кавитации на оси рабочего участка с высотой сечения 2Ь0не более ——).

ТО

На базе результатов, полученных в настоящей работе, разрабатывался рабочий проект универсальной кавитационной трубы Индийского испытательного центра, удовлетворяющей заданным требованиям и имеющей высокие спецификационные параметры. Установка введена в эксплуатацию в 2001 году. Натурные испытания установки подтвердили эффективность разработанных решений и достоверность методов прогноза ожидаемых характеристик. Результаты работы также использовались при разработке ряда эскизных проектов по запросам Заказчиков.

Заключение

1. В результате выполненной работы создан метод для проектирования универсальных кавитационных труб насосного типа, обладающих низкой шумностью (не более 90 дБ в третьоктавной полосе частот при скорости потока в рабочем участке Уо~6м/с), возможностью достижения чисел кавитации минимальных для выбранных размеров рабочего участка, низкими уровнями турбулентности и неоднородности потока. Разработанные рекомендации позволяют при проектировании новой установки определить все основные параметры расчетным путем при минимальном объеме экспериментальных исследований, необходимых только для проверки характеристик импеллерного насоса. Метод включает в себя:

1.1. Обоснование требований к проектируемой установке на основе анализа номенклатуры проводимых экспериментов, позволяющее осуществить рациональное задание исходных данных на проектирование.

1.2. Общий алгоритм проектирования, определяющий последовательность решения связанных проектных задач и минимизирующий необходимость выполнения последовательных приближений в процессе проектирования.

1.3. Рекомендации по выбору параметров системы управления турбулентностью потока, основанные на применении протестированного по результатам испытаний ряда действующих установок метода расчета, позволяющие при минимальных гидравлических потерях получить требуемые уровни турбулентности потока в рабочем участке 0.1-Ю.2%.

1.4. Метод проектирования конфузора, обеспечивающего достижение минимально возможных чисел кавитации, составляющих на оси рабочего участка величину —определяющуюся только поперечным размером 2по и

Уо скоростью течения Уо в рабочем участке.

1.5. Рекомендации по выбору параметров диффузора из условий оптимизации по кавитационным характеристикам, величине гидравлических потерь и неоднородности в выходном сечении.

1.6. Рекомендации по выбору оптимальных характеристик импеллера, обеспечивающие наилучшие кавитационные и акустические характеристики установки.

1.7. Определение параметров установки, обеспечивающих необходимую растворительную способность.

1.8. Определение ожидаемых уровней фонового шума при проектировании универсальной кавитационной трубы насосного типа

2. Метод применен для проектирования установки Индийского испытательного центра. Разработаны технический и рабочий проекты установки Индийского испытательного центра.

3. Исследованы характеристики ряда кавитационных труб, включая спроектированную с использованием разработанных положений кавитационную трубу Индийского испытательного центра. Полученные результаты испытаний спроектированной и введенной в действие установки подтвердили достоверность и эффективность использованных положений и разработанных методов и рекомендаций гидродинамического проектирования кавитационных труб замкнутого типа. Разработанные положения уточнены по результатам натурных испытаний.

1. Пашин В.М., Русецкий А.А., Тимошин Ю.С., Развитие компьютерных технологий и их влияние на задачи и методы экспериментальной гидродинамики, 13-й научно-методологический семинар по гидродинамике судна, том 1, с.2.1-2.6, Варна, 1984.

2. Bark G. and Berlekom W. В., Experimental Investigations of Cavitation Dynamics and cavitation Noise, 12th Symposium on Naval Hydrodynamics, ONR, Washington, DC, USA, p.p. 470-493, 1978.

3. Matusiak J., Broadband Noise of the Cavitating Marine Propellers: Generation and Collapse of the Free Bubbles Downstream of the Fixed Cavitation, Proc. of the 19th Symposium on Naval Hydrodynamics, ONR, Seoul, Korea, p.p. 701-712, 1992.

4. Friesh J., Correlation Investigations for Higher Order Pressure Fluctuations and Noise for Ship Propellers, Proc. of the 3rd International Symposium on Cavitation, Grenoble, France, p.p. 259-265, 1998.

5. Arndt R.E.A., Weitendorf E.A. Hydrodynamic Considerations in the Design of HYKAT. STG-Sprechtag "Propeller and cavitation", Hamburg, June, 1990.

6. Song C.C.S., Wetzel J.M., Killen J.M., Arndt R.E.A. Physical and Mathematical Modelling ofthe HYKAT. St.Anthony Falls Hydraulic Laboratory, University of Minnesota, Project report N 282, Dec., 1988.

7. Wei-Xin Zhou, Tian-Kui Wang, Xiao-Bing Fan, Xiao-Jun Shi. Large Cavitation Channel in China Ship Scientific Research Center (CSSRC), CSSRC Report, Wuxi,Jangsu, China, 2001.

8. Mumma A.G. The Variable Pressure Water Tunnels at the David Taylor Model Basin.-Trans.SNAME,v.49, 1941.

9. Koning I.G. Variable Pressure Water Tunnels. Report of the Netherlands Model Basin, N 47, 1941.

10. Jarosz A. Okretowe baseny modelowe. Widawnictwo MORSKIE, 1977.

11. Русецкий A.A. Лаборатории для исследования кавитации. «Судостроение», №12, 1959.

12. Прищемихин Ю.Н. Современные зарубежные судостроительные гидродинамические лаборатории, "Судостроение", 1969.

13. Горшков А.С., Русецкий А.А. Кавитационные трубы. Л., "Судостроение", 1972.

14. Витер В.К. Разработка техники и технологии исследования кавитационных явлений в гидравлических системах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Красноярск, 2003.

15. Lumley J.L., McMahon J.R. Reducing Water Tunnel Turbulence by Means of a Honeycomb , Journal of Basic Engineering, ASME, vol.89, pp.764-770, Dec. 1967.

16. Lumley J.L. Passage of a Turbulent Stream Through Honeycomb of a Large Length-to-Diameter Ratio, Journal of Basic Engineering, Trans. ASME, Series D, vol.86, pp.218-220, 1967.

17. Batchelor G.K. The Theory of Homogeneous Turbulence, The University Press, Cambridge, England, 1960.

18. Robbins B.E. Water Tunnel Turbulence Measurements Behind a Honeycomb, Journal Hydronautics, vol.12, №3, pp.122-129, July 1978.

19. Wetzel J.M., Arndt R.E.A. Hydrodynamic Design Considerations for Hydroacoustic Facilities , ASME Hydroacoustic Facilities, Instrumentation and Experimental Techniques, NCA, Atlanta, vol.10, pp. 1-8, Dec. 1991.

20. Пэнхерст P., Холдер Д. Техника эксперимента в аэродинамических трубах, М., Иностранная литература, 1955.

21. Le Grand Tunnel Hydrodynamique (GTH), Bassin d'Essais des Carénés de Paris-Centre de Val de Reuil Communice at SHF SYMPOSIUM on Cavitation, March, 1988.

22. Tsien H.S. On the Design of the Contraction Cone for a Wind Tunnel, Journal of the

23. Aeronautical Sciences, vol.10, pp.68-72, 1943.

24. Witoshinsky C.Vortroge ans dem Gebiete der Hydro- und Aerodynamik, Berlin, 1924.

25. Морель Т. Детальный расчет осесимметричных конфузоров аэродинамических труб, Теоретические основы инженерных расчетов, №2, 1975.

26. Тулапуркара Е., Бхалла В. Экспериментальная проверка метода Мореля для расчета конфузоров аэродинамических труб, Теоретические основы инженерных расчетов, №3, 1988

27. Идельчик И.Е. Аэродинамика промышленных аппаратов. М.,Энергия,1964.

28. Blaurock J. Das Impeller System Des Hykat's. Jahrbuch der Schiffbantechnischen Gesellscaft, band.5, 1990.

29. Ettler R.,Wilson M.B. The Large Cavitation Channel. 23-rd American Towing Tank Conference, New-Orlean, Lousiana, Preprints, pp.193-202, June 11-12, 1992.

30. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям (коэффициенты местных сопротивлений и сопротивления трения), M.,JI., ГЭИ, 1960.

31. Выбор диаметра и частоты вращения импеллера. Технический отчет №2 по контракту № 356/07535359/26, 1998.

32. Проектирование, модельные испытания и прогнозирование характеристик насоса кавитационной трубы. Технический отчет №12 по контракту № 356/07535359/26, 1999

33. Greeley D.S., Abbot Р.А., Brown N. A., Rothblum R.S. Water Tunnel Background Noise Models, ASME Int. Symposium on Cavitation Research Facilities and Techniques, 1987, FED-Vol.57, pp.91-97, Boston, Dec. 1987.

34. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя, М,1956.

35. Johanssen С., Friesch J. Propulsion Optimization Test at High Reynolds Numbers, SNAME Annual Meeting, 1994.

36. Friesch J., Johanssen C., Payer H. Correlation studies on propeller cavitation making use of a Large Cavitation Tunnel, SNAME Trans., №2, New-York, October 28-31,1992.

37. Arndt R.E.A., Weitendorf E.-A. Hydrodynamic Consideration in the Design of HYKAT. STG-Sprechtag "Propeller and Cavitation", Hamburg, June, 1990.

38. Weitendorf E.-A.,Tanger H. Cavitation investigations in Two Conventional Tunnels and in the Hydrodynamic and Cavitation Tunnel HYKAT. Schiffstechnic , Bd.46, 1999.

39. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред, ГИТТЛ, М., 1954.

40. Goldshtein S. Modern Developments in Fluid Dynamics. Dover publications, New-York, 1965

41. Русецкий A.A., Хомяков A.A. Методы обеспечения однородности поля скорости и снижения интенсивности турбулентности потока в установках с обращенным движением. Морской Весник, №1(5), 2003.

42. Разработка элементов теоретического чертежа кавитационной трубы. Технический отчет №1 по контракту №356/07535359/26, 1998.

43. Результаты испытаний кавитационной трубы. Технический отчет №20 по контракту № 356/07535359/26,2001.

44. Hussain A.K.M.F.,Ramjee V. Effects of the axisymmetric Contraction Shape on Incompressible Turbulent Flow, Transactions of the ASME, Journal of Fluid Engineering, vol.98, pp. 58-69, March 1976.

45. Васильев A.B. Влияние формы трубы на кавитационные характеристики крыльевого профиля. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып. 4(288), 1997.

46. Payer H.G., Friesch J., Weitendorf E.A. Hydrodynamic Considerations on the Design of HYKAT. ITTC-Meeting, Madrid, 1990.

47. Отработка элементов теоретического чертежа кавитационной трубы. Технический отчет №13 по контракту № 356/07535359/26, 1999.

48. Рисунок 1 — Схема кавитационной трубы насосного типа1. Проектирование систем1. ЫР,а,У0,р0, ДУо, Дро, Ьш1. Требования к системамрегулирования параметров установки1. V0и> <х

49. Номенклатура выполняемых экспериментов1/31. С*0

50. Требования к измерительному оборудованию

51. П роектированне измерительного оборудования12

52. Определение оптимального лиаметш и частоты воашенияа,

53. Требования к характеристикам потока врабочем участке1. Ьм, ^мI1. Сто1. ДУ1. Проектирование коифузора7 ~1. Проектированиесистемы регулирования турбулентности1. СТо, С

54. Определение размеров рабочего участка5=размеры1и, Ьр, Врразмещение18

55. Проектирование рабочего участкаауках,

56. Ориентировочный диаметр импеллерап3

57. N. 13 Определение параметров электропривода

58. И Гидравлический расчет установки1. П.1. Размеры всех участковI

59. Ожидаемые акустические характеристикию

60. Общая компоновка установкиI

61. Проектирование первого поворотного с колена8 Форма и размеры диффузораа2ука2хьау„ а2у„ах,. а2хядиф;1. Р-ЮП)1. ЛОИ!'И Ч' О,, Кн

62. Корректировка элементов установки, влияющих на поле скоростей в диске импеллеращ Прогноз поля скоростей вдиске импеллера1.т

63. Корректировка поля скоростей в диске импеллера151. У(г,в) ||1. Проектирование импеллера

64. Рисунок 2 Проектирование КТ. Блок-схема.1. Y/D, Y/D,