автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Гидродинамика взаимодействия движителя с корпусомв режиме экстренного торможения и нормирование инерционных качеств судов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГБ ОД I 9 ИЮН »

К 629.12 На правах рукописи

Яцук Юрий Владимирович

Гидродинамика взаимодействия движителя с корпусом в режиме экстренного торможения и нормирование инерционных качеств судов

Специальность 05.08.01 - «Теория корабля»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург' 2000

Работа выполнена на кафедре Теории, проектирования и конструкци судов Санкт-Петербургского Государственного Университета Водны Коммуникаций.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

А. Д. Гофман

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

А. И. Короткин

кандидат технических наук, доцент А. Д. Красницкий

Ведущая организация ОАО «Инженерный Центр Судостроения»

Защита диссертации состоится 28 июня 2000 г. в часов )

заседании Диссертационного Совета Д053.23.04 при Санкт-Петербургскс Государственном Морском Техническом Университете по адресу 1900С Санкг-Петербург, ул. Лоцманская, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саш Петербургского Государственного Морского Технического Университета.

Автореферат разослан 23 мая 2000 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета

1. Общая характеристика диссертационной работы

Актуальность работы. В настоящее время во всем мире наблюдается эвышенный интерес к проблеме нормирования маневренных качеств судов, а сегодняшний день, удовлетворительного решения данной проблемы не 'Шествует.

"Временный стандарт маневренности судов", введенный в действие ;золюцией А.751(18) Международной Морской Организацией 1МО в 1993 , справедливо критикуется за неудачный выбор критериев нормирования и гохо обоснованные нормативы.

Государства - члены «Комитета по внутреннему транспорту фопейской Экономической Комиссии ООН» уже несколько лет (с 1995 г.) ; могут согласовать единый "Проект рекомендаций, касающихся днимальных требований к навигационным качествам и маневренности гдов внутреннего плавания".

В Правилах крупнейших мировых классификационных обществ 'ебования к маневренным качествам судов практически не содержатся.

Изложенное в полной мере относится к старейшей составляющей юблемы нормирования маневренности - нормированию инерционных эрмозных) качеств судов. Несмотря на то, что первые требования к длине рмозного пути судна были сформулированы в резолюции 1МО А160 (док. ЕБ IV) еще в 1968 г., современные подходы к нормированию инерционных честв судов по-прежнему далеки от совершенства. Например, в уже юминавшейся резолюции А751(18) 1МО, указывается, что длина пути рможсиия, осуществляемого с помощью реверса движителя с полного реднего на полный задний ход, не должна превышать 15 длин корпуса. При ом одновременно оговаривается, что указанное требование может быть ято по согласованию с Морской Администрацией флага судна.

Как показал анализ, выполненный автором, подавляющее большинство авнительно небольших морских судов и практически все суда внутреннего авания удовлетворяют данному требованию с двукратным запасом. Между м, многие из них осуществляют частые заходы без помощи буксиров в есненные акватории маленьких портов, зачастую с опасным грузом на рту, или вынуждены постоянно работать в условиях узкого и извилистого чного судового хода. В подобных условиях величина пути торможения, вная 7-8 длинам судна, может оказаться чрезмерной. Сказанное дтверждается результатами опроса судоводителей речного флота, льшинство из которых не вполне удовлетворено инерционными рактеристиками своих судов.

С учетом изложенного, проведение исследований, призванных высить безопасность маневрирования судов, представляется несомненно гуальным.

Предметом исследования диссертационной работы являет« разработка гидродинамических оснований нормирования инерционнь качеств судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания в Правил; Российского Речного Регистра. При этом основное внимание уделе! исследованию взаимодействия движителя с корпусом в процессе реверса, к: наименее изученной до настоящего времени проблеме гидродинам иI торможения судна.

Основные задачи и этапы исследования:

• исследование истечения струи жидкости во встречный поток методах визуализации;

• исследование методами визуализации взаимодействия струи, направлен™ против внешнего потока, с кормовой оконечностью тела;

• исследование характеристик взаимодействия движителя, работающего режиме реверса, с корпусом на крупномасштабных моделях в опытовс бассейне;

• разработка программного обеспечения системы комплексной автомат зации эксперимента в лаборатории навигационных качеств судов СПГУВК

• изучение динамического взаимодействия струи, направленной прот внешнего потока, с телом вращения в аэродинамической трубе;

• разработка математической модели истечения струи жидкости во встречи) поток методом дискретных вихрей;

• построение математической модели обтекания системы тело-движите. работающий в режиме реверса, в плоской постановке с учетом вяз! невязкого взаимодействия;

• постановка вычислительного эксперимента с целью исследован взаимодействия струи, направленной против внешнего потока, с телом;

• построение математической модели управляемого движения суд| ориентированной на использование экспериментальных данных взаимодействии движителя, работающего в режиме реверса, с корпусом;

• сбор и анализ статистических данных по инерционным характеристик судов внутреннего, смешанного «река-море» и морского плавания;

• анкетирование судоводителей судов внутреннего и смешанного «река-мо{ плавания с целью выявления требований штурманского состава флоте инерционным характеристикам судов;

• подготовка предложений по нормированию инерционных качеств су; внутреннего и смешанного «река-море» плавания в Правилах Российсю Речного Регистра (редакция 2000 г.).

Методы исследования. Решение поставленных в диссертациош работе задач осуществлялось с использованием:

• методов визуализации течений жидкости;

мштаний крупномасштабных моделей транспортных судов в опытовом ссейне СПГУВК;

подов вычислительной гидродинамики; гтодов математического моделирования движения судна; зтодов системного программирования; лодоп статистического анализа.

Научная новизна. В диссертационной работе выполнено исследование ее не изученных процессов взаимодействия движнтельного комплекса с пусом судна в процессе экстренного торможения, включающее; азработку математической модели истечения струи во встречный поток и заимодействия струи с находящимся перед ней телом; изуализацшо истечения струи жидкости во встречный поток и заимодействия струи с находящимся перед ней телом; олучение новых экспериментальных данных о взаимодействии вижителя, работающего в режиме реверса, с корпусом судна; бор и анализ статистических данных по экстренному торможению судов орского и речного флота.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в чующем:

одготовлен проект впервые вводимых требований Правил Речного егистра России к экстренному торможению судов (редакция 2000 г.); азработан метод расчета экстренного торможения судов, учитывающий заимодействие движительного комплекса с корпусом судна; азработано программное обеспечение системы комплексной автомати-щии эксперимента в лаборатории навигационных качеств судов СПГУВК.

Реализация результатов работы. Результаты, полученные в гертационной работе, использованы: проекте раздела "Маневренность" Правил Речного Регистра России >едакция 2000 г.);

лаборатории навигационных качеств судов СПГУВК путем внедрения тстсмы комплексной автоматизации эксперимента.

На защиту выносятся:

ззультаты исследования физических процессов, происходящих при :течении струи жидкости во встречный поток;

ззультаты исследований взаимодействия движителя, работающего в гжиме реверса, с телом;

эедложения по нормированию инерционных характеристик судов 1утреннего и смешанного «река-море» плавания в Правилах Российского зчного Регистра (редакция 2000 г.).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной рабо докладывались и получили положительную оценку на: 12 международи конференции по применению гидродинамики в проектировании су; HYDRONAV'97 в 1997 г. (Szklarska Poreba, Польша); между нарс>Д1 научно-технической конференции МОРИНТЕХ-99 в 1999 г. (С-Петербу| международной научно-технической конференции HYDRONAV'1 MANOEUVRING'99 в 1999 г. (Ostroda, Польша); международной науч; технической конференции "ТРАНСКОМ-97" в 1997 г. (С-Петербу} постоянном семинаре по визуализации течений ЦНИИ им. ак. А. Н. Крыт в 1998 г. (С-Петербург); научно-методических конференциях профессоре преподавательского состава СПГУВК в 1996, 1998 и 1999 годах Петербург).

Работа была поддержана персональным аспирантским грант Правительства Санкт-Петербурга за 1996 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, т| глав, заключения, библиографического списка и двух приложений. Раб содержит 112 страниц, включая 41 рисунок, 4 таблицы и 9 стра! библиографического списка, включающего 93 наименования.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в публикациях (см. перечень в конце автореферата).

2. Содержание работы

Во Введении обосновывается актуальность темы . рабо формулируются основные цели и задачи исследования, а также обсуждае структура диссертации.

Первая глава посвящена экспериментальному исследованию взаи действия движителя, работающего в режиме реверса, с корпусом судна.

В первом разделе главы приведен краткий обзор основных результа экспериментальных исследований физических явлений, сопровождаю! процесс торможения судов. Исследованию физики явлений, сопров дающих торможение судна, посвящено значительное количество работ. 3; необходимо упомянуть целый ряд отечественных и зарубежных ученых ■ Я. Миниовича, А. А. Русецкого, Г. В. Соболева, А. Д. Гофмана, М. Гречина, В. И. Зайкова, Ф. М. Кацмана, М. Aucher, Н. F. Nordstrom, N. Nor и других.

Следует отметить, что внимание большинства авторов & сосредоточено на изучении работы изолированных движителей разлита типов в режиме реверса и на сегодняшний день эта проблема рассмотр достаточно подробно. Единственным спорным вопросом здесь до сих остается вопрос о существовании режима «вихревого кольца», т.е. таь

ения, при котором вся жидкость, прошедшая через гидравлическое [ение движителя возвращается в него снова.

Главной проблемой сегодня, как и много лет назад, остается создание четной методики определения характеристик взаимодействия корпуса с гжителем, работающим в режиме реверса, поскольку их эксперимен-ьное определение представляет сложный и дорогостоящий процесс даже I рассмотрении только прямолинейного движения судна в процессе 1МОжения. Имеющиеся в литературе данные о взаимодействии разрознены ю пригодны для пересчета с модели на натурное судно. В связи с этим говное внимание автора было уделено именно проблеме взаимодействия.

Второй раздел посвящен визуализации взаимодействия струи матизированного движителя, работающего в режиме реверса, с кормовой нечностыо тала вращения. Исследование было выполнено совместно с

Гузеевым в вертикальной гидродинамической трубе ЦНИИ им. акад. I. Крылова. Цель испытаний заключалась в получении физических дставлений о структуре потока, необходимых для последующей работки математической модели течения.

Действие движителыюго комплекса имитировалось подачей навстречу овному потоку незакрученной струи жидкости, подкрашенной оореснирующей краской.

Наблюдения, выполненные в ходе эксперимента позволяют выделить режима течения:

ежим "обратной струи", наблюдающийся при соотношении скоростей уия> -0.75, где Ур - средняя скорость истечения струи движителя, 1!х -корость набегающего потока. Перед выходным отверстием трубки бразуется застойная зона, с четкой границей раздела между струей и абегающим потоком, подпитываемая струей, из которой жидкость носится вниз по потоку, постепенно размываясь. Перемешивание потоков еред выходным отверстием трубки не происходит. Размер застойной зоны рактически стабилен (рис. 1 а);

переходный режим, наблюдающийся при соотношении скоростей ).75>Уг/и,х>-1 -5. Осевая протяженность застойной зоны увеличивается, го приводит к периодической потере осевой устойчивости течения и мыканию по потоку всей застойной зоны (рис. 1 б);

южим "факела" ("близкий к швартовному"), наблюдающийся при ^отношении скоростей Ур/иа,<-1.5. На некотором удалении от выходного зчения трубки образуется зона турбулентного смешения потоков, эдпитываемая струей. Объем зоны и ее осевая протяженность ульсируют: происходят отрывы во внешний поток крупных кластеров густков, вихревых пятен) жидкости, которые затем сносятся вниз по :чению, практически не размываясь (рис. 1 в).

Рис. 1. Структура струи, вытекающей во встречный поток а). Ур/их= -0.5 б). УР/ил-= -1.5 в). Ур/и.= -2.5

Результаты наблюдений за истечением струи из трубки во встречи поток позволяют автору сформулировать следующее отношение к гипотез возникновении режима «вихревого кольца»:

• возникновение «вихревого кольца», т.е. такого течения, при котором жидкость, прошедшая через диск движителя, повторно возвращаете нею, возможно лишь в режиме "обратной струи" (при У,Д1х> -0.75);

• в режиме "факела" ("близком к швартовному", при \г1/11ос<-1.5), вследст образования зоны турбулентного смешения потоков, возможна Л1 частичная реализация «вихревого кольца»;

у реального (конечнолопастного) движителя возможно возникновение нескольких зон перемешивания потоков. В этом случае реализация «вихревого кольца» будет лишь частичной.

Статистическая обработка фотографий, полученных в ходе шеримента, (около 200 шт.) позволила оценить отстояние критической пш течения от выходного отверстия трубки ХСр (рис. 1).

На втором этапе испытаний в рабочей части гидродинамической трубы ганавливалась модель тела вращения длиной 360 мм. Наблюдения казали, что при всех отношениях Ур/и,» имеет место следующая картина 1ения. Струя движителя, теряя, по мере продвижения вверх по течению, яетическую энергию, отрывается от тела. Выше точки отрыва образуется иснутая застойная (рециркуляционная) зона, ограниченная с другой >роны точкой отрыва пограничного слоя па теле.

В третьем разделе первой главы приводятся результаты испытаний гырех крупномасштабных моделей грузовых судов морского и смешанного жа-море" плавания, проведенных в опытовом бассейне. Основные данные штанных моделей приведены в таблице 1.

Таблица 1

Проект 16291 15782 00220 2469

Длина по ВЛ, м 5.194 5.367 4.333 5.66

Ширина, м 0.788 0.688 0.846 1.013

Осадка, м 0.263 0.187 0.318 0.351

Тип движителя 1 ГВ в 1 откры- 1 откры- 1 откпы-

насадке тый ГВ тый ГВ тый ГВ

Диаметр ГВ, м 0.160 0.128 0.199 0.199

Испытания проводились в квазистационариых условиях — скорость цели и частота вращения гребного винта поддерживались постоянными, (дели судов буксировались передним ходом, при этом движители моделей ютапи на задний ход. При проведении испытаний использовалась штатная верительная аппаратура опытового бассейна.

На рис. 2, в качестве примера, приведены результата испытаний цели судна пр. 16291, представленные в виде зависимостей обратных |ффициентов нагрузки по полезной тяге и упору при реверсе ,Е - 51^п(г|)УП,/р/|ТЕ!, КдТ = й1ц11(1])УО-/р7|Т| от относительной поступи по

>рости движения судна 1=У/(п-0), где V - скорость движения модели; О -шетр гребного винта; п - частота вращения гребного винта; Т - упор 1жителя; Те={1-0)Т - полезная тяга движителя; 0 - коэффициент дина-ческого взаимодействия движителя с корпусом; р - плотность воды.

2.0

"кот

1.0

0.0

У

/

У

0.0 0.5 -I 1.0 — -]

Рис. 2. Результаты испытаний модели судна пр. 16291

Значения коэффициента кинематического взаимодействия определялись традиционным способом, т.е. исходя из концепции эквивалентности действия движителей в свободной воде и за корпусом: \У при Кт=Кт, где Кт =Т/'(рп2В4) - коэффициент упора движитсл; свободной воде, Кх - то же, за корпусом судна, 1р - относительная пост гребного винта в свободной воде (рис. 3).

Резкое изменение коэффициента кинематического взаимодействия < диапазоне -КцЕе[1.2, 1.75] объясняется перестроением структуры тече] вблизи движителя (переходом от режима «обратной струи» к реш «факела»).

1.5

\У

1.0 0.5 0.0

Д пр. - 15782

пр. 16291

пр. 2469

У ^ н г С N. \ \ ^ ----------

■■ / \ »

1 ¿Г Ч'' \

' Л \ ^ч N —' % —» • •

-• ■ - — ----г .......... — -> -......

пр.

00220

_____I

N.

2.0 2.5

0.0 0.5 1.0 1.5

Рис. 3. Коэффициент кинематического взаимодействии

Как следует из результатов испытаний, в некоторых случаях идентифи-щия величины коэффициента кинематического взаимодействия оказывается ¡возможной. Подобный эффект был выявлен у моделей двух судов (пр. >291 и пр. 15782), имеющих санеобразную форму кормовой оконечности с >еобладанием обтекания по батоксам. Наличие значительного вертикаль-то скоса потока в кормовой часта судна приводит к заведомо несиммет-1чному обтеканию движителя, вследствие чего использование движителя в 1честве измерителя скорости потока становится неправомерным. По данным ¡следования номинального поля скоростей в диске гребного винта с мощью гидродинамического зонда, средний по диску угол вертикального юса потока составил у пр. 16291 7.1°, у пр. 15782 - 13.2°.

Сопоставление обратных коэффициентов нагрузки по полезной тяге и юру при реверсе ири различных значениях относительной поступи по :орости движения судна I = V /(п • Б) позволило определить величину оффициента динамического взаимодействия

0=1-тЕ/т=1-(кот/к;Е)2.

Интересно отметить, что направление силы взаимодействия в процессе мерса изменяется в зависимости от величины КдЕ (рис. 4). Полученный зультат соответствует данным М. А. Гречина, Ф. М. Кацмана и А. А. )шова.

Четвертый раздел первой главы посвящен экспериментальному следованию динамического взаимодействия движителя, работающего в

Рис. 4. Коэффициент динамического взаимодействия

режиме реверса с эллипсоидом вращения, которое было выполнено в аэродинамической трубе СПГУВК.

В процессе подготовки испытаний автором было разработано программное обеспечение системы автоматизации эксперимента в аэродинамической трубе. Внедренная в СПГУВК система автоматизации эксперимента была создана на базе персональной ЭВМ «Электроника МС0202», аппаратура сопряжения датчиков с ЭВМ выполнена в стандарте КАМАК. Разработанный пакет программ реализован на языке программирования Фортран и макроассемблере.

Для качественного исследования динамического взаимодействия движителя, работающего, в режимах реверса, была использована модель эллипсоида длиной а=910 мм и удлинением а/Ь = 7. Испытания проводились в квазистационарном режиме. Действие движительного комплекса имитировалось подачей незакрученной струи воздуха навстречу натекающему потоку. Расход воздуха в струе движителя Q поддерживался постоянным. Для подачи и контроля расхода воздуха использовался термоанемометрический стенд 55А60 фирмы "Disa".

Сопоставление силы сопротивления, действующей на эллипсоид при наличии и отсутствии движителя, позволило определить величину силы взаимодействш движителя с телом AR. На рис. i приведена зависимость коэффициента силы взаимодействш CAR =8AR/(pU^D2) от отношения скорости набегающего нг модель потока к средней скорости i диске движителя UJVр. Kai следует из рис. 5, результать измерений силы взаимодействш качественно полностью соогветс твуют результатам, полученны.\ выше для динамического взаимодействия корпуса судна с движителем работающим в режиме реверса.

Математическая модель взаимодействия тела с движителем работающим в режиме реверса, рассматривается во второй главе. Цельк данной части работы является получение качественного представления о суп физических явлений, сопровождающих процесс торможения судна.

Первый раздел посвящен выбору методов математического моде лирования. Математическая модель взаимодействия тела с движителем

Car 0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

-0.1

--------- /

/ ___ / /..........- -

0.0

0.4

0.8

u„/vp

1.2

Рис. 5. Коэффициент силы взаимодействия эллипсоида вращения со схематизированным движителем

угающим в режиме реверса, включает в себя две самостоятельные задачи исследование работы движителя в режиме реверса и исследование жания тела потоком вязкой жидкости. Располагая решениями указанных я, можно затем, используя метод последовательных приближений, у^чить решение общей задачи о взаимодействии.

Математическому моделированию работы движителей посвящены >ты В. Ф. Бавина, С. М. Белоцерковского, В. В. Копеецкого, В. Б. Липиса, А Зайкова и многих других. Результаты, полученные в первой главе, иьшают, что основным параметром, определяющим картину течения при уге движителя в режиме реверса, является отношение средней скорости гекания жидкости через диск движителя к скорости потока на сонечности УР/иет. Поэтому, с нашей точки зрения, для нахождения мы струи движителя, работающего в режиме реверса, наиболее ходящими являются дискретные вихревые методы расчета струйных :ний, развитые в ЦАГИ школой С. М. Белоцерковского, основанные на пенном решении конечноразпостных аналогов уравнений движения [кости и не требующие задания априорной информации о структуре ;ния. Общим для этих методов является использование при исследовании пшы течения схемы идеального движителя, учитывающей лишь наиболее ще закономерности работы движителей.

Однако, следует отметить, что в отмеченных работах не учитывалась гость жидкости, вследствие чего применимость этих методов к расчету гких» струй, вытекающих во встречный поток, (при больших отношениях УрГ) требует экспериментального подтверждения. Поэтому, в рамках ранных методов, автором были предприняты:

эпытка модификации принятых методов, путем введения эмпирической оправки на диффузию завихренности;

щенка границ применимости принятых методов к расчету струй, стекающих во встречный поток.

Выбор метода решения второй части проблемы - расчета обтекания 1 потоком вязкой жидкости - был практически предопределен избранным гобом моделирования работы движителя. Мы сочли возможным шичиться постановкой задачи в приближении пограничного слоя, с гом вязко-невязкого взаимодействия по методу, разработанному в ЦАГИ той С. М. Белоцерковского. Суть этого метода заключается в .елировании погранслоя, оторвавшегося от тела, дискретными вихревыми гнами, интенсивность которых определяется в процессе решения системы знений Прандгля.

Во втором разделе формулируется граничная задача для идеального жителя во встречном потоке. Жидкость считается невязкой, несжимаемой, гсомой; пространство, занятое жидкостью — безграничным. Течение «полагается плоским, симметричным. В качестве движительного

комплекса рассматривается труба конечной длины с заданным расходог жидкости схематизирующая гребной винт в насадке. Задача решается нестационарной постановке.

В каждый момент времени т всюду вне жестких стенок и вихрево границы струи должен существовать потенциал скоростей, удовлетворяющи уравнению Лапласа АФ(х,у,т) = 0, где х, у — координаты рассматриваемо точки. Это решение уравнения Лапласа должно также удовлетворят] а).условию непротекания стенок трубы; б), условию Чаплыгина-Жуковског о конечности скорости на обращенной к набегающему из бесконечност потоку кромке трубы; в), условию отсутствия возмущений на бесконечносп г), условию равенства давлешш на внутренней и внешней сторонах границ] струи.

Стенки трубы и граница развивающейся струи моделируются нест; ционарными вихревыми слоями. В соответствии с принятым методов непрерывные вихревые слои заменяются дискретными. Расчет ведется да дискретных моментов времени и, таким образом, осуществляется переход с уравнения Лапласа к его конечноразностному аналогу.

Иц присоединенных вихрей и контрольных точек, в которых будс выполняться условие непротекания, распределим по поверхности трубы, та чтобы у кромки, обращенной к набегающему потоку, находилась кон-рольная точка — что позволяет выполнить условие Чаплыгина-Жуковскет (рис. 6). Свободные вихри, моделирующие границу струи, перемещаются с * ^ местными скоростями части

х=кдт; ^ ^ жидкости. В каждый дис:

Г,

С- С гк

С |-€гС С С

ретный момент времени

ч

тк неизвестными являются инте:

С С

сивности присоединеннь

вихрей уК, 1=1...N0 и интенси ность вновь образовавшегося обращенной к набегающее. ^ С ^ ^ потоку кромки трубы К-1

Рис. б. Вихревая схема свободного вихря то ее

всего N0+1 неизвестных.

В соответствии с методе

дискретных вихрей, неизвестные интенсивности определяются путе решения системы линейных алгебраических уравнений, состоящей из ? уравнений непротекания, записанных для каждой из контрольных точек, уравнения расхода жидкости через гидравлическое сечение движителя.

С нашей точки зрения, движитель следует рассматривать как механиз использующий энергию, подведенную к нему, на генерацию завихренност поэтому, в отличие от, мы не стали использовать в качестве уравнен] теорему Томсона о постоянстве циркуляции по замкнутому контуру.

Также для учета влияния вязкости в расчет вводится экспоненциальный жон диффузии завихренности свободных вихрей

н(тк) = у^ ехр(-Я^хк - т.)), где у^ - интенсивность ¿-го свободного вихря в омент его образования тН-Лт; Л, - эмпирический коэффициент диффузии. В альнейшем, при расчете вызванных скоростей, учитывается лишь активная» завихренность уи, условно сосредоточенная в ядре дискретного ихря, другая же часть завихренности у^ - уи предполагается перешедшей в мелкомасштабную» форму и потерявшей, вследствие этого, способность казывать сколько-нибудь существенное влияние на структуру потока, [етрудно заметить, что структура закона диффузии получена из решения здачи о диффузии вихря в вязкой жидкости и, по своей сути, является еноменологической.

Третий раздел посвящен исследованию математической модели деалыюго движителя, работающего во встречном потоке. Цель сследования заключалась в выявлении возможностей математической одели, а также в выборе оптимальных параметров расчетной схемы.

Для условного сопоставления результатов расчетов с кспериментальными данными, полученными в первой главе для сесимметричной струи, в качестве движителя была выбрана труба с длинением ЬД>=10, где Ь - длина трубы, а Б - ширина гидравлического гчения. Присоединенные вихри распределялись по поверхности трубы по акопу синуса, со сгущением к кромке, обращенной в сторону набегающего

Л

D

з бесконечности потока xDi =ln - sin — — , уи = , i = l...ND, где хщ, ую

V2NdJ 2

координаты присоединенных вихрей. Контрольные точки, в которых довлетворялось условие непротекания, располагались посередине между рисоединеиными вихрями.

Величина коэффициента диффузии завихренности X идентифини-овалась по результатам эксперимента - при каждой относительной скорости стечения струи Vp/U® рассчитывалась зависимость абсциссы критической очки течения Хер от коэффициента диффузии Я(рис. 7). Поскольку арактеристики потока не принимают установившихся значений, для их пределения в некоторой точке производилось временное осреднение, езультаты идентификации представлены на рис. 8.

При Vp/U^>-0.08 расчетная картина течения перестает соответствовать кспериментальной. Как показывает анализ результатов расчетов, причина «соответствия заключается в том, что принятая вихревая схема не обеспе-ивает равномерного распределения скорости по гидравлическому сечению вижителя и средняя относительная скорость протекания Vp/U» уже не может спользоваться в качестве единственного определяющего параметра расчета.

•Хср/О

0.05

0.08

0.10

0.05

0.00

0.10

Рис. 7. Зависимость положения

критической точки струи движителя от коэффициента диффузии завихренности

0 3 -Ц,,/ию 6

Рис. 8. Результаты идентификации величины коэффициента диффузии завихренности

Результаты систематических расчетов, выполненных для выбо оптимальных параметров расчетной схемы — числа присоединенных вихр и временного шага Ат при Ур/и«,^, Я=0,086 - приведены на рис. 9. К следует из этих рисунков, результаты расчетов практически перестш зависеть от параметров расчетной схемы при Ат«0,10 и ЭДуаЮО.

На рис. 10 представлены результаты расчета развития свобода-вихревой пелены при т=162.5. Соотношение средней скорости протекай жидкости через движитель к скорости потока на бесконечности Ур/Ц*,— коэффициент л=0.069, временной шаг Дт=0.1. В качестве движите рассматривалась труба (выделена жирной линией) с удлинением ЬЛ)=1, чтс

°-00 Лт 0.25 0 100 И,, 200

Рис. 9. Влияние параметров расчетной схемы на результаты расчета

2-х/С

-30 -20 -10 0

Рис. 10. Картина течения перед движителем, работающим в реэюиме реверса (расчет)

соответствует удлинению насадок гребпых винтов. Представленная картина течения соответствует режиму «факела» и позволяет говорить лишь о частичной реализации режима «вихревого кольца», что совпадает с экспериментальными выводами А. А. Русецкого, В. И. Зайкова и ранее изложенным мнением автора.

Анализ качественных результатов расчетов и их сравнение с результатами эксперимента показывают, что метод дискретных вихрей, модифицированный указашшм образом, может быть успешно применен для расчета струй, вытекающих во встречный поток при соотношении скоростей УР/ию<-0.08.

В четвертом разделе второй главы рассматривается решение задачи об обтекании тела потоком вязкой жидкости. Вязкое обтекание тела плоским потоком может быть исследовано путем решения соответствующей потенциальной задачи с последующим расчетом характеристик пограничного слоя и дальнейшего итерационного уточнения решений обеих задач. Вслед за С. М. Белоцерковским, мы полагаем возможным отождествить явление отрыва пограничного слоя с процессом образования (генерации) свободной вихревой пелены и исследовать дальнейшее развитие этой пелены методами идеальной жидкости с пространственно-временной дискретизацией. Завихренность в ссчении отрыва погранслоя определяется из расчета последнего.

Общая задача о потенциальном обтекании тела может быть сформулирована как интегральное уравнение, выражающее условие параллельности линий тока поверхности тела. При этом во внешнем потоке могут находиться произвольно распределенные гидродинамические особенности. Один из методов решения рассматриваемой задачи заключается в том, что тело заменяется областью неподвижной жидкости, которая отделена от внешнего потока вихревым слоем, интенсивность которого определяется в результате расчета. В качестве граничного условия используется утверждение о равенстве нулю касательной составляющей

скорости на внутренней поверхности тела, приводящее к интегральн< уравнению Фредгольма II рода.

Решение поставленной задачи может быть получено путем численн интегрирования полеченного уравнения методом колпокаций: на поверхно тела выбирается некоторое число расчетных (контрольных) точек, в кото] затем и удовлетворяется граничное условие. С математической точки зре; задача сводится к решению системы линейных алгебраических уравнешп гидромеханической — к замене непрерывных вихревых слоев дискретным:

Как следует из анализа результатов систематических расче] выполненных для оценки возможностей метода, для эллипсоидов с уд нением 6н-8 хорошее совпадение численного и теоретического распределе: давления по поверхности тела достигается при числе присоединенных вих N=1004-120, что соответствует выводам других авторов.

Определение характеристик нестационарного потока в облаете вязк течения, прилегающей к поверхности тела, производится путем численн интегрирования системы дифференциальных уравнений Працдтля, кото позволяет вести расчет как ламинарного, так и турбулентного пограничг слоев. Во втором случае, для замыкания системы использовалась двухсл ная алг ебраическая модель турбулентности СеЬест Для численного реше] системы дифференциальных уравнений пограничного слоя был приме: конечно-разностный неявный метод, разработанный В. М. Пасконов применительно к течениям без градиента давления и затем распространена на течения с градиентом давления группой С. М. Белоцерковского.

Распределение давления по поверхности тела определялось интегралу Коши-Лагранжа. При этом в месте отрыва погранслоя образуе скачок давления, равный по величине удвоенной скорости генерации зав ренности. Сила сопротивления, возникающая на геле, находилась интег рованием давления р и поверхностного трения ¿¡о по поверхности тела Б.

Проверка качества реализованной математической модели обтекаг тела потоком вязкой жидкости и выбор оптимальных параметров расчетг схемы осуществлялись путем сравнения результатов систематичеа расчетов с результатами расчетов других авторов.

Полученные результаты, позволили перейти к математическс моделированию процесса взаимодействия тела с движителем, работающие режиме реверса, которому посвящен, пятый раздел второй главы.

Математическое моделирование взаимодействия тела с движител работающим в режиме реверса, было выполнено в плоской симметричг постановке, применительно к цилиндру, контур сечения котор( соответствовал контуру сечения модели, использованной при проведен визуализационного эксперимента. Относительные размеры и расположи движителя также были принята аналогичными.

Необходимая величина коэффициента диффузии завихренности Л, определялась в результате систематических расчетов при каждой относительной скорости протекания жидкости через движитель Ур/Ц». Практически задача идентификации коэффициента диффузии решалась путем сопоставления принятой в расчете величины с ее

фактически необходимой величиной определявшейся, в соответствии с рис. 8, в зависимости от соотношения Ур/У (рис. 11). При расчете средней скорости натекают жидкости на движитель V, вызванные скорости от присоединенных и свободных крей движителя не учитывались.

На рис. 12 приведена расчетная картона течения при отношении ско-)сти протекания жидкости через движитель к скорости движения тела р/и*>=-5. На этом рисунке отчетливо видны струя движителя, омывающая :ло, область ее отделения от тела, а также, застойная зона, отделяющая 5ласть отрыва носового пограничного слоя от области встречного течения в >рме. Полученный в расчете характер течения позволяет утверждать что, ючетная структура течения хорошо соответствует экспериментальной.

Рис. 12. Картина течения при работе движителя, в режиме реверса за телом (расчет)

- \ УрЛ;«,=з Г У / /

- 1-1 ' ' / 4>/и„=4

I 1 ■

0.00 0.03 1зад 0.06 Рис. 11. К определению величины коэффициента )иффузии завихренности

На рис. 13 представлены результа расчета коэффициента кинематическс взаимодействия движителя с телом Необходимо отметить, что, в отличие способа обработки экспериментальн данных, величина коэффициента оп] делялась путем непосредственного инт рирования скоростей в диске движите. т.е. использовался кинематическ способ, а не динамический. Как след? из рис. 13, по мере увеличения отно< тельной скорости протекания че] движитель Ур/и«, (что соответств) торможению судна), коэффицие кинематического взаимодейств

уменьшается, что объясняется усилени влияния отраженной от корпуса струи движителя. Полученный вывод, целом, соответствует результатам экспериментального исследован] приведенным на рис. 3, где при малых абсолютных значениях обратнс коэффициента нагрузки по полезной тяге при реверсе КдЕ так просматривается тенденция к изменению знака

На рис. 14 приведены результаты расчета коэффициента силы взата действия тела с движителем, работающим в режиме ревер< СдК =2-Д11/(р-и^ -1-В), где В - ширина тела (положительным направ.' нием для сил считается направление в нос). Представ ленная зависимое качественно соответствует ранее нолучешгым экспериментальш результатам.

На рис. 15 приведено распределение осредненной по времени веяичи р-зш(йД) вдоль кормовой оконечности тела при относительной скорое протекания жидкости через движитель \уиш=-4. Положительные значен величины р • зт(й,Х) соответствуют силе, направленной в сторону кормов оконечности тела, т.е. силе сопротивления.

Появление области разрежения вблизи кормовой оконечности те объясняется образованием в этой зоне обширного вихря, включающего в се подавляющее большинство свободных вихрей движителя. Следует отмети что перемещение в нос точки отрыва носового пограничного слоя, вызваян действием струи движителя, также приводит к общему понижению давлен в корме (и, соответственно, к увеличению сопротивления тела).

В третьей главе работы рассматриваются вопросы, связанные разработкой технических требований к инерционным характеристикам судо

"6 _2У /и„

Рис. 13. Коэффициент кинематического взаимодействия (расчет)

-10 -5 -4 -3 -2 ^^

Рис. 14. Коэффициент силы взаимодействия двю/сителя, работающего в реэкяше реверса, с телом (расчет)

р-$т(7, х)

-36 -24 -12 0 12 ?*2-гЛ) 36

Рис. 15. Распределение давления по телу в присутствии движителя, работающего в режиме реверса, при (расчет)

В первом разделе приводятся результаты статистического анализа :зультатов натурных испытаний судов шгутрсннего, смешанного и морского хавашш. Анализ уравнения размерностей, записанного для случая ¡установившегося движения судна прямым курсом, позволил получить .фажение для безразмерного динамического критерия подобия,

р5л/А;

(растеризующего энерговооруженность судна Иу = -■ -—--, где Рэ -

У0 -ш

ощность судовой энергетической установки, Ао - площадь гидравлического ¡чения движителей, т - масса судна, \7(гскорость судна до начала маневра.

На рис. 16 припедиш результаты испытаний судов различных типов рузовых судов, оборудованных движигельными комплексами «гребной гат в направляющей насадке» (КВН), грузовых судов с открытыми греб-

ными винтами (ОГВ) и пассажирок судов) в виде зависимости безрг мерного пути торможения (отношен пути торможения к длине судна ; КВЛ) Б/Ь от Яу. Данные рис. свидетельствуют о независимое величины безразмерного пу торможения от типа судна и типа с движительного комплекса.

Дальнейший анализ показал, ч при равных значениях критер подобия Ку (т.е. при одинаков энерговооруженности) инерционш качества судов внутреннего смешанного плавания не отличают от инерционных качеств морск судов. В то же время представляет несомненным, что стесненные услов внутренних водных путей предъявля! повышенные требования к инерционным характеристикам судов внутренне и смешанного плавания, что, в свою очередь, подтверждает актуальное исследований, направленных на дальнейшее улучшение тормозных качес этих судов.

Второй раздел посвящен математическому моделированию процес активного торможения судна. Необходимо отметить, что, в связи с чрезв чайной сложностью задачи об уходе судна с курса при торможении, мы соч возможным ограничиться рассмотрением лишь случая прямолинейнс движения судна. В значительной мере такое ограничение может бь: оправдано тем, что основу флота внутреннего и смешанного плавания I составляют двухвинтовые суда, которые способны удерживаться на исходи прямом курсе в процессе реверса движителей.

В данной части работы обсуждается полная математическая моде движения судна в процессе активного торможения

яу Д.

т-О + к,,)—= ^ДО^-в^.п^^й-КСУ)

л ы

. 11-(1 + кщ)^ = М1(У,п„Т1)) + Мв1(п1)

6.0

Б/Ь

4.0

2.0

0.0

* • ••

4-

* •+ »

0.1

0.2

0.3 з-.0.4

V Яу

Рис. 16. Результаты натурных инерционных испытаний судов + - суда с КВН; • - суда с ОГВ; А - пассажирские суда

: N - число движительных комплексов, установленных на судне; Т; - упор ь движителя; V - скорость судна; п, - частота вращения ¡-го гребного винта; сопротивление воды движению судна; кц - коэффициент присоединенной ссы при продольном движении судна; 11 - момент инерции 1-го гребного та с учетом моментов инерции водопровода и главного двигателя; кгв -эффициент присоединешюй массы жидкости гребного винта; М, -фодинамический момент, развивающийся на ¡-м гребном винте; М^ -мент, подведенный к ьму гребному винту от двигателя.

Учет коэффициентов взаимодействия движителя с корпусом, в правой лги уравнения продольного движения судна, приводит к тому, что система нзнений становится специфически нелинейной и может быть решена тько численным методом, с использованием итераций относительно 0и№. работе приводится алгоритм итерационного метода расчета экстренного зможения судов, учитывающий взаимодействие движительного комплекса орпусом судна и дается сопоставление результатов расчетов, выполненных [спользованием экспериментальных данных о взаимодействии, и расчетов, полненных с использованием гипотез о величине коэффициентов шмодействия, предложенных различными авторами.

Как следует из результатов расчетов, учет динамического взаимо-яствия позволяет уменьшить расчетную величину безразмерного пути зможения судна примерно на 72Ь по сравнению с использованием широко лфостраненного предположения об отсутствии динамического шмодействия движителя с корпусом при реверсе. В то же время учет нематического взаимодействия движителя с корпусом, даже в самом фоком диапазоне предположений о его величине, практически не влияет расчетную величину безразмерного нути торможения Б/Ь. Анализ казывает, что большую часть времени в течении процесса торможения я житель работает в режиме «факела» и его гидродинамические эактеристики Кт, К<) при этом остаются практически неизменными, азанное подтверждается данными многочисленных натурных испытаний, горые показывают, что упор движителя и частота вращения гребного нта, практически не изменяются в процессе активного торможения и изки к своим значениям на швартовном режиме заднего хода.

Разработанный алгоритм расчета процесса активного торможения [(на реализован в составе полной математической модели управляемого ижения судна, разработанной в лаборатории навигациошшх качеств судов 1ГУВК в ходе подготовки проекта раздела «Маневренность» Правил чного Регистра (редакция 2000 г.).

Полученные результаты позволили рекомендовать к использованию (с зможной ошибкой в безопасную сторону) упрощенную математическую дель, не учитывающую взаимодействия движителя с корпусом. С целью следования зависимости пути Б, проходимого судном в процессе реверса,

от характеристик судна была разработана компьютерная програм; реализующая упрощенную математическую модель, и выполне систематические расчеты для серии судов. Параметры серии были приня на основе результатов анализа характеристик существующего крут тоннажного флота внутреннего и смешанного плавания. Рсзулътг систематических расчетов по упрощенной модели в дшп>нейшем бь использованы при выборе концепции нормирования инерционн характеристик судов.

В третьем разделе рассматривается проблема выбора численн» критерия, позволяющего оценить инерционные характеристики судна, оцениваются его возможные (технически достижимые) нормативн значения, обеспечивающие необходимый уровень безопасности суд Выбираемый критерий должен:

• обладать свойством однозначности, т.е. являться нормой математическом смысле) множества всех судов;

• допускать возможность достоверного определения его величи расчетным путем на стадии проектирования судна;

• допускать возможность его проверки, в условиях натурных испытана причем значения критерия, определяемые экспериментально, долж обладать свойством повторяемости;

• служить оценкой уровня безопасности судна.

Установление необходимого уровня безопасности эксплуатации су; и выявление его связи с величиной выбранного численного критер является наиболее трудно формализуемой частью рассматриваем проблемы. На сегодняшний день эта проблема, как правило, решае-методом «от достигнутого», при этом, нормативная величина критер принимается на основе статистического анализа характерист существующего флота.

Возможны два принципиальных подхода к проблеме нормировав маневренных качеств судов. В первом случае нормируется конечн результат т. е. характеристика судна в целом. Во втором случае нормирую: характеристики отдельных устройств и систем судна, обеспечиваюа необходимый конечный результат. Традиционно, при нормирован инерционных характеристик судов применялся первый подход, а в качест критерия нормирования использовался путь, проходимый судном в проце« активного торможения, либо выбег.

Второй подход к нормированию инерционных характеристик cy^ может быть назван «энергетическим». Его суть заключается в том, 1 основой для рассуждений служит уравнение баланса энерп Е=Ек+Ед1>к+Евту, где Е=т-(1 + ка)-Ур/2 - кинетическая энергия суд] которая должна быть погашена за счет работы силы сопротивления во

■i

в т.ч. двухвинтовые суда

60

чел

40

20 -I

<дт

^ R(V)Vdt, работы движителей судна Едрк и работы вспомогательных

^лозных устройств Евту. Здесь tAT - продолжительность активного >можения.

Сравнение описанных подходов к нормированию инерционных качеств (Ов показало, что первая группа подходов дает физически ясный и легко ггролируемый критерий - безразмерный путь активного торможения (на. Однако, определение нормативной величины этого критерия может гь осуществлено лишь на основе анализа статистических данных. Второй ххед приводит к менее наглядным критериям, но позволяет привлечь зические основания к определению нормативных значений этих критериев, ювременно раскрывая пути их обеспечения.

-------------. Выполненный анализ показал, что

Желаемый путь г '

активного торможения j приведенным выше требованиям к

численным критериям оценки инерционных качеств судов более всего отвечает норматив, предложенный ранее НИИВТ S/L<[S/L]-30.7 ■ W/L +1.28, что позволило рекомендовать его для внедрения в Правила Российского Речного Регистра. Следует отметить, что для Щ морских судов возможен выбор другого

критерия нормирования. ; В то же время вопрос о степени

удовлетворения этого норматива требо-'/■ ваниям безопасности плавания нельзя

.й t -""'.„тг1 считать окончательно решенным, так как

Щж; практика судовождения в стесненных

-г-г -г т | | 1 условиях внутренних водных путей

S/L 12 предъявляет повышенные требования к Рис. 17. Результаты инерционным качествам судов.

¡котирования судоводителей На рис. 17 приведены результаты

анкетирования 150 судоводителей судов внутреннего и смешанного плавания, введенного автором в 1998-99 г.г. на судоводительском визуализационном :нажере АО СЗП. Респондентам предлагалось указать желаемый путь )можения судов, находящихся под их командованием.

Как показывает сравнение рис. 16 и 17, большая часть представителей нандного состава речного флота не удовлетворена инерционными качес-1ми судов. Полученный результат свидетельствует о необходимости (■чтения инерционных качеств судов внутреннего и смешанного «река-ре» плавания, что должно являться целью дальнейших исследований.

В приложениях к диссертации приведены проект требований разд

«Маневренность» Правил Российского Речного Регистра к инерционп

характеристикам судов внутреннего и смешанного «река-море» плавани

акт внедрения результатов исследований.

3. Основные результаты работы

1. С помощью методов визуализации течений получены новые данны структуре струи, вытекающей во встречный поток, и взаимодействии та струи с находящимся перед ней телом.

2. Проведено исследование характеристик взаимодействия движит« работающего в режиме реверса, с корпусом па крупномасштабных моде в опытовом бассейне.

3. Разработано и внедрено программное обеспечение системы комплекс автоматизации эксперимента в лаборатории навигационных качеств су СПГУВК.

4. Проведен эксперимент по изучению динамического взаимодействия (щ направленной прогив внешнего потока, с телом вращения аэродинамической трубе.

5. Разработана математическая модель истечения струи жидкости встречный поток методом дискретных вихрей в плоской постано Показано, что для согласования результатов расчета с эксперта тальными данными необходимо введение эмпирической попра1 учитывающей вязкость жидкости. На основе анализа результатов рас дана оценка границ применимости модифицированного метода дискрсп вихрей к расчету струй, вытекающих во встречный поток.

6. Реализована математическая модель обтекания системы тело-движит работающий в режиме реверса, в плоской постановке с использован метода учета вязко-невязкого взаимодействия.

7. Осуществлен вычислительный эксперимент с целью исследования взаи действия струи, направленной против внешнего потока, с телом, рез; таты которого позволили оценить кинематическое и динамическое взаи действие тела с движителем, работающим в режиме реверса. Получен результаты качественно соответствуют экспериментальным данным.

8. Разработана математическая модель управляемого движения су; ориентированная на использование экспериментальных данных взаимодействии движителя, работающего в режиме реверса, с корпусом

9. Собраны и проанализированы статистические данные по инерциош характеристикам судов внутреннего, смешанного и морского плавания.

10. Проведено анкетирование судоводителей судов внутреннего и смешаш: «река-море» плавания с целью выявления требований штурмане! состава флота к инерционным характеристикам судов;

Подготовлены предложения по нормированию инерционных качеств судов ¡путрепнего и смешанного «река-море» плавания в Правилах Российского 'ечного Регистра (редакция 2000 г.).

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: !цук Ю. В. Постановка задачи об исследовании взаимодействия шижительного комплекса, работающего в режиме реверса, с телом ¡ращения. // Высшее образование в современных условиях. Всероссийская тучно-методическая конференция. Тезисы докладов. Часть II, СПб, ЖГУВК, 1996, с. 238-240.

>авин А. В., Яцук Ю. В. Автоматизация эксперимента при проведении юмплексных исследований в аэродинамической трубе СПГУВК. // Управление и информационные технологии на транспорте: Тезисы укладов международной научно-технической конференции "ТРАНСКОМ->7". — СПб, СПГУВК, 1997, с. 199-200.

"латин К. В., Яцук Ю. В. Математическая модель швартовных операций :удна. // Научно-методическая конференция-98. Тезисы докладов. Часть II. :Пб, СПГУВК, 1998, с. 116.

1цук Ю. В., Адушкина II. В. Статистический анализ инерционных качеств ;удов внутреннего плавания. — Сб. научн. трудов Судостроение и ;удоремонт. / Под ред. А. А. Кузьмгаи, СПГУВК, 1998, с. 180-182. 1цук Ю. В. Математическая модель истечения струи во встречный поток. — Сб. научн. трудов Судостроение и судоремонт. / Под ред. А. А. Сузьмина, СПб, СПГУВК, 1999, с. 131-134.

1цук Ю. В. Возможные подходы к нормированию инерционных качеств удов внутреннего плавания. — Сб. научн. трудов Судостроение и удоремонт. / Под ред. А. А. Кузьмина, СПб, СПГУВК, 1999, с. 135-140. Яцук Ю. В., Гузеев А. С. Визуализация струйных течений. // МОРИНТЕХ-'9, Материалы конференции (тезисы докладов). СПб.: «Моринтех», 1999, .111.

Bavin V. F., Iatsouk.I. V. Comparative evaluation of thrust deduction of ducted nd non-ducted propellers. // HYDRONAV'97, 12 International-Conference on lydrodynamics in Ship Design, Wroclaw-Szklarska Poreba, Poland, 17-19 leptember 1997, p.p. 37-46

Gofman A. D., Iatsouk I. V. On the Criterion of Ships Emergency Stopping. // IYDRONA V' 99-MANOEUVRING' 99, Gdansk-Ostroda, Poland, 1999, i.p.310-316