автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Методика моделирования рабочего процесса водометных движителей скоростных судов

На правах рукописи

АБДУЛИН Арсен Яшарович

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ВОДОМЕТНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ СКОРОСТНЫХ СУДОВ

Специальность: 05.04.13 - Гидравлические машины и гидропнсвмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 г МАЙ 2214

Уфа-2014 005548498

005548498

Работа выполнена на кафедре «Прикладная гидромеханика» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Месропян Арсен Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Модорский Владимир Яковлевич ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический

университет», профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций»

Ведущая организация:

кандидат технических наук

Хаит Анатолий Вильич

ФГБАУ ВПО «Уральский федеральный

университет имени первого Президента

России Б. Н. Ельцина», строительный

институт, старший преподаватель кафедры

«Гидравлика»

ФГБУН «Институт механики имени Р. Р. Мавлютова» Уфимского научного центра РАН

Защита диссертации состоится 25 июня 2014 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.298.02 на базе ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ) по адресу:

454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, д. 76, ауд. 1001.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ЮжноУральский государственный университет» (НИУ).

Автореферат разослан 6 мая 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор техн. наук, профессор

А. О. Чернявский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение требований к энергоэффективности современных скоростных судов обуславливает необходимость совершенствования рабочих процессов их движителей и энергетических установок. Энергоэффективность гребных винтов (ТВ) понижается на высоких скоростях движения (более 50...60 км/ч), а их использование на обмелевших и замусоренных водоемах становится, зачастую, невозможным или опасным для жизни. Водометные движители (ВД) с лопастными насосами обладают преимуществами перед другими типами движителей, т.к. они обеспечивают высокие значения КПД судна (на скоростях более 60...70 км/ч), безопасность эксплуатации, более низкие уровни шума (на 6-10 дБ) по сравнению с ГВ, высокую маневренность, приемистость, проходимость по мелководью и обладают меньшей склонностью к кавитации на высоких скоростях движения.

Создание ВД требует решения комплекса задач, направленных на разработку новых схемных решений системы «ВД - судно», оптимизацию геометрических параметров и совершенствование рабочего процесса.

Выбор наиболее эффективной схемы компоновки «В Д - судно» зависит от геометрии обводов судна, скорости движения, условий эксплуатации и определяет дополнительное сопротивление движению судна, условия работы лопастного насоса, тяговые и мощностные характеристики ВД.

Рабочий процесс ВД представляет собой трехмерное (3D) течение вязкого турбулентного несжимаемого потока в проточной части сложной геометрии и характеризуется одновременным протеканием ряда гидродинамических процессов. При моделировании рабочего процесса учитывается выброс жидкости в неограниченное пространство, образование паровых кавитационных каверн, отрыв потока от стенок проточной части, течение в радиальном зазоре на лопастях рабочего колеса (PK).

Широкое распространение при расчетах параметров рабочего процесса ВД получили приближенные одномерные и двухмерные эмпирические модели, численное 3D-моделированне и физические эксперименты.

Вопросам совершенствования рабочих процессов ВД и лопастных насосов посвящены работы многих отечественных и зарубежных авторов. Среди них в области ВД следует выделить труды А. Н. Палира, Ю. М. Войнаровского,

A. М. Басина, Е. Г. Хорхордкина, С. В. Куликова, М. Ф. Храмкина,

B. Ф. Васильева, А. Ю. Яковлева; Norbert Bülten, John Carlton, в области лопастных насосов - Б. В. Овсянникова, Л. И. Степанова, Г. В. Викторова, в области кавитации — Ashok К. Singhai, Farid Bakir, в области турбулентности -А. А. Юна. В работах отечественных ученых предложены одномерные и двухмерные методы расчета рабочего процесса ВД с лопастными насосами, а также эмпирические зависимости интегральных параметров. В работах зарубежных авторов, посвященных ЗО-моделированию рабочего процесса ВД недостаточно подробно рассмотрены вопросы влияния неустановившегося течения, паровой кавитации и неравномерности потока на характеристики ВД не приводятся рекомендации по построению геометрической ЗО-модели проточной

части водовода, рабочих колес оседиагонального типа и осевого спрямляющего аппарата (СА).

Таким образом, исследование и совершенствование рабочего процесса ВД, направленное на снижение объемов доводочных испытаний, а также разработка методики ЗБ-моделирования рабочего процесса и оптимизации геометрических параметров является актуальной задачей.

Цель и задачи исследования. Целью работы является совершенствование рабочего процесса водометных движителей с осевыми и оседиагональными насосами и разработка методики моделирования рабочего процесса. Исходя из цели работы, для ее реализации были сформулированы следующие задачи:

1. Аналитический обзор схемных решений ВД. Анализ работ по проблемам моделирования рабочего процесса В Д.

2. Численное моделирование рабочего процесса ВД с учетом влияния геометрических параметров проточной части, паровой кавитации, нестационарности потока, неравномерности полей скоростей и давлений на входе в РК.

3. Экспериментальное исследование рабочего процесса ВД и верификация математической модели.

4. Разработка методики моделирования рабочего процесса ВД с осевыми и оседиагональными насосами, позволяющей моделировать влияние геометрических параметров проточной части, нестационарности потока, паровой кавитации и неравномерности на параметры рабочего процесса и рассчитывать интегральные характеристики ВД.

Методы исследования. Работа выполнена с использованием классических методов механики жидкости и газа, методов численного решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений и систем уравнений в частных производных, теории лопастных гидронасосов, методов экспериментального исследования.

Научная новизна. Новыми научными результатами, полученными в работе, являются результаты численного моделирования рабочего процесса ВД, физических экспериментов, а также методика моделирования, направленные на повышение эффективности рабочего процесса и сокращение объемов доводочных испытаний:

1. Результаты численного моделирования рабочего процесса ВД, отличающиеся тем, что исследовано влияние геометрии проточной части на параметры рабочего процесса, получены тяговые характеристики ВД и характеристики осевых и оседиагональных насосов с учетом возникновения паровой кавитации, нестационарности и неравномерности потока.

2, Результаты экспериментальных исследований ходовой лаборатории на базе глиссирующего катера РгееШс1ег-490С-М с ВД и верификации математической модели рабочего процесса, отличающиеся тем, что для данного катера и ВД впервые были рассчитаны ходовые характеристики, и по результатам верификации отлажена численная модель задачи, обоснована модель турбулентности, скорректированы коэффициенты конденсации и испарения в модели кавитации Рэлея-Плессета.

3. Методика моделирования рабочего процесса ВД, которая, в отличие от существующих, позволяет моделировать влияние геометрических параметров проточной части, паровой кавитации, нестационарности и неравномерности потока на параметры рабочего процесса и рассчитывать интегральные характеристики.

Практическая ценность. Результаты численного моделирования и физических экспериментов, разработанные математическая модель и методика моделирования рабочего процесса ВД внедрены на ООО НПП «Мастер-Мотор» и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «УГАТУ». Разработанная математическая модель, результаты исследований и методика имеют практическую ценность и позволяют:

1. Проводить моделирование рабочего процесса ВД в 3D квазистационарной и нестационарной постановке с учетом влияния геометрических параметров проточной части, неравномерности полей скоростей и давлений перед РК, паровой кавитации.

2. Исследовать влияние геометрических параметров проточной части для получения максимальной энергоэффективности, рассчитывать интегральные параметры рабочего процесса ВД, оценивать влияние паровой кавитации, нестационарности и неравномерности потока на эти параметры.

3. Проводить физические эксперименты по определению тяги ВД, поля давлений в основных сечениях ВД и осуществлять верификацию математической модели рабочего процесса ВД.

Достоверность представленных результатов подтверждена верификацией по данным физических экспериментов, полученных на ходовой лаборатории в составе глиссирующего катера FreeRider-490C-Jet с ВД при участии автора, (ООО НПП «Мастер-Мотор», Уфа) и в лаборатории Center for Maritime Systems -CMS (США, Нью-Джерси, Хобокен).

Основание для работы. Основанием для выполнения данной работы является грант ФЦП на 2010-2012 г. «Экспериментально-теоретические методы проектирования и доводки судовых силовых установок и движителей для судов различного типа и назначения» и совместные поисковые научно-исследовательские работы с ООО НПП «Мастер-Мотор».

Положения, выносимые иа защиту:

1. Расчетная модель рабочего процесса ВД в пакете ANSYS CFX на швартовых и скоростных режимах работы с учетом нестационарности, неравномерности потока и паровой кавитации.

2. Методика построения ЗО-моделей осевых и оседиагональных РК с лопастями переменного шага.

3. Результаты верификации модели турбулентности и модели паровой кавитации на основе данных физических экспериментов.

4. Результаты расчетов тяговых характеристик ВД и характеристик лопастных насосов ВД.

5. Методика моделирования рабочего процесса ВД скоростных судов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались и

докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Зимняя

школа аспирантов» (Уфа, 2013 г.); Всероссийской молодежной НТК «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2012-2013 г.); Всероссийской выставке «Политехника» (Москва, 2013 г.); 7-м Всероссийском форуме молодых ученых (Санкт-Петербург, 2013 г.).

Публикации. По тематике диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 публикации в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов. Содержит 160 страниц машинописного текста, библиографический список из 75 наименований, приложения.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, посвященной совершенствованию рабочих процессов ВД, формулируется цель работы, основные направления исследований, приводятся выносимые на защиту положения, апробация, структура и краткое содержание работы по главам.

В первой главе проведен анализ проблемы исследований, поставлены цели и задачи работы. Проведена классификация современных судовых движителей (рис. 1), анализ режимов их работы и схемных решений.

Рисунок 1. Схема классификации движителей современных судов

Анализ зависимостей КПД различных движителей от скорости движения судна (рис. 2) позволил выявить преимущества использования ВД по сравнению с традиционными ГВ, на скоростях движения судна от 60...70 км/ч.

70 60

50 «

30 20 10

Рисунок 3. Компоновочная схема типового водометного движителя с осевым насосом: 1 - приводной вал; 2 - водозаборнжк; 3 - водовод; 4 - рабочее колесо; 5 - спрямляющий аппарат; 6 - центральное тело; 7 - сопло, 8 - рулевое устройство; 9 - радиальный подшипник; 10 - торцевое дейдвудное уплотнение; 11 - корпус судна; 12 - радиально-упорный подшипник

Рисунок 2. Теоретические зависимости КПД различных движителей от скорости движения судна: 1 - гребной винт; 2 - суперкавитирующий гребной винт; 3 - водометный движитель;

4 - воздушный винт; 5 - воздушно-реактивный двигатель Проведенный анализ компоновочных схемных решений системы «ВД - судно» и анализ схем ВД позволил выявить наиболее эффективные параметры системообразующих элементов компоновочной схемы типового ВД с одноступенчатым осевым лопастным насосом (рис. 3).

12 11

Проведенный анализ методов исследования рабочего процесса ВД, выполненных отечественными и зарубежными авторами, показывает, что в настоящее время используются одномерные и двухмерные модели, методы ЗВ-моделирования рабочего процесса ВД, безразмерного анализа и оптимизации параметров ВД, физические эксперименты. Однако, рассмотренные подходы, применительно к ВД, утратили свое превосходство, с учетом возможности использования современных вычислительных средств, и требуют совершенствования.

Результатом проведенного анализа явились формирование направления научных исследований, формулировка цели, задач и методов их решения.

Во второй главе сформирована математическая модель рабочего процесса ВД, представляющая собой систему дифференциальных и алгебраических уравнений, которые решаются численными методами конечных элементов,

реализованными в АЫБУЗ СРХ, и проведено моделирование нескольких вариантов геометрии ВД на различных режимах работы.

При моделировании рабочего процесса ВД решается система уравнений гидродинамики, включающая осредненные по числу Рейнольдса уравнения Навье-Стокса, неразрывности, энергии, модели турбулентности, кавитационного массопереноса с использованием метода взвешенных невязок. Уравнение неразрывности для однофазной несжимаемой жидкости:

^ + ^ + ^ = (1) дх ду дг

где Ух, Уу, У7 - компоненты вектора скорости; х, у и г - глобальные декартовы координаты.

Уравнение импульсов (Навье-Стокса):

8V )— 8t

где р - давление; р - плотность; t - время.

р— + pv(FxF)=-Vp + VT + pg,; (2)

dt

T = u( VV + (Vfy-j8-VK J> С3)

где ц - молекулярная вязкость; 6 - символ Кронекера. Уравнение энергии в форме энтальпии:

<4>

где Т- температура жидкости; Ср — удельная теплоемкость.

Система уравнений рабочего процесса ВД замыкается моделями турбулентности, кавитации, состояния жидкости, начальными и граничными условиями. Моделирование турбулентности проводится с помощью моделей к-е, Shear Stress Transport (SST) (модификация к-со), LRR Reynolds Stress к RNG k-z. Моделирование кавитационного массопереноса проводится с помощью уравнения Рэлея-Плессета. Уравнение неразрывности для газовой фазы:

—'3" a>:> +V(pv -Vv •а>) = У(Г-Уа,) + Д.-Rt, (5)

dt

где av- объемная доля компонента; V - индекс паровой фазы; Re, Rc - скорости испарения и конденсации, соответственно; г, с - индексы испарения и конденсации, соответственно; Г-функция диффузии.

Уравнение скорости образования паровой фазы:

3jr„«(1-a,)p. I2 Рг ~Р ■ , ч

_™v к, I ^Slgn(py-p)- (6)

* * Д« р Р, где Се - коэффициент испарения; г„ис - начальная объемная доля пара; Кпис - средний диаметр пузырьков;/- индекс жидкой фазы.

Осреднение полученных в результате численного моделирования параметров потока производится следующим образом (например, давление):

Я р(х> У)-РК (*> У)' <&Ф>> -:-. (7)

т

где рср - осредненное давление; т - массовый расход жидкости.

Перечень основных расчетных и исходных параметров ВД определяется схемными решениями системы «ВД - судно» и условиями эксплуатации.

Объектом исследования является ВД глиссирующего катера с входным устройством статического напора, лопастным насосом оседиагонального типа и реактивным соплом наружного поджатая с выбросом струи в воздух (рис. 4).

Рисунок 4. Расчетная схема лопастного насоса и водометного движителя: /ю - длина водозаборника; 1ЪЛ - длина водовода; К - высота подъема средней линии; /р, - осевая длина РК; /са - осевая длина спрямляющего аппарата (СА); 4 - осевая длина реактивного сопла; £>звт- диаметр втулки на входе в РК: £>4,т-диаметр втулки на выходе из РК; £>5вт- диаметр втулки на выходе из СА; диаметр наружной стенки на выходе из СА; А,- наружный диаметр РК; а - угол средней линии на входе в водовод; К, г - радиусы кривизны кромок водозаборника Условие движения катера с данным типом ВД на режиме глиссирования имеет вид;

¡р=реШ&Ё-*к)-. (8)

где Р - тяга ВД; Ук - скорость движения катера; А'к - сопротивление движению судна; Q - объемная подача насоса; е - коэффициент попутного потока (0<е <1).

Напор, создаваемый рабочим колесом, и скоростной напор струи ф), засасываемой ВД, расходуются на скоростной напор струи, выходящей из сопла (]) и потери энергии в проточной части ВД /?вд:

Н0

V

.V2

вд ч2g

(9)

Потребляемая мощность определяется по следующему соотношению:

- = М„ ■ со,

Пр;

(10)

где г|рК - КПД РК; Мгк - момент сил на РК; ю - угловая частота вращения РК. На швартовом режиме уравнение движения катера имеет вид:

P = pQ^2gHI,1

" м.

(П)

где Мк - масса катера.

Профиль лопастей РК определяется зависимостью шага лопасти от угла относительной скорости (3, и текущим радиусом г(.

5г=2-я-г,-^,. (12)

Значение диаметра втулки РК изменяется по кубическом}' закону, что обеспечивает передачу энергии рабочей жидкости с минимальными потерями:

¿С + (13)

где аь а2, аъ - теоретические коэффициенты, определяющие форму параболы.

Теоретическая работа £т, совершаемая РК, для каждой линии тока к определяется по формуле:

¿л =0*1 соэРл -№исо8Рн)-а>ть., (14)

где - относительная скорость движения жидкости в РК.

В результате численного моделирования получены поля гидродинамических параметров потока в проточной части ВД (рис. 5, 6) и интегральные характеристики рабочего процесса ВД (рис. 7, 8).

Рисунок 5. Распределение статического давления в продольной плоскости водометного движителя (и = 5500 об/мин): а — швартовый режим; б - скоростной режим (УК = 20 м/с)

Анализ результатов численного моделирования рабочего процесса ВД показывает, что на нижней стенке водовода образуется область с низким статическим давлением (<10 кПа, рис. 5, а), что является причиной кавитации при режимах ускорения судна. На скоростных режимах (рис. 5, б) области низкого давления локализованы на входных кромках водовода и не влияют на параметры потока в лопастном насосе.

Результатом влияния неравномерности потока перед РК и низких областей давления в водоводе является кавитация. Условия возникновения кавитации характерны для швартового режима, когда давление в водоводе изменяется в диапазоне ОД... 1 атм (рис. 6, а).

Возникновение кавитации допускается на засасывающей стороне лопастей РК на швартовых режимах работы ВД, например на рис. 6 приведено распределение статического давления на засасывающей стороне лопастей и объем каверны, где доля пара ау > 0,9. По результатам моделирования установлено, что около 80% длины хорды лопастей занимают листовые кавитационные каверны (рис. 6, а), однако их возникновение допускается в работе ВД. Установлено, что листовая кавитация на лопастях РК снижает тягу ВД в среднем на 30%.

Результаты моделирования показывают, что образование кавитации возможно также в узких сечениях водовода при повышенных местных скоростях потока (рис. 6, б), при этом кавитация существенно снижает тягу ВД (в среднем на 60%) и, как следствие приемистость, поэтому от нее необходимо избавляться. Подробное распределение пузырьков пара можно исследовать по сечениям, приведенным на рис. 6 в, г. Для устранения кавитации в водоводе рекомендуется увеличивать площадь водозаборника за счет регулируемого входного устройства и применять РК меньшего шага.

д кПа

а,

Ш,0.966

! 0.828 0.690 0.552 ОЛИ,

о.лв о.т о

Рисунок 6. Образование кавитации при работе ВД (л = 5500 об/мин, Т= 278 К): а - листовая кавитация на лопастях РК; б - кавитация в водоводе и на лопастях Р1<; в, г- распределение статического давления и пара, соответственно, в сечениях 12 и 3

Интегральные характеристики ВД (рис. 7, 8) позволяют выработать рекомендации к совершенствованию рабочего процесса ВД и определить оптимальные геометрические параметры проточной части и режимы работы В Д. Ни

Рисунок 7. Характеристика лопастного насоса с РК переменного шага:

-*-п=5000 -*-п=5500 -♦-¿¡=100 мм -*-сЦ=120 мм -®-ф130 мм

Рисунок 8. Тяговые характеристики водометного движителя:

-»-п=3000 -В-п=4000 -А-п=5000 -®-п=4500 —¡—1* -*-п=5500 -*-п=6000

На основе результатов моделирования было получено, что использование оседиагональных РК позволяет достичь максимальное значение КПД 89%, по сравнению с осевыми, спрофилированными по шнековому закон}', у которых КПД составляет 84%. С целью повышения скорости судна, целесообразно уменьшать объемную подачу насоса, при этом увеличивать напор - в таком случае рекомендуется использовать РК меньшего диаметра. ■ Моделирование рабочего процесса ВД с оседиагональным РК переменного шага показывает, что при той же потребляемой мощности можно увеличить скорость судна до ¥к = 22,5 м/с, по сравнению с Ук = 20 м/с для ВД с РК осевого типа.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований рабочего процесса ВД и верификации математической модели.

Для получения достоверной информации о рабочем процессе необходимо выявить места размещения приемников давления в проточной части ВД, основываясь на результатах численного моделирования. Численное моделирование рабочего процесса ВД показывает существенную неравномерность потока в проточной части: до 30 % на входе в РК; до 25 % на выходе из РК и СА; до 20 % на выходе из сопла (рис. 9).

а) б)

Рисунок 9. Поля давлений перед СА (а) и на выходе из сопла (б) Одним из вариантов препарирования проточной части ВД является размещение приемников полного давления на выходе из сопла в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также приемников статического давления в наружной стенке ВД в характерных сечениях '3', '4' и 'У (рис. 10).

К датчикам даСмения

Л1

Сравнение локальных параметров скорости в соответственных точках эпюры показывает, что максимальное расхождение между физическим экспериментом (CMS) и моделированием составляет 44 % при riR = 0,8.

Анализ интегральных параметров ВД показывает, что при моделировании получаются несколько завышенные параметры, чем получены в эксперименте. Максимальное расхождение (16,7 %) наблюдается для момента сил на PK М?к. Расхождение интегральных параметров объясняется неточным моделированием поля скоростей и, соответственно давлений, в проточной части данного ВД. Для повышения точности расчетов необходимо провести корректировку модели турбулентности k-z и рассмотреть варианты расчетов с другими моделями, учитывающими анизотропию напряжений в пограничном слое.

В четвертой главе проведена верификация математической модели рабочего процесса ВД, обобщены данные численного моделирования, предложен метод проектирования проточной части ВД, а также разработана методика моделирования (рис. 11).

Требовавня к движителю сунна

т

Приемистость

Г"

Определение компоновочной схемы водометного движителя

в-

Принятие допущений и ограничений к модели

Схемное решение ; "движитель-судно" j

Компоновочная схема водометного движителя

] Структурные элементы i | компоновочной схемы ВД j

Расчетная схема ВД

Система уравнений рабочего процесса

Модели турбулентности и кавитации

Граничные и начальные условия

_] Построение ЗО-моделей 1 геометрии проточной части \

1 Определение оптимальных ] размеров границ расчетной : области и параметров •< сеточных моделей

! Определение -i оптимальны* размеров сеточных моделей

Отладка

математической модели

Моделирование рабочего процесса ВД Экспериментальное исследование характеристик ВД

е

Верификация математической модели рабочего процесса ВД

Методика обработки результатов моделирования

Моделирование характеристик лопастных насосов

Моделирование тяговых

характеристик ВД

физических экспериментов ;

Программа экспериментальных исследований

-j Методика верификации

! Уточненная —: математическая модель I рабочего процесса ВД

Первичная обработка j результатов экспериментов ;

Сравнение результатов моделирования и физических экспериментов

Рекомендации к корректировке математической модели

Анализ результатов моделирования по уточненной модели

Сравнение расчетных параметров ВД с ожидаемыми

3

Практические рекомендации к \ проектированию ВД i

Рекомендации к использованию интегральных характеристик ВД

Рисунок 11 .Структурная схема методики моделирования рабочего процесса ВД

В качестве входных параметров методики используются требования к ВД в составе скоростного судна, такие как скорость движения судна, тяга ВД потребляемая мощность, приемистость, КПД ВД. Выходными данными являются расчетные параметры рабочего процесса ВД, практические рекомендации к проектированию В Д и моделированию рабочего процесса.

Данная методика направлена на формирование геометрии проточной части ВД, которая необходима при проведении численного моделирования и позволяет на начальном этапе сформировать проточную часть с характеристиками ВД, отличающимися от характеристик, заложенных при проектировании не более чем на 3 %.

Исследование моделей турбулентности показывает, что для безотрывных течений целесообразно использовать модель турбулентности к-г, а для закрученных течений такие модели как SST, LRR Reynolds Stress (RS). В частности, течение в сопле имеет простую структуру с формированием пограничного слоя, а в рабочем колесе и водоводе течение имеет отрывы от стенок, циркуляционные зоны и повороты потока.

Сравнение эпюр скоростей на выходе из сопла ВД модельного катера лаборатории CMS (рис. 12) показывает, что наиболее близкие результаты к физическому эксперименту позволяет получить модель турбулентности SST, модель LRR RS требует на 50 % больше времени расчета, чем SST, при этом результаты моделирования незначительно отличаются от SST, а модель турбулентности k-е не позволяет получить близких к физическому эксперименту результатов. Моделирование эпюры осевой скорости из сопла ВД катера FreeRider-490C-Jet (рис. 13) с использование модели SST позволило снизить расхождение с физическим экспериментом до 3 %.

Неизвестные коэффициенты в модели кавитации Рэлея-Плессета были откорректированы в диапазоне температур окружающей жидкости 5...40 °С, что позволило в численном моделировании получать реальные размеры кавитационных каверн, влияющие на тягу ВД. После корректировки модели кавитации погрешность по расчету швартовой тяги снизилась до 2,5 %.

Vj, м/с

7,00

6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00

-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Рисунок 12. Эпюра скорости на выходе из сопла: УК = 2.24 м/с, п = 5250 об/мин (модельный катер лаборатории CMS)

Ч.М/С

Рисунок 13. Эпюра скорости на выходе из сопла: Ук =■ 23 м/с, п = 5500 об/мин (катер РгееШс1ег-490С-1е1)

Моделирование нестационарных течений в проточной части ВД, показывает, что амплитуда колебаний момента сил МРК и упора Ррк на швартовых режимах достигает 25 %, а на скоростных режимах находится в пределах 5 %. Причинами возникновения нестационарных течения в проточной части ВД являются: отрыв потока от стенок водовода; неравномерное поле скоростей на входе в РК; взаимодействие лопаточных венцов ротора и статора; кавитационные каверны, объем и расположение которых постоянно меняется.

Разработанную методику 3 О-моделирования рекомендуется использовать при исследовании рабочего процесса компоновочных схем «ВД - судно» с входными устройствами статического напора, лопастными насосами осевого или оседиаговального типов, реактивными соплами наружного поджатая с выбросом струи в воздух и других объектов, схожих по рабочему процессу. Методика позволяет рассчитывать швартовые и скоростные режимы работы ВД в диапазоне температур 5...40 °С, при этом погрешность моделирования локальных и интегральных характеристик составляет не более 3 %.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Выполнен аналитический обзор движителей современных судов и обоснована целесообразность использования ВД в качестве движителя современных маломерных судов. Проведенный анализ конструктивно-компоновочных схем системы «ВД - судно» показывает, что для глиссирующих катеров наиболее энергоэффективным является ВД с входным устройством статического напора, лопастным насосом оседиагонального типа и реактивным соплом с выбросом струи в воду.

2. Сформирована математическая модель рабочего процесса ВД с учетом реальной геометрии проточной части, неравномерности потока перед рабочим колесом и влиянием паровой кавитации на характеристики ВД. Установлено, что при моделировании рабочего процесса целесообразно использовать модели турбулентности 85Т и ЬБЖ КБ. При моделировании паровой кавитации с использованием модели Рэлея-Плессета необходимо вводить коэффициенты

конденсации Сс и парообразования Се, в зависимости от температуры жидкости, а также использовать начальные условия, полученные при моделировании течения без кавитации.

При исследовании влияния геометрии проточной части на рабочий процесс ВД выявлено, что наличие радиального зазора в пределах rlR< 1 % влияет на параметры лопастного насоса до 5 %, поэтому его необходимо учитывать при моделировании, а радиусы галтелей лопаток на втулке РК и СА несущественно влияют на параметры ВД и их можно не учитывать.

Исследование ВД с различными РК - шнекоосевым с шагом S = 180 мм, шнекоосевым с шагом S = 140.. .220 мм и оседиагональным с переменным шагом показывает, что при располагаемой мощности энергетической установки N= 103 кВт можно увеличить скорость катера FreeRider-490C-Jet с 20 до 23 м/с. При этом максимальный КПД оседиагонального РК составляет 89 %, а максимальные КПД обоих шнекоосевых колес практически совпадают и составляют 83 %.

3. По результатам верификации на основе физического эксперимента, заимствованного из отчета лаборатории CMS, обоснованы соответствующие модели турбулентности для различных режимов работы ВД, выработана методика построения сетки, отрегулированы итерационные шаги по времени.

На основе физических экспериментов, проведенных на опытной ходовой лаборатории в составе глиссирующего катера FreeRider-490C-Jet, получены характеристики ВД с шнекоосевыми РК (S = 180 мм и S = 140...220 мм) и установлено, что усложнение геометрии РК в данном случае не приносит повышения эффективности рабочего процесса. При использовании оседиагонального РК переменного шага с меньшим диаметром (Ц, = 180 мм) при той же потребляемой мощности N- 103 кВт скорость катера увеличилась с 20 до 23 м/с.

4. Проведена верификация модели кавитации Рэлея-Плессета, в которой скорректированы эмпирические коэффициенты Сс = 0,01 и Се = 50 в диапазоне температур окружающей жидкости 5...40 °С, что позволяет в численном моделировании получать распределения зон кавитации, соответствующие реально протекающим процессам. Сравнение интегральных характеристик РК и ВД, полученных при моделировании и физическом эксперименте, показывает, что максимальная погрешность составляет не более 2,5 %.

Моделирование нестационарных характеристик рабочего процесса ВД (момент сил и упор на РК) показывает, что на швартовых режимах амплитуда колебаний интегральных параметров доходит до 25 %, а на скоростных режимах — лежит в пределах 5 %. Полученные нестационарные характеристики позволяют оценить уровень шума и вибраций в элементах конструкции ВД.

Разработанную методику моделирования рекомендуется применять при исследовании рабочего процесса ВД с входными устройствами статического напора, лопастными насосами шнекового, осевого или оседиагонального типов и реактивными соплами наружного поджатия с выбросом струи в воздух и других смежных объектах. Методика позволяет прогнозировать интегральные и локальные параметры рабочего процесса ВД с погрешностью не более 3 % в диапазоне температур рабочей жидкости 5...40 °С.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

В центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Абдулин А. Я., Суханов А. В., Сенюшкин Н. С., Ямалиев Р. Р. Системы автоматизированного проектирования как инструмент решения наукоемких конструкторских задач судостроения II Вестник ВГТУ. Воронеж, 2010. Т. 6, №10. С. 114-117.

2. Абдулин А. Я., Проскурина Н. Б., Сенюшкин Н. С., Ямалиев Р. Р. Оценка возможности использования программного комплекса А^УБ СБХ при расчете центробежных компрессоров // Вестник ВГТУ. Воронеж, 2011. Т. 7, №3. С. 215-219.

3. Абдулин А. Я., Месропян А. В. Особенности численного моделирования рабочего процесса водометных движителей // Вестник УГАТУ. Уфа, 2013. Т. 17, №3(55). С. 130-137.

4. Абдулин А. Я., Месропян А. В. Расчет характеристик водометных движителей глиссирующих катеров // Вестник ЮУрГУ. Челябинск, 2014. Т. 14, №1. С. 41-51.

В других изданиях (статьи)

5. Абдулин А. Я., Порошкин К. В., Сенюшкин Н. С. Верификация программного комплекса АЫБУБ СРХ на задачах обтекания жидкостью удобообтекаемых тел//Молодой ученый. Чита,2011.'Г. 1,№7 (30). С. 49-53.

6. Абдулин А. Я. Современный водометный движитель для высокоскоростного катера // НТК «Мавлютовские чтения», УГАТУ. Уфа, 2012. Т.1. С. 61-62.

7. Абдулин А. Я. К вопросу о выборе эффективного движителя высокоскоростного катера // Машиностроение, электроника, приборостроение / Сб. научных трудов VIII Всероссийской зимней школы-семинара асп. и мол. уч. Актуальные проблемы науки и техники. Уфа, 2013. Т. 2. С. 4 — 8.

8. Абдулин А. Я. Моделирование кавитирующего течения в водометном движителе // Молодежный вестник УГАТУ. Уфа, 2013. Т. 1, №3 (8). С. 74 - 84.

9. Абдулин А. Я. Методика моделирования характеристик водометных движителей с помощью численного моделирования // НТК «Мавлютовские чтения», УГАТУ. Уфа, 2013. Т. 1. С. 58-60.

10. Абдулин А. Я. Исследование рабочего процесса водометных движителей глиссирующих катеров с помощью численного моделирования в АЫБУБ СБХ // Молодежный научно-технический вестник. [Электронный ресурс]. М.: МГТУ, 2013. № 11.-Режим доступа: http://sntbul.bmstu.ru/doc/637042.html.

11. Абдулин А. Я. Методика расчета характеристик водометных движителей с помощью численного моделирования // Материалы всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых, СПбГТУ, СПб. 2013. С. 4.

Диссертант

А. Я. Абдулин

АБДУЛИН Арсен Яшарович

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ВОДОМЕТНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ СКОРОСТНЫХ СУДОВ

Специальность: 05.04.13 —Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 28.04.2014. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 285.

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» Центр оперативной полиграфии 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет»

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ВОДОМЕТНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ СКОРОСТНЫХ СУДОВ

Специальность 05.04.13 Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

АБДУЛИН Арсен Яшарович

Научный руководитель

доктор техн. наук, доцент Месропян А. В.

Уфа-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение........................................................................................................................................................................5

Глава 1. Анализ проблемы исследования. Постановка цели и задач................12

1.1 Аналитический обзор движителей современных судов........................................12

1.1.1 Анализ режимов работы и схем гребных винтов............................................13

1.1.2 Общее устройство водометных движителей......................................................20

1.1.3 Особенности применения движителей нетрадиционных схем..........23

1.2 Анализ конструктивно-компоновочных схем системы «ВД - судно»... 25

1.3 Анализ конструктивно-компоновочных схем водометных движителей 27

1.3.1 Основные системообразующие элементы ВД......................................................27

1.3.2 Преимущества и недостатки водометных движителей различных схем....................................................................................................................................................................................29

1.3.3 Обоснование схемы водометного движителя....................................................31

1.4 Аналитический обзор работ по моделированию рабочего процесса водометных движителей................................................................................................................................33

1.5 Постановка цели и задач......................................................................................................................41

Выводы по главе 1................................................................................................................................................41

Глава 2. Расчет характеристик водометных движителей............................................43

2.1 Разработка математической модели рабочего процесса водометного движителя..................................................................................................................................43

2.1.1 Теоретическое обоснование работы водометного движителя глиссирующего катера......................................................................................................................................44

2.1.2 Описание системы уравнений рабочего процесса ВД..............................46

2.1.3 Использование моделей турбулентности и кавитации при моделировании рабочего процесса ВД..............................................................................................50

2.2 Формирование имитационной модели рабочего процесса водометного движителя................................................................................................................................57

2.2.1 Расчет геометрических параметров рабочих колес ВД........................57

2.2.2 Создание трехмерных геометрических моделей элементов водометного движителя................................................................................................................................62

2.2.3 Построение сеточных моделей элементов водометного движителя....................................................................................................................................................................69

2.2.4 Формирование численной модели рабочего процесса ВД....................73

2.3 Анализ распределения локальных параметров потока

в проточной части водометных движителей..............................................................................78

2.4 Анализ интегральных характеристик водометных движителей....................90

2.4.1 Анализ интегральных характеристик лопастных насосов ВД..........90

2.4.2 Анализ интегральных характеристик водометных движителей... 93

Выводы по главе 2................................................................................................................................................97

Глава 3. Экспериментальное исследование характеристик водометных

движителей..................................................................................................................................................................99

3.1 Разработка экспериментального стенда испытаний ВД........................................99

3.1.1 Описание объекта исследований....................................................................................99

3.1.2 Разработка схемы препарирования водометного движителя..............101

3.2 Разработка методики экспериментальных исследований....................................104

3.2.1 Тарировка датчиков давления..........................................................................................104

3.2.2 Разработка требований к безопасности, контролю испытаний

и защите окружающей среды....................................................................................................................105

3.2.3 Разработка программы экспериментальных исследований..............106

3.3 Разработка методики обработки экспериментальных данных......................111.

3.3.1 Первичная обработка экспериментальных данных....................................111

3.3.2 Расчет интегральных характеристик рабочего процесса ВД............113

3.4 Сравнение результатов физических экспериментов и численного моделирования..........................................................................................................................................................116

3.4.1 Сравнение результатов моделирования и экспериментального исследования модельного глиссирующего катера лаборатории Center for Maritime Systems..................................................................................................................................................116

3.4.2 Сравнение результатов моделирования и экспериментального исследования полноразмерного глиссирующего катера FreeRider-490C-Jet 119 Выводы по главе 3................................................................................................................................................121

Глава 4. Методика моделирования рабочего процесса водометных

движителей..................................................................................................................................................................123

4.1 Верификация математической модели по результатам физических экспериментов..........................................................................................................................................................131

4.2 Идентификация характеристик водометных движителей....................................137

4.2.1 Идентификация характеристик лопастных насосов ВД..........................137

4.2.2 Идентификация тяговых характеристик ВД..........................................................140

4.3 Формирование методики проектирования водометного движителя............143

4.3.1 Определение основных параметров водометного движителя............143

4.3.2 Проектирование лопастного насоса ВД..................................................................150

4.4 Методика моделирования рабочего процесса водометных движителей 147

Выводы по главе 4................................................................................................................................................147

Основные результаты и выводы..........................................................................................................149

Библиографический список........................................................................................................................151

Приложение А. Оборудование экспериментального стенда........................................158

Приложение Б. Нестационарные характеристики ВД........................................................159

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена разработке методики моделирования течения вязкой турбулентной несжимаемой жидкости в проточной части водометных движителей скоростных судов с лопастными насосами с учетом неравномерности полей скоростей и давлений, настационарности потока, паровой кавитации, влияния геометрии проточной части.

Актуальность. Повышение требований к энергоэффективности современных скоростных судов обуславливает необходимость совершенствования рабочих процессов их движителей и энергетических установок. Энергоэффективность гребных винтов (ГВ) понижается на высоких скоростях движения (более 50...60 км/ч), а их использование на обмелевших и замусоренных водоемах становится, зачастую, невозможным или опасным для жизни. Водометные движители (ВД) с лопастными насосами обладают преимуществами перед другими типами движителей, т.к. они обеспечивают высокие значения КПД судна (на скоростях более 60...70 км/ч), безопасность эксплуатации, более низкие уровни шума (на 6-10 дБ) по сравнению с ГВ, высокую маневренность, приемистость, проходимость по мелководью и обладают меньшей склонностью к кавитации на высоких скоростях движения.

Создание ВД требует решения комплекса задач, направленных на разработку новых схемных решений системы «ВД - судно», оптимизацию геометрических параметров и совершенствование рабочего процесса.

Выбор наиболее эффективной схемы компоновки «ВД — судно» зависит от геометрии обводов судна, скорости движения, условий эксплуатации и определяет дополнительное сопротивление движению судна, условия работы лопастного насоса, тяговые и мощностные характеристики ВД.

Рабочий процесс ВД представляет собой трехмерное (ЗЭ) течение вязкого турбулентного несжимаемого потока в проточной части сложной геометрии и характеризуется одновременным протеканием ряда гидродинамических процессов. При моделировании рабочего процесса учитывается выброс жидкости в неограниченное пространство, образование паровых

кавитационных каверн, отрыв потока от стенок проточной части, течение в радиальном зазоре на лопастях рабочего колеса (PK).

Широкое распространение при расчетах параметров рабочего процесса ВД получили приближенные одномерные и двухмерные эмпирические модели, численное ЗБ-моделирование и физические эксперименты.

Вопросам совершенствования рабочих процессов ВД и лопастных насосов посвящены работы многих отечественных и зарубежных авторов. Среди них в области ВД следует выделить труды А. Н. Папира, Ю. М. Войнаровского,

A. М. Басила, Е. Г. Хорхордкипа, С. В. Куликова, М. Ф. Храмкипа,

B. Ф. Васильева, А. Ю. Яковлева, Norbert Bülten, John Carlton, в области лопастных насосов - Б. В. Овсянникова, J1. И. Степанова, Г. В. Викторова, в области кавитации —AshokK. Singhai, Farid Bakir, в области турбулентности — А. А. Юна. В работах отечественных ученых предложены одномерные и двухмерные методы расчета рабочего процесса ВД с лопастными насосами, а также эмпирические зависимости интегральных параметров. В работах зарубежных авторов, посвященных ЗО-моделированию рабочего процесса ВД, не рассмотрены вопросы влияния нестационарности потока, паровой кавитации и неравномерности потока на характеристики ВД, отсутствуют рекомендации по построению геометрической 3D-модели проточной части водовода, рабочих колес оседиагонального типа и осевого спрямляющего аппарата (CA).

Таким образом, исследование и совершенствование рабочего процесса ВД, направленное на снижение объемов доводочных испытаний, а также разработка методики 3D-моделирования рабочего процесса и оптимизации геометрических параметров является актуальной задачей.

Цели н задачи исследований. Целью работы является совершенствование рабочего процесса водометных движителей с осевыми и оседиагональными насосами и разработка методики ЗО-моделирования рабочего процесса.

Исходя из цели работы, для ее реализации были сформулированы следующие задачи:

1. Аналитический обзор схемных решений ВД. Анализ работ по проблемам моделирования рабочего процесса ВД.

2. Разработка математической модели рабочего процесса ВД, учитывающей влияние геометрических параметров проточной части, нестационарности потока, неравномерности полей скоростей и давлений на входе в РК и паровой кавитации на параметры рабочего процесса.

3. Верификация математической модели рабочего процесса ВД.

4. Разработка методики моделирования рабочего процесса ВД с осевыми и оседиагональными насосами, моделировать влияние геометрических параметров проточной части, нестационарности потока, паровой кавитации и неравномерности на параметры рабочего процесса и рассчитывать интегральные характеристики.

Методы исследований. Работа выполнена с использованием классических методов механики жидкости и газа, методов численного решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений и систем уравнений в частных производных, теории лопастных гидронасосов, методов экспериментального исследования.

Научная новизна. Новыми научными результатами, полученными в работе, являются разработанная математическая модель рабочего процесса ВД, результаты численного моделирования и физических экспериментов, а также методика моделирования, направленные на повышение эффективности рабочего процесса и сокращение объемов доводочных испытаний:

1. Результаты численного моделирования рабочего процесса ВД, отличающиеся тем, что исследовано влияние геометрии проточной части на параметры рабочего процесса, получены тяговые характеристики ВД и характеристики осевых и оседиагональных насосов с учетом возникновения паровой кавитации, нестационарности и неравномерности потока.

2. Результаты экспериментальных исследований ходовой лаборатории на базе глиссирующего катера Ргее1Шег-490С-М с ВД и верификации математической модели рабочего процесса, отличающиеся тем, что для данного

катера и ВД впервые были рассчитаны ходовые характеристики, и по результатам верификации отлажена численная модель задачи, обоснована модель турбулентности, скорректированы коэффициенты конденсации и испарения в модели кавитации Рэлея-Плессета.

3. Методика моделирования рабочего процесса ВД, которая, в отличие от существующих, позволяет моделировать влияние геометрических параметров проточной части, паровой кавитации, нестациопарпости и неравномерности потока на параметры рабочего процесса и рассчитывать интегральные характеристики.

Практическая ценность. Результаты численного моделирования и физических экспериментов, разработанные математическая модель и методика моделирования рабочего процесса ВД, внедрены на ООО НПП «Мастер-Мотор» (г. Уфа) и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «УГАТУ». Разработанная математическая модель, результаты исследований и методика имеют практическую ценность, а именно позволяют:

1. Проводить моделирование рабочего процесса ВД в ЗБ квазистационарной и нестационарной постановке с учетом влияния геометрических параметров проточной части, неравномерности полей скоростей и давлений перед РК, паровой кавитации.

2. Исследовать влияние геометрических параметров проточной части для получения максимальной энергоэффективности, рассчитывать интегральные параметры рабочего процесса ВД, оценивать влияние паровой кавитации, нестационарности и неравномерности потока на эти параметры.

3. Проводить физические эксперименты по определению тяги ВД, поля давлений в основных сечениях ВД и осуществлять верификацию математической модели рабочего процесса ВД.

Достоверность представленных результатов. Достоверность результатов моделирования подтверждена верификацией по данным физических экспериментов, полученных на ходовой лаборатории в составе глиссирующего катера Ргее1Шег-490С-М с ВД при участии автора (ООО НПП

«Мастер-Мотор») и в лаборатории Center for Maritime Systems - CMS (США, Ныо-Джерси, Хобокен).

Основание для работы. Основанием для выполнения данной работы является грант ФЦП на 2010-2012 г. «Экспериментально-теоретические методы проектирования и доводки судовых силовых установок и движителей для судов различного типа и назначения» и совместные поисковые научно-исследовательские работы с ООО Hi 111 «Мастер-Мотор».

Положения, выносимые на защиту:

1. Расчетная модель рабочего процесса ВД в пакете ANSYS CFX на швартовых и скоростных режимах работы с учетом нестационарности, неравномерности потока и паровой кавитации.

2. Методика построения ЗО-моделей осевых и оседиагональных РК с лопастями переменного шага.

3. Результаты верификации модели турбулентности и модели паровой кавитации на основе данных физических экспериментов.

4. Результаты расчетов тяговых характеристик ВД и характеристик лопастных насосов ВД.

5. Методика моделирования рабочего процесса ВД скоростных судов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались,

докладывались и получили положительную оценку на Всероссийской научно-технической конференции «Зимняя школа аспирантов» (Уфа, 2013 г.); Всероссийской молодежной НТК «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2012-2013 г.); Всероссийской выставке «Политехника» (Москва, 2013 г.); 7-м Всероссийском форуме молодых ученых (Санкт-Петербург, 2013 г.).

Публикации. По тематике диссертационной работы представлено 11 печатных работ, в том числе 4 публикации в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

Личный вклад соискателя в работу. Все основные идеи в работе сформулированы лично автором. Материалы диссертации основаны на исследованиях автора за 2010-2014 годы.

Объем н структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Содержит 160 страниц машинописного текста, библиографический список из 75 наименований, приложения.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, посвященной совершенствованию рабочих процессов ВД, формулируется цель работы, основные направления исследований, приводятся выносимые на защиту положепия, апробация, структура и краткое содержание работы по главам.

В первой главе проведен анализ проблемы исследований, поставлены цель и задачи. Проведен аналитический обзор движителей современных судов, приведена их классификация. Рассмотрена классификация гребных винто�