автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Расчетный метод определения полей средних и пульсационных скоростей в осесимметричном канале водометного движителя

1. Введение. Постановка задачи.

2. Обзор существующих материалов по экспериментальным и расчетным методам определения полей скоростей в осесимметричном канале водометного движителя.

3. Расчетный метод определения полей средних и пульсационных скоростей в осесимметричном канале.

3.1. Расчетный метод определения характеристик турбулентного потока в круглой трубе.

3.2. Влияние поперечных градиентов вязкости и плотности несжимаемой жидкости на турбулентное течение в круглой трубе.

3.3. Влияние кольцевых разрушителей вихревых структур на турбулентное течение в круглой трубе.

3.4. Расчетный метод определения полей средних скоростей в осесимметричном канале водометного движителя.

3.5. Исследование влияния геометрических параметров канала водометного движителя на поле средних скоростей в его проточной части.

3.6. Расчетный метод определения пульсационных скоростей в осесимметричном канале водометного движителя.

3.7. Исследование влияния геометрических параметров канала водометного движителя на поле пульсационных скоростей в его проточной части.

4. Расчетный метод определения полей средних и пульсационных скоростей в потоке за стойками, расположенными в проточном канале водометного движителя.

4.1.Расчетный метод определения полей средних скоростей за профилированной стойкой, расположенной в канале водометного движителя. Примеры расчета. Сравнение с экспериментом.'.

4.2.Расчетный метод определения полей пульсационных скоростей за профилированной стойкой, расположенной в канале водометного движителя. Примеры расчета. Сравнение с экспериментом.

4.3.Поля средних и пульсационных скоростей за решеткой профилей, расположенных в канале водометного движителя.

5. Экспериментальные данные по измерению полей средних и пульсационных скоростей в каналах водометных движителей.

5.1.0писание экспериментальных установок, аппаратуры и моделей, на которых проводились опыты в аэродинамической трубе.

5.2.Результаты экспериментальных исследований по определению полей средних и пульсационных скоростей в каналах водометных движителей. Сопоставление с расчетными данными.

6. Основные результаты, полученные в работе.

7. Литература.

Водометные движители нашли широкое применение при создании судов и кораблей различного назначения [ 1, 2, 3 ], а также объектов, движущихся в толще воды [ 4 ]. Формы проточных каналов водометных движителей весьма разнообразны [ 1,2,3 ] и определяются конструктивными особенностями судов, на которых они используются. В случае установки водометов на подводных аппаратах, которые, как правило, имеют кормовую оконечность осесимметричной формы, водометный движитель представляет собой насадку с круговыми поперечными сечениями, в которой расположен лопастной механизм. Если на надводных судах в канале водометного движителя перед рабочим колесом водомета располагается обычно гребной вал и поддерживающие его элементы, искажающие поле скоростей набегающего потока, то на подводных аппаратах [ 50, 51 ] насадка водометного движителя может крепиться к корпусу с помощью стоек, выполненных в виде неподвижной лопастной системы, расположенной перед раббчим колесом (направляющий аппарат) или за ним ( спрямляющий аппарат ).

В случае направляющего аппарата его лопасти выравнивают поле скоростей, набегающее на насадку, и формируют новое поле, определяемое обтеканием собственно лопастей. Полученное поле средних и пульсационных скоростей имеет стационарную окружную неоднородность по окружной координате.

Уровень неоднородности средних скоростей определяет амплитуды колебаний углов атаки лопасти и характеризует во многом кавитационные характеристики рабочего колеса. Эта неоднородность могла бы определять и амплитуды переменных сил с лопастной и кратной ей частотами. Однако практически число лопастей рабочего колеса выбирается с таким расчетом, чтобы лопастная и кратные ей частоты отличались от соответствующих частот направляющего аппарата более чем на единицу. В этом случае на рабочем колесе силы на лопастных частотах практически не формируются. Широкополосный спектр на низких частотах определяется средним значением турбулентности потока по плоскости диска рабочего колеса.

Таким образом, данные по полю средних скоростей в диске рабочего колеса могут быть использованы для прогнозирования его кавитационных характеристик, а данные по пульсациям скоростей - для расчета уровней широкополосного шума в инфразвуковом диапазоне частот.

Целью настоящей работы является создание приближенного метода определения полей средних и пульсационных скоростей в канале водометного движителя и соответствующей программы расчета на ПЭВМ. Представленный в диссертации метод учитывает следующие основные факторы: поле скоростей на входе в насадку водометного движителя; форму канала водомета в предположении его осевой симметрии ( осью симметрии является ось кормовой оконечности тела, на котором установлен водомет ); форму поперечного сечения стоек; места их расположения; величину числа Рейнольдса, построенного по средней скорости на выходе из водомета и какому-либо характерному линейному размеру. Все рассуждения проводятся для турбулентного режима течения в водомете. Режим течения в пограничных слоях насадки водомета и стоек, расположенных поперек канала водомета, может быть как ламинарным (условия модельного эксперимента ), так и турбулентным ( натурные условия ).

Приближенность метода определяется следующими факторами: - использованием приближенных полуэмпирических теорий при расчетах турбулентных течений в пограничных слоях, следах за стойками и в каналах;

- допущением о возможности применения " квазиместного " подхода при расчетах характеристик следов за стойками, расположенными в потоке с поперечным градиентом скорости ( изменение скорости поперек канала водомета );

- приближенным приемом определения полей пульсационных скоростей по полям средних скоростей с использованием гипотезы Прандтля.

В процессе отработки метода расчета поля средних скоростей в канале водометного движителя были рассмотрены турбулентные течения в круглой трубе и в кольцевом канале. При исследовании турбулентных потоков в круглой трубе с помощью используемого метода были решены задачи о влиянии поперечных градиентов вязкости и плотности на характеристики потока и о взаимодействии кольцевых разрушителей вихревых структур с турбулентным течением. Упомянутые задачи могут иметь самостоятельное практическое значение.

При определении характеристик течения в следе за стойками использовались известные экспериментальные и теоретические данные [ 5, 6 ], однако в некоторых случаях в расчетные зависимости были внесены коррективы на основании опытов, проведенных в аэродинамической трубе ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова.

На базе разработанного приближенного метода и соответствующей программы для ПЭВМ были произведены соответствующие систематические расчеты полей скоростей для различных компоновок осесимметричного водометного движителя. Результаты расчетов сравнивались с экспериментальными данными, полученными при непосредственной участии автора диссертационной работы. 6

Материалы диссертации использовались в ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова при выполнении научно-исследовательских тем , а также договорных работ.

Основной материал диссертации изложен в научных публикациях диссертанта по теме работы [ 44 - 49 ].

6. Основные результаты, полученные в работе.

По итогам выполненного исследования можно отметить следующие основные результаты, полученные автором диссертации.

1. На основании общепринятых допущений полуэмпирической теории Прандтля разработана расчетная схема определения всех характеристик осредненного турбулентного течения жидкости в круглой трубе. Указанная схема не требует привлечения дополнительного экспериментального материала и пригодна во всем диапазоне чисел Рейнольдса. Систематические расчеты, выполненные с использованием предложенного алгоритма, показали удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных.

2. Разработана расчетная схема определения осредненных характеристик турбулентного течения в круглой трубе при наличии поперечных градиентов плотности и вязкости жидкости. Расчетами установлено, что уменьшение вязкости и плотности жидкости по направлению к стенке ведет к снижению коэффициента сопротивления.

3. Предложена модель течения и разработана расчетная схема турбулентного потока в круглой трубе при наличии кольцевых разрушителей вихревых структур.

Выполненные на базе указанной расчетной схемы расчеты показали возможность снижения суммарного гидродинамического сопротивления в круглой трубе при наличии разрушителей на 10 -15% по сравнению с течением в гладкой трубе.

4. Разработана расчетная схема, позволяющая рассчитать параметры потока в канале водометного движителя осесимметричной формы при любых числах Рейнольдса. На основе указанной расчетной схемы исследовано влияние на поля средних скоростей в канале водометного движителя следующих геометрических параметров: относительного удлинения канала; формы канала при линейном и квадратичном законах изменения высоты канала по продольной координате.

5. Предложена приближенная расчетная схема определения среднеквадратичных значений пульсационных скоростей в осесимметричном канале водометного движителя. С помощью этой расчетной схемы выполнены систематические расчеты для каналов различной геометрии.

6. Предложен алгоритм расчета нолей средних и пульсационных скоростей за профилированной стойкой расположенной в канале водометного движителя, а также за системой крыльев. Расчеты удовлетворительно соответствуют опытным данным, получении: в аэродинамической т "" бе ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова.

7. Ра^раиотан метод расчета полей средних и пульсационных скоростей за направляющим аппаратом, расположенным в канале водометного движителя.

8. В аэродинамической лаборатории Института проведены систематические эксперименты, позволившие оценить влияние на поля средних и пульсационных скоростей в диске лопастной системы различных геометрических параметров канала водометного движителя: удлинения канала, степени его поджатая, количества стоек направляющего аппарата, их удаление от диска лопастной системы, углов установки стоек.

9. Создана программа расчета на ПЭВМ полей средних и пульсационных скоростей в канале водометного движителя для любых чисел Рейнольдса, позволяющая учесть все основные геометрические параметры канала и расположенных в нем стоек. Расчеты по этой программе показали удовлетворительное соответствие экспериментальным данным.

Перечисленные результаты дают возможность на ранних стадиях проектирования рабочих колес водометных движителей производить оценку условий их работы при произвольной форме канала водомета, направляющего аппарата и любых стойках, пересекающих рабочее сечение канала. Это позволяет ускорить процесс проектирования водометного комплекса, значительно сократив объем систематических экспериментальных работ.

1. Куликов С. В., Храмкин М. Ф. " Водометные движители // Изд. "Судостроение Л., 1980 г.

2. Мавлюдов М. А., Русецкий А. А., Садовников Ю. М., Фишер Э. А. "Движители быстроходных судов // Изд. "Судостроение ", Л., 1973 г.

3. Русецкий А. А. " Движители судов с динамическими принципами поддержания ". // Изд. "Судостроение Л., 1979 г.

4. Грейнер Л." Гидродинамика и энергетика подводных аппаратов ".// Р1зд. "Судостроение ", Л., 1978 г.

5. Шлихтинг Г. " Теория пограничного слоя ". // Изд." НаукаМ., 1969 г.

6. Гиневский А. С. " Теория турбулентных струй и следов // Изд. "Машиностроение ", М., 1969 г.

7. Лебедев Э. П. и др. " Средства активного управления судами // Изд. "Судостроение ", Л, 1969 г.

8. Русецкий А. А., Жученко М. М., Дубровин О. В. " Судовые движители".// Изд. "Судостроение ", Л., 1971 г.

9. Войткунский Я. И., Першиц Р. Я., Титов И. А. " Справочник по теории корабля" (Судовые движители и управляемость ). // Изд. "Судостроение", Л., 1973 г.

10. Войткунский Я. И. " Справочник по теории корабля .", т. I. /У Изд. "Судостроение", Л., 1985 г.

11. Лесохин А. Ф. " Расчет лопастей рабочих колес осевых турбин ". // Труды ЛПИ, № 5,1953 г.

12. Лесохин А. Ф., Симонов Л. А. " Расчет колеса типа Каплана по выбранному распределению вихрей ". /7 Оборонгиз, М., 1939 г.

13. Ломакин А. А. " Центробежные и пропеллрные насосы // Машгиз, 1966 г.

14. Симонов Л. А. " О пространственном потоке в гидромашинах ". // ПММ, т.5, №3, 1941 г.

15. Симонов Л. А. " Осевые компрессоры ". Сб. Теоретических работ по аэродинамике. //Оборонгиз, М., 1957 г.

16. Степанов Г. Ю. " Основы теории лопаточных машин, комбинированных и газотурбинных двигателей // Машгиз, М., 1958 г.

17. Папир А. Н. " Осевые насосы водометных движителей ". // Изд. "Судостроение", Л., 1965 г.

18. Лойцянский Л. Г. " Механика жидкости и газа // Изд. " Наука М., 1973 г.

19. Федяевский К. К., Гиневский А. С., Колесников А. В. " Расчет турбулентного пограничного слоя несжимаемой жидкости ". // Изд. "Судостроение Л., 1973г.

20. Ротта И. К. " Турбулентный пограничный слой в несжимаемой жидкости // Изд. "Судостроение Л., 1967 г.

21. Миллионщиков М. Д. " Турбулентные течения в пограничном слое и трубах ". // Изд. " Наука М., 1969 г.

22. Под ред. Гиневского А. С. " Введение в аэрогидродинамику контейнерного трубопроводного транспорта ". // Изд. " Наука ",Гл. ред. физ. мат. лит., М., 1986г.

23. Прандтль Л. " Гидроаэромеханика ". // Изд. " Иностранная литература", М„ 1951г.

24. Альтшуль А. Д., Животовский Л. С., Иванов Л. П. " Гидравлика и аэродинамика"//Стройиздат, М., 1987 г.

25. Van Drieest Е. R. " On Turbulent flow near a wall // JAS, v. 23, №11.

26. Христич И. С. " Обзор работ по управлению турбулентными структурами пограничного слоя ". // Техн. отчет ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, вып. 33475, 1990 г.

27. Кольцова Н. А., Труханова В. В. " Разработка теоретической модели, описывающей воздействие разрушителей вихревых структур на турбулентный поток в пограничном слое и в круглой трубе ". // Техн. отчет ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып. 37046, 1995 г.

28. Краснопёрое Е. В. " Экспериментальная аэродинамика ", ч. II. // ОНТИ НКТП СССР, М. Л., 1935 г.

29. Hvang Т. Т., Santelli N., Belt G. " Stern boundary layer flow on axisymmetric bodies ". // The XII Sympos. On Naval Hydrodynamics, Washington, 1979.

30. Степанов Г. Ю. " Гидродинамика решеток турбомашин ". /У Физматгиз, М., 1962 г.

31. Жуковский М. И. " Расчет обтекания решеток профилей турбомашин".// Машгиз, М. Л., 1960 г.

32. Жирицкий Г. С., Концевич Ю. Ф. " Направление потока на выходе из решеток турбинных лопаток // Машгиз, " Котлотурбостроение № 3, 1951 г.

33. Повх И. Л. " О влиянии шага на аэродинамические характеристики турбинных профилей в решетке ". // Машгиз, " Котлотурбостроение №6, 1948г.

34. Подобуев Ю. С. " Определение среднего направления потока на выходе из турбинной решетки // Труды ЛПИ, № 2. 1954 г.

35. Крчин И. Е., Кибель И. А., Розе Н. В. " Теоретическая гидромеханика ", ч. I.//ГИФМЛ, М., 1963 г.

36. Кочин Н. Е. " Гидродинамическая теория решеток // ГИТТЛ, М.-Л., 1949 г.

37. Горин С. М., Слезингер И. И. " Аэромеханические измерения // Изд. "Наука", М„ 1964 г.

38. Гольдштейн С. " Современное состояние гидроаэродинамики вязкой жидкости ", т И. Н Изд. ИЛ, 1948 г.

39. Драйден X. Л. " Переход ламинарного течения в турбулентное Сб. "Турбулентные течения и теплопередача // Изд. ИЛ, М., 1963 г.

40. Хинце И. О. " Турбулентность ". // ГИФМЛ, 1963 г., М.

41. R. Burner. " Naval submarines the total weapon system." // The Naval Architect, 1996, July / August, pp. 63 - 65.

42. D. Miller. " Propelled to success. Pumpjets help silence submarines." // International Defense Review, 1995, v. 28, № 11, pp. 53 54.

43. Список опубликованных научных трудов Н. А. Кольцовой по темедиссертации.

44. Кольцова Н. А., Короткин А. И. " Design method for determination characteristics of liquid flow in a pipelines in the present of transversal gradients of viscosity and density. " H Conference " Polar С.Петербург, 1996.

45. Кольцова H. А., Короткин А. И. " Расчетное определение характеристик течения в круглой трубе с внутренним цилиндрическим кольцом. " // Тезисы докладов на Поляховских чтениях, С. Петербург, 1997 г.8

46. Кольцова Н. А., Короткин А. И. " Расчетный метод определения средних и пульсационных скоростей турбулентного течения в кольцевом канале конечной длины. " // 2-ая международная Конференция " Моринтех", С. Петербург, 1997 г.

47. Кольцова Н. А., Короткин А. И. " Определение полей скоростей за стойкой, расположенной в кольцевом канале. " /'/' 38 Крыловские чтения, С. Петербург, 1997 г.

48. Кольцова Н. А., Короткин А. П., Тюшкевич В. А. " Исследование влияния геометрии канала водомета на поле скоростей в его проточной части. " // 2 ая Международная конференция по судостроению, С. -Петербург, 1998 г.