Исследование нелинейных задач обтекания суперкавитирующих профилей с учетом интерцептора и застойной зоны на выходящей кромке

• Автор: Урядов, Александр Константинович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 146 с. : ил.

Введение
I. Общая формулировка проблемы. Актуальность исследований
Диссертация посвящена решению задач обтекания суперкавитирующих профилей особой формы с интерцептором и застойной зоной на выходящей кромке, а также решетки таких профилей потоком невязкой несжимаемой жидкости с использованием различных схем замыкания каверны. Под суперкавитацией понимается такой процесс образования каверны, при котором ее длина превышает длину профиля, вследствие чего замыкание каверны происходит уже за задней кромкой.
Рассматриваемые задачи тесно связаны с такими понятиями гидроаэродинамики, как интерцепторы, застойные зоны, струйное и кавитационное обтекание.
1.1. Использование интерцепторов
Интерцепторы — выдвигаемые поперек набегающего потока пластины, позволяющие целенаправленно управлять отрывом потока на несущих поверхностях корпуса и на лопастях движителей быстроходных судов [42], [72].
Рис. I. Принцип работы системы интерцепторов: 1 — корпус катера; 2 — носовые интерцепторы (НИ); 3 — кормовые интерцепторы (КИ); 4,5 — эпюры давлений перед НИ и КИ; 6 — эпюра давления от корпуса катера; 7 — днищевая каверна за НИ;
8 — подсос воздуха в каверну; УкиУн — подъемная ста на корпусе от 4 и 5.
Управление характером обтекания корпуса судна и его движителей позволяет совершенствовать быстроходные суда. Одним из таких направлений является повышение их ходовых и мореходных качеств. Кроме традиционного пути оптимизации обводов судов, значительно улучшить их гидродинамические характеристики может установка интерцепторов на глиссирующих поверхностях [41]. Так, установка интерцепторов на днище судна в районах транца и миделя

при выдвижении их приводит к возникновению перед ними зон повышенного давления, которые уменьшают осадку и, соответственно, смоченную поверхность судна. Возникающая за миделевыми интерцепторами воздушная каверна, заполняемая атмосферным воздухом, также ведет к уменьшению смоченной поверхности днища. В итоге же обеспечивается снижение общего сопротивления судна. Также при определенном расположении интерцепторов в диаметральной плоскости судна, их побортным выдвижением и убиранием можно управлять креном и дифферентом судна во времени, что позволяет использовать интерцепторы, в том числе, и как успокоители качки (рисунок I).
Результаты натурных испытаний показывают следующее:
1. На тихой воде симметричные относительно ДП судна выдвижения интерцепторов, обеспечивающие оптимальную посадку судна, позволяют снизить сопротивление воды движению и, как следствие, повысить, скорость полного хода. Правда, в этом случае для сохранения остойчивости судна на переходном режиме необходимо правильно подобрать выдвижение носовых интерцепторов. При этом с убранными носовыми интерцепторами на переходных режимах при перекладке рулей уменьшается время циркуляции при соответствующем уменьшении крена.
2. На волнении, при правильном управлении интерцепторами возможно значительное снижение параметров бортовой и килевой качки.
3. На волнении при работающих интерцепторах улучшается курсовая устойчивость движения судов, а также значительно уменьшаются средние вертикальные ускорения на их корпусе.
Важнейшим элементом быстроходного судна является движитель. Наиболее распространенный тип движителя - гребной винт. На любом моторизированном плавсредстве — это одна из важнейших составляющих всего комплекса «двигатель-движитель». От его правильного выбора зависят скорость, экономичность, комфортный режим движения и масса иных характеристик, влияющих на эффективность использования плавсредства в целом [4].
Гребной винт преобразует вращение вала двигателя в упор — силу, толкающую судно вперед. Диаметр и шаг винта являются важнейшими параметрами, от которых зависит степень использования мощности двигателя, а, следовательно, и возможность достижения наибольшей скорости хода судна. Шаг винта — это расстояние, пройденное винтом в результате поступательного движения за один полный оборот. Разность между теоретическим шагом винта и фактически пройденным расстоянием за один оборот называется проскальзыванием. Винт, максимально эффективно реализующий мощность мотора в со-

четании с конкретным корпусом и обладающий наибольшим КПД, называется оптимальным.
Применение на гребных винтах загнутой исходящей кромки, т.е. интерцептора, способствует увеличению способности винта к «захвату» жидкости, особенно на лодках с высоко установленным мотором и большими углами ходового дифферента. Интерцептор также обеспечивает дополнительный подъем носа катера в случае установки на линиях угла наклона лопасти (см. рисунок I). Применение интерцептора на исходящей и внешней кромках лопасти увеличивает шаг [39].
Также существует и другое преимущество установки на гребных винтах интерцепторов. Обычный полностью погруженный гребной винт должен быть значительно заглублен для предотвращения попадания в его гидравлическое сечение атмосферного воздуха, который в этих случаях ухудшает тяговые характеристики винта, а они при эпизодическом попадании туда воздуха становятся нестабильными [51].
Однако при достаточном заглублении оптимального по КПД гребного винта детали привода, например, наклонный гребной вал с кронштейном, оказываются настолько развитыми, что их доля в сопротивлении судна составляет 20% и более, что значительно снижает эффективность движителя за счет низкого пропульсивного коэффициента при высоком КПД самого винта.
Рис. II. Кавитирующий профиль с интерцептором 1 на задней кромке. Пунктирными линиями показаны границы каверны при обтекании изолированного профиля, сплошными линиями — при обтекании профиля с интерцептором
Другой особенностью глубоко погруженного гребного винта является невозможность развития больших оборотов на промежуточных скоростях движения: возрастание момента на гребном валу влечет за собой недостаточность тяги для быстрого разгона судна.

вспомогательной областью ^ = ^ + 1Т] показано на рисунках 1.2, а и 1.2, б. Бесконечно удалённой точке С на вспомогательной плоскости соответствует точка С0=а + 1Ь.
Далее, воспользовавшись методом Чаплыгина, выпишем точное решение задачи в форме двух производных комплексного потенциала я> = (р + / ц/ относительно физической и вспомогательной переменных 2 и С. С расчетной точки зрения очень удобно при этом использовать хорошо известные двоякопериодические эллиптические тета-функции (9;,г -1,4, где параметр 0<д<1 действительный (д = е'',т < 1) [37]:
в, (С) = 2д1/4 8Ш СП а - д2п )(1 - 2д2" С08 2С+ д4п) =

= 2Х(-1)иЧ д(2"‘1)2/4 зт(2и -1 )С

в2 (С) = 2д1/4 сое СП (}~д2п )(1 + V" соэ 2С+ д4п) =

= 2]Гу2"-1)2/48т(2и-1)^
(1.1)
(1.2)
^з(0 = П(1-?2")(1 + 292""1 со52С + д4п'2) = 1 + 2^д" со$2пС (1.3) /1=1 /1=1 00
04(О = П(1 _ 92")(1— 2д2п~' со$2С + д4"~2) = 1 + 2^(-у дп соз2< (1.4)
л—1 л=
При добавлении к аргументу С действительного квазипериода л 9 -функции получают множители периодичности -1,-1, 1 и 1; при добавлении квазипериода лт - множители -А, А, А я -А=-д~'е~2ш. Функция О, (С) нечетная, остальные функции четные.
Отношение в -функций вида
т / т
= (1-5)
*=1 / к=
представляет (с точностью до постоянного множителя Ы) эллиптическую функцию Р(С) с периодами я- и яг, имеющую т нулей и т полюсов соответственно в точках С — ак и С ~Ьк (эти точки считаются соответственно кратности нулей и полюсов и выбираются так, чтобы выполнялось условие я, +а2 +... + ат ~6, +62 + ... + Д,). Сумма