Исследование задач определения оптимальной формы суперкавитирующего профиля с интерцептором

• Автор: Зо Вин
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 158 с. : ил.

Общая формулировка проблемы и обзор исследований. Экспериментальные исследования явления кавитации начались более 100 лет назад, в 1894 г. О. Рейнолдсом (О. Reynolds) [108J и в 1897 г. С. Барнаби |70J на полномасштабных испытания гребного винта эсминца '“Daring”. Первые теоретические результаты для задач кавитации (точнее, для нелинейных задач струйного обтекания ттри числе кавитации а = 0) получены Гельмгольцем [85]. Вопросы, связанные с кавитацией всегда вызывали повышенный интерес при проектировании гидропрофилей, лопастей гребных винтов и турбин. Кавитация, приводящая к эрозии, вибрации, гидроакустическому шуму и нежелательным изменениям гидродинамических коэффициентов, представляет собой физическое явление, ограничивающее процесс увеличения скорости как для обычных водоизмеща-ющих судов, так и судов с динамическими принципами поддержания. Иногда даже весь комплекс технических проблем, возникающих в связи с появлением и развитием каверн, называют -«кавитационным барьером».
В связи с этим обычной практикой являлась задача создания профиля (либо лопасти) такой формы, которая обеспечивала бы безкавитационный режим обтекания для как можно более широкого круга характеристик течения. Однако в последние годы, прежде всего, в связи с развитием .судов с динамическими принципами поддержания, эта задача стала практически неразрешимой из-за значительного увеличения требовании но таким параметров, как скорость движения и нагрузка на гидропрофили, и, в то же время, из-за необходимости повышения эффективности движителей. С другой стороны, хорошо известно, что эффективность движителя можно до определенной степени увеличить, если допустить возникновение каверны, поскольку это приведет к уменьшению смоченной поверхности профи ля/лопасти и, соответственно, к падению сопротивления трения. Использование суперкавитнрующих винтов (СКГВ) для морских судов на подводных крыльях и частично погруженных винтов (ЧПГВ) для

Введение: общая формулировка проблемы и обзор исследований

гоночных скутеров Формулы 1, показывают их высокую эффективность, см. рисунки I, II и III.
Задачи, связанные с проектированием суперкавитирующих гндропорфи-лей/лопастей винтов весьма сложны, в том числе и потому, что негативные последствия кавитации, такие, например, как возникновение кавитационного сопротивления и повышение уровня шума, не должны превышать общий положительный эффект от уменьшения смоченной поверхности. Впервые задачу о проектировании гидропрофиля, приспособленного к работе в режиме развитой кавитации, когда каверна замыкается достаточно далеко за профилем, и, соответственно, тряска и эрозия, связанные с кавитацией, исключаются, сформулировал акад. B.JI. Поздюнин [42, 43]. Он и дал название «суперкавитирующие» таким профилям. В дальнейшем этот термин стал широко применяться во всем мире [11-8].
На практике впервые суперкавитирующие гребные винты были установлены на судне с подводными крыльями (СПК) «Денисон» в 1962 г. и -с тех пор многократно применялись для различных типов судов. Однако к концу 80-х годов XX века сложилось .общее представление о недостаточной надежности СКГВ и поэтому они уступили место другим перспективным движителям и высокоскоростным типам судов, таким как катамараны и экраноплаяы. Тем не менее, сама идея об использовании кавитации либо искусственной кавитации при проектировании и применении гидропрофилей до сих пор актуальна для ЧПГВ, транекавитируюхцих гребных винтов и т.д.
Важной особенностью проектирования кавитирующих гребных винтов и крыльев сложной конфигурации является тот факт, что этот процесс в основном связан с проектированием именно двумерных кавитирующих секций, который часто представляет собой подбор методом проб и ошибок профиля наименьшего сопротивления, удовлетворяющего при этом всем сформулированным условиям, см., например, работы [92] и [88]. Весьма распространенным методом проектирования служит использование результатов систематических экспериментов с моделями СКГВ различных серий с последующим регрессионным анализом, см. например, [100].
М. Тулин (М. Tulin) [116] первым использовал линеаризованную теорию для анализа и проектирования суперкавитирующих профилей при нулевом числе кавитации. При этом была применена теория конформных отображений и разложения уравнения смоченной поверхности профиля, а также коэффици-
Введение: общая формулировка проблемы и обзор исследований

Рисунок I. Объекты, на которых появляются развитые каверны: (а) суперкавитирующие гидропрофили или лопасти суперкавитирующих гребных винтов; (Ь) вентилируемые крылья; (с)лоиасти частично погруженных гребных винтов (ЧПГВ).
1.1 Безударный кавитирующий профиль: нелинейная задача

П (<ІЄ£)
Рис. 1.6: Гидродинамическое качество К = Сь/(Сп + С}) плоского суперкавитирующего профиля вида /(ж) — —ах с интерцептором в зависимости от угла атаки а при фиксированных значениях <т = 0.3 и /3 = т/2 и разных относительных длинах выдвига интерцептора є = 0.01, 0.03, 0.05 и 0.07. Коэффициент вязкостного трения С) = 0.003.
7 = 30°, 45° и 60° показано на рис. 1.7. Числовые результаты продемонстрировали, что это влияние, особенно при достаточно больших углах -у, не слишком значительно. Тем не менее, изменение самого угла 7 оказывает существенный эффект.
Гидродинамическое качество К = Ст/(Сд -Г С/) также меняется (уменьшается) незначительно в зависимости от числа кавитации а при фиксированном значении угла 7, см. рис. 1.8. Уменьшение угла заострения приводит к росту качества. О причинах такой зависимости уже говорилось выше.
Рисунок 1.9 иллюстрирует степень влияния относительной длины выдвига интерцептора є на картину течения около суперкавитирующего профиля с интерцептором в безударном режиме при угле заострения передней кром-ш 7 = 40°. Расчет проводился для Е — 0.02 (верхний рисунок) и є = 0.05 (нижний). Изменение длины выдвига интерцептора, естественно, приводит и к изменению длины смоченной верхней части передней кромки: в первом случае она равна 1ь,/1 — 0.1283, а во втором - 1ш/1 = 0.1994. Эти перемены в геометрических параметрах профиля влекут за собой существенные перемены в