Разработка вязко-невязкого метода расчета параметров гидродинамического взаимодействия элементов винто-рулевого комплекса

• Автор: Понкратов, Дмитрий Владимирович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 188 с. : ил.

Содержание
Основные обозначения
Введение и обзор литературы
1. Численное моделирование движения вязкой несжимаемой жидкости методом RANS
1.1. Предварительные замечания
1.2. Основные подходы к моделированию турбулентных течений
1.3. Метод, основанный на использовании уравнений Рейнольдса (RANS)
1.3.1. Система основных уравнений и пути ее замыкания
1.3.2. Модели турбулентной вязкости
1.3.3. Моделирование течения жидкости вблизи стенки
1.3.4. Особенности реализации метода RANS в программном комплексе FLUENT
1.3.5. Верификация метода и сравнение с эмпирическими
и экспериментальными данными
2. Расчет обтекания винто-рулевой колонки в осевом и косом потоках вязкой
жидкости (полный вязкий расчет)
2.1. Предварительные замечания
2.2. Особенности решения задачи в программном комплексе FLUENT
2.3. Пример расчета и сравнение с экспериментальными данными
3. Расчет обтекания ВРК в осевом и косом потоках вязкой жидкости
с использованием приближенного вязко-невязкого метода
3.1. Предварительные замечания
3.2. Приближенный вязко-невязкий метод определения гидродинамических характеристик и коэффициентов взаимодействия комплекса ВРК
3.3. Квазипотенциальная часть алгоритма
3.3.1. Описание программы поверочного расчета ТВ в невязкой жидкости, используемой для определения характеристик эквивалентного
активного диска (программы АКРА)
3.3.2. Верификация метода и сравнение с экспериментальными данными
3.4. Вязкая часть алгоритма
3.4.1. Особенности реализации вязко-невязкого метода е
использованием программного комплекса FLUENT
3.4.2. Верификация метода и сравнение с экспериментальными данными
3.5. Примеры расчетов и сравнение с экспериментальными данными
Заключение
Список литературы

Основные обозначения
Ь - длина тела, м;
гт - радиус тела, м;
Ат - диаметр тела, м;
хс - продольное положение оси стойки, м;
хрв - продольное положение диска гребного винта, м;
И - высота стойки, м;
с - длина хорды стойки, м;
/о - максимальная толщина стойки, м;
/2 - площадь смоченной поверхности тела, м2;
Я - радиус диска движителя, м;
£> - диаметр диска движителя, м;
ги - радиус ступицы, м;
с//, - диаметр ступицы, м;
Ь - длина хорды лопасти винта, м;
ео - максимальная толщина сечения лопасти, м;
С5 - величина линейной саблевидности лопасти гребного винта, м;
0$ - угол саблевидности лопасти гребного винта, град;
хг - величина откидки лопасти гребного винта, м;
Р - шаг гребного винта, м;
/о - наибольшая стрелка прогиба средней линии сечения, м;
Z - число лопастей гребного винта;
Ао - площадь гидравлического сечения движителя, м;
п - частота вращения винта, гц;
Ко - модуль скорости набегающего потока, м/с;
Уох - осевая компонента скорости набегающего потока, м/с;
Ко2 - боковая компонента скорости набегающего потока, м/с;
¥х - осевая компонента скорости, м/с;
V, - окружная компонента скорости, м/с;
Уг - радиальная компонента скорости, м/с;
Уа - расчетная скорость набегающего потока для ГБ в свободной воде, м/с;
ро - статическое давление на бесконечности, Па;
- окружная составляющая вызванной скорости в диске движителя, м/с; ц’г! - радиальная составляющая вызванной скорости в диске движителя, м/с;
сопротивление трения, Н; сопротивление давления, Н; полное сопротивление, Н; коэффициент сопротивления трения; коэффициент сопротивления давления; коэффициент полного сопротивления; местный коэффициент трения;
коэффициент давления;
относительная поступь;
коэффициент упора гребного винта;
коэффициент момента гребного винта;
коэффициент осевой силы, действующей на комплекс;
коэффициент боковой силы, действующей на комплекс;
коэффициент момента относительно оси поворота ВРК;
упор движителя, Н;
сила засасывания, Н;
коэффициент засасывания;
коэффициент среднего по диску движителя осевого условного эффективного попутного потока;
коэффициент распределенного по радиусу осевого номинального попутного потока;
коэффициент распределенного по радиусу осевого условного эффективного попутного потока;
коэффициент распределенного по радиусу окружного условного эффективного попутного потока;
коэффициент распределенного по радиусу радиального условного эффективного попутного потока; коэффициент расчетного попутного потока; относительная погрешность, %;

накладывает все меньшие ограничения для применения их к решению все более широкого класса задач.
1.3.3. Моделирование течении жидкости вблизи стенки.
Большинство моделей турбулентности (к-е и Лб’А'/) пригодны для полностью развитых турбулентных течений. Однако, как известно, вблизи стеиок местное турбулентное число Рейнольдса Яе является столь малым, что вязкие эффекты превалируют над турбулентными. Один из наиболее распространенных подходов к моделированию пристеночных течений связан с использованием метода пристеночных функций, который обладает двумя очевидными достоинствами: позволяет экономить вычислительные ресурсы и учитывать влияние различных факторов, в частности, шероховатости за счет введения эмпирической информации [19].
Известно, что пристеночная область течения может быть разбита на три зоны:
1) вязкий подслой, в котором вязкие напряжения доминируют над рейнольдсовыми, и имеет место линейная зависимость скорости потока от расстояния от стенки: и+ = у+, где
2) Буферный слой, где вязкие и рейнольдсовы напряжения имеют один порядок. «Сшивая» профили скорости для вязкого подслоя и логарифмического слоя, приближенно получают: и+ =51пу+ +3.05 ;
3) В логарифмическом слое рейнольдсовы напряжения намного превышают вязкие, а профиль скорости может быть представлен в форме логарифмического закона: и* = {1к)п(Еу* где 1/к - постоянная Кармана, Е - постоянная, определяющая степень шероховатости (для гладкой стенки экспериментально установлено £=8.8).
Описанные участки обычно объединяются в одну внутреннюю область, которая занимает порядка 20% толщины турбулентного пограничного слоя и в которой генерируется около 80% всей энергии турбулентности.
Одно из важнейших свойств внутренней области заключается в том, что профиль скорости слабо зависит от числа Рейнольдса, продольного градиента давления и прочих внешних условий (которые, тем не менее, могут вызвать уменьшение толщины внутренней области или даже полное ее вырождение). Именно это свойство послужило основой для построения универсальных соотношений (пристеночных функций), связывающих параметры течения с расстоянием от стенки. Наряду с универсальностью профиля скорости во внутренней области, метод пристеночных функций опирается на использование гипотезы о локальном равновесии

динамическая скорость;