Разработка метода расчета характеристик вязкого турбулентного течения жидкости около корпуса судна при наличии отрывных явлений

• Автор: Чичерин, Игорь Африканович
• Шифр специальности: 05.08.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 127 с. : ил.

Глава 1. Постановка задачи
1.1. Уравнения движения
1.2. Модель турбулентности
1.3. Получение консервативной конечно-разностной схемы в
неортогональной криволинейной системе координат
1.4. Граничные условия
Глава 2. Постановка граничных условий на твердой поверхности
2.1. Обоснование необходимости использования пристенных функций
2.2. Параметры течения в равновесных пограничных слоях при положительном градиенте давления
2.3. Пристенные функции для течений с сильным положительным
градиентом давления
Глава 3. Разработка метода построения расчетной сетки
3.1. Постановка задачи
3.2. Обзор методов построения расчетной сетки
3.3. Алгебраические методы построения расчетной сетки
3.4. Структура расчетной сетки около корпуса судна
3.5. Метод построения расчетной сетки для расчета вязкого
обтекания корпуса судна
3.6. Примеры построения расчетной сетки для расчета вязкого
течения у корпуса судна
Глава 4. Численная процедура решения задачи
4.1. Конечно-разностный аналог уравнений переноса
4.2. Вычисление источникового члена конечно-разностного аналога
4.3. Численная процедура определения поля давления
4.4. Особенности вычисления геометрических характеристик
4.5. Основные этапы численной процедуры и ее программная реализация
Глава 5. Численные исследования вязкого обтекания корпуса судна
при наличии отрывных эффектов
5.1. Выбор объектов исследования

5.2. Расчеты вязкого двумерного течения
5.3. Апробация численного алгоритма решения задачи
о вязком обтекании корпуса судна
5.4 Использование разработанного метода для прогнозирования
отрыва потока на корпусе судна
5.5 Использование разработанного метода для отработки
обводов корпуса с целью обеспечения безотрывного обтекания корпуса
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы

Проблема отрыва потока в кормовой оконечности является традиционной для идродинамики судна. Она возникает в тех случаях, когда соображения экономического и )бщепроектного характера преобладают над гидродинамической целесообразностью. В 50—70- годах такая задача возникала в связи со строительством крупнотоннажных транспортных судов, в частности, супертанкеров с коэффициентом общей полноты Св>0.8. На современном этапе такая задача обусловлена внедрением в практику судостроения нетрадиционных соотношений главных размерений и конфигураций корпусов. Прежде всего, это строящиеся и перспективные полно-короткие суда (Ь/В<5.5, Св>0.8). Наиболее значащим фактором, влияющим на экономичность судна, является относительное удлинение корпуса. Уменьшение относительного удлинения приводит к снижению веса корпуса, увеличению утилизации водоизмещения и снижению издержек эксплуатации. Поэтому, уже начиная с 70х годов, наблюдается устойчивая тенденция к уменьшению относительной длины для крупнотоннажных танкеров и судов для перевозки навалочных грузов, эксплуатирующихся при малых числах Фруда. Другими судами, относящимися к этой категории, являются суда большой вместимости при ограниченной осадке (относительно широкие), суда с упрощенной формой обводов (малой трудоемкостью изготовления), суда с увеличенной цилиндрической вставкой и полнотой (для перевозки укрупненных грузовых единиц), а также корабли и суда технического флота с крупногабаритными выступающими частями на корпусе. Стремление проектантов увеличить вместимость грузовых трюмов заставляет их смещать расположение машинного отделения по возможности кормовеє, что приводит к приполнению кормовых обводов даже на судах с умеренной полнотой и традиционными обводами. Все это увеличивает вероятность появления такого явления, как отрыв потока в кормовой оконечности судна. Как показано в работе /13/, где исследовалась серия полно-коротких судов, увеличение коэффициента общей полноты на таких судах до Св>0.8 обязательно сопровождается отрывом потока для всех исследованных значений относительного удлинения (4.5<Ь/В<5.5). Отрыв потока не только увеличивает сопротивление, но также приводит к ухудшению условий работы гребного винта. В некоторых случаях на таких судах неоднородность потока, натекающего на гребной винт, может достигать 100% от скорости движения судна, что приводит к проблемам, связанным с кавитацией гребного винта, а также к увеличению вибрации.

Если смешанное условие ставится только на одной из границ, например 1 = 0, а на другой - условие Дирихле, то интерполяционные функции будут полиномами 2 степени:

4(1)
При постановке условий Дирихле на обеих границах получаются линейные функции:
^(0
4 (0
4(0
Различные сочетания функций {{ но каждому направлению обеспечивает различные варианты генерируемых сеток. При отсутствии того или иного условия на какой-либо границе, соответствующий член должен быть исключен из матрицы А у.
3.4. Структура расчетной сетки около корпуса судна
Качество расчетной сетки в значительной степени зависит от соответствия структуры сетки геометрии расчетной зоны. Для простых тел, таких как шар, цилиндр, параллелепипед, структура сетки определяется естественным образом, исходя из топологических свойств объекта. Корпус судна, в общем случае, имеет сложную форму. В носовой (для судов с бульбом) и в кормовой оконечностях шпангоутные сечения представляют двухсвязные области. Поэтому для получения хорошего результата, необходимо правильно выбрать структуру расчетной сетки, учитывающую особенности топологии корпуса.
В расчетной зоне, включающей корпус судна, для сохранения топологии расчетной сетки, необходимо обеспечить продолжение координатной поверхности, частью которой является корпус, впереди судна и сзади, за кормой. Естественным продолжением сетки вне корпуса судна является сведение координатных линий на корпусе в одну линию в следе, и построение в этой области цилиндрической системы координат. Схематически данный вариант структуры сетки приведен на рис. 3.1а (вариант I). При определенном расположении расчетных точек можно избежать неопределенности, связанной с вырождением одной из координатных поверхностей. Тем не менее, данная структура сетки