Исследование профилировки днища глиссирующих судов с искусственными кавернами, движущихся с повышенными скоростями хода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.01, кандидат технических наук Чалов, Сергей Андреевич

• Чалов, Сергей Андреевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чалов, Сергей Андреевич

Введение.

Глава 1. Теоретические исследования специальной профилировки днища глиссирующих судов с искусственными кавернами.

1. Теоретическая задача о выборе профилировки днища глиссирующего судна, обеспечивающей создание на нем эффективной искусственной каверны. Пространственная линеаризированная задача об определении характеристик обтекания корпуса глиссирующего судна с искусственной каверной и метод ее решения.

2. Усовершенствование численного решения пространственной линеаризированной задачи об определении характеристик обтекания корпуса глиссирующего судна.

3. Расчетная схема и некоторые вопросы задания ее параметров.

4. Исследование возможности использования при расчетах упрощенной формы участка смоченной поверхности корпуса перед реданом.

5. Расчетное определение влияния удлинения корпуса и числа Фруда на характеристики профилировки днища глиссирующих судов с искусственными кавернами на нем.

6. Учет работы водометных движителей при теоретическом определении основных параметров профилировки днища глиссирующего судна с искусственной каверной.

Глава 2. Экспериментальные исследования специальной профилировки днища глиссирующих судов с искусственными кавернами.

7. Характеристики рассматриваемых моделей глиссирующих судов и задачи экспериментальных исследований.

8. Исследование некоторых физических особенностей обтекания корпуса глиссирующего судна с искусственной каверной на днище.

9. Результаты экспериментов по поиску специальной профилировки днища глиссирующих судов, обеспечивающей создание эффективных каверн.

10. Влияние расхода подаваемого в каверну газа на ее характеристики и результаты пересчета данных буксировочных испытаний на натуру.:.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование профилировки днища глиссирующих судов с искусственными кавернами, движущихся с повышенными скоростями хода»

Использование искусственных каверн, для снижения гидродинамического сопротивления судов впервые предложено А.Н.Ивановым в конце пятидесятых годов. Тогда же под его руководством начаты исследования искусственных каверн в ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова.

Наличие на днище судна воздушной прослойки, подчиняющейся закономерностям развитой кавитации, т.е. искусственной каверны, позволяет изолировать от трения о воду его участок, покрытый каверной, что приводит к снижению сопротивления трения. Для снижения полного сопротивления судна необходимо создать на его днище такую каверну, которая обеспечила бы снижение составляющей трения, существенно превышающее вызываемое наличием каверны возможное увеличение остаточного сопротивления.

Первым типом судов, для снижения сопротивления которых использовались искусственные каверны, были тихоходные плоскодонные речные суда. Их исследования начаты в ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова в первой половине 60-х годов. Выбор этого типа судов был обусловлен простыми условиями формирования каверны: она создается на плоском участке днища при практически отсутствующем влиянии свободной поверхности.

Первоначально проводились теоретические исследования соответствующих каверн, для чего А.А.Бутузовым была поставлена и решена плоская задача о кавитационном обтекании клина, помещенного на нижнюю поверхность горизонтальной стенки [7,8,12]. При проведении исследований каверны учитывалась весомость жидкости, а влияние свободной поверхности не рассматривалось. В районе замыкания каверны, т.е. там, где течение может быть в общем случае существенно нестационарным, была применена видоизмененная схема Рябушинского, которая описана в работе [12].

Основной результат, полученный с помощью этих исследований, заключался в том, что при заданной скорости потока длина каверны не может превышать некоторой величины, названной предельной длиной каверны. Этот результат был подтвержден экспериментально. Предельная длина каверны оказалась в несколько раз меньше длины плоского участка днища речных тихоходных плоскодонных судов. По этой причине было предложено использовать устройство, обеспечивающее создание системы следующих друг за другом каверн, длина каждой из которых близка к предельной.

Описание соответствующего устройства имеется в работе [11] и патентах [4,5], его схема представлена на рис. В.1.

Испытания устройства на моделях показали его высокую эффективность, т.е. заметное снижение гидродинамического сопротивления судна, и поэтому в период с 1965 по 1971 годы ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова совместно с ЛИВТом, Волжским объединенным речным пароходством и ЦКБ "Вымпел" были проведены натурные испытания устройств, создающих систему искусственных каверн на днище, на речных грузовых судах двух типов: баржах и самоходном судне типа "Волго-Дон". Результаты испытаний теплохода "Волго-Дон", который является наиболее интересным объектом для изучения, в частности показали, что наличие системы искусственных каверн на днище позволяет судну затрачивать для движения мощность на 15 - 17% меньшую, чем мощность, необходимая судну без устройства для движения с той же скоростью. Затраты мощности на подачу воздуха в каверну не превышали 3% от мощности главных двигателей. Было также исследовано влияние каверн на начальную остойчивость [49] и качку [37, 39] тихоходных плоскодонных судов.

В 70-х годах в ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова были продолжены работы по использованию искусственных каверн на днище тихоходных плоскодонных речных судов. В результате этих исследований было создано устройство, объединяющее каверны в единую каверну с волновым профилем. Схема этого устройства показана на рис. В.2. Как видно из рисунка, в корпусе судна делается выемка, расположенная на месте плоского участка днища. Внутри выемки помещаются промежуточные поперечные реданы. При движении судна в расчетном режиме реданы не замываются водой, как показано на рис. В.2, а при движении судна в нерасчетном режиме (например порожнем с дифферентом на корму), когда единая каверна распадается, эти реданы создают эффективную систему следующих друг за другом каверн на днище. Были рассмотрены вопросы оснащения этим устройством не только речных, но и морских тихоходных судов. Согласно результатам испытаний модели нефтерудовоза дедвейтом 300000 т, выполненных Ю.Н.Горбачевым, выигрыш в сопротивлении судна составил около 20% при волнении до 5 баллов включительно [25].

Исследования вопросов, связанных со снижением гидродинамического сопротивления речных тихоходных плоскодонных судов на базе последнего устройства, были продолжены НПО "Судостроение" в 1985 - 1988 годах. Существенный вклад в эти исследования был сделан Ю.Н.Горбачевым [24 - 30]. Результаты исследований показали, что эффект снижения сопротивления речных тихоходных плоскодонных судов, на днище которых создается единая каверна с волновым профилем, примерно на 30% превышает эффект, полученный с помощью системы следующих друг за другом искусственных каверн.

Полученный эффект однако не привел к внедрению устройств на тихоходных плоскодонных речных и морских судах. Дело в том, что оборудование устройством речных судов в то время в СССР оказалось неэффективно экономически из-за больших их простоев в ожидании погрузки и разгрузки и при шлюзовании. На морских судах устройство не внедрено по причине, о которой надо заметить следующее. Данные модельных испытаний позволяют считать пригодными для оснащения устройством крупнотоннажные суда типа танкеров и рудовозов. Однако в этом случае определение требуемого для поддержания каверн расхода подаваемого в них газа возможно только при натурных испытаниях ввиду наличия обнаруженного в ходе испытаний речных судов масштабного эффекта, обусловленного капиллярными силами. Натурные испытания морских судов чрезвычайно дороги и их проведение к настоящему времени не предвидится.

После того, как были разработаны первые устройства, создающие эффективную систему искусственных каверн на днище тихоходных плоскодонных речных судов, в ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова в 1965 году были начаты исследования, имеющие целью создание эффективных искусственных каверн на днище глиссирующих судов. Поскольку данная диссертационная работа посвящается этому типу судов, соответствующие исследования будут описываться подробнее и о них речь пойдет несколько позже. Сейчас же целесообразно описать исследования, выполненные применительно к быстроходным водоизмещающим и полуглиссирующим судам, расчетные числа Фруда по водоизмещению которых не превышают 3 (Fnv<3). Эти исследования были начаты в ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова в 1985 году, т.е. гораздо позже начала исследований глиссирующих судов.

Быстроходные водоизмещающие и полуглиссирующие суда характерны тем, что для снижения гидродинамического сопротивления на их днище целесообразно создавать систему каверн, если не на расчетной скорости, при которой может оказаться достаточно и одной каверны, то на скорости, несколько меньшей расчетной, но также представляющей интерес с точки зрения эксплуатации судна.

Задача создания эффективной системы каверн на днище быстроходного водоизмещающего или полуглиссирующего судна гораздо сложнее, чем создание эффективной системы каверн на днище тихоходных плоскодонных судов, рассмотренных выше. Дело в том, что условия обтекания корпуса быстроходных водоизмещающих и полуглиссирующих судов, в частности волнообразование, требуют создания системы искусственных каверн с существенно различными видами в плане и избыточными давлениями, а не близкими значениями этих параметров, как это имело место для тихоходных плоскодонных судов. Система каверн на днище быстроходного судна схематически показана на рис. В.З.

Теоретические исследования применительно к быстроходным водоизмещающим судам были выполнены в ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова А.А.Бутузовым [17], а также A.B. Сверчковым [43]. При постановке соответствующей задачи использовалось допущение о том, что форма корпуса судна с реданами и кавернами на нем незначительно отличается от формы исходного корпуса судна, т.е. гладкого корпуса без каверн и реданов. Основанный на этом допущении метод относится к методам, названным методами малой деформации. Учет обтекания корпуса, в том числе волнообразования, проводится посредством определения поля гидродинамических давлений, действующих на гладкий (исходный) корпус без каверн. Определение поля давлений выполняется экспериментально или, если возможно, теоретически. Это поле давлений, а также ординаты теоретического чертежа исходного корпуса является отправной информацией для решения задачи. Ее постановка и метод решения приводятся в статье [17]. Параллельно с решением теоретической задачи А.А.Бутузовым был предложен также использующий результаты численного решения данной задачи метод выбора профилировки днища судна с кавернами, движущегося с заданной скоростью [17].

Расчетный метод выбора профилировки днища быстроходных водоизмещающих и полуглиссирующих судов с искусственными кавернами на нем был принципиально усовершенствован A.B.Сверчковым. Внесенные им усовершенствования позволяют находить геометрию днища судов рассматриваемого типа, пригодную для создания эффективной системы каверн на днище применительно не к одной, а к двум расчетным скоростям хода. Это усовершенствование расчетного метода описано в работах [42,43].

Для судов рассматриваемого типа, также как и для судов всех других типов, на днище которых создаются искусственные каверны, окончательное определение геометрии днища выполняется экспериментально. В работе [43] предложено при проведении эксперимента дополнительно получать и использовать данные о форме поверхности каверн. Для получения этих данных применяется специальный электронно-механический датчик [43].

В результате проведенных исследований было установлено, что выигрыш в сопротивлении быстроходных водоизмещающих судов достигает 12%, а у полуглиссирующих судов до 20%. Затраты мощности, необходимые для подачи воздуха в каверны, не превышали 3% буксировочной мощности [40,41,43].

Все сказанное выше относится к однокорпусным судам. В связи с большим количеством строящихся в настоящее время скоростных полуглиссирующих катамаранов следует отметить, что в ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова был также выполнен некоторый объем исследований применительно к этому типу судов [44,45]. Полученный на моделях для данного класса судов переходного режима выигрыш в сопротивлении составлял 19 - 22%. Интересно обратить внимание на то, что на моделях катамаранов в величине снижения сопротивления доля снижения сопротивления трения составляет около 40%, остальная часть (60%) приходится на снижение остаточного сопротивления.

Выше говорилось о том, что исследования вопросов, связанных с применением искусственных каверн на днище глиссирующих судов были начаты в ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова в 1965 году. У судов этого типа доля сопротивления трения весьма значительна, и условия обтекания корпуса таковы, что создание на днище одной каверны большой протяженности представляется относительно простым. В случае глиссирующих судов приобретает важность не протяженность каверны, а величина избыточного давления в ней, поскольку представляется желательным для снижения сопротивления скомпенсировать действием давления газа из каверны по возможности большую долю водоизмещения. Рост этого давления очевидно желателен для глиссеров с расчетными числами Фруда по водоизмещению, меньших четырех (Рпу < 4), на которых неэффективно использование обычного поперечного редана. Естественно также предположить, что использование каверны с большим нуля избыточным давлением будет эффективно и при значениях чисел Фруда по водоизмещению, превышающих четыре.

Так же, как и для других типов судов, исследования, направленные на создание эффективной искусственной каверны на днище глиссирующего судна, включали теоретический и экспериментальный разделы.

Первые теоретические работы, выполненные применительно к глиссирующим судам, были посвящены решению плоской линеаризированной задачи об обтекании глиссирующей поверхности с искусственной каверной. Соответствующая схематизация течения, постановка задачи и метод ее решения опубликованы в работах [9,10,14]. Очевидно, что решение плоской задачи позволяло определить, причем только качественно, влияние параметров лишь продольной профилировки глиссирующей поверхности на характеристики каверны. Среди этих параметров был найден один, влияние которого на давление в каверне было определяющим. Таким параметром оказалось возвышение Ьт точки замыкания каверны над прямой линией, продолжающей носовой смоченный участок тела (см. рис.В.4). Поскольку интересны случаи малого отстояния области замыкания каверны от кормового среза, вместо возвышения Ьт принято использовать практичски равное ему возвышение нижней точки пересечения кормового среза и диаметральной плоскости (ДП) над основной плоскостью (ОП). Это возвышение обозначается Ьк (см. рис. В.4).

Параллельно с теоретическими выполнялись экспериментальные исследования искусственных каверн, создаваемых на днище глиссирующих судов. В ходе этих экспериментов вывод о влиянии значения Ьк на давление в каверне был подтвержден и найдена рациональная геометрия скегов. Согласно результатам экспериментов скеги должны иметь острые внутреннюю и внешнюю кромки, быть объемными и их днищевая поверхность должна плавно продолжать поверхность корпуса перед реданом. Вид на днище и вид сбоку корпуса катера с искусственной каверной, обводы днища которого соответствуют приведенным рекомендациям, показан на рис. В.4. В результате экспериментов был также, в частности, сделан вывод о том, что изменение параметров таких скегов в относительно широком диапазоне незначительно влияет на параметры каверны. Поэтому практический выбор подходящих скегов можно считать сравнительно несложной задачей. Была также обоснована возможность использования плоского участка днища в корме между скегами (т.е. районе замыкания каверны). Как будет сказано ниже, при выборе обводов катера с каверной "Сайгак" в конце 70-х годов было выяснено, что этот вывод справедлив при числах Фруда по водоизмещению, не превышающих некоторого значения, примерно равного 3.5. Таким образом, для получения эффективной искусственной каверны для чисел Фруда < 3.5 оказалось фактически достаточным определить значения параметров только продольной профилировки днища, а именно высоту Ьк и угол отгиба днища (см. рис. В.4). Подробное описание соответствующей методики выбора обводов корпуса глиссирующего судна с искусственной каверной, экспериментальных исследований и их результаты приведены в работах [14,35].

С помощью этой методики в начале 70-х годов были проведены модельные исследования, имевшие целью отработку обводов корпусов моделей глиссеров с искусственными кавернами, характеристики которых, в частности, были близкими к характеристикам речных судов типа "Ракета". Полученный выигрыш в сопротивлении достигал 40%, а затраты мощности на поддержание каверны никогда не превышали 3% от буксировочной мощности. Успех модельных экспериментов послужил основанием для натурных испытаний глиссера с искусственной каверной на днище. Такие испытания макета катера водоизмещением 5 тонн были проведены в 1975 году совместно ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова и ЦКБ по СПК им. Р.Е.Алексеева В качестве движителя макет имел водомет, водозаборник которого был оснащен специальным обтекателем. В статье [15] опубликованы результаты испытаний и устройство макета. Эти результаты подтвердили наличие полученного на моделях эффекта снижения сопротивления, а следовательно, и наличие преимуществ перед обычными, т.е. не имеющими каверн на днище, глиссирующими судами. Вместе с тем результаты испытаний показали, что перегрузки в средней части корпуса макета меньше соответствующих перегрузок, наблюдаемых в случае обычных глиссеров, т.е. макет имел лучшие мореходные качества, чем обычный глиссер [15].

На основании результатов этих испытаний был сделан вывод о целесообразности практического внедрения глиссирующих судов с искусственными кавернами на днище. Сразу же после испытаний было начато проектирование семидесятиместного пассажирского теплохода, оснащенного таким устройством, число Фруда по водоизмещению которого равнялось 3.2. Впоследствии теплоход получил название "Линда".

Описанная выше методика выбора обводов днища глиссирующего судна с искусственной каверной была также применена ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова при обеспечении проектирования грузового теплохода "Серна" (его расчетные числа ^Фруда по водоизмещению около 2.3), который был разработан ЦКБ по СПК им. Р.Е.Алексеева в конце 80-х годов и в настоящее время успешно эксплуатируется [32].

Одним из следующих этапов исследований, связанных с использованием искусственных каверн на днище глиссирующих судов, были работы, начатые во второй половине 70-х годов, после испытаний пятитонного макета катера и имеющие целью создание эффективных искусственных каверн на днище морских судов, т.е. имеющих большую, чем у упомянутых выше речных судов, килеватесть. Существенная часть этих работ была выполнена В.Г.Калюжным и нашла отражение в его диссертационной работе. Было установлено, что морские глиссирующие суда с каверной на днище испытывают несколько меньшие перегрузки при движении на волнении, чем обычные морские глиссирующие суда. Также были предложены и проверены на моделях мероприятия, повышающее стабильность каверн в условиях морского волнения. Суть этих мероприятий состоит в применении дополнительных поперечных реданов, которые при движении на тихой воде находятся внутри каверны, а при движении на волнении способствуют сохранению значительной по величине площади днища, покрытой каверной, точнее кавернами (образованными за основным и дополнительным реданами), на которые при ходе на волнении может распадаться единая каверна.

Параллельно с исследовательскими работами, направленными на создание морских глиссирующих судов с искусственными кавернами, в ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова в конце 70-х годов выполнялись работы по обеспечению проектирования катера "Сайгак". Расчетное число Фруда по водоизмещению примерно равнялось четырем, что несколько превышало значения соответствующего параметра для разработанных ранее катеров.

В процессе испытаний модели катера "Сайгак" выяснилось, что при числах Фруда по водоизмещению, приближающихся к четырем, плоский участок днища в корме оказывается неприемлемым. Дело в том, что при достижении таких значений числа Фруда замывались участки днища в корме около скегов, имеющих значительную площадь, что снижало площадь в плане, а значит и эффективность каверны. Длина каверны в ДП при этом не менялась. Из-за появления замытых участков днища в корме около скегов появляется дополнительное сопротивление, величина которого была такова, что эффективность искусственной каверны на днище заметно падала.

Испытания модели катера "Сайгак" показали, что для устранения этого явления необходимо отрабатывать не только продольную, но и поперечную профилировку днища в корме. Однако при отработке обводов катера "Сайгак" вопрос о выборе рациональной профилировки днища в корме фактически решать не потребовалось ввиду необходимости размещения там обтекателя водозаборника водомета.

Заметим, что форма этого обтекателя такова, что исключает попадание газа из каверны в водомет. Описание такого обтекателя имеется в а.с. [37]

Разумеется, в качестве движителя глиссера с искусственной каверной на днище может быть использован не только водомет. Обеспечение нормальной работы движителей судов с искусственными кавернами и, в частности, глиссирующих судов является самостоятельной проблемой и в данную диссертационную работу ее подробное рассмотрение не входит. В работе рассмотрен лишь один представляющий большой практический интерес случай, когда в качестве движителя используется водомет. Здесь же во введении вопросы, связанные с обеспечением нормальной работы движителей глиссирующих судов с искусственными кавернами на днище, будут освещены кратко. Кроме уже упомянутых водометов, являющихся традиционными, возможно использование специальных так называемых вентилируемых водометов, разработанных таким образом, что их характеристики практически не меняются при попадании в них газа, уносимого из каверны, или атмосферного воздуха. Исследования, связанные с разработкой таких специальных водометов, описываются в работах [33, 36]. Отметим, что грузовой теплоход "Серна" оснащен движителями этого типа. Выполненные в ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова исследования вопросов, связанных с применением гребных винтов в качестве движителей глиссеров с искусственными кавернами на днище, позволили сделать вывод о возможности использования гребных винтов, размещенных на наклонном валу при условии наличия в месте пересечения валом поверхности каверны специального обтекателя, предотвращающего разрушение каверны в месте пересечения ее поверхности и вала. В настоящее время такие обтекатели установлены на глиссирующем корабле с искусственной каверной на днище "Меркурий".

Кроме обычных гребных винтов могут применяться и в настоящее время успешно применяются частично погруженные гребные винты. В этом случае каких-либо обтекателей не требуется. Частично погруженными гребными винтами оснащены глиссирующие суда с искусственной каверной "Муфлон" и "Линда".

В процессе модельных испытаний, проведенных в обеспечение проектирования катера "Сайгак", был выяснен весьма важный факт. Он состоит в том, что плоская форма днища в корме между скегами пригодна только для чисел Фруда по водоизмещению, меньших примерно 3.5. Поскольку глиссирующие суда и, прежде всего, патрульные катера могут иметь расчетные числа Фруда по водоизмещению, большие 3.5, естественно встал вопрос о проведении исследований, направленных на поиск специальных обводов днища для судов с каверной, эксплуатирующихся на высоких числах Фруда по водоизмещению (превышающих 3.5). В процессе этих исследований, очевидно, необходимо было выяснить в первую очередь влияние числа Фруда на профиль кормовых шпангоутов. Необходимо также было определить влияние на профиль этих шпангоутов других параметров, например, удлинения корпуса.

Исследования в указанном направлении были начаты в ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова сразу же после завершения работ, проводимых в обеспечение проектирования катера "Сайгак", т.е. в самом конце 70-х годов. Длительное время они были почти исключительно теоретическими. При их выполнении А.А.Бутузовым была численно решена линеаризованная пространственная задача об обтекании корпуса судна с каверной [17]. Для численного решения данной задачи был использован пространственный аналог схемы течения, примененной ранее для плоского течения. Отметим, что при разработке соответствующей программы для ЭВМ использовалось упрощающее допущение о том, что форма смоченного участка днища перед реданом является цилиндрической. Была показана пригодность упомянутой программы, в частности, выполнено сравнение результатов расчетов с результатами экспериментов Зотторфа [53], проведенных на плоскокилевых пластинах (т.е. сравнивались случаи отсутствия каверны). Был выяснен также характер некоторых закономерностей, касающихся поперечной профилировки кормового участка днища глиссера с каверной, а именно характер влияния на эту профилировку числа Фруда по водоизмещению и стреловидности редана. Проведенное сопоставление расчетных и экспериментальных данных при числах Фруда по водоизмещению примерно равных 4, полученных для моделей с близкими, но однако несколько различными удлинениями, позволяло надеяться на то, что развитая теория в общем удовлетворительно отражает реальную геометрию каверны, образованной на днище глиссирующего судна.

Обстоятельные экспериментальные, а параллельно с ними и систематические расчетные исследования профилировки днища рассматриваемых высокоскоростных судов были начаты позже, а именно в конце 80-х годов. Непосредственно эти исследования были инициированы поступившим в ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова заказом на отработку обводов катера с искусственной каверной "Муфлон"(организация-проектант и строитель - ЦКБ "Редан")- Расчетное число Фруда по водоизмещению этого катера равнялось примерно 5. Затем эти исследования были продолжены в рамках трех научно-исследовательских тем, выполнявшихся в ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова с 1990 по 1996 год.

Автор диссертации принимал участие в названных исследованиях, которые начаты в конце 80-х годов, как теоретических, так и экспериментальных. Настоящая диссертационная работа содержит результаты соответствующих теоретических разработок, выполненных непосредственно автором [50-52], а также данные экспериментальных исследований, полученные под его руководством или при его существенном участии [45,18,21,23]. Цель исследований, включенных в диссертацию, полностью совпадает с общей целью работ рассматриваемого направления и состоит в получении применительно к глиссирующим судам с высокими числами Фруда по водоизмещению информации о специальной профилировке днища, позволяющей эффективно использовать для снижения их гидродинамического сопротивления искусственную днищевую каверну. Обследован диапазон чисел Фруда по водоизмещению Рпу от 3.5 до 5. Верхняя граница этого диапазона (Гпу = 5) выбирается такой, чтобы соответствовать скоростям и водоизмещениям наиболее скоростных современных и перспективных патрульных судов (скорость 50 - 60 узлов, водоизмещение 15 -100 т).

В диссертационной работе, как уже отмечалось, приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований.

Главная цель теоретических исследований состояла в получении расчетных данных об особенностях поперечной профилировки днища в кормовой части корпуса судна. В частности, намечалось получить такие данные применительно к широкому диапазону удлинений корпуса и чисел Фруда.

К числу теоретических задач относится задача об обтекании глиссирующего судна с каверной, у которого участок днища перед реданом имеет достаточно общую форму, содержащую в себе, как частный случай, ранее обследовавшуюся цилиндрическую форму. Сюда также относятся результаты исследований (на базе программы для ЭВМ, реализующей решение названной выше задачи) вопроса о границах применимости метода выбора эффективной профилировки днища, основывающегося на замене участка днища перед реданом участком цилиндрической формы. Кроме того, к рассмотренным в работе теоретическим вопросам, играющим важную роль при практическом проведении расчетов на ЭВМ, относится проблема выработки рекомендаций по допустимым значениям специальных параметров, содержащихся в применяющейся схеме течения.

Помимо вопроса о специальной профилировке днища глиссирующего судна, обеспечивающей значительное снижение его гидродинамического сопротивления, в диссертационной работе попутно рассмотрен вопрос о выборе геометрии днища вблизи обтекания водозаборника водометного движителя, обеспечивающей нормальные условия работы водомета. Теоретическое рассмотрение данного вопроса стало возможным благодаря использованию ЭВМ типа VAX. Заметим, что необходимое изменение самой программы было достаточно простым делом. Данный раздел включен в теоретическую часть диссертации, поскольку он тесно с ней связан с рассмотренными в ней вопросами. Результаты этих исследований использовались автором диссертации при проведении работ по обеспечению проектирования катера "Мустанг-1", причем названные работы включали частичную экспериментальную проверку.

Основная цель экспериментальных исследований состояла в получении фактических данных об эффективной профилировке днища глиссирующих судов с искусственными кавернами на днище с упомянутыми расчетными значениями числа Фруда.

Обращаясь к экспериментам, следует упомянуть результаты исследований по промеру ординат каверны на модели глиссирующего судна, движущегося с высоким числом Фруда (Fnv = 4.4), а также результаты других тесно связанных с этими исследований, которые имели целью определение влияния формы скегов и участков кормовых шпангоутов вблизи них на характеристики течения. Отметим, что названная работа позволила дополнить имеющиеся теоретические сведения о параметрах каверны для средней части, удаленной от скегов, (в которой теория в силу принятых в ней допущений по существу только и работает) информацией, относящейся к области, близкой к скегам. Эта информация представляет большой интерес для рационального выбора параметров скегов и профиля днища в кормовой оконечности.

Результаты исследований по выбору специальной профилировки днища, содержащиеся в диссертации, были использованы автором при отработке специальных обводов днища катера с каверной "Муфлон" и модели катера, спроектированного НПП "Новик". Расчетные числа Фруда по водоизмещению этих катеров примерно равняются пяти. Отметим, что катер "Муфлон" успешно прошел натурные испытания, результаты которых подтвердили предсказанные его характеристики.

Диссертационная работа состоит из введения, двух глав и заключения. В первой главе, включающей шесть параграфов, приведены результаты теоретических исследований. В первом параграфе дана постановка задачи об отыскании профилировки днища, обеспечивающей создание на нем искусственной каверны большой площади в плане с достаточно высоким избыточном давлением в ней, включающая схематизацию течения. Необходимые пояснения о влиянии названных параметров каверны на гидродинамические характеристики корпуса, в частности, на его сопротивление, также приведены в первом параграфе. Там же описан численный метод решения соответствующей гидромеханической задачи, предусматривающий замену интегральных уравнений задачи системой линейных алгебраических уравнений, т.е. в первом параграфе для придания целостности изложению приведено то, что уже было сделано до начала работы автора А.А.Бутузовым.

Заключение диссертации по теме «Теория корабля и строительная механика», Чалов, Сергей Андреевич

Заключение.

Основным результатом работы является получение положительного ответа на вопрос о возможности создания эффективных искусственных каверн на днище глиссирующих судов, скорости хода которых соответствуют числам Фруда по водоизмещению Рпу, превышающим 4, а также получение экспериментальных данных о гидродинамических характеристиках глиссирующих судов с искусственными кавернами на днище, расчетные скорости хода которых соответствуют значениям Гп7, лежащим в пределах от 3.5 до 5.5. В результате выполненных исследований получены данные о геометрии днища, обеспечивающей весьма существенный выигрыш сопротивления (примерно 15 -30%) по сравнению с такими же судами, не имеющими каверн и реданов на днище. Необходимые для подачи газа в каверну затраты мощности не превышали 1.5% буксировочной мощности. Эти результаты получены применительно к моделям, безразмерные параметры которых были близки к соответствующим параметрам глиссирующих катеров с искусственными кавернами на днище, форма которой наиболее часто встречается на практике.

При выполнении названных исследований были решены теоретические задачи и выполнены эксперименты, имеющие целью изучение физических особенностей рассматриваемого кавитационного течения.

Получены следующие теоретические результаты.

Усовершенствована расчетная схема решения пространственной . линеаризированной задачи об обтекании глиссирующего тела потоком невязкой несжимаемой весомой жидкости. Это позволяет решать названную задачу применительно к достаточно общей форме участка смоченной поверхности глиссирующего тела перед реданом. Выполнены расчеты, результаты которых позволили определить границы применимости допущения о замене названного участка на цилиндрический.

Для полностью цилиндрического участка смоченной поверхности глиссирующего тела перед реданом определены границы применимости упрощающего расчеты допущения об использовании значения отношения углов внешней килеватости на редане к углу атаки, заметно меньших прогнозируемого значения.

Получены результаты численных исследований, позволяющие сформулировать условия применения обоих отмеченных выше допущений одновременно, что заметно сокращает трудоемкость подготовки соответствующего эксперимента и позволяет использовать ПЭВМ для выполнения расчетов. Внесены изменения в соответствующие программы для ЭВМ.

Для выполнения расчетов, проведенных для получения отмеченных выше результатов, были предварительно определены значения параметров расчетной схемы. Соответствующие расчетные исследования выполнены и • их результаты используются при назначении параметров расчетной схемы при всех расчетах, относящихся к данной работе.

Выполнены систематические расчеты влияния удлинения корпуса и числа Фруда по максимальной ширине по скуле на основные параметры профилировки днища глиссирующих судов с эффективными искусственными кавернами.

Сформулирована и решена теоретическая задача, в которой имеется возможность учета обтекателя водозаборника водомета в районе замыкания каверны. Результаты, полученные на основании решения этой задачи, позволили обосновать целесообразность проведения упрощенного (без имитации работы водомета) первоначального эксперимента при отработке формы обтекателя, исключающего попадание газа из каверны в водомет.

Выполнено экспериментальное определение ординат точек поверхности каверны на модели при значении числа Фруда по водоизмещению, равном 4.4. Полученные в ходе названных исследований результаты и их сравнение с соответствующими расчетными данными позволили сделать вывод о возможности использования расчетных данных о форме поверхности каверны при проектировании глиссирующих судов с искусственными кавернами на днище.

Выполнены эксперименты, имеющие целью получение фактических данных о геометрии днища глиссирующих судов, обеспечивающих создание на нем эффективной искусственной каверны, включая определение влияния на эффективность каверны геометрии скегов и участков кормовых шпангоутов вблизи них применительно к значениям чисел Фруда по водоизмещению от 3.5 до 5. Полученные результаты позволили сократить объем эксперимента, выполняемого при обеспечении проектирования глиссирующих судов с искусственными кавернами на днище. Экспериментально доказана возможность получения высокой эффективности каверны при достаточно простой форме участка днища в районе замыкания каверны. Успешно прошедший натурные испытания катер с искусственной каверной на днище «Муфлон» имел упрощенную по сравнению с используемой ранее форму участка днища в районе замыкания каверны.

Выполнена экспериментальная отработка формы обтекателя водозаборника водомета глиссирующего катера «Мустанг - 1» с искусственной каверной на днище. Исходный вариант обтекателя был назначен на основании результатов теоретических исследований, выполненных в ходе настоящей работы. Буксировочные испытания модели без имитации работы водомета показали, что сопротивление обтекателя весьма незначительное. К настоящему времени катер «Мустанг - 1» построен и испытан. О случаях попадания газа из каверны в водомет автору неизвестно.

Выполнены исследования влияния расхода подаваемого в искусственную каверну газа на ее эффективность. Как и ожидалось, полученные результаты позволяют считать это влияние незначительным. Результаты этих исследований подтвердили целесообразность использования применяемого в теории допущения об отсутствии влияния уноса газа из каверны на ее характеристики.

Экспериментально подтверждена целесообразность использования при теоретических исследованиях предположения о том, что эффективная днищевая искусственная каверна должна иметь по возможности максимальную площадь в плане при достаточно высоком избыточном давлении в ней применительно к значениям чисел Фруда по водоизмещению от 3.5 до 5.5.

Сделан вывод о незначительном различии полученных теоретически и экспериментально форм и возвышений над ОП днищевых ветвей кормовых шпангоутов, обеспечивающих высокую эффективность искусственной каверны. Этот результат позволяет на ранних стадиях проектирования глиссирующих судов с искусственными кавернами на днище использовать расчетные данные вместо экспериментальных, получение которых весьма трудоемко.

Полученные в работе результаты использованы при проектных проработках следующих быстроходных глиссирующих судов с искусственными кавернами на днище:

- катера проекта 18610 «Муфлон», (ЦКБ «Редан»);

- катера проекта 14083 «Мустанг -1» (АО «Редан»);

- скоростного катера (НПП «Новик»);

- катера проекта 18629 «Мустанг - 99» (КБ «Редан»).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чалов, Сергей Андреевич, 2000 год

1. Александров K.B. Результаты исследований кавитационных течений, создаваемых на бесконечной пластине клиновидным насадком конечного размаха. Сб. НТО Судпрома, 1971, вап. 168.

2. Басин A.M., Бутузов A.A., Иванов А.Н. и др. Результаты исследования ходкости судов при наличии поддува воздуха под днище с целью снижения сопротивления. Судостроение, № 1, 1968.

3. Басин A.M., Бутузов A.A., Иванов А.Н., Оленин Ю.Л., Петров В.И., Потапов О.Ф., Ратнер Е.Р., Старобинский В.Б., Эллер А.О. Судно на воздушной подушке. Патент США № 3659542, выдан 2 мая 1972 г.

4. Басин A.M., Бутузов A.A., Иванов А.Н., Оленин Ю.Л., Петров В.И., Потапов О.Ф., Ратнер Е.Р., Старобинский В.Б., Эллер А.О. Устройство для уменьшения сопротивления трения судов. Патент ФРГ № 1949841, выдан 27 сентября 1973 г.

5. Бутузов A.A. Результаты эксперимента по созданию искусственных каверн на моделях судна с плоским днищем. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, вып. 218, 1965.

6. Бутузов A.A. О предельных параметрах искусственной каверны, образуемой на нижней поверхности горизонтальной стенки. Известия АН СССР, Механика жидкости и газа № 2, 1966.

7. Бутузов A.A. Об искусственном кавитационном течении за тонким клином, помещенным на нижнюю поверхность горизонтальной стенки. Известия АН СССР, Механика жидкости и газа № 2, 1967.

8. Бутузов A.A. Теоретический анализ отрывной кавитации, создаваемой на глиссирующей поверхности. Сборник НТО СП, вып. 88,1967.

9. Бутузов A.A., Пакусина Т.В. Расчет обтекания глиссирующей поверхности с искусственной каверной. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова., вып. 258,1970.

10. Бутузов A.A. Устройство для создания воздушной смазки на поверхности плоского днища судна БИ и О, 1970, № 36, а.с. № 288576.

11. Бутузов A.A. Кавитационное течение весомой жидкости и задача снижения гидродинамического сопротивления судов. ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова Диссертация на соискание ученой степени д.т.н., 1975.

12. Бутузов A.A. Применение модели отрывного кавитационного течения к решению волновой задачи об обтекании тонкого по осадке судна. Сборник НТО им. акад. А.Н.Крылова., 1980.

13. Бутузов A.A., Васин А.Н., Дроздов А.Л., Иванов А.Н., Калюжный В.Г., Матвеев Н.И., Рузанов В.Е. Натурные испытания макета катера с воздушной каверной. Вопросы судостроения, серия "Проектирования судов", вып. 28, 1981.

14. Бутузов A.A. Применение искусственных каверн для снижения гидродинамического сопротивления глиссирующего судна. Вопросы судостроения, серия "Проектирования судов", вып. 28, 1981.

15. Бутузов A.A. Пространственные линеаризованные задачи об обтекании днища судна с искусственной кавитацией. Судостроительная промышленность, серия "Проектирование судов", вып. 8, 1988.

16. Бутузов A.A., Пустошный A.B., Сверчков A.B., Чалов С.А. Быстроходные суда на воздушной каверне. Тезисы докладов научно технической конференции «Крыловские чтения 1999 г.», «Судостроение», 1999 г.

17. Бутузов A.A., Сверчков A.B., Чалов С.А. Быстроходное судно с газовыми кавернами и водометными движителями. Патент РФ № 2139807, приоритет от 14.07.98.

18. Вьюгов В.В., Горбачев Ю.Н. Исследования управляемости толкаемого состава с воздушной прослойкой на днище баржи. Гидромеханические и технико-экономические качества судов речного флота и смешанного плавания. Л., 1987.

19. Горбачев Ю.Н. Буксировочные испытания модели речного судна с воздушной прослойкой на днище. Гидромеханические и технико-экономические качества судов речного флота и смешанного плавания. Л., 1987.

20. Горбачев Ю.Н., Старобинский В.Б. Влияние мелководья на характеристики каверн с волновым профилем. Крыловские чтения, 1989, Тезисы доклада Всесоюзной научно-технической конференции. JL, 1987.

21. Горбачев Ю.Н. Экспериментальное исследование ходкости судов с воздушной прослойкой на днище. Отраслевая научно-техническая конференция по теории корабля. Сб. докладов, ч.Н ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова. Л., 1991.

22. Горбачев Ю.Н. Разработка теоретических основ и практических методов проектирования речных грузовых судов с воздушной прослойкой на днище. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. ЦКБ НПО "Судостроение". 1991.

23. Загорулько Л.К. Скоростные десантно высадочные суда с днищевой воздушной каверной. Военно - технический альманах «Тайфун», 2,1998.

24. T.B.Jbragimiva, Mavlyudov М.А., Roussrtsky A.A. Basic Principles of propulsor efficiency comparisons. (Основные принципы сопоставления эффективности движителей). Труды конференции Fast'95 (1995). Гамбург.

25. Иванов А.Н., Бутузов A.A., Оленин Ю.Л. Вопросы кавитации в задачах снижения гидродинамического сопротивления судов. В кн. Проблемы прикладной гидродинамики судна. Л., Судостроение, 1975.

26. Калюжный В.Г. Исследования по выбору обводов глиссирующих судов с воздушной каверной. Вопросы судостроения, серия "Проектирования судов", вып. 28, 1981.

27. Мавлюдов, А.А.Русецкий, Садовников Ю.М.Аншер Э.А. Движители быстроходных судов (2 изд перераб. и дополнен. Судостроение 1982.)

28. Новиков И.Д., Бутузов A.A. Калюжный В.Г., Иванов А.Н., Борогин А.Р., Мядзюта A.A., Семенов Б.С., Каменчук Л.В. Быстроходное судно с водометным движителем. Авторское свидетельство № 1081935. Приоритет от 2.08.1982.

29. Потапов О.Ф. Исследование посадки, остойчивости и качки судов смешанного плавания, оборудованных скуловыми килями и системой воздушной смазки. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., ЛИВТ, 1968.

30. Потапов О.Ф. Влияние килевой качки и дифферента на параметры искусственной каверны. Труды ЛИВТ, сб. Статей молодых научных работников, часть VII, 1971.

31. Сверчков A.B. Поиск профилировки днища водоизмещающего судна с системой искусственных каверн. Судостроительная промышленность, серия "Проектирование судов", вып. 8,1988.

32. Сверчков A.B. Выбор обводов днища скоростного мелкосидящего судна с воздушной каверной. Судостроительная промышленность, серия "Проектирование судов", вып. 16, 1990.

33. Сверчков A.B. Применение воздушных каверн для снижения гидродинамического сопротивления быстроходных водоизмещающих судов. Сборник тезисов докладов конференции "XXXV Крыловские чтения 1991г.".

34. Сверчков A.B. Применение искусственных каверн для снижения гидродинамического сопротивления быстроходных судов. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова. JL, 1995.

35. Сверчков A.B. Применение искусственных каверн для снижения гидродинамического сопротивления быстроходных катамаранов. Сборник тезисов докладов конференции "Крыловские чтения", 1995.

36. Сверчков A.B. Использование искусственных каверн на скоростных катамаранах. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова., вып. 2(286), 1996.

37. Старобинский В.Б. К вопросу о снижении сопротивления трения судов в условиях мелководья путем создания на днище системы искусственных каверн. Сборник докладов на XV научно-технической конференции по теории корабля, вып. 64, 1965.

38. Старобинский В.Б. Исследования эффективности применения воздушных прослоек для снижения гидродинамического сопротивления судов. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., ЛИВТ, 1968.

39. Старобинский В.Б., Потапов О.Ф. Оценка остойчивости судов, оборудованных системой воздушной смазки. Труды ЛИВТ, вып. 113, 1968.

40. Чалов С.А. Влияние общего веса на сопротивление корпусов глиссирующих катеров с воздушной каверной. В сб. «Судостроительная промышленность», серия «Проектирование судов», вып. 16, 1990.

41. Sottorf W. Versuche mit Gleitflachen III. Teil Z.Werft, Reederei, Hafen, 1933,II,H.4.

42. Исследования по отработке обводов катера в размерениях, близких к размерениям катера проекта 14100, в варианте с воздушной каверной. Технический отчет ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, вып. 30979,1985.

43. Экспериментальная отработка обводов кормовой оконечности катера пр. 14083 с каверной, содержащей в себе обтекатель водозаборника водомета. Технический отчет ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, вып. 36095,1994.1. ТАБЛИЦЫ

44. Размерные характеристики моделей.1. D Xg* Lmax Вшах Всшахкг м м м м

45. Модель I 100 80 0.89 1 2.58 0.624 0.56

46. Модель II 65 0.857 0.79 2.34 0.583 0.506

47. Модель III 100 80 0.833 0.729 2.17 0.624 0.56