Влияние границ потока на гидромеханические и кинематические характеристики подводных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.01, кандидат технических наук Назаренко, Михаил Валентинович

• Назаренко, Михаил Валентинович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Назаренко, Михаил Валентинович

Введение

Глава 1. Обзор литературы. Постановка задачи исследования и основные его «г- положения. 1.1 Обзор литературы. 1.2.Постановка задачи исследования и основные его положения.

Глава 2. Движение подводного аппарата в неоднородном нестационарном потенциальном потоке жидкости.

2.1. Постановка задачи. Определение потенциала скорости.

2.2 Определение сил и моментов гидродинамического воздействия неоднородного потока на тело.

Глава 3. Движение подводного аппарата под свободной взволнованной поверхностью.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Дополнительные члены сил и моментов от воздействия волнения.

3.3. Уравнения установившегося и неустановившегося движения изделия в продольно-вертикальной плоскости.

3.4. Оценка влияния волнения на некоторые гидродинамические характеристики \ подводного аппарата.

3.5. Линеаризированные дифференциальные уравнения возмещенного движения ПА в условиях волнения. Кинематические зависимости.

3.6. Анализ уравнений движения.

3.7. Частотные характеристики и акустические эффекты, обусловленные продольной качкой ПА.'.

3.8. Учет влияние глубины водоема. Численные примеры.

3.9. Учет влияние течения на движение подводного аппарата.

3.10. Оценка влияния дна водоема и свободной невозмущенной поверхности на гидродинамические характеристики тела.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние границ потока на гидромеханические и кинематические характеристики подводных аппаратов»

В начале хочу выразить свою благодарность первому научному руководителю д.т.н. профессору [Иконникову И.Б.| Эта диссертация посвещена его памяти.

Проблемы освоения Мирового Океана требуют дальнейшего развития и совершенствования подводной техники (обитаемые и необитаемые подводные аппараты - весьма тихоходные технические объекты), а также быстроходные подводные аппараты.

В дальнейшем для этих двух объектов морской техники будем использовать термин «подводный аппарат».

Предметом исследования является оценка влияния границ потока жидкости на кинематику и динамику движущегося в ней подводного аппарата (ПА). Объектом исследования являеются подводные аппараты, движущиеся вблизи границ потока жидкости.

Динамика движения подводных аппаратов, движущихся в безграничной жидкости, хорошо разработана. Достаточно указать на курс под редакцией Д.П.Скобова и В.В. Рождественского др. и монографию Е.Н.Пантова, Б.Б.Шереметова и Н.Н.Махина «Основы теории движения подводных аппаратов», а также на ряд других статей в различных сборниках, связанных с этими вопросами.

Однако в реальных условиях подводные аппараты могут двигаться в условиях влияния границ потока, что, несомненно, должно сказаться на их характеристиках. Понятие границ потока можно понимать достаточно широко. К ним относятся: свободная невозмущенная и взволнованная поверхность, дно водоема. Эта задача рассматривается при движении малого объекта в гидродинамическом поле большого объекта. К этим же задачам относятся проблемы взаимодействия судов при их взаимном маневрировании (при встречах и обгонах).

Отметим, что в данной работе под вопросами исследования динамики движения подводных аппаратов подразумевается как составление уравнений их движения, так и их решение, позволяющее получить сведения об основных кинематических характеристиках (траектория движения, скорости, ускорения).

Обычная гидромеханика, как правило, ограничивается лишь определением гидродинамических характеристик тел. Частные вопросы определения гидродинамических сил при взаимодействии тел, движущихся вблизи твердой стенки, имитирующей наличие дна, рассмотрены в монографии Г.Лемба и А.А.Костюкова «Взаимодействие тел, движущихся в жидкости». Влияние поверхностных волн на гидродинамические характеристики при качке судов рассмотрены в монографии М.Д.Хаскинда «Гидродинамическая теория качки корабля». В ней же рассмотрена частная задача о гидродинамических силах, возникающих при обтекании тела однородным нестационарным потоком жидкости. В учебнике В.В.Рождественского «Динамика подводной лодки» кратко освещено влияние свободной поверхности и дна.

Отметим, что все подобные задачи по определению гидродинамических сил решались в предположении о потенциальном вызванном движении жидкости.

В уравнения динамики движения подводных аппаратов должны входить члены, зависящие от вязкости. Современное состояние гидромеханики позволяет определить их на основе гипотезы стационарности, с помощью введения позиционных и вращательных производных. Позиционные и вращательные производные зависят от влияния границ потока. Однако поскольку эти производные определяются главным образом характеристиками пограничного слоя и следа за телом, т.е. областями, имеющими локализованный характер, то влияние границ потока может существенно сказаться на эти величины лишь в случае очень малых отстояний от границ потока. Эти проиводные определяются главным образом эксперементально.

Актуальность работы заключается в том, что была предпринята попытка на основании имеющейся разработанной теории движения тел в неоднородном потенциальном нестационарном потоке обобщить задачи, связанные с влиянием наличия границ потока и разработать методику учета влияния границ потока на гидромеханические и кинематические характеристики движения подводных аппаратов. Используя вполне обоснованные допущения, удалось получить весьма простые зависимости для дополнительных сил и моментов, обусловленных наличием нестационарного потока. Эти дополнительные члены должны быть вставлены в общие уравнения динамики изделий, движущихся в безграничной жидкости.

Целью работы является создание общей методики учета влияния границ потока жидкости на динамические и кинематические параметры движения подводных аппаратов с выводом общих зависимостей для дополнительных сил и моментов, обусловленных влиянием неоднородного стационарного потока. Проведение на основе данной методики численных экспериментов, анализ которых позволяет в перспективе использовать предлагаемый метод в теории и на практике. В качестве примера иллюстрирующего использование предлагаемого метода, рассмотрена задача о движении подводного аппарата в условиях влияния поверхностного волнения (Глава 3). Рассматривается движение подводных аппаратов в продольно-вертикальной плоскости (продольная качка погруженного тела).

Как обобщение ранее полученных результатов других авторов в Главе 3 рассмотрено влияние на движение тел свободной невозмущенной поверхности и плоского дна.

Методы исследования - теоретико-численные. В силу сложности проведения физических экспериментов в работе был использован метод математического моделирования, некоторые результаты которого сопоставлены с немногочисленными опытными данными.

Научная новизна работы состоит в создании единой методики для учета влияния границ потока жидкости на движущееся в ней тело, а также установление на основе математического моделирования некоторых особенностей и закономерностей изменения кинематических характеристик движения подводного аппарата.

Применение метода возможно для расчетов динамических и кинематических характеристик движения подводного аппарата в условиях морского волнения, а также при взаимном маневрировании судов (встречах и обгонах).

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная методика позволяет рассчитывать движение различных подводных аппаратов в условиях влияния границ потока без привлечения дорогостоящего и технически сложного физического эксперимента.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика определения дополнительных сил и моментов, обусловленных влиянием неоднородного нестационарного потенциального потока жидкости.

2. Методика оценки влияния поверхностного волнения на кинематические и динамические характеристики движения ПА.

3. Результаты расчетного анализа влияния поверхностного волнения и дна водоема на кинематические и динамические характеристики движения ПА.

Апробация работы и внедрение. Результаты работы докладывались и получили положительную оценку: на международном симпозиуме по гидромеханике, посвященном 85-летию со дня рождения Басина A.M., Санкт-Петербург, НТО, 1997 г.; на 38 Крыловских чтениях, Санкт-Петербург, 1997 г., на 39 Крыловских чтениях, Санкт-Петербург, 1999 г., отчет каф. №20 в СПбГМТУ, 1999 г., на конференции МОРИНТЕХ - Санкт-Петербург 1999, на 40 Крыловских чтениях, Санкт-Петербург, 2001 г. Основные результаты работы внедрены в учебный процесс СПбГМТУ.

Публикации. По теме диссертационной работы имеется 5 публикаций (см. в литературе).

Заключение диссертации по теме «Теория корабля и строительная механика», Назаренко, Михаил Валентинович

Заключение.

Разработана приближенная теория движения тела в неоднородном потенциальном потоке жидкости. Согласно основному допущению теории потенциал неоднородного потока считается заданным.

Это допущение справедливо в тех случаях, когда характерные возмущающие размеры тела (ПА) достаточно малы по сравнению с характерными размерами неоднородного потока (например, длина (диаметр) изделия мала по сравнению с длиной поверхностной волны, или по сравнению с характерными размерами большого тела-носителя). Оно оправдывается в большинстве случаев, представляющих интерес для морской техники. На основе этого допущения на изделие, движущееся в неоднородном потенциальном потоке, действуют силы четырех категорий:

- непосредственно зависящие от заданного потенциала неоднородного потока (т.н., обобщенные архимедовы силы);

- инерционные силы, соответствующие движению тела в безграничном потоке жидкости, связанные с обобщенными присоединенными массами;

- силы дифракционной природы, обусловленные выполнением условия непротекания на поверхности тела от влияния неоднородного потока;

- силы, связанные с квадратом скорости в интеграле Лагранжа, из которого определяются давления в точках на поверхности тела, которые затем интегрируются по поверхности тела.

В предположении об аппроксимации реальных обводов тела схематизированными обводами (трехосный эллипсоид, тело вращения) получены простые выражения для всех перечисленных категорий сил, в которые входят проекции скоростей неоднородного потока и присоединенные массы, соответствующие движению тела в безграничной жидкости.

Эти структурные выражения для дополнительных сил обобщаются на случай тела реальных обводов.

Полученные дополнительные силы от влияния неоднородного потока должны быть в дальнейшем подставлены в известные выражения для силового воздействия на тело, движущееся в безграничной жидкости. Вязкостные компоненты сил и моментов предлагается определять через позиционные и вращательные производные с помощью гипотезы стационарности.

К числу наиболее характерных случаев применения изложенной теории можно отнести:

- движение ПА в условиях воздействия поверхностного волнения;

- задачи о взаимном маневрировании двух тел (движение ПА относительно малых размеров) в поле гидродинамического влияния большого тела-носителя;

- взаимодействие двух судов - малого и большого при встречах и обгонах.

В качестве примера изложенной теории достаточно подробно рассмотрена задача о движении ПА в продольно-вертикальной плоскости под свободной взволнованной поверхностью - продольная качка ПА вразрез волне. Рассмотрены как случаи движения тихоходных подводных аппаратов (самоходные и несамоходные подводные аппараты), так и быстроходных ПА. Диапазон чисел Фруда относительных от 0,2 до 3 (Us - скорость движения изделия в отсутствии волнения).

Краткие выводы.

На основании проведенных в работе исследований можно сделать следующие выводы:

1. Проведено решение общей задачи о произвольном движении тела в неоднородном нестационарном потенциальном потоке жидкости. Получены выражения для всех категорий сил, действующих на тела. При этом все силы выражаются через проекции скоростей заданного неоднородного потока и присоединенных масс, определенных для безграничной жидкости.

2. В качестве приложения этой теории решена задача о продольно-вертикальном движении ПА под взволнованной свободной поверхностью (продольная качка

ПА) при этом:

2.1.Возмущения, действующие на ПА, от волнения затухают по экспоненциальному закону.

2.2.Возмущения, действующие на ПА при движения в жидкости конечной глубины больше, нежели для глубокой воды.

2.3.С ростом числа Фруда (относительной скорости) влияние волнения на ЙА уменьшается.

2.4.Для быстроходных ПА влияние волнения практически не сказывается на их движении. Для тихоходных ПА влияние волнения проявляется достаточно сильно. При этом для самоходных обитаемых ПА волнение может привести для акванавта к такому нежелательному фактору, как возникновение морской болезни.

2.5.Произведенные оценки влияния свободной невозмущенной поверхности и плоского дна показывают, что в подавляющем большинстве случаев их влиянием на гидромеханические характеристики ПА можно пренебречь.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Назаренко, Михаил Валентинович, 2003 год

1. Назаренко М.В. Продольная качка подводных аппаратов, движущихся под свободной взволнованной поверхностью. Тезисы доклада на 40 Крыловских ; чтениях, 2001.

2. Фаддеев Ю.И., Назаренко М.В. Влияние волнения на гидродинамические характеристики подводных аппаратов. Тезисы доклада. Моринтех, 1999.

3. Справочник по теории корабля, т. 2. Судостроение, 1985.

4. Семенов-Тян-Шанский В.В., Благовещенский Н., Холодилин А.Н. Качка корабля. Л., Судостроение, 1969.

5. Холодилин А.Н. Стабилизация судна на волнении. Л., Судостроение, 1973. f •V.X' <%

6. З0ЛОТОВ е е , Амфилохиев В.Б, Фаддеев Ю.И. Задачник по гидромеханике для судостроителей. Л., Судостроение, 1986, *, ' , -•

7. Дномидов М.Н., Дмитриев А.Н. Подводные аппараты. Л., Судостроение, 1966.

8. Самоходные необитаемые подводные аппараты. Сборник статей. Л., Судостроение, 1986.

9. Поддубный В.И. и др. Динамика подводных буксируемых систем. СПб, Судостроение, 1995.

10. Егоров В.И. Подводные акустические системы. Л., Судостроение, 1981.

11. Иконников И.Б., Гаврилов В.М., Пузырев Г.В, Подводные буксируемые системы и бук нейтральной плавучести. СПб, Судостроение, 1998.

12. Акустика океана под ред. Л.М. Бреховских. М., Наука, 1974.

13. Исакович М.Н. Общая акустика. Наука, 1973.

14. Л., 1970. I I 35.Милн-Томсон Л, Теоретическая гидромеханика, М, 1964. ft V динамическими принципами поддержания, Л., Судостроение, 1991.

15. Луговский В.В., Нелинейные задачи мореходности корабля, Л., Судостроение, 1966.

16. Мастушкин Ю.М., Гидродинамическое взаимодействие судов при встречах и обгонах, Л., Судостроение, 1988.

17. Виноградов И.В. и др., Привязные подводные системы, ЦНИИ «Гидроприбор».

18. Гурьев Ю.В., Дифференциальные уравнения двух судов при совместном маневрировании, Международная конференция по судостроению, СПб, 1999.