Гідродинамічне глісування

Більш складна задача, пов’язана з дослідженням гідродинамічних параметрів глісуючого корпусу при наявності випуклості на днищі, розглянута в [12]. Корпус, в цій роботі, представляв собою призматичну поверхню.

Хоча робота Туліна ігнорується емпіриками та теоретиками, на її основі побудований метод Воруса для вивчення теорії для вертикального руху симетричних, двовимірних клинів з кривими та прямим сторонами. Головна відмінність роботи Воруса від роботи Туліна полягала у врахуванні точки наведеної поперечної нормалі швидкості на корпус і заміни сингулярної поведінки бризка складною процедурою розкладання. Ворус таким чином отримав інтегральне рівняння другого порядку. Модель Воруса ускладнена. [13]

Багато інших вчених займалися задачами глісування при наявності випуклості. Наприклад - Маріо (1951) проаналізував глісування в довільних числах Фруда. Камбербач (1958) також вивів формули для двовимірних пластин при великих, але кінцевих числах Фруда. Задача усталеного в’язкого опору, який встановлений при постійній довжині хорди була вирішена Ву (1972). В 1967 році Маріо вирішив дану задачу при врахуванні гравітаційності. Він також враховував бризковий опір, але знову оцінював тільки поверхневі шари. [12]

3 Комп’ютерні методи визначення гідродинамічних характеристик глісуючого комплексу

Передбачення створених хвилею рухів і хвильових навантажень - одне з найважливіших питань при конструюванні судна. Рухи з більшою амплітудою створюють задачу про безпечне пересування суден в воді, у той час екстремальне навантаження може привести до пошкодження структури. Загальне застосування методу малих збурень - один підхід до такої нелінійної задачі, де нелінійні ефекти обчислюються за допомогою збереження квадратних позначень у граничних умовах. Однак, в цьому підході залишаються лінійні припущення.

Загальні методи для передбачення характеристик глісуючго корпусу включають емпіричні рівняння і дослідне випробування. Емпіричні рівняння часто можна застосувати тільки до подібних типів корпуса в малому діапазоні параметрів, у той час як випробування моделі часто дуже дорого, особливо для малого судна.

Зараз зростають вимоги до розвитку методу розрахунку, який орієнтується, в принципі, на широкі можливості. Сучасний розвиток в комп’ютерних характеристиках і чисельних методах дозволили вирішити нелінійні задачі набагато легше, ніж раніше.

Об’єднаний метод Ейлер Лагранжа (МЕЛ) вперше був введений Лонгетом-Хігінсом і Скелетом (1976), для моделювання деформації поверхневих хвиль. Метод МЕЛ використовує підхід повністю нелінійної області часу і застосовується до різноманітних нелінійних задач. Метод моделювання для руху пливучого корпуса у хвилях був розроблений Вінжі і Бревігом (1981), Квінті та ін. (1990), Сеном (1993) і Танізава (1995). Двовимірні взаємодії пливучих тіл з вільною поверхнею можна обчислити раціонально, використовуючи повністю нелінійний підхід. З іншого боку, підхід нелінійної часової області був поширений на тривимірну задачу хвилі судна і вивчений багатьма дослідниками. В принципі, обчислені результати повністю нелінійного підходу були отримані Маскевом (1992), Беком та ін. (1994), Скорпіон та ін. (1996) і Шіракура та ін. (2000). Хоча їх формулювання теоретично точні, чисельно стійкі рішення не можна отримати в деяких випадках обчислення.

Для практичного використання потрібно більше досліджень і числових вимірювань. Числовий аналіз тривимірним методом - інший підхід до нелінійної задачі, який можна розглянути як метод малих збурень. Тобто, лінійна або слабо нелінійна умова вільної поверхні для невстановленої області хвилі представлені у більшості випадків, у той час як миттєва геометрія корпусу враховується в обчисленні в умові поверхні корпусу. Оскільки з цими припущеннями очікуються більш стійкі рішення, були представленні успішні результати обчислення рухів судна (наприклад, Лін і Юу 1990, Накос і ін. 1993, Буннік і Германс 1998, Колагросі і ін. 1999, Ясукава 2000 і Катаока і ін. 2001).

Теорія високошвидкісної смуги (ТВШС), вперше представлена Чапманом (1976), застосовувалась багатьма дослідниками, наприклад, Адачі і Охмасу (1980), Енг і Кім (1981), Охмасу і Фалтінсен (1990), Фалтінсен і Жао (l991). Цей метод часто називають "2.3 D " або "2D+T" теорія, у якій задача тривимірної вільної поверхні корабельної хвилі зведена до двовимірної задачі, яка може бути вирішена послідовно в часовій області. Адачі і Масуа (1996) запропонували метод функції Гріна в 2.5D теорії, де було враховано додаткове позначення, яке відповідає поперечним хвилям у задачі усталеного хвилеутворення. Кашігаві (1995) розробив розширену об’єднану теорію, у якій немає обмеження на порядок поступової швидкості чи частоти коливання. Хоча ці два методи, використовуючи двовимірний підхід - дуже практичні з раціональних, теоретичних і обчислювальних точок зору, обидва методи сумісні з лінійними припущеннями.

З’єднання вищезгаданих двох методів приводить до підходу нелінійної часової області, використовуючи ТВШС, яка є нелінійною версією 2.5D теорії. Взаємодія в низу за течією у тривимірному потоці навколо судна пояснюється ефектом запам’ятовування вільної поверхні. Оскільки задачі граничних умов (крайові задачі) можуть бути описані тим же самим формулюванням у випадках і усталеного і неусталеного потоку навколо судна, потенціали швидкості можна вважати однаковими. Крім того, граничні умови повністю нелінійні в структурі теорії тонкого судна, і в обчисленні можна врахувати геометричні, гідростатичні і гідродинамічні нелінійні характеристики. Калісал і Чан (1989) та Тулін і Ву (1996) розробили чисельні моделювання розбіжних головних хвиль. Фонтайн і Квінт (1997) також показали обчислення головних хвиль і запропонували можливість його застосування для прогнозування удару навантаження. Маруо і Сонг (1994) продемонстрували, що головні хвилі розбиваються при русі високошвидкісного судна, яке застосовувалося для аналізу змочення палуби. Обчислення гідродинамічної сили в задачі усталеного коливання були представлені Кіхара і Найто (1998). Крім того, вони досліджували прогнозування додаткового опору моделі Віглея в регулярних головних хвилях. З подальшим розвитком в цій області, були активно вивчені 2D+T методи разом з процедурою обчислювальної гідродинаміки (CFD). Тулін і Ландріні (2000) представили аналіз розбивання хвиль, використовуючи згладжену частину гідродинаміки (SPH), і Андрілон та Алесандріні (2002) показали результати обчислення, використовуючи обчислювальний пристрій Навье-Стокса з об’ємно-кінцевим (VOF) методом. Ці методи дозволяють моделювати гідродинамічні рухи, включаючи комплексні фази розсіяння хвиль, типу повторного сплеску, формування сплеску вверх і завихреності. Для практичного використання в технічних задач, застосування нових CFD процедур, описаних вище для обчислення гідродинамічної сили, є перспективною задачею. [14]

В роботі [15] представлено результати вивчення використання CFD для оцінки характеристик високошвидкісного глісуючого судна, яке рухається зі сталою швидкість по спокійній воді. Для вивчення використовується неструктурований, багатофазний, кінцевий об’ємний код, який використовує метод об’єму рідини (VOF). Характеристика високошвидкісного судна глибоко пов’язана з орієнтацією корпуса у швидкості, що не може бути відома апріорно. Змінюється підйом глісуючих корпусів і кути атаки, як реакція на область тиску, створену потоком. Для врахування цих змін у положенні корпуса метод моделювання повинен гарантувати, що в підйомі була досягнута динамічна рівновага в момент обробки. Це досягнуто за допомогою ітераційної схеми, у якій область потоку була вирішена для дискретних орієнтацій корпуса. Робота складається з набору експериментальних випробувань моделі, для отримання даних, з якими чисельні результати порівнюються. Для цього було виконано три набори моделювань. Перший набір виконувався для прямого порівняння числових результатів з експериментальними. Другий набір моделювань виконаний для задоволеної умови рівноваги. Третій набір - відповідає стану рівноваги при підйомі та обробці. [15]

4 Основні гідродинамічні характеристики

4.1 Додатковий опір

Як зазначено вище, для конструювання суден необхідно вивчення гідродинамічних характеристик та передбачення поведінки судна в умовах природного хвилювання. Одним з параметрів, які необхідно обов’язково враховувати при конструюванні судна - є додатковий опір хвилі. В [14] увага зосереджується на впливі надводної форми носу на додатковий опорі. В роботі до задачі неусталеного хвилеутворення застосовується нелінійний 2D+T метод, в якому потік описується, використовуючи суперпозицію набігаючої хвилі з іншим збуреннями, які викликані корпусом. Не зважаючи на те, що включені процедури апроксимації, цей метод є практичним для дослідження нелінійних характеристик гідродинамічної сили. Для збільшення енерго-економічних суден, потрібно більше зменшення опору хвиль. Частково, це через те, що відношення додаткового опору хвиль до загального опору стає більшим. Хоча покращення форми корпусу дозволяє зменшити кінську силу для руху в стоячій воді, кінська сила, необхідна для руху в незмінних хвилях. Протилежна до цієї задачі, задача покращення форми корпуса через надводну геометрію коректна для конструювання судна, оскільки характеристика хвилеутворення, яка залежить від підводної форми корпуса, може зберігатися. Однак, використовуючи існуючі методи розрахунку, важко правильно розрізнити різницю між варіантами надводних форм корпуса. Зокрема, нелінійні ефекти динамічної сили, які виникають через розсіювання і дифракцію хвиль ще потрібно вивчити. Поступово, зрозуміло, що надводна форма носу впливає на усталені сили хвиль, тобто на додатковий опір, а не на рух хвилеутворення. Наприклад, вплив надводної форми носу на додатковий опір було експериментально досліджено Найто і ін. (1996). Вони прийшли до висновку, що тупоносі судна з різними надводними формами носу показали різні значення додаткового опору. Тому, розробка обчислювального інструмента, який дасть можливість проектувальникам судна обговорювати переваги надводних форм носу є важливим завданням. [14]

У багатьох застосування в морських умовах додатковий опір відіграє важливу роль. Але багато з існуючих методів недооцінюють додатковий опір при низьких частотах довжини хвилі. Відомо, що для опису руху плавання суда у хвилях дуже гарні результати для багатьох практичних форм корпусу показує теорія стрічки. В останні роки програми обчислювальних машин розвинулись таким чином, що можуть обчислити сили і рухи плавання судна у хвилях за допомогою лінійних дифракційних програм. Фактично, метод використовує лінеаризацію навколо незбуреного потоку навколо судна, що може привести до гарної апроксимації для тонкого судна. Для цього класу суден теорія стрічки і її зміни дають гарні результати. Однак, у випадку коротких хвиль ці методи мають тенденцію недооцінювати додатковий опір. Це формує складну задачу у випадку, якщо робляться спроби оптимізувати форму корпусу. Якщо судно має тупу форму корпуса, локальний сталий рух впливає на величину додаткового опору дуже сильно. У роботі [16] представлено часовий метод, який може вирішити задачі з різними видами лінеаризованих формулювань. Як вхід, програма може використати незбурений потік, потік подвійного корпуса або нелінійний сталий рух. Розглядається симетричне судно з рівномірним плаванням з постійною швидкістю U у хвилях, які поширюються в напрямку, що замикається з передовим напрямком судна. Водна глибина h позначається постійною. Рідина прийнята ідеальною. [16]

4.2 Максимальна осадка судна

При конструюванні суден варто також пам’ятати про такий важливий аспект, як небезпека так званого заземлення, тобто засідання судна на мілині. Для уникнення таких випадків при дослідженні параметрів судна необхідно проводити розрахунок його максимальної осадки. В [17] запропоновано два методи тонкого тіла для визначення максимальної осадки та диференту суден, які рухаються в довільним числах Фруда, включаючи транскритичну область: транскритична глибоководна теорія та теорія кінцевої глибини. Транскритична глибоководна теорія застосовувалась з використанням численних методів фур’є-спектрометра для визначення осадки та диференту через подвійне числове інтегрування. Ця теорія також розширена для випадку судна, яке рухається в каналі кінцевої ширини, однак, складність числового обчислення інтегралу сили і його обмеженість вказують, що теорія відкритих вод більш правильна. Теорія кінцевої глибини була покращена для використання для загальних форм корпусу. Ця теорія обчислює силу осадки та момент диференту, які є трохи коливальними. Оскільки теорія підносить до степеня нескінченну глибину, будь-яка похибка буде збільшуватись приблизно з квадратичною залежність від швидкості. Тому дана теорія не може використовуватись при великих числах Фруда. Через це та інші умови теорія кінцевої глибини складніша в виконанні за транскритичну глибоководну теорію. Порівняння результатів даних теорій з експериментальними результатами дали гарну збіжність у випадку мілкої води. Основна невідповідність між теоретичними та експериментальними результатами при таких умовах полягала в тому, що жодна теорія не передбачила підвищення судна у воді при малих числах Фруда. Невідповідності пояснюються якісно ефектом стінок каналу в експериментальних результатах. А це означає, що дані теорії дуже перспективні для передбачення осадки у відкритих водах. Однак без справжніх експериментів у відкритих водах не можна відповідним чином судити про точності методів. Транскритична глибоководна теорія набагато простіша теорія, і автори рекомендують її, як простий та точний метод передбачення осадки судна у відкритих водах. [17]

5 Режими глісування гідролітаків

Визначення гідродинамічних характеристик важливе не тільки для проектування суден, глісерів, а також і для конструювання гідролітаків, тобто літаків, які злітають з водної поверхні або сідають на неї. При цьому, необхідно визначити режими руху літака по водній поверхні. При русі по воді поверхневих літаків з малою швидкістю, підйом, який підтримує літак на водній поверхні обумовлений головним чином плавучістю. При збільшенні швидкості літака, таким чином, щоб водна поверхня гладко відокремилась від передньої кромки літака, літак, кажуть, глісую або ковзає по водній поверхні. Під час глісування підйом обумовлений головним чином силами гідродинаміки. Важливою особливістю глісуючого руху є явище бризкання, яке являє собою бризки викинуті вперед і по бокам глісуючого літака. Якщо кут атаки, який можна визначити як характерний кут між змоченою глісуючою поверхнею літака і незбуреною вільною поверхнею - маленький, то очікується, що товщина бризку буде теж маленькою. Оскільки теорія глісування має багато подібних ознак з теорією повітряного крила, для представлення бризку в задачах глісування використовується такий само тип особливостей як і в теорії повітряного крила.

Багатьма авторами розглядались двовимірні глісуючі поверхні з врахуванням ефекту гравітаційності. При вивченні тривимірних глісуючих поверхонь вимагається, щоб число Фруда було великим, а форма поверхні не була прямокутною. В попередніх рішеннях вважалось, що бризок був величиною другого порядку в куті атаки і тому ним можна було знехтувати в формуліровці лінеаризованої теорії. В роботі [18] розглянуто установлений тривимірний потенціальний потік, який проходить через глісуючу поверхню середнього розміру при великих числах Фруда. Вважається, що кут атаки маленький, для того, щоб задачу можна було лінеаризувати. Глісування представляється невідомими розподілами тиску по частині водної поверхні якраз під пластиною. Геометричною конфігурацією бризку знехтувано, а тиск прийнятий типу квадратного кореня. [18]

6 Досягнення високих швидкостей суден шляхом застосування підводних крил

Останнім часом зросла потреба в новому класі швидкодіючих транспортних засобів, які можуть відігравати проміжну роль у швидкості між вантажними літаками та звичайними судами. Було запропоновано кілька концепцій проекту для такого нового класу судів, ці концепції засновані на комбінаціях поверхні, що піднімається, повітряної подушки, SES (суден з поверхневим ефектом), і SWATH (маленький глісер з подвійним корпусом). В [19] представлено обчислювальний метод, який можна застосовувати до нелінійного потоку вільної поверхні повз двовимірне підводне крило мілкого занурення. Попередні роботи по підводному крилі використовували головним чином лінеаризовану умову вільної поверхні. Наприклад, Гієсінг і Сміт (1967) вирішували проблему методом інтегрального рівняння, який базується на функції Гріна, Баі (1978) застосував до задачі обмежений метод з кінцевим елементом, який базується на нежорсткій формі. Однак, Салвесен та вон Керзек (1975, 1976) спочатку обчислили стійкі нелінійні хвилі вільної поверхні через двовимірне підводне крило і вихрові точки під вільною поверхнею за допомогою ітераційного методу з кінцевим розходженням, попередньо розробленим ними (1974).

В роботі розглядається стійкий однорідний потік повз установлене двовимірне підводне крило, занурене в рідину. Поверхневою напруженістю знехтувано та припускається, що рідина - нев’язка, нездавлювана, і рух безвихровий. Задача точного нелінійного потоку вільної поверхні, сформульована в невідомих функції потоку, замінена еквівалентною варіаційною задачею за допомогою класичного принципу Гамільтона. Тоді ми застосовуємо метод місцевих кінцевих елементів, заснований на принципі Гамільтона в нелінійних підобластях і на нежорсткій формі в скорочених нескінченних лінійних підобластях. Цей метод - продовження методу, розробленого для лінійної задачі Баі (1978) для задачі нелінійного потоку вільної поверхні. Порівняння між лінійними результатами Баі і експериментальними вимірюваннями Паркіна та іншими (1956) показали відносно гарну збіжність для деякого діапазону числа Фруда. Однак, для деяких чисел Фруда з відносно маленькою глибиною занурення, обчислені результати для лінеаризованої умови вільної поверхні показують значну розбіжність з експериментом. Паркін та інші навели результати спостереження про потік над мілко зануреним підводним крилом, навели характеристики гладкого типу чи такого, який характеризується стоячим стрибком та хвилями, в залежності від числа Фруда. В роботі зроблені обчислення, які задовольняють точну умову вільної поверхні. Обчислені результати порівняні з результатами попередніх лінійних обчислень та експериментів. Порівняння показують кращу збіжність з експериментальними вимірюваннями ніж в лінійних обчисленнях. [19]

Уже в першій чверті 20-го століття стало зрозуміло, що більше не можливо досягти вищих швидкостей суден зі звичайними лініями. З’явилася потреба у знаходженні нових технічних рішень для того щоб підтримувати основну тенденцію по збільшення швидкості. Саме тому в п’ятидесятих- сімдесятих роках 20-го століття судно з динамічною підтримкою стало дуже популярним, через повне зниження гідродинамічного опору основного корпуса, що виходить із води. Провідна позиція належала підводним крилам. Хоча спочатку комерційні підводнокрилові судна були побудовані Хансом фон Щертелем (Німеччина), і їх використання почалося в 1953, базою для першого реального виробництва в повному масштабі були проекти російського вченого Р.Е. Алексєєва. Таким чином, було побудовано більш ніж 1000 судів з підводними крилами. Оскільки перші радянські підводні крила були розроблені більше для річок, для таких суден використовувалась низько-затоплена система крил, в яких підйомна сила крил залежить від її занурення під вільною поверхнею. Така система крил гарантує мінімальне осідання судна, яке рухається в режимі водовитиснення і має просту структуру крил, завдяки чому виникає автоматична стабільність контролю обумовлена відносно пізньою появою кавітації і піднімаючої сили, як функції глибини занурення.

Успішна робота суден з підводними крилами закінчилася будівництвом бойових човнів з підводними крилами. Однак, Алексєєв не досяг успіху в забезпеченні морських човнів з низько-зануреними крилами через незастосовність в морях таких судів. Пізніше, російське конструкторське бюро Алмаз і група проектувальників Зеленодолска займалися розробкою підводного крила морехідних суден під керівництвом Бурлакова і Коунховича. Разом з застосовністю в морях, ці роботи були пов’язані з подальшим збільшенням швидкості.

Коунахович показав особливо високу діяльність у роботах, зв’язаних, зі збільшенням швидкості. Головною перешкодою для швидкості були кавітації. З його ініціативи було розроблено експериментальне судно "Sіnertch" (від російського "торнадо") з суперкавитуючим крилом.

Судно має ніс і головну суперкавітуючу поверхню, яка перетинає воду та крило. Судно було обладнано реактивними двигунами з повітряною подачею як рушії. Швидкість, досягнута судном була більш ніж 100 вузлів. Однак, з подальшої роботи, стало зрозуміло, що побудоване судно не могло мати високу ефективність, якщо його гідродинамічна якість була забезпечена суперкавітуючим крилом з системою підтримки - електроенергії і палива, яке настільки важке, що вантажоможливість судна буде дуже низька.

Судна з підводними крилами, які становлять 60 відсотків від всіх швидкодіючих судів в 70-х і 80-х роках розвивалися у двох напрямках. Перше направлення мало на увазі поліпшення морехідної здатності кожного виду підводного крила при збереженні високої гідродинамічної ефективності через безкавітаційні підводні крила. Гранична швидкість цих підводних крил була приблизно 60 вузлів.

Другий напрямок мав на увазі подальше збільшення швидкості; щоб тримати гідродинамічну ефективність на високому рівні, аеродинамічна підтримка, тобто ефект аеродинамічного підйому поверхні необхідно було використовувати для того, щоб зробити підводні крила меншими і у деяких випадках прибрати їх взагалі.

Страницы: 1, 2, 3