Введение к работе
Актуальность темы исследования
Интенсивное развитие морской техники связано с появлением морских объектов новых архитектурно-конструктивных типов, предназначенных для решения сложных задач освоения Мирового океана. Для обеспечения проектирования таких объектов, оптимизации проектных решений, разработки рекомендаций по безопасной эксплуатации необходимо достаточно точно прогнозировать их поведение при внешних воздействиях морской среды. Определение гидродинамических и динамических характеристик таких объектов при отсутствии реальных, отработанных на практике прототипов требует проведения большого объёма сложных, дорогостоящих модельных и натурных
экспериментов.
В последние 10-15 лет для определения гидродинамических характеристик морских объектов, в том числе и сложной формы широко используются методы вычислительной гидродинамики, основанные на решении уравнений Навье-Стокса.
Значительных результатов в этой области достигли российские и зарубежные учёные, среди которых следует отметить работы Н.В. Корнева, М.П. Лобачёва, И.В. Ткаченко, Д.В. Никущенко, А.Е. Таранова, J.H. Ferziger, M. Peric, E.G. Paterson, R. Wilson, H. Coleman, C.D. Simonsen и др.
Следует отметить значительные достижения в решении наиболее сложных задач гидродинамики – численного моделирования гидродинамического взаимодействия судна и движителя, представленные в оригинальных работах Крыловского Государственного научного центра (КГНЦ) и Ростокского университета (Германия), полученные независимо друг от друга.
Для разработки практических проектных рекомендаций необходимо правильно моделировать динамическое поведение морских объектов, т.е. получать оценки амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик (при решении задач в частотной области), характеристик динамических процессов (при решении задач во временной области). Существующие методики решения таких задач применительно к морским объектам в настоящее время основаны на теории идеальной жидкости, что значительно сужает область возможных практических
приложений.
Вязкостные характеристики жидкости необходимо принимать во внимание при решении задач, в которых учитываются особенности физического процесса волнообразования, связанные с плёночными эффектами, кавитацией, относительно малой толщиной пограничного слоя. Такие эффекты проявляются при больших скоростях движения судов. Задачи динамического поведения объектов на крутом волнении также требуют учёта вязкости.
В настоящей диссертационной работе предложена методика численного моделирования динамики морских объектов на волнении c учётом вязкости. Методика основана на совместном решении уравнений гидродинамики (Навье-Стокса) и динамики твёрдого тела (уравнений Эйлера). Для аппроксимации дифференциальных уравнений Навье-Стокса используется метод конечных объёмов, который требует применения многомиллионных расчётных сеток и, как
следствие, суперкомпьютерных технологий, которые в последнее время начали внедряться в задачи вычислительной гидродинамики.
Развитие предложенной методики решения задач гидродинамики и динамики морских объектов в рамках единого подхода позволит в практике конструкторских бюро и научно-исследовательских институтов значительно упростить решение проблемы обоснования формы морских технических сооружений и средств, специальных нестандартных задач за счёт частичного или полного отказа от дорогостоящих модельных экспериментов. К таковым могут быть отнесены задачи, требующие учёта нелинейных эффектов при моделировании качки судна: влияние гидродинамических эффектов колеблющегося жидкого груза на динамику судна; оголение корпуса судна, приводящее к слемингу; существенные развалы бортов, которые обуславливают дополнительные динамические нагрузки на конструкции корпуса в носовом районе - слопинг; взаимное влияние качки двух судов, например, при обосновании возможности передачи груза в море; влияние ограниченной ширины акватории на динамику судна и т.п. Это определяет актуальность представленной работы.
Целью работы является создание методики совместного решения задач гидродинамики и динамики морских объектов.
В соответствии с целью ставятся следующие задачи исследования:
-
Анализ существующих подходов к решению задач гидродинамики и динамики (качки) морских судов и других технических сооружений.
-
Разработка математической модели комплексной задачи гидродинамики и динамики морских объектов на регулярном волнении.
-
Разработка методики проведения численного эксперимента моделирования качки на регулярном волнении.
-
Разработка методики моделирование волнения с учётом вязкости.
-
Разработка программного обеспечения расчёта гидродинамики и динамики морских объектов на основе открытого кода вычислительной гидродинамики для операций со скалярными, векторными и тензорными полями - OpenFOAM.
-
Разработка практических рекомендаций для численного моделирования качки морского объекта на регулярном волнении и определения динамических параметров качки.
-
Верификация и валидация предложенной методики применительно к ряду морских сооружений.
Методы исследования – в работе использован метод моделирования турбулентного течения вязкой несжимаемой весомой жидкости, основанный на осреднённых по Рейнольдсу уравнении неразрывности и уравнениях Навье-Стокса; граница раздела фаз воздух-вода описывается уравнением метода объёмной фракции жидкости; динамика твёрдого тела описывается уравнениями Эйлера.
Научная новизна:
1. Разработана и предложена для практического применения методика моделирования качки морских объектов, основанная на математической модели вязкой жидкости.
-
Получены оценки сходимости метода моделирования качки морских объектов и найдены критерии точности описания процесса поведения морского объекта.
-
На основе модели вязкой жидкости получены амплитудно-частотные характеристики бортовой качки.
-
На основе модели вязкой жидкости получены амплитудно-частотные характеристики вертикальной и килевой качки при больших числах Фруда.
-
Обоснована эффективность введения специальных функций релаксации на границах расчётной области.
-
Разработана специальная утилита для создания расчётной сетки, которая значительно сокращает время подготовки проекта для проведения численного
моделирования.
7. Разработан программный комплекс для обработки данных численного
эксперимента.
Практическая ценность работы:
-
Возможность применения для расчётов бортовой качки верифицированной математической модели вязкой жидкости, реализованной в пакете OpenFOAM, без использования эмпирических формул для учёта вязкостного демпфирования; такие формулы, построенные по различным методикам, дают существенно, различные результаты.
-
Возможность применения математической модели вязкой жидкости для расчётов основных видов качки при больших числах Фруда.
-
Возможность применения математической модели вязкой жидкости для расчётов обтекания морских объектов со сложными обводами, для которых использование гипотезы плоских сечений невозможно.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методика математического моделирования динамики морских объектов на регулярном волнении с учётом вязкостных свойств морской среды.
-
Практические методы определения амплитудно-частотных характеристик параметров качки морских объектов с учётом вязкости.
-
Разработанная автором программная утилита для создания расчётной сетки возле исследуемого объекта в процессе подготовки вычислительного
эксперимента.
4. Разработанный автором программный комплекс обработки данных
численного моделирования.
Внедрение результатов. Разработанные методики и программное обеспечение используются в учебном процессе при подготовке современных специалистов – морских инженеров, бакалавров и магистров по морской технике и технологиям, а также при выполнении научно-исследовательских работ сотрудниками кафедры гидроаэромехники и морской акустики. Результаты работы использовались в конструкторских бюро АО «ЦМКБ Алмаз» и АО «Северное ПКБ» для отработки проектных решений. Внедрение результатов работы подтверждено тремя актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждались и докладывались на заседаниях кафедры гидроаэромеханики и морской акустики СПбГМТУ, на конференциях, семинарах и заседаниях рабочих групп:
Доклад «Численное моделирование качки полупогружной платформы на регулярном волнении» на конференции «12-ая Международная выставка и конференция по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ», Санкт-Петербург, 18 сентября, 2015.
Доклад «Влияние формы корпуса подводного аппарата на его гидродинамические характеристики» на международной конференции
«Subsea Technologies» 2-5 июня, 2014, Санкт-Петербург, Россия, SubSeaTECH 2014.
Доклад «Использование высокопроизводительных вычислений в задачах гидродинамики корабля» на конференции «Облачные вычисления: образование, научные исследования, разработки», Москва, РАН, 05 - 06 декабря, 2013.
Доклад «Применение пакета OpenFOAM для решения задач судостроения» на научно-технической конференции «Проблемы мореходных качеств судов, корабельной гидромеханики и освоения шельфов. XLV Крыловские чтения»,
2013, Санкт-Петербург.
Доклад «Высокопроизводительные вычисления в задачах судостроения» на конференции «Облачные вычисления: образование, научные исследования, разработки», Москва, РАН, 06 - 07 декабря, 2012.
Доклад «Моделирование колебаний жидкости в танке газовоза при соударении с ледовым препятствием» на конференции Всероссийская научная школа молодых учёных «Волны и вихри в сложных средах», 03-05 декабря 2012,
Москва.
Доклад «Высокопроизводительные вычисления в судостроении: наука и
образование» на конференции «Облачные вычисления: образование, научные
исследования, разработки», Москва, РАН, 31 мая - 3 июня, 2011.
Публикации. Основные результаты работ отражены в 9 научных публикациях, 6 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных Перечнем рецензируемых научных изданий ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 139 страницах, включает 57 рисунков и 11 таблиц. Работа состоит из введения, 4-х глав и заключения; список литературы включает 123 позиции.