Введение к работе
Актуальность проблемы. Стремление усовершенствовать имеющиеся или создать новые типы пропульсивных систем, приводит к появлению более эффективных устройств, либо устройств с качественно новыми свойствами.
История развития судовых движителей: от весла, гребного колеса и паруса до винтовых, водометных и роторных установок показывает широту области научных изысканий, в которой осуществлялся поиск лучших технических решений.
' Среди разнообразия современных движительных комплексов особое место занимают пропульсивные системы с машущим крылом. Это объясняется в первую очередь тем, что принципы, лежащие в основе подобных устройств, являются практическим продолжением идей, заложенных природой в живых объектах, прошедших огромный путь эволюционного развития.
Идея использования тяги, создаваемой колеблющимся крылом, появилась давно из наблюдений за окружающей живой природой (за плаванием рыб и полетом птиц). Еще Леонардо да Винчи пытался объяснить механизм создания тяги нестационарно движущимся крылом и использовать его на практике. Позднее, в конце XIX-начале XX веков, были предприняты многочисленные попытки создания действующих аппаратов с машущим крылом, которые из-за недостаточности научных и инженерных знаний были обречены на неудачу.
Новым толчком к исследованиям свойств крыла, совершающего колебательные движения, послужили гидроаэробионические исследования, основной целью которых было: всестороннее изучение и объяснение феномена эффективного механизма движения живых объектов - рыб, китообразных, птиц; и, как следствие, изыскание новых способов и средств улучшения гидродинамических, гидроакустических и других характеристик создаваемых технических объектов. При этом следует отметить, что до недавнего времени проводимые в гидробионике исследования были направлены в первую очередь на оборонные цели, и этот факт безусловно служил существенным дополнительным стимулом в развитии тематики.
В результате многолетней работы был накоплен обширный материал по скоростным, энергетическим, акустическим показателям^ а также особенностям внутреннего, и внешнего строения гидробион-
тов. Эти данные показали, что целый ряд гидробионтов обладает совершенными гидродинамическими (и другими) качествами, по ряду показателей превосходящими характеристики технических объектов - надводных и подводных судов. Полученный в результате бионических исследований опыт в последние два десятка лет был направлен на проектирование новых технических объектов - прототипов живой природы.
С другой стороны, поднимаемые в настоящее время вопросы экологии, экономии энергоресурсов, а также интерес, проявляемый к системам преобразования " неисчерпываемой" энергии моря и ветра, ставят колеблющиеся крыльевые устройства в один ряд с другими пропульсивными системами, которые могут быть эффективно использованы в этих целях на судах различного назначения, морских и прибрежных технических объектах.
Безусловно, интерес к крыльевым устройствам обоснован и имеет под собой серьезный фундамент. Причиной интенсивных теоретических, экспериментальных и инженерных иследований является тот факт, что пропульсивные системы подобного типа обладают достоинствами, которые делают их перспективными для практического применения. Пропульсивные системы бионического типа:
« обладают достаточно высокой эффективностью,
допускают использование на мелкой воде и в труднодоступных районах (на сильно загрязненных и заболоченных акваториях),
являются многофункциональными в том смысле, что могут аффективно работать на различных режимах движения объекта,
могут совмещать в себе функции нескольких устройств: движителя, рулевого устройства, стабилизатора,
обеспечивают высокие маневренные качества,
обладают приемлемыми кавитационными характеристиками на основных режимах движения.
являются экологически чистыми,
являются низкочастотными и имеют малый уровень акустического излучения,
» имеют сравнительно низкое гидродинамическое сопротивление в "отключенном" состоянии (или могут "складываться" к/в корпус объекта).
На основании указанных особенностей технических систем с колеблющимися крыльями сформировался ряд'направлений их при-
менения. Колеблющееся крыло может
использоваться в качестве основного или дополнительного движителя для надводных и подводных судов и аппаратов,
работать вспомогательным движительным средством, позволяющим экономить топливные ресурсы судна, являясь пассивным или активным устройством преобразования энергии морского волнения,
выполнять специальные функции: такие как функции рулевого устройства, стабилизатора, успокоителя качки.
При гидродинамическом проектировании пропульсивых систем с машущим крылом для получения адекватных практике результатов необходимо корректно учитывать влияние на пропульсивные характеристики различных физических и конструктивных факторов. Так, применение на техническом объекте одиночного крыла может оказаться малоэффективным и не дать требуемых гидродинамических характеристик, поэтому в ряде случаев становит ся целесообразным использовать систему, состоящую из двух и более крыльевых элементов. Лля повышения эффективности могут применяться крыльевые элементы с изменяемой упругостью. Наличие ограничивающих поверхностей - твердого плоского экрана, свободной поверхности, корпуса объекта - является неизбежным физическим факторм, неучет которого может привести к получению некорректных результатов.
Таким образом, теоретическое обобщение и совершенствование математических моделей и численных методов, а также реализация системного подхода, позволяющие решать многофакторные задачи гидродинамики пропульсивных и энергосберегающих систем с колеблющимися крыльевыми элементами, являются актуальной проблемой, имеющей важное научно-практическое значение. Детальное исследование и учет различных физических и конструктивных особенностей возможны лишь на основе разработки корректного математического аппарата, базирующегося на адекватных физическим задачам концепциях, эффективных расчетых методов и современных компьютерных программ.
Целью работы является создание расчетно-теоретических методов определения гидродинамических характерисщкдвижительных комплексов и средств преобразования энергии морского волнения, использующих в своей основе машущее крыло. Лля достижения
поставленной цели в диссертационной работе решевы следующие основные задачи:
разработаны математические модели обтекания колеблющегося одиночного жесткого и упругого крыла, а так же систем гидродинамически взаимодействующих крыльев вблизи ограничивающих поверхностей,
с помощью разработанных моделей на основе системного подхода решены задачи гидродинамического моделирования движи-тельных систем и средств преобразования энергии морского волнения,
проведены систематические исследования гидродинамических характеристик пропульсивных систем в широких диапазонах изменения геометрических, кинематических и массово-жесткостных параметров с учетом ограничений, накладываемых из физических и конструктивных соображений,
рассмотрены задачи построения оптимальных законов движения и специальных режимов функционирования пропульсивных систем,
на базе полученных систематических результатов предложены расчетная (многомерные апроксимационные базы данных) и расчетно-графическал (кривые действия пропульсивных систем) методики для Гидродинамического проектирования оптимальных систем,
с использованием разработанных методик проведено гидродинамическое моделирование пропульсивных систем для натурных подводных и надводных объектов.
Методы исследования. Для решения указанных задач используются методы математической физики, численные и асимптотические методы Ялл линейных и нелинейных моделей теории крыла и профиля, упругой пластины и балки, методы математического программирования.
Практическая ценность. Практическая значимость работы заключается в том, что на основе разработанных математических моделей и методик может проводиться исследовательское гидродинамическое проектирование класса перспективных пропульсивных и энергосберегающих систем, в основе которых используется машущее крыло, применительно к конкретным подводным и надводным судам и аппаратам. С другой стороны выполненные исследования
вносят определенный вклад в решение фундаментальной проблемы -объяснение механизма эффективного плавания и полета живых объектов.
С использованием разработанных математических моделей проведено гидродинамическое проектирование движителя для малой подводной лодки "Афалина", построенной для участия в гонках спортивных аппаратов, приводимых в движение мускульной энергией человека (Флорида, США, 1993 год), а также моделирование работы судового устройства преобразования энергии морского волнения для рыболовного траулера "Балтика".
В период работы по данной тематике автор участвовал в проектировании движительных комплексов указанного типа для прикладных проектов кораблестроения.
Следует отметить, что применяемый к решению проблемы системный подход (на основе общей математической модели) позволяет повысить эффективность проектно-конструкторских разработок новой техники с пропульсивными системами типа машущее крыло. Созданные расчетные методы и программные реализации позволяют получить экономический эффект за счет автоматизации гидродинамических исследований и возможности сокращения сложных и дорогостоящих нестационарных модельных и натурных испытаний.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработаны математические модели и численные методы
расчета гидродинамических характеристик колеблющихся жестких
крыльев, жестких крыльев на упругих связях, частично-упругих и
упругих крыльев и их систем в линейной и нелинейной постановках,
разработана математическая модель динамической системы
'крыло-упругие связи-качающееся судно", как устройства преобра
зования энергии морского волнения и успокоителя качки,
исследовано влияние различных геометрических, кинема
тических, массово-жесткостных параметров и физических факто
ров (ограничивающих поверхностей, конструктивно-компоновочных
схем и др.) на пропульсивные характеристики рассматриваемых
устройств,
исследованы оптимальные законы управления одиночным кры
лом и системой крыльев, как элементами пропульсивной системы;
исследованы специальные режимы функционирования: "резонансные" режимы работы в однородном и неоднородном^волновом)
потоках, режимы благоприятные по кавитационным характеристикам,
даны практические рекомендации для эффективного проектирования пропульсивных систем с колеблющимися крыльевыми элементами.
Достоверность разработанных расчетных методов подтверждается удовлетворительным согласованием полученных численных результатов с известными экспериментальными данными модельных и натурных испытаний (ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского, Новосибирского института инженеров водного транспорта, Института гидромеханики ЛИ Украины, University of Toronto (Канада), Hitachi Shipbuilding and Engineering Co. (Япония), National Defense Academy (Япония), David Taylor Naval Ship Research and Development Center (США) и др.), а также положительной практикой применения разработок в научно-исследовательской и проектно-конструкторской деятельности Лаборатории комплексных систем подводной техники и Межведомственного инженерного центра математического моделирования в судостроении Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих основных научных конференциях: Всесоюзной научной школе "Гидродинамика больших скоростей" (Чебоксары, 1985, 1992, Красноярск, 1987), Научной конференции "Крыловские чтения" (Санкт-Петербург, 1985, 1997), Республиканской конференции по гидромеханике (Киев, 1986), семинарах Центрального правления НТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова "Гидродинамика судна" (Санкт-Петербург, 1985-1987), семинарах ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского "Гидроаэродинамика высоких скоростей" (Москва, 1986, 1987), Совете по гидробионике (Санкт-Петербург, 1987, 1989), конференциях ВМА им. Н.Г. Кузнецова (Санкт-Петербург, 1986, 1987), Международной конференции "HydroSoft" (Санкт-Петербург, 1992), Международной конференции "1NEC 94: Cost. Effective Maritime Defence" (Лондон, Великобритания, 1994), Международной конференции "Плавание и полет в природе и технике" (Санкт-Петербург, 1995), Международной конференции "Моринтех" (Санкт-Петербург, 1995; 1997), XX Симпозиуме по военно-морской гидродинамике "Twentieth Symposium on Naval Hydrodynamics" (Санта-
Барбара, США, 1994), Международной конференции, посвященной 300-летию Российского Флота (Санкт-Петербург, 1996).
Связь с плавом научно-исследовательских работ. Работа выполнена в рамках научных исследований, проводимых в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по программе ГКНТ "Мировой океан", а также текущих планов НИОКР, в которые входили работы данного направления ("Завет-УН", "Гуашь" и др.)
Публикации. Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, отражены в 27 научных публикациях. Ряд результатов содержится в технических отчетах по специальным научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, пяти приложений. Она содержит 435 машинописных страниц, в том числе 8 таблиц, 226 рисунков (116 страниц), библиографию из 412 наименований (41 страница).
