Содержание к диссертации
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 14
2. Усовершенствование численного решения пространственной линеаризированной задачи об определении характеристик обтекания корпуса глиссирующего судна 25
3. Расчетная схема и некоторые вопросы задания ее параметров 28
4. Исследование возможности использования при расчетах упрощенной формы
участка смоченной поверхности корпуса перед реданом 32
5. Расчетное определение влияния удлинения корпуса и числа Фруда на характеристики профилировки днища глиссирующих судов с искусственными кавернами на нем 36
6. Учет работы водометных движителей при теоретическом определении основных параметров профилировки днища глиссирующего судна с искусственной каверной 39
Глава 2. Экспериментальные исследования специальной профилировки днища глиссирующих судов с искусственными кавернами .
7. Характеристики рассматриваемых моделей глиссирующих судов и задачи экспериментальных исследований 43
8. Исследование некоторых физических особенностей обтекания корпуса глиссирующего судна с искусственной каверной на днище 47
9. Результаты экспериментов по поиску специальной профилировки днища глиссирующих судов, обеспечивающей создание эффективных каверн 52
10. Влияние расхода подаваемого в каверну газа на ее характеристики и результаты пересчета данных буксировочных испытаний на натуру 60
Заключение 64
Литература 67
Таблицы 72
Рисунки 79
- Усовершенствование численного решения пространственной линеаризированной задачи об определении характеристик обтекания корпуса глиссирующего судна
- Расчетное определение влияния удлинения корпуса и числа Фруда на характеристики профилировки днища глиссирующих судов с искусственными кавернами на нем
- Исследование некоторых физических особенностей обтекания корпуса глиссирующего судна с искусственной каверной на днище
- Влияние расхода подаваемого в каверну газа на ее характеристики и результаты пересчета данных буксировочных испытаний на натуру
Введение к работе
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 А.В. 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 А.В.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 (Fnv < 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 hT 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 hT принято использовать практичски равное ему возвышение нижней точки пересечения кормового среза и диаметральной плоскости (ДП) над основной плоскостью (ОП). Это возвышение обозначается hK (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 hK 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 Fnv < 3.5 оказалось фактически достаточным определить значения параметров только продольной профилировки днища, а именно высоту hK и угол отгиба днища vj/, (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 Fny от 3.5 до 5. Верхняя граница этого диапазона (Fny - 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 (Fny - 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.
Второй параграф содержит описание необходимых усовершенствований, внесенных в численное решение задачи с целью придания соответствующей программе для ЭВМ возможности выполнять расчеты применительно к случаю нецилиндрической формы днищевой поверхности глиссирующего тела перед реданом, поскольку разработанный А.А.Бутузовым численный метод решения задачи требовал использования допущения о полностью цилиндрической форме участка смоченной поверхности перед реданом. При таком усовершенствовании и рассмотрении глиссирующих судов с искусственными кавернами на днище, практически интересных к настоящему моменту, оказалось необходимым внести некоторые изменения в расчетную схему.
В третьем параграфе приведены результаты исследований, посвященных выбору значений параметров расчетной схемы, т.е. параметров, значения которых задаются на стадии численного решения задачи и непосредственно не характеризуют обтекание корпуса судна.
В четвертом параграфе приводится описание исследований вопроса о возможности упрощения формы участка смоченной поверхности перед каверной, поскольку представленное во втором параграфе усовершенствование численного решения задачи и результаты исследования расчетной схемы, описание которых приведено в третьем параграфе, позволили выполнять расчеты для случаев формы смоченной поверхности перед каверной, весьма близкой к реальной. Это обстоятельство позволило определить условия применимости используемых упрощений формы участка смоченной поверхности перед каверной. Необходимо заметить, что в четвертом параграфе сделан вывод о том, что для большинства интересных с точки зрения практики случаев требуется решать систему линейных алгебраических уравнений настолько высокого порядка, что использование ПЭВМ становится весьма затруднительным. Однако из материалов этого же параграфа следует, что использование допущений о форме участка смоченной поверхности перед каверной позволяет задавать параметры расчетной схемы таким образом, что порядок соответствующей системы линейных алгебраических уравнений становится приемлемым для выполнения расчетов с помощью ПЭВМ.
В пятом параграфе содержатся полученные автором результаты расчетных исследований влияния числа Фруда, вычисленного по максимальной ширине по скуле, и влияния удлинения корпуса на значения параметров продольной и поперечной профилировки днища, обеспечивающие создание на нем эффективной искусственной каверны. Данные этого параграфа представляют интерес, в частности, при проведении предпроектных проработок глиссирующих судов с искусственными кавернами на днище.
В шестом параграфе описаны результаты теоретического определения параметров обтекателя водозаборника водомета, который исключает попадание газа из каверны в водомет. Выбор водомета обусловлен тем фактом, что с точки зрения обеспечения нормальной работы из всех вышеперечисленных типов движителей глиссирующих судов с искусственными кавернами на днище водомет является наиболее сложным.
Вторая глава содержит четыре параграфа и посвящена экспериментальным исследованиям. Седьмой параграф, являющийся первым в этой главе, содержит описание предварительного этапа экспериментальных исследований, который представляет собой выбор геометрии моделей и определение значений параметров весовой нагрузки их корпусов.
Восьмой параграф посвящен исследованиям физических особенностей обтекания корпуса глиссирующего судна с искусственной каверной на днище. Рассматривается вопрос об экспериментальном определении формы поверхности каверны и ее соответствии расчетным данньм и вопрос о влиянии геометрических параметров скегов и формы днищевой ветви кормового шпангоута около них на характеристики искусственной каверны, создаваемой на днище глиссирующего судна.
В девятом параграфе представлено описание направленных на достижение основной цели настоящей работы экспериментальных исследований, т.е. исследований влияния геометрии днища моделей на их гидродинамические характеристики.
В последнем десятом параграфе рассматриваются два вопроса. Первый о влиянии расхода газа, подаваемого в искусственную каверну на днище, на ее эффективность и второй вопрос о пересчете данных буксировочных испытаний моделей глиссирующих судов с искусственными кавернами на днище на натуру.
В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы и показаны перспективы использования полученных результатов.
Усовершенствование численного решения пространственной линеаризированной задачи об определении характеристик обтекания корпуса глиссирующего судна
Необходимость выполнения расчетов для отличной от цилиндрической формы участка смоченной поверхности перед реданом обоснована выше. В предшествующем параграфе, в частности, обоснована целесообразность использования допущения о замене формы участка смоченной поверхности перед каверной на цилиндрическую. Эта замена выполняется для упрощения подбора вида в плане носовой границы смоченной поверхности. Однако является очевидной необходимость выполнения теоретических исследований для случаев формы участка днища перед кромкой редана, близкой к реальной, т. е. отличной от цилиндрической. Описание усовершенствования численного метода решения рассмотренной в предшествующем параграфе задачи, которое позволит выполнять соответствующие расчеты, приведено в настоящем параграфе.
Для рассмотрения данного вопроса необходимо предварительно привести используемую ранее аппроксимацию задаваемой формы смоченной поверхности. Так же как свободная поверхность и поверхность каверны, смоченная поверхность делится линиями, параллельными осям OZ и ОХ, на двумерные интервалы. Поперечные размеры интервалов ( в направлении оси OZ ) выбираются таким образом, чтобы они равнялись поперечным размерам интервалов, на которые разбиты примыкающие к ним участки смоченной поверхности или поверхности каверны. Пример разбиения на полосы смоченной поверхности, примыкающих к ней выше и ниже по потоку участков свободной поверхности и поверхности каверны показан на рис. 2.1. В начале параграфа отмечено, что рассматриваемое усовершенствование численного решения задачи затрагивает только участок смоченной поверхности перед каверной, на рис. 2.1 он располагается носовее кромки редана. Представлен здесь случай цилиндрической формы такого участка и поэтому размеры интервалов его разбиения в направлении оси ОХ могут быть назначены весьма произвольно. В пределах всего рассматриваемого участка смоченной поверхности местный угол атаки является постоянным и поэтому влияет на размеры полос только требование обеспечения стыковки интервалов разной ширины, аналогичной показанной на рис. 2.1. Поперечные размеры полос разбиения свободной поверхности жидкости и поверхности каверны подбираются, как отмечено в предшествующем параграфе, исходя из опубликованных в работах [16,17] рекомендаций. Так согласно этим рекомендациям при отношении рУао = 3, участок свободной поверхности перед глиссирующим телом целесообразно разбивать на десять полос одинаковой ширины, а при отношении (Мхо = 5 количество полос разбиения названного участка свободной поверхности целесообразно увеличить до 12. В работе [17] максимальная ширина полос разбиения области, занятой каверной, вблизи ДП принята равной 0.05 - 0.06В, причем ширина этих полос постепенно по мере удаления от ДП уменьшается в 3 раза.
Очевидно, что при задании участка смоченной поверхности перед каверной не полностью цилиндрической формы должны выполняться следующие условия. Форма участка смоченной поверхности перед реданом должна быть максимально близкой к форме соответствующих участков корпусов реальных глиссирующих судов и в то же время для ее описания при расчетах необходимо использовать по возможности малое количество дополнительных параметров. Эти параметры были выбраны в результате рассмотрения продольных сечений (z = const) смоченной поверхности глиссирующего судна, расположенной перед реданом. Каждое такое сечение было разбито на три участка. На примыкающем к кромке редана участке и на участке, примыкающем к носовой границе смоченной поверхности, местный угол атаки a(x,z) принимался постоянным (но различным на каждом участке). На среднем участке сечения смоченной поверхности глиссирующего судна, расположенного перед реданом, местный угол атаки a(x,z) меняется по линейному закону как показано на рис. 2.2. Там же представлен частный случай названных зависимостей, которому соответствует полностью цилиндрический участок смоченной поверхности перед реданом. Дополнительно на рис. 2.2 представлены сечения смоченной поверхности и поверхности каверны для обоих упомянутых случаев. Дополнительными параметрами, характеризующими форму смоченной поверхности, являются длины участков сечения фрагмента смоченной поверхности перед реданом, в пределах которых местный угол атаки а(х,г) принимается постоянным, и величины местного угла атаки на названных участках. Конкретные значения отмеченных дополнительных параметров определяются исходя из соответствующих данных о форме днища. При этом аппроксимация соответствующей плотности источников, или, что тоже самое, местных углов атаки, по оси OZ оставлена ступенчатой, как это принято ранее.
Накопленный к настоящему времени опыт отработки обводов глиссирующих судов с искусственными кавернами на днище свидетельствует о том, что целесообразно форму днища подбирать таким образом, чтобы его участок, протяженностью в направлении потока не менее 0.2В и примыкающий к кромке редана, являлся цилиндрическим. Надо заметить, что он, как правило, выбирается плоско кил еватым. На рис. 2.3 показан вид в плане смоченной поверхности с цилиндрическим участком днища перед реданом указанного выше размера.
Очевидно, необходимо размеры, а, следовательно, и количество полос разбиения участка смоченной поверхности перед каверной назначать с учетом формы соответствующих участков шпангоутов. Пример аппроксимации криволинейного и прямолинейного участков шпангоутов приведен на рис. 2.4. Ясно также, что при росте кривизны сечения участка смоченной поверхности плоскостью шпангоута количество полос разбиения названного участка следует увеличивать. Кроме того ясно, что стыковка интервалов разбиения смоченной поверхности различной ширины возможна только на цилиндрическом ее участке. Последнее обстоятельство означает, что в случае отсутствия цилиндрического участка смоченной поверхности, примыкающего к кромке редана, необходимо обеспечить равенство поперечных размеров полос разбиения поверхности каверны и полос разбиения участка свободной поверхности перед глиссирующим телом. На рис. 2.5 показано выполненное с учетом вышеперечисленных требований разбиение на полосы смоченной поверхности, вид в плане которой приведен на рис. 2.3. Здесь же показано также разбиение участка смоченной поверхности на двумерные интервалы.
Приведенные выше соображения о назначении поперечных размеров полос разбиения полностью и не полностью цилиндрического участков смоченной поверхности перед каверной свидетельствуют о том, что в случае формы названного участка смоченной поверхности, отличной от полностью цилиндрической, требуется значительное увеличение количества полос разбиения участка свободной поверхности перед глиссирующим телом и, возможно, участка, занятого каверной, при соответствующем уменьшении ширины полос. Вопрос выбора конкретных значений ширины и количества названных полос рассмотрен в следующем параграфе.
Во введении отмечено, что к параметрам расчетной схемы относятся те параметры, которые непосредственно не характеризуют обтекание корпуса глиссирующего судна и задаются только на стадии численного решения задачи. Такими параметрами являются протяженность участка свободной поверхности перед глиссирующим телом i и за ним Х2, расстояние между стенками канала b (см. рис. 1.36 ), максимальные размеры в направлении потока фиктивных поверхностей и размеры интервалов разбиения (их длина и ширина) участка свободной поверхности и поверхности каверны. Исследования, целью которых было получение рекомендаций по заданию значений вышеперечисленных параметров, были выполнены А.А.Бутузовым до начала работы автора над диссертацией. Их результаты опубликованы, в частности для случая отсутствия каверны в работе [16]. С учетом упомянутых результатов могут назначаться величины X,i,X,25b и поперечные размеры интервалов разбиения участка свободной поверхности.
Расчетное определение влияния удлинения корпуса и числа Фруда на характеристики профилировки днища глиссирующих судов с искусственными кавернами на нем
Целесообразность использования при расчетах формы участка корпуса судна перед реданом, которая рассматривается как полностью цилиндрическая, обоснована в первом параграфе. Описанное во втором параграфе усовершенствование численного метода решения задачи и выводы, полученные в ходе описанных в предшествующем параграфе исследований, позволяют выполнять расчеты для не упрощенной, т.е. для реальной, формы участка смоченной поверхности перед каверной. Следовательно, используя упомянутые выше материалы, можно расчетным путем оценить погрешность, обусловленную заменой участка смоченной поверхности на цилиндрический и определить условия применимости такой замены. Соответствующие исследования описываются в настоящем параграфе.
Принятый в работе метод расчетного определения эффективной профилировки днища предполагает заданным угол атаки, или, что тоже самое, угол ходового дифферента, 0 как один из параметров посадки. Поскольку заранее неизвестно, каким именно следует задать этот параметр, вообще говоря, необходимо проводить расчеты для диапазона изменения ао, т.е. фактически p/cto. Проведение расчетов для реального диапазона значений этого отношения стало возможным благодаря результатам выполненных автором исследований, приведенных в предшествующем параграфе. По этой причине в настоящем параграфе рассматривается вопрос об определении влияния изменения отношения р/осо на результаты расчетов геометрических характеристик обтекания глиссирующего тела с искусственной каверной. Этот вопрос рассматривается только применительно к случаю полностью цилиндрического участка смоченной поверхности перед каверной поскольку, как будет показано далее, замена формы участка смоченной поверхности на цилиндрическую допустима в большинстве практически интересных случаев.
Выше было показано, что эффективная с точки зрения снижения гидродинамического сопротивления профилировка днища при подходящем задании вида каверны в плане определяется в основном геометрией его кормового участка, которая должна обеспечить давление в каверне, равное половине максимально возможного теоретического. На основании такого вывода в качестве результатов расчетов в настоящем параграфе рассматриваются днищевые участки кормовых шпангоутов, обеспечивающие отмеченное давление в каверне.
Первоначально рассматривается вопрос о возможности замены участка смоченной поверхности перед каверной на цилиндрический.
При выполнении расчетов, имеющих целью проверку возможности такой замены, сравнивались результаты, полученные для четырех корпусов, удлинения двух из которых равнялись 3.9, а двух других - 5. Указанные удлинения определялись из следующих условий. Отношению максимальной длины корпуса Lmax к максимальной ширине по скуле В, равному 3.9, соответствует деление корпуса на 22 теоретические шпации при расположении перпендикулярного ДП участка кромки редана на десятом теоретическом шпангоуте. Отношение удаления от кормового среза точки пересечения ДП и кромки редана LR к Lmax в этом случае равнялось 0.45. В случае отношения Lmax/B, равного 5, корпус делился на 21 теоретическую шпацию, точка пересечения ДП и кромки редана располагалась на девятом теоретическом шпангоуте и отношение LR/Lmax в этом случае равнялось 0.525. Выбранные значения Lmax/B близки к минимальному и максимальному удлинениям корпусов глиссирующих судов с кавернами на днище. Указанные значения LR/Lmax (равные 0.45 и 0.525) также соответствуют встречающимся на практике. Форма днища одного из корпусов одинакового удлинения имела полностью цилиндрический участок смоченной поверхности перед реданом, а форма аналогичного участка второго корпуса определялась как типичная исходя из имеющихся данных об обводах глиссирующих судов с кавернами и без них. Согласно этим данным, примыкающий к кромке редана участок днища длиной около 0.2В всегда был цилиндрическим. Иными словами, рассматривалось изменение формы того участка смоченной поверхности перед каверной, который несколько удален от каверны в направлении носа. Угол внешней килеватости вблизи редана задавался одинаковым. Теоретические чертежи фрагментов вариантов корпусов с гладким днищем (т.е. без специальной профилировки под каверну), имеющих не полностью цилиндрическую поверхность перед реданом, показаны на рис. 4.1 - 4.4.
Была принята одинаковая форма криволинейных участков сечений смоченной поверхности плоскостями батоксов, что показано на рис. 4.2 и 4.4. Такое задание формы названных участков объясняется отмеченной выше высокой трудоемкостью подбора вида в плане носовой границы смоченной поверхности.
Во введении было отмечено, что эффективная каверна должна иметь большую площадь в плане. В то же время очевидно, что для формирования каверны длина участка смоченной поверхности перед ней не должна быть слишком малой, а иметь какую - то приемлемую величину1. При изменении удлинения корпуса менялись только длина каверны и длина скегов.
Заметим, что указанным выше двум значениям удлинения (Lmax/B - 3.9, LR/LmaX =0.45 и Lmax/B = 5, LR/Lmax =0.525) соответствуют одинаковые смоченные участки днища перед реданом. Рассматриваемые значения отношения LR/Lmax равнялись 1.78 и 2.54, виды в плане смоченных поверхностей показаны на рис. 4.5.
Значения всех рассматриваемых чисел Фруда, вычисленных по максимальной ширине по скуле, которые далее будут обозначены Fni , подбирались с учетом цели настоящей работы, предполагающей рассмотрение высокоскоростных глиссирующих судов.
Выбранные значения этого параметра равнялись 3.16 и 4.08. Заметим, что в случае катера водоизмещением 25т (при удлинениях от 3.9 до 5) соответствующие скорости его движения лежат в пределах 37-42 уз. и 48-53 уз.
На рис. 4.6 - 4.9 показаны полученные в результате расчетов днищевые ветви кормовых шпангоутов, обеспечивающие давление в каверне, равное половине максимально возможного теоретического, которое далее в работе будет обозначено Арк . Из этих рисунков видно, что при всех выбранных значениях
Такая величина устанавливается экспериментально, как величина, не допускающая срыва каверны в результате стравливания газа из нее в сторону носа при небольших колебаниях модели. удлинений корпуса и параметрах Fnb при наличии перед реданом цилиндрического участка корпуса длиной не менее 0.2В, замена участка смоченной поверхности на полностью цилиндрический с условием постоянства угла внешней килеватости на редане не приводит к заметному искажению результатов расчетов эффективной профилировки днища.
При рассмотрении вопроса об определении влияния изменения отношения р/а0 на эффективную профилировку днища сравнивались расчетные формы и возвышения над ОП днищевого участка кормового шпангоута, обеспечивающие давление в каверне, равное Ар/, Для значений отношения р/ао, равных 8.35 и 5. Такие значения примерно равны границам диапазона значений названного отношения, типичных для интересных с точки зрения цели данной работы судов. Так, при одном из наиболее интересных с точки зрения практики проектирования глиссирующих судов с искусственными кавернами на днище значении р, равном 15, соответствующие значения ао будут равняться 1.8 и 3.
Исследование некоторых физических особенностей обтекания корпуса глиссирующего судна с искусственной каверной на днище
Настоящий параграф содержит результаты исследований двух вопросов. Первый вопрос об экспериментальном определении формы поверхности каверны и ее соответствии расчетным данным. Такая информация весьма полезна при выборе геометрии скегов и участков днищевых ветвей кормовых шпангоутов вблизи них. Дело в том, что, как уже было отмечено выше, с помощью линейной теории невозможно получать объективную информацию о течении в этом районе, которая позволила бы дать рекомендации по рациональному заданию геометрии скегов и участка днища вблизи них2.
Вторым рассматриваемым в настоящем параграфе вопросом является вопрос о влиянии геометрических параметров скегов и формы днищевой ветви кормового шпангоута около них на характеристики создаваемой на днище глиссирующего судна искусственной каверны и его гидродинамическое сопротивление при значениях параметра Fnv, превышающих 4. Напомним, что в отмеченных во введении работах [14,35] приводятся результаты, относящиеся к меньшим значениям Fnv.
Эксперимент, целью которого было определение формы поверхности искусственной каверны, создаваемой на днище глиссирующего судна, представлял собой буксировочные испытания модели II. В процессе этих испытаний измерялись вертикальные отстояния двадцати точек поверхности каверны от четвертой теоретической ватерлинии модели, скорость движения модели, ее ходовой дифферент ао и избыточное давление в каверне Дрк. Кроме того, визуально фиксировались положения носовой границы смоченной поверхности и границы замыкания каверны. Значение Fnv равнялось 4.4. Расположения точек, в которых измерялись упомянутые отстояния поверхности каверны от четвертой теоретической ватерлинии, показаны на рис. 8.1. Очевидно, что определение формы поверхности каверны следует проводить только для того случая, когда эффективность каверны установлена на опыте. Такие опыты были проведены предварительно, причем первоначальная геометрия днища назначалась по расчетным данным, приведенным в пятом параграфе. Измерения отстояний точек поверхности каверны от ОП выполнялось для благоприятного варианта геометрии днища, т. е. для варианта, обеспечивающего требуемые характеристики каверны. Вид редана и скегов в плане, а также днищевая ветвь кормового шпангоута этого варианта показаны нарис. 8.1 и 8.2.
Исходные данные для расчетов подбирались таким образом, чтобы обеспечить по возможности максимальное соответствие экспериментальных и теоретических характеристик модели, а форма корпуса модели соответствовала требованиям, предъявляемым используемыми в теории допущениями.
Перед изложением результатов следует остановиться на методике экспериментального определения формы поверхности каверны. Как отмечено Используемая линейная теория позволяет получить такую информацию лишь в частном случае, при котором скеги имеют большую стреловидность, а корпус сильно сужается к корме. выше, измерялись отстояния точек поверхности каверны от четвертой теоретической ватерлинии. Измерения выполнялись с помощью электромеханического контактного датчика, аналогичного описанному в работе [43]. Он состоял из устройства для крепления и измерения перемещения контактной иглы, позволяющего ей двигаться только в вверх или вниз, и электрической схемы для фиксации момента касания иглой поверхности каверны. Игла перемещалась вручную, и при касании иглой поверхности воды замыкалась электрическая цепь, о чем сигнализировал светодиод. Используемый датчик отличался от описанного в работе [43] только несколько уменьшенным диапазоном измерения и наличием дистанционного управления перемещением иглы. Также, как и при описанных в работе [43] испытаниях фиксировались два значения перемещения иглы, первому из которых соответствовало одно кратковременное касание иглой поверхности каверны за 2 - 3 секунды, а второму значению перемещения иглы соответствовало одно кратковременное отсутствие контакта иглы с водой за 2 - 3 секунды. Таким образом, в качестве результата измерений рассматривались два значения перемещения иглы, что отражено при представлении результатов.
Сравнение теоретических и экспериментальных сечений поверхности каверны параллельными и перпендикулярными ДП плоскостями приведено на рис. 8.2 - 8.10. В соответствии с приведенной выше информацией об эксперименте на каждом из этих рисунков показано по две линии для каждого сечения поверхности каверны. Испытания проводились для значений Св и Xg, отмеченных в предшествующем параграфе, а именно для значения Св, равного 0.502, и значений Xg, равных 0.37 и 0.34. Особо следует отметить выбор значения расхода подаваемого в каверну газа. Здесь и далее в работе целесообразно в качестве безразмерного расхода взять отношение объема подаваемого в каверну за секунду газа т.е. размерного расхода к объемному водоизмещению модели, поскольку при испытаниях расход не менялся при изменении скорости. Безразмерный расход будет обозначаться Q, и в данном случае он равнялся 0.14. Такое значение Q выбрано на основании исследований, описание которых будет приведено в десятом параграфе. Ввиду того обстоятельства, что значение Q, равное 0.34, является основным, применительно к нему были определены положения некоторых характерных точек поверхности каверны, но они оказались практически совпадающими с соответствующими значениями, полученными для расхода Q, равного 0.14. По этой причине и с учетом простоты обеспечения меньшего расхода измерения положения точек поверхности каверны выполнялись для значения Q, равного 0.14.
Полученные при эксперименте значения углов ходового дифферента были равны 3.2 при Xg, равном 0.37 и 3.15 при Xg, равном 0.34. Расчеты выполнялись для одного значения угла ходового дифферента, равного 3.3.
Полученные экспериментально и теоретически сечения поверхности каверны параллельными ДП плоскостями представлены на рис. 8.3 и 8.4, перпендикулярными ДП плоскостями на рис. 8.5 - 8.10. Следует отметить в общем приемлемое качественное согласование экспериментальных и теоретических сечений поверхности каверны, а также количественное согласование сечений вблизи ДП и в районе кормового среза днища. Следует также обратить внимание на то обстоятельство, что вблизи скега поверхность каверны располагается заметно ниже его внутренней кромки. Разница заглублений скега и поверхности каверны вблизи него такова, что позволяет предполагать возможность уноса газа из каверны не только через заднюю границу, но и через ее боковую границу.
С целью исследования влияния геометрических параметров скегов и формы днищевой ветви кормового шпангоута около них на характеристики создаваемой на днище глиссирующего судна искусственной каверны и его гидродинамическое сопротивление были проведены буксировочные испытания трех вариантов модели II.
Скеги первого варианта имели некоторую стреловидность, выбранную согласно накопленному опыту отработки обводов глиссирующих судов с кавернами на днище, расчетные значения Fnv которых не превышают 4. Вид в плане скегов первого варианта представлен на рис. 8.11. Исходя из соображений о росте эффективности каверны при увеличении ее площади в плане скеги второго и третьего вариантов (выбраны совпадающими) отличались от скегов первого варианта уменьшенной площадью в плане, как показано на рис. 8.11.
Влияние расхода подаваемого в каверну газа на ее характеристики и результаты пересчета данных буксировочных испытаний на натуру
Для величины NQ буксировочная мощность натурного катера определяется как произведение его скорости и буксировочного сопротивления, которое рассчитывается с помощью разработанного ранее А.А.Бутузовым способа, в основе которого лежит метод Фруда. Ввиду особенностей формы смоченной поверхности используется не одна, а три эквивалентные пластины как показано на рис. 10.7. Первая пластина соответствует носовому участку смоченной поверхности, вторая -скегам, третья - участку смоченной поверхности позади каверны. Для определения сопротивления каждой пластины применяется формула Прандтля - Шлихтинга, затем результаты суммируются. Следует отметить, что использование этого приема для третьего участка смоченной поверхности менее корректно, нежели для двух других участков, ввиду наличия воздушных пузырьков, колебаний границ смоченной поверхности и иных явлений. Однако в силу малости площади третьей эквивалентной пластины соответствующая ей составляющая сопротивления должна вносить незначительный удельный вклад в общее сопротивление и, следовательно, ее влияние на общую погрешность должно быть слабым.
На рис. 10.8 показаны зависимости обратного качества s от числа Fnv для натурного катера водоизмещением 30 т, форма корпуса и параметры нагрузки которого соответствуют форме корпуса и параметрам нагрузки основной модели. Расчеты выполнялись с помощью описанного выше способа и по кубу масштаба применительно к случаям наличия и отсутствия каверны. При расчетах сопротивления натуры по методу Фруда надбавка на шероховатость назначалась равной 0.2» 10"3. Из этого рисунка видно, что при значениях Fnv, равных 4 и 5, выигрыш сопротивления AR модели составляет 22 и 25% соответственно, а для натуры значения параметра AR равны 16 и 20%. Такое изменение объясняется тем, что вклад сопротивления трения у модели больше, чем у натуры. Необходимо отметить, что несмотря на то обстоятельство, что имеет место некоторое снижение выигрыша сопротивления при переходе от модели к натуре, он остается весьма значительным.
Получение информации о величине участков смоченной поверхности является весьма трудоемким и поэтому наиболее полная информация такого рода получена только для одной модели, которая ранее не рассматривалась, и далее будет называться второй вспомогательной моделью. Ее параметры близки к соответствующим параметрам основной модели. Удлинение этой модели равнялось 4.6 против 4.57 у основной модели, отношение Lmax/LR равнялось 2.15 против 2.13 у основной модели, отношение LR/ВСШ составляло 2.14 против 2.14 у основной модели. Угол внешней килеватости р второй вспомогательной и основной моделей равнялся 15. Значения отношений отстояния центра тяжести от кормового среза к Lmax Xg второй вспомогательной модели были равными 0.39 и 0.34 против 0.4 и 0.35 у основной модели. Значение коэффициента Св второй вспомогательной модели равнялось 0.489 против 0.454 у основной модели, а коэффициент CLB был равен 0.0499 против 0.046 у основной модели.
На рис. 10.9 и 10.10 представлены зависимости обратного качества є от числа Fnv для второй вспомогательной модели и соответствующего ей катера водоизмещением 29 т, определенные описанным выше способом. Дополнительно на рис. 10.11 и 10.12 приведены зависимости угла ходового дифферента от числа Fnv. Первоначально надо обратить внимание на то, что представленные на рис. 10.9 - 10.12 результаты позволяют считать гидродинамические характеристики второй вспомогательной модели близкими к соответствующим характеристикам основной модели. Значение параметра AR при Fnv, равном 4, для носовой центровки, составляет 13% против 18% у основной модели. При Fnv, равном 5, значение этого параметра составляет 22% против 26% у основной модели. При Fnv, равном 5.5, у обеих моделей AR составляет 26%. Параметр AR применительно к натуре при тех же значениях числа Fnv и носовой центровке для второй вспомогательной модели равняется 9, 15 и 16 % соответственно, а для основной модели эти значения равняются 16, 20 и 18%. Необходимо отметить, что при расчетах сопротивления натурного катера, соответствующего второй вспомогательной модели, надбавка на шероховатость взята равной 0.4 »10" . Такое значение надбавки на шероховатость назначено на основании результатов натурных испытаний катеров «Муфлон» и «Мустанг - 1». Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что при переходе от модели к натуре эффективность создаваемой на днище глиссирующего катера искусственной каверны остается достаточно высокой, несмотря на уменьшение составляющей трения.
Кроме сопротивления, представляют большой интерес зависимости буксировочной мощности Ре натурного катера без каверны от скорости и их сравнение с аналогичными зависимостями суммы буксировочной мощности натурного катера с каверной и мощности, необходимой для поддержания каверны. Такие зависимости приведены на рис. 10.13 и 10.14. При их расчетах использованы рассмотренные выше зависимости параметра є от числа Fnv для натурного катера. Полученные результаты свидетельствуют о том, что сумма буксировочной мощности натурного катера с искусственной каверной на днище и мощности, необходимой на подачу газа в каверну, остается заметно меньше буксировочной мощности соответствующего катера без каверны. Дополнительно на рис. 10.13 показан пример определения увеличения скорости, обусловленного наличием искусственной каверны на днище, при условии постоянной буксировочной мощности. Так, нетрудно видеть, что при буксировочной мощности, равной 1000 кВт, скорость катера без каверны составит 38 уз, а с каверной 43 уз, при буксировочной мощности 1500 кВт скорости будут равны 48.6 уз и 53.5 уз соответственно.
![Интравитреальное применение электролизного раствора гипохлорита натрия в ходе витрэктомии при лечении экзогенного бактериального эндофтальмита (экспериментальное исследование) [Электронный ресурс]](/i/i/4422/179805.png "Интравитреальное применение электролизного раствора гипохлорита натрия в ходе витрэктомии при лечении экзогенного бактериального эндофтальмита (экспериментальное исследование) [Электронный ресурс] Юдина Нина Николаевна")