Содержание к диссертации
Введение
1 Принятые обозначения 4
2 Введение. Постановка задачи 5
3 Влияние шероховатости поверхности тела на сопротивление трения 9
3,1 Методах расчёта турбулентного пограничного слоя на шероховатой поверхности 9
3.2 Определение турбулентной кинематической вязкости на Основе теории подобия и размерностей 16
З. Теоретическая оценка влияния продольной ребристости Поверхности на её сопротивление при турбулентном режиме Обтекания 19
3.4 Профиль скорости на шероховатой поверхности в Пристеночной области 25
3.5 Определение функции шероховатости по профилям скорости в Пристеночной области 30
3.6 Расчёт функции шероховатости на основе упрощённых Предположений 34
3.7 Шероховатость поверхности подводного объекта 39
3.8 Описание образцов резинового покрытия 43
3.9 Приближённый метод определения функции шероховатости Для поверхности, имеющей углубления 48
3.10 Определение функции шероховатости для поверхности, имеющей выпуклые швы 53
3.11 Дополнительное сопротивление па, связанное с наличием глухих ниш, образующихся в резиновом покрытии при потере его отдельных листов 57
3.12 Дополнительное сопротивление, связанное с обтеканием Решёток балластных цистерн па 61
3.13 Влияние волнистости поверхности резинового покрытия Па на его сопротивление 62
4 Влияние шероховатости поверхности тела на Распределение давления по его контуру 67
4.1 Влияние несимметричной шероховатости крыльев на их Гидродинамические характеристики 67
4.2 Влияние несимметричной шероховатости подводного Аппарата на его гидродинамические характеристики 70
5 Влияние шероховатости поверхности корпуса На поле скоростей в диске гребного винта . 72
6 Заключение. Основные результаты, полученные в работе 75
7 Литература 76
- Введение. Постановка задачи
- Теоретическая оценка влияния продольной ребристости Поверхности на её сопротивление при турбулентном режиме Обтекания
- Расчёт функции шероховатости на основе упрощённых Предположений
- Влияние несимметричной шероховатости подводного Аппарата на его гидродинамические характеристики
Введение к работе
Постановка задачи.
Поверхности всех реальных судостроительных конструкций, обтекаемых потоком жидкости, имеют вполне определённую шероховатость. Размеры элементов шероховатости, особенности их формы и взаимного расположения существенно влияют на течение в пристеночной области, а следовательно и на суммарные гидродинамические характеристики обтекаемых тел. Поэтому, начиная с известной работы Фруда [46], многие исследователи изучали влияние шероховатости поверхности при внешнем обтекании различных тел (влияние шероховатости стенки на пограничный слой) и при течении жидкости в трубах. Из иностранных учёных следует упомянуть Г. Кемпфа [53], Г. Шлихтинга [40], Л. Прандтля [61], Н. Никурадзе [60], К. Вигхардта [71], С. Хорнера [47]. В нашей стране обстоятельные работы по взаимодействию шероховатой поверхности с потоком жидкости выполнили Н.Г. Ханович [37], Л.Г. Лойцянский [23], К.К. Федяевский [35, 36], В.Ф. Дробленков [10], А.Д. Альтшуль [1], В.Б. Амфилохиев [2, 3], Ф.М. Кацман [16], Л.Б. Амфилохиев [4], А.П. Зегжда [13], Ф.А. Шевелёв [39], М.Д. Миллионщиков [24, 25]. Особо необходимо отметить монографию В.Н. Михайлова и Г.Н. Ткачука [26], в которой наряду с собственными работами авторов обобщены все основные исследования по шероховатости, выполненные до семидесятых годов прошедшего столетия. В восьмидесятых годах фундаментальные исследования по влиянию шероховатости на сопротивление крупнотоннажных судов в ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова были проведены B.C. Шлаковым, В.М. Штумпфом, Г.И. Каневским, М.П. Лобачёвым. Ими была разработана методика экспериментального определения функции шероховатости для реальных судовых покрытий гражданских крупнотоннажных судов [41], позволяющая оценить сопротивление трения последних для натурных чисел Рейнольдса. Применение искусственной шероховатости поверхности моделей наряду с добавлением высокомолекулярных добавок в водную среду, где движется модель, осуществлялось в исследованиях О.П. Орлова [29], посвященных важнейшей практической задаче — созданию при модельном эксперименте условий обтекания близких к обтеканию натурных кораблей и судов, а также рассматривалось в работе Г.В. Андерсона, В.М. Котловича, В.Д. Комракова, В.А. Крупина.
Обстоятельный обзор работ по влиянию шероховатости на турбулентные пограничные слои опубликован Б.А. Кадером и A.M. Ягломом [14].
Наряду с отрицательным влиянием шероховатости на сопротивление хорошообтекаемых тел, в случае обтекания тел с отрывом потока (шар, поперечное обтекание кругового цилиндра) в определённом диапазоне чисел Рейнольдса наличие шероховатости на поверхности может приводить к снижению сопротивления ( известный опыт Прандтля с кольцом на шаре ), что связано с влиянием шероховатости на переход ламинарной формы течения в пограничном слое к турбулентному состоянию. Указанное обстоятельство широко используется при моделировании, когда с помощью искусственных турбулизаторов создают нужный режим течения в пристеночной области [7]. Сходственные явления были использованы А.И. Короткиным, Г.В. Перегудовым, В.А. Тюшкевичем [33] при разработке метода моделирования обтекания тел вращения при больших углах атаки. Этот же метод моделирования был использован М.П. Лебедевой и Е.П. Николаевым [58, 59] при испытаниях надводных моделей в циркуляционном бассейне.
В последние годы появился ряд новых проблем, связанных с шероховатостью обтекаемой поверхности. В частности выявилась возможность снижения гидродинамического сопротивления с помощью продольных рёбер, расположенных на обтекаемой поверхности [18, 34, 70]. Кроме того, появились самополирующиеся покрытия, заметно снижающие сопротивление поверхности корпуса судна по сравнению с обычными противообрастающими красками.
В других областях гидродинамики судна также появились две новые задачи, связанные с шероховатостью поверхности, в частности с несимметричным обрастанием в процессе эксплуатации корпуса и выступающих частей подводного аппарата. Одна из них проявилась в нарушении балансировочных режимов движения на прямом курсе, когда для удержания постоянной глубины погружения аппарата приходилось перекладывать горизонтальные рули на угол порядка 10 градусов. Вторая проблема связана с искажением поля продольных скоростей в диске гребного винта при несимметричном обрастании корпуса, или при несимметричном нарушении целостности специальных покрытий (несимметричный отрыв листов покрытия). Искажение поля скоростей в диске гребного винта, как правило, ведёт к ухудшению условий его работы и к увеличению переменных сил, возникающих на винте.
Следует отметить, что с началом XXI века вопрос определения сопротивления для произвольных шероховатых поверхностей продолжает оставаться актуальной областью гидромеханики судна, о чём свидетельствуют новые публикации на данную тему [5, 8, 15, 21, 22, 27, 28, 30-32, 42-44,49, 50, 52, 54, 56, 63, 70].
Целью настоящей диссертационной работы является дополнение существующих знаний о влиянии шероховатости обтекаемой поверхности различных объектов на их гидродинамические характеристики путём решения следующих новых задач:
- применение методики определения функции шероховатости, разработанной B.C. Шлаковым, В.М. Штумпфом, Г.И. Каневским,М.П. Лобачёвым, к подводным объектам с учётом специфики их общей и местной шероховатости;
- создание расчётного метода нахождения функции шероховатости для поверхностей с регулярной шероховатостью различного вида;
- уточнение методики определения сопротивления трения подводных объектов с учётом особенностей общей и местной шероховатости их поверхности, а также фактора обрастания;
- исследование влияния несимметрии в распределении шероховатости по поверхности крыльев и тел вращения на их гидродинамические характеристики;
- экспериментальное изучение влияния шероховатости поверхности подводных объектов на поле средних скоростей в диске гребного винта.
В проведении экспериментальных исследований, результаты которых изложены в диссертации, принимали участие,, наряду с автором, сотрудники 21 лаборатории ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, фамилии которых указаны в соответствующих разделах работы.
Диссертация состоит из трёх глав, заключения, списка литературы и приложения. В первой главе (раздел 3) рассмотрены вопросы, относящиеся к влиянию шероховатости на сопротивление кораблей и судов. В этой главе изложены следующие новые результаты:
- предложен упрощённый метод расчёта функции шероховатости для поверхности с регулярными элементами шероховатости;
- разработан метод определения функции шероховатости на базе минимального количества экспериментальных замеров;
- исследовано влияние обрастания поверхности на величину функции шероховатости для различных морских акваторий;
- выполнена теоретическая оценка влияния продольной ребристости поверхности на её сопротивление при турбулентном режиме обтекания;
- разработана методика расчётного определения, сопротивления подводного объекта при реальном состоянии его поверхности.
Вторая глава (раздел 4) посвящена новому вопросу - исследованию влияния шероховатости на суммарные гидродинамические усилия, действующие на тела при их движении в жидкости. Впервые представлены результаты опытов по определению коэффициентов подъёмной силы крыльев при различном характере распределения шероховатости по их поверхности. Новыми являются также данные по гидродинамическим характеристикам подводных объектов при симметричном и несимметричном характере распределения шероховатости по корпусу, органам стабилизации и управления.
Третья глава (раздел 5) содержит материалы, позволяющие оценить воздействие шероховатости поверхности корпуса и выступающих частей подводного объекта на поле продольных скоростей в диске гребного винта. Результаты опытов, проведённых в аэродинамической трубе, показали существенное влияние закона распределения шероховатости на поле скоростей, что указывает на необходимость учёта этого фактора при определении изменения акустической заметности подводного объекта в процессе эксплуатации, когда состояние поверхности изменяется. Указанные материалы получены впервые.
Литература содержит 71 наименований, среди которых представлено 3 работы автора по теме диссертации. В приложении помещено 5 таблиц и 51 рисунок.
Введение. Постановка задачи
Поверхности всех реальных судостроительных конструкций, обтекаемых потоком жидкости, имеют вполне определённую шероховатость. Размеры элементов шероховатости, особенности их формы и взаимного расположения существенно влияют на течение в пристеночной области, а следовательно и на суммарные гидродинамические характеристики обтекаемых тел. Поэтому, начиная с известной работы Фруда [46], многие исследователи изучали влияние шероховатости поверхности при внешнем обтекании различных тел (влияние шероховатости стенки на пограничный слой) и при течении жидкости в трубах. Из иностранных учёных следует упомянуть Г. Кемпфа [53], Г. Шлихтинга [40], Л. Прандтля [61], Н. Никурадзе [60], К. Вигхардта [71], С. Хорнера [47]. В нашей стране обстоятельные работы по взаимодействию шероховатой поверхности с потоком жидкости выполнили Н.Г. Ханович [37], Л.Г. Лойцянский [23], К.К. Федяевский [35, 36], В.Ф. Дробленков [10], А.Д. Альтшуль [1], В.Б. Амфилохиев [2, 3], Ф.М. Кацман [16], Л.Б. Амфилохиев [4], А.П. Зегжда [13], Ф.А. Шевелёв [39], М.Д. Миллионщиков [24, 25]. Особо необходимо отметить монографию В.Н. Михайлова и Г.Н. Ткачука [26], в которой наряду с собственными работами авторов обобщены все основные исследования по шероховатости, выполненные до семидесятых годов прошедшего столетия. В восьмидесятых годах фундаментальные исследования по влиянию шероховатости на сопротивление крупнотоннажных судов в ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова были проведены B.C. Шлаковым, В.М. Штумпфом, Г.И. Каневским, М.П. Лобачёвым. Ими была разработана методика экспериментального определения функции шероховатости для реальных судовых покрытий гражданских крупнотоннажных судов [41], позволяющая оценить сопротивление трения последних для натурных чисел Рейнольдса. Применение искусственной шероховатости поверхности моделей наряду с добавлением высокомолекулярных добавок в водную среду, где движется модель, осуществлялось в исследованиях О.П. Орлова [29], посвященных важнейшей практической задаче — созданию при модельном эксперименте условий обтекания близких к обтеканию натурных кораблей и судов, а также рассматривалось в работе Г.В. Андерсона, В.М. Котловича, В.Д. Комракова, В.А. Крупина.
Обстоятельный обзор работ по влиянию шероховатости на турбулентные пограничные слои опубликован Б.А. Кадером и A.M. Ягломом [14].
Наряду с отрицательным влиянием шероховатости на сопротивление хорошообтекаемых тел, в случае обтекания тел с отрывом потока (шар, поперечное обтекание кругового цилиндра) в определённом диапазоне чисел Рейнольдса наличие шероховатости на поверхности может приводить к снижению сопротивления ( известный опыт Прандтля с кольцом на шаре ), что связано с влиянием шероховатости на переход ламинарной формы течения в пограничном слое к турбулентному состоянию. Указанное обстоятельство широко используется при моделировании, когда с помощью искусственных турбулизаторов создают нужный режим течения в пристеночной области [7]. Сходственные явления были использованы А.И. Короткиным, Г.В. Перегудовым, В.А. Тюшкевичем [33] при разработке метода моделирования обтекания тел вращения при больших углах атаки. Этот же метод моделирования был использован М.П. Лебедевой и Е.П. Николаевым [58, 59] при испытаниях надводных моделей в циркуляционном бассейне.
В последние годы появился ряд новых проблем, связанных с шероховатостью обтекаемой поверхности. В частности выявилась возможность снижения гидродинамического сопротивления с помощью продольных рёбер, расположенных на обтекаемой поверхности [18, 34, 70]. Кроме того, появились самополирующиеся покрытия, заметно снижающие сопротивление поверхности корпуса судна по сравнению с обычными противообрастающими красками.
В других областях гидродинамики судна также появились две новые задачи, связанные с шероховатостью поверхности, в частности с несимметричным обрастанием в процессе эксплуатации корпуса и выступающих частей подводного аппарата. Одна из них проявилась в нарушении балансировочных режимов движения на прямом курсе, когда для удержания постоянной глубины погружения аппарата приходилось перекладывать горизонтальные рули на угол порядка 10 градусов. Вторая проблема связана с искажением поля продольных скоростей в диске гребного винта при несимметричном обрастании корпуса, или при несимметричном нарушении целостности специальных покрытий (несимметричный отрыв листов покрытия). Искажение поля скоростей в диске гребного винта, как правило, ведёт к ухудшению условий его работы и к увеличению переменных сил, возникающих на винте.
Следует отметить, что с началом XXI века вопрос определения сопротивления для произвольных шероховатых поверхностей продолжает оставаться актуальной областью гидромеханики судна, о чём свидетельствуют новые публикации на данную тему [5, 8, 15, 21, 22, 27, 28, 30-32, 42-44,49, 50, 52, 54, 56, 63, 70].
Целью настоящей диссертационной работы является дополнение существующих знаний о влиянии шероховатости обтекаемой поверхности различных объектов на их гидродинамические характеристики путём решения следующих новых задач:
зтеоретическая оценка влияния продольной ребристости Поверхности на её сопротивление при турбулентном режиме Обтекания
Обширные экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия потоков жидкости с твёрдыми поверхностями [40] сформировали устойчивое представление о том, что при безотрывном обтекании поверхностей всякая шероховатость границы раздела ведёт к увеличению сопротивления по сравнению с гладкой поверхностью. Однако с середины 80-х годов появились экспериментальные работы [12, 34, 62, 68-70], в которых описан эффект уменьшения сопротивления в турбулентном пограничном слое на шероховатой стенке по сравнению с гладкой поверхностью. Шероховатость при этом создавалась в виде продольных рёбер определённой профилировки с поперечными размерами порядка десятых и сотых долей миллиметра. Ясно, что такую регулярную шероховатость удалось создать только на базе высоко развитой современной технологии производства. Снижение сопротивления порядка 7-9% наблюдалось при треугольной и прямоугольной форме поперечных сечений ..- - h-u S-U ребер в некотором диапазоне безразмерных величин /ь = ,st = , где v v h,s-высота рёбер и расстояние между ними. Объяснение обнаруженному эффекту исследователи [12, 34, 62, 68-70] склонны искать в процессах уменьшения интенсивности турбулентного перемешивания в пристеночной части пограничного слоя. Приближённая теоретическая схема, объясняющая данное явление, изложена в работе [18]. При обтекании поверхности с продольными рёбрами малой высоты по сравнению с толщиной турбулентного пограничного слоя возникают два дополнительных физических фактора: - приращение смоченной поверхности, что ведёт к увеличению сопротивления при прочих равных условиях; - появление в пристеночной области турбулентного течения твёрдых непроницаемых элементов поверхности, на которых выполняется условие непротекания, то есть равны нулю средние и пульсационные, что весьма важно, составляющие вектора скорости частиц жидкости; возникновение вблизи стенки областей с пониженным (по сравнению с гладкой поверхностью) уровнем пульсаций скорости уменьшает турбулентное перемешивание потока, что может приводить к снижению сопротивления в турбулентном пограничном слое. В опубликованных работах рассматривались продольные рёбра с треугольным или прямоугольным поперечным сечением.Приведём схему расчёта функции шероховатости поверхности с продольными рёбрами в форме пластин. Рассматривается обтекание плоской поверхности с продольными рёбрами, толщиной которых пренебрежём. Высоту рёбер обозначим - h, расстояние между рёбрами - s. Система координат xyz, в которой исследуется течение жидкости, показана на рис. 3.3.1. Жидкость течёт вдоль осих. Смысл размещения на обтекаемой поверхности продольных рёбер заключается в стремлении уменьшить пульсации потока в пристеночной зоне за счёт введения дополнительных твёрдых границ. Поэтому наибольший интерес представляют такие варианты размещения рёбер, когда расстояние между ними соизмеримо с двойной толщиной вязкого подслоя. Это условие обеспечивает режим течения в пространстве между рёбрами близкий к ламинарному. Учитывая слабое изменение характеристик течения в области y h по продольной координате х по сравнению с изменениями по поперечным координатам у и z, уравнения движения жидкости сведутся к одному уравнению относительно продольной скорости u(y,z): Давление в области течения 0 y h предполагается постоянным. Скорости течения в направлениях осей у и z считаются равными нулю. Уравнение неразрывности выполняется тождественно. Отыскивая решение уравнения (3.3.1) в форме и(у,г) = щ(у)-и2(г), получаем два уравнения: Переходя к рассмотрению турбулентных напряжений вблизи поверхности с продольными рёбрами, отметим следующее обстоятельство. Путь перемешивания вблизи твёрдой стенки изменяется по закону (3.3.11) Поскольку в расчётную схему заложено допущение о ламинарном режиме течения в зоне между продольными рёбрами, то следует принимать во внимание величины AB = f(s+) при h+ =5,10; и все AB = f(s+;h+) при s+ 20, так как при толщине ламинарного подслоя SQ+ = 11,5 влияние стенок будет обеспечивать сохранение ламинарной формы течения в зоне между рёбрами позволяет сформулировать следующие выводы: при относительно малой высоте рёбер h+ = 5 для всех расстояний между рёбрами наблюдается увеличение сопротивления по отношению к гладкой поверхности; увеличение высоты рёбер А+ при фиксированном расстоянии s+ ведёт к уменьшению сопротивления; максимальное уменьшение величины Су Основополагающим физическим допущением, подтверждаемым всеми экспериментами, является условие постоянства поперек потока среднего касательного напряжения в пристеночной области турбулентного пограничного слоя [38,40]. Указанное допущение где TW - касательное напряжение на стенке, в сочетании с теорией пути «смешения» Прандтля, определяет существование логарифмического участка в профиле скоростей вблизи стенки. Теории Кармана[40], Миллионщикова [24], в которых обеспечивается наличие логарифмического участка, также использует соотношение (3.4.1). В непосредственной близости от поверхности вводится вязкий подслой, что отражает физический факт стремления поперечных пульсаций скорости к нулю и позволяет удовлетворить условию м(у)- 0 при у- 0. В зоне вязкого подслоя учитывается кинематическая вязкость жидкости, которой во всей остальной области турбулентного пограничного слоя пренебрегают, поскольку напряжения сдвига значительно меньше рейнольдсовых напряжений. При появлении дополнительного фактора - шероховатости обтекаемой стенки, возникают новые силы, действующие на жидкость, связанные с обтеканием бугорков шероховатости. Сопротивление отдельного бугорка шероховатости высотой h определяется формулой FQ=\-P l- -ch, (3.4.2) где SQ - площадь фронтальной проекции бугорка; uh - скорость на верхней границе бугорка при у = h; с/, - коэффициент его сопротивления. Скорость щ выбирают большинство исследователей, начиная с работ [36, 37] за характерную скорость при условии, что h/S«\. Если величина h соизмерима с толщиной пограничного слоя S, то целесообразно при вычислении F0 использовать эффективный скоростной напор [47] Если принять степенное распределение скоростей в турбулентном пограничном слое и{у)=us I—) то
Расчёт функции шероховатости на основе упрощённых Предположений
При выводе уравнения (3.4.9) учитывалось влияние молекулярной вязкости жидкости (первое слагаемое левой части) и корректировка закона изменения длины пути смешения около стенки (множитель Выражение (3.6.5) показывают при каких условиях (предположениях) формула для и+ имеет структуру соотношения (3.6.6). Кроме того, проясняется вопрос о постоянной D, которая для каждого типа развитой шероховатости должно иметь свое численной значение, определяемое постоянными к\ и А. Из формулы (3.6.5) можно найти выражение для функции шероховатости "В" в случае развитой шероховатости (3.6.7) Если шероховатость поверхности может быть отнесена к развитой шероховатости в том смысле, в котором это понимают для песочной шероховатости в опытах Никурадзе (обсуждение понятия «развитая шероховатость» будет проведено позже), то каждой шероховатости можно поставить в соответствие песочную шероховатость с определенным размером зерна. Пусть для данной шероховатости имеет место соотношение (3.6.6). Возьмем такую песочную шероховатость с высотой бугорков ks, для которой тождественно совпадает с функцией (3.6.6). Откуда получаем с учетом (3.6.6)— ln -+D = Формула (3.6.8) позволяет связать высоту эквивалентной песочной (к \ шероховатости — с постоянной D ддя. данного вида шероховатости. Ясно, \h ) что подобным образом можно рассматривать приведение данной шероховатости к любой другой, взятой за эталон, подставив в (3.6.8) вместо числа 8,48 значение Do для эталонной шероховатости. Перейдем к определению постоянных k\ п А, входящих в выражение При нахождении А удобно воспользоваться экспериментами с регулярной шероховатостью, т.к. в этом случае можно провести вычисления по формуле (3.4.8). Замена функции р{%) постоянной k\ в диапазоне 0 y h подразумевает зависимость к\ от h (или и+ = п+). Вблизи стенки к\ 1, на достаточном удалении от нее к\ = 1 Для песочной шероховатости по данным Никурадзе i = l при й+ 70. В некоторых исследованиях [36, 64] указанный факт связывают с изменением толщины вязкого подслоя в зависимости от величины h+- Для регулярной шероховатости, когда характер перемешивания жидкости вблизи стенки определяется главным образом подпорными вихрями, образующимися около отдельных элементов шероховатости, величина k\ может слабее зависеть от и+, поскольку интенсивность подпорных вихрей определяется шириной препятствий, расположенных в пограничном слое. Определим величину к\ на основании данных экспериментов работы [35], полученных в аэродинамической трубе на поверхности с регулярной шероховатостью в виде заклепок. Коэффициент сопротивления отдельной заклепки Cfc = 0,41. Испытывалось три варианта заклепок: в первом варианте расстояние между рядами заклепок в долях диаметра головки составило влияния х, входящий в (3.4.8), можно определить по графику на рис. 3.6.1, построенному в результате обработки данных Шлихтинга [65] для шаров, заклепок, конусов, расположенных в шахматном порядке. Для вариантов I и II а = 1, для варианта III - т = 0,72. Расчет по формуле (3.4.8) дает Дг = 0,00092, = 0,00357, Аш 0.0101. Взяв на основе экспериментов для варианта I величину 1) = 17,2, получаем на основании (3.6.9) уравнение для определения параметра к\ части уравнения. Корнем уравнения (3.6.10) является XQ = 0,12, ЧТО позволяет 012 определить k\ = -L— = 0,3. Теперь можно рассчитать величины D по формуле (3.6.9) для II и III вариантов, зная Ди и Дш: Dn = 12,2, Dm = M Экспериментальные значения колеблются в пределах 12,9 )// 13,44; 7,6 і)/// 8,05. Таким образом, расчетные значения D, полученные по формуле (3.6.11), достаточно близки к опытным данным. С целью проверки достоверности формулы (3.6.11) были произведены расчеты D для всех вариантов регулярной шероховатости, исследованной в опытах Шлихтинга [40, 65]. Данные по плотности распределения элементов шероховатости (параметр Ш-SQ/S) И коэффициенты сопротивления отдельных элементов шероховатости с учетом их взаимного влияния (параметр а-с/,) взяты из работы [65]. Исходные данные и результаты расчетов представлены в таблице № 1. На рис. 3.6.3 приведено сравнение расчетного метода определения "D" с опытными данными. График построен по материалам таблицы № 1. Видно, что все точки группируются вблизи диагонали. Рассмотрение приведенных результатов счета позволяет сделать два заключения: - параметр к\ = 0,3, приближенно отражающий корректировку изменения пути смешения вблизи стенки, не зависит от вида элементов регулярной шероховатости, исследованных в работах [35, 65]; - предложенная приближенная методика расчета "D", а, следовательно, и функции шероховатости "В", для режима развитой шероховатости применима к регулярной шероховатости различного вида. Зависимость D = D(A), соответствующая формуле (3.6.11), приведена на рис. 3.6.4. В связи с существующей критикой данных Шлихтинга по сопротивлению поверхностей с регулярной шероховатостью [35, 45], отметим, что замечания указанных оппонентов не существенны, поскольку завышенные значения коэффициентов сопротивления элементов шероховатости (величина о eh входящая в выражение для А), вызывает соответствующее изменение величины D, определяемой также из опытов. Определенный интерес представляет расчет параметра А для песочной шероховатости. Поскольку приближенная методика основана на формуле типа (3.6.6), справедливой для развитого режима проявления песочной шероховатости (й+ 70), целесообразно принять величину k\ = l согласно высказанным выше соображениям. При этом формула (3.6.11) принимает вид Подставляя в левую часть (3.6.12) экспериментальное значение D = 8,48, находим для песочной шероховатости параметр А = 0,00071. Профиля скоростей в пристеночной области при различных й+, построенные по формулам (3.4.10), (3.4.11) для песочной шероховатости (,4 = 0,00071), показаны на рис. 3.6.5. Действительности соответствуют зависимости М+(# А+) при й+ 100. Для й+ 100 величина jtj l и следует брать для песочной шероховатости другие значения А. На том же рис. 3.6.5 показаны результаты расчетов профилей скорости для песочной развитой шероховатости Шольца [40], Ван-Дриста [67], Ротта [64]. Видно удовлетворительное согласование с расчетами по предложенной методике. 3.7 Шероховатость поверхности подводного объекта. Виды шероховатости поверхности подводного объекта. Поверхность корпуса современного ПА покрыта специальным резиновым покрытием, состоящим из отдельных листов с размерами Ъих 1л х0,0&/и. Указанные листы закрепляются на корпусе с зазорами по контуру 1+2см. Зазоры заполняются герметиком с образованием валика. После затвердевания герметика валики снимаются шлифовальными машинками. На резиновое покрытие наносятся специальные противообрастающие краски. Резиновая поверхность перед окраской должна обезжириваться. Краска наноситься в два слоя и сохраняет свои свойства в течение 12 месяцев.
При изменении ПА глубины погружения резиновое покрытие корпуса под действием статического давления деформируется неодинаково по размаху каждого листа. У краёв листа жёсткость несколько больше, поскольку там нет внутренней перфорации. Если лист покрытия расположен вблизи металлического ребра, ограждающего люк или пшигатное отверстие, то под давлением в этом месте образуется ступенька, величина которой определяется прогибью резинового листа. Примерно такая же ступенька образуется на стыках между листами, если пазы заполняются эпоксидной замазкой, которая в затвердевшем виде почти не деформируется. Эпоксидная замазка, используемая для приклеивания резинового покрытия, попадает между листами при прижатии последних к корпусу ПА.Схема деформации покрытия в районе стыков листов при обжатии показана на рис. 3.7.1.
На ПА кроме распределённой шероховатости имеется большое число элементов местной шероховатости. К таким элементам следует отнести различного рода вырезы и щели по контурам крышек, закрывающих те или иные вырезы. Из открытых вырезов следует учитывать прежде всего шпигатные отверстия, закрытые решётками.
Влияние несимметричной шероховатости подводного Аппарата на его гидродинамические характеристики
Опыты с шероховатыми поверхностями крыльев поставили вопрос о влиянии несимметричной шероховатости, расположенной на корпусе и выступающих частях ПА, на его гидродинамические характеристики. С целью исследования этой проблемы в БАТ института были поставлены опыты на модели ПА. Модель имела длину 3 м. Испытания проводились при скорости воздушного потока 40 м/ в двух вариантах: полностью гладкая модель (I); модель шероховатая с левого борта (II) (испытана модель, корпус которой был покрыт песочной шероховатостью (песчинки /«1лш)). Результаты опытов представлены на рис. 4.2.1,где показаны зависимости коэффициентов Cz =CZ (/?), My =Му (/?) в связанных с моделью осях координат. За характерную площадь взята величина V3, где V -водоизмещение модели. Представленные результаты свидетельствуют о значительном влиянии несимметричной шероховатости ПА на его гидродинамические характеристики. Неоднократными замерами установлено, что в процессе эксплуатации подводных аппаратов их основной параметр ухудшается. Одной из причин этого явления может быть изменение состояния шероховатости внешней поверхности корпуса и выступающих частей. В этой связи в БАТ были проведены исследования полей средних скоростей в диске гребного винта модели подводного аппарата с различными вариантами шероховатости корпуса. Для этой цели использовалась модель ПА в масштабе 1:40. Как и в предыдущих испытаниях, на модель наносилась песочная шероховатость с h= — = 5-10- , где h — высота бугорков шероховатости, L - длина модели. Поля скоростей замерялись за моделью со следующими вариантами шероховатости: 1. полностью гладкая модель; 2. полностью шероховатая модель, включая кормовое оперение; 3. модель с асимметрично шероховатым корпусом относительно ДП (левый борт шероховатый, правый - гладкий) и шероховатым оперением (все 4 стабилизатора); 4. модель с гладким корпусом и шероховатым оперением. Измерения скоростей в ДГВ производилось с помощью 20-ти канальной поворотной гребенки, установленной в диске винта, с углом поворота #=0-ь360 и многоточечного мгновенного электрогидроаэродинамического регистратора давления МЭГАРД. Каждая трубочка гребёнки производила измерения на определённом радиусе. Измерения проводились при скорости набегающего потока 30 м/с, что соответствовало числу Re = 5,5 10 , построенному по длине модели. Результаты испытаний в виде кривых распределения безразмерных _ \Р-Р средних скоростей V = і — (где Р - давление в точке измерения, Рп$ V оо статическое давление, Рк - скоростной напор на бесконечности) по углам поворота гребенки в для фиксированных относительных радиусов гребного винта г = r/R =0,2; 0,333; 0,467; 0,600; 0,733; 0,867; 1,00; 1,133; 1,267 представлены на рис. 5.1-5.9. Как показывают графики, все поля скоростей за моделями, имеющими повышенную шероховатость при любых вариантах шероховатости, значительно отличаются от поля скоростей гладкой модели. Полностью шероховатая поверхность приводит к снижению средней скорости за моделью приблизительно на 25%, размытым пикам в кривых распределения скоростей и незначительному общему снижению уровня неравномерности по сравнению с гладкой моделью (рис. 5.1-5.9). На внешних радиусах неравномерность скорости составляет AV =0,08 за гладкой моделью и AV =0,06 за полностью шероховатой моделью вне района рубки, на внутренних радиусах AV =0,22 для гладкой модели и AV =0,15 для полностью шероховатой. Обращает на себя внимание факт появления в поле скоростей гладкой модели с шероховатыми стабилизаторами вязкостного следа на внешних радиусах за выступающими частями до AV =0,06 за стабилизаторами и AV« 0,08 -0,09 за ограждением рубки. Этот след сохраняется при г 0,9, а при г 0,9 пропадает, но приводит к уменьшению местной неравномерности от AV «0,13 до ЛV «0,06 за стабилизаторами и от АV «0,22 до AV «0,14 за ограждением рубки. За полностью шероховатой моделью эта картина несколько размыта. Наиболее интересную картину представляет собой поле скоростей в ДГВ за моделью с асимметрично шероховатым корпусом. Как явствует из графика, распределение скоростей за асимметрично шероховатой моделью носит ярко выраженный несимметричный характер. При этом неравномерность скорости достигает почти AV =0,40, на радиусах г =0,6-=-1,0, т.е. 50% от скорости на границе пограничного слоя. За шероховатым бортом происходит резкое торможение потока с потерей скорости в среднем на 30%, т.е. несколько большее, чем за полностью шероховатой моделью. За гладким бортом уровень скорости несколько возрастает. Асимметрия состояния поверхности модели вносит изменения в распределении скоростей практически по всей окружности за исключением небольшого участка в районе 6?« 100-=-140. Особенно наглядно распространение зоны влияния шероховатости на противоположный борт со стороны днища. Со стороны палубы за ограждением рубки изменения в распределении скорости также очевидны, но распространяются на меньший участок. При этом пик ускорения потока за ограждением отчетливо сохраняется при в 170; при в 170 скорости в диске гребного винта резко уменьшаются. Пик за ограждением рубки остаётся резким и узким. Высота пика на внешних радиусах г 0,6 практически сохраняет свою величину такой же, как за гладкой моделью, при г 0,6 - заметно уменьшается (на АГ« 0,03 0,04). За нижним стабилизатором, асимметрично шероховатым соответственно шероховатости бортов, происходит такое же явление, как и за полностью шероховатым стабилизатором: на верхних радиусах наблюдается слабый след, на внутренних - уменьшение пика. По внешнему виду кривых распределения скоростей в ДГВ моделей с различными вариантами шероховатости наиболее неблагоприятным представляется поле скоростей за асимметрично шероховатой моделью, за полностью шероховатой моделью - напротив, наиболее благоприятным с точки зрения неоднородности потока по окружной координате в. Для более подробного анализа полученных зависимостей V = V(r,6) для всех вариантов моделей экспериментально определённые поля скоростей были разложены в ряды Фурье по переменной в. Пример распределения амплитуд "А" гармоник (до 9-ой гармоники включительно) представлен на рис .5.10 для г = 0,6. Кроме того, был выполнен расчёт степеней неоднородности полей скоростей AV для исследованных моделей на всех радиусах. Зависимости AV=AV(r) для четырёх вариантов испытанных моделей показаны на рис. 5.11.
