Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в связи о оценкой юзможностей различных типов движительных комплексов значительно зозрос интерес к вопросам гидродинамики движителей з виде машу-Ш крыльев. Причиной интенсивных исследований в этом направле-ии послуяило то, что движители подобного типа обладают рядом до-;тсинств, которые делают их весьма перспективными для практичес-;ого использования. Рассматриваемые движители являются низкочас-'отными и имеют низкий уровень акустического излучения, обладают ;остаточно высокой эффективностью, имеют низкое сопротивление в 'Тключенном состоянии, допускают использование на мелководье, в слоьиях сильной засоренности района плавания, позволяют осущест-ілять ари наличии нескольких крыльевых элементов, наряду з дви-ительными функциями, управление объектом.
В свете перечисленных особенностей можно сформулировать ряд анравлений для применения машущих крыльев. Главным из них является использование машущего крыла в качестве движителя для под-одных технических объектов. Наряду с этим, крыло или система рыльев, совершающая нестационарные движения, может использовать-я в качестве движителя для надводных судов, эксплуатирующихся а мелководных и сильно засоренных акваториях; вспомогательного вижителя; рулевого устройства или стабилизатора; системы ди-змического позиционирования объекта; установки для преобра-ования энергии моря и ветра; рабочего элемента насоса.
Для проектирования реальных технических объектов, включаю-ах в качестве составных элементов машущие крылья, необходимо асполагать достоверными данными, по. их пропульсивно-несущим ірактеристикам. В настоящее время существует достаточно боль-зв число подходов в изучении гидродинамики движителей, соото-
ящих из крыльев конечного размаха. Наиболее обоснованными из ни являются подходы, базирущиеся на нестационарной теории несущей поверхности. В рамках этой теории получены решения, позволяющие определять необходимые цропульсивно-несущие характеристики одиночных крыльев и простых систем, состоящих, как правило, не более, чем из двух элементов. Что касается более сложных крыльевы систем, то к настоящему времени их гидродинамические аспекты чз чены еще недостаточно. Таким образом, существует необходимость создания на базе уже имеющихся разработок универсальных расчетн теоретических методов, позволяющих, учитывая различные ссизычес-кие и конструктивные факторы, определять цропульсивно-несущие свойства сложных систем, состоящих из двух и более крыльев коне ного размаха, произвольно расположенных друг относительно друга в пространстве.
НОВЫМ ТОЛЧКОМ К Теоретическому ИЗучеНИЮ СВОЙСТВ МаШуЩИХ К
льев послужиш гидробионические исследования, основной целью ІСС торых было изыскание средств улучшения гидродинамических и гвд-
роакустических характеристик подводных технических объектов. В результате был накоплен обширный материал по скоростным, энерге тическим, пропульсивным и акустическим показателям гкдробионитс использующих в своей основе колебательный или деформационный принцип создания движущей силы. Было показано, что многие виды гидробконитов обладают совершенными гидродинамическими качества
.ми, по ряду показателей превосходящими аналогичные характерней: ки водоизмещающих судов и подводных технических средств. При пс строении безразмерных характеристик и анализе траектории хвосте вого плавника были обнаружены резонансные режимы плавания живо: них, которые позволяют существенно сникать затраты энергии на движение.
Таки;,', образом, вышеизложенные ^акты определяют достаточно
большой научный интерес к исследованиям, посвященным разработке теоретических методов определения оптимальных законов перемещения колеблющихся крыльев и систем, которые позволяют значительно ПОт высигь показатели эффективности двигательных комплексов, построенных да их основе.
Целы? работы является:
разработка расчетно-теорегического метода, позволяпцего определять пропульсивяые характеристики крыльевых движительных коыплексов, включающих произвольное число ориентированных различным образом машущих крыльев;
создание математического алгоритма, оптимизирующего работу каждого елемента двигательного комплекса и позволяющего значительно повысить его эффективность.
Теоретической основой работы 'служит линейная нестационарная теория несущей поверхности. Численное решение интегральных уравнений теории крыла производится методом коллокаций. Решение условных задач оптимизации проводится на основе метода множителей Лагранжа о численным решением, возникающих при этом нелинейных уравнений.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
- разработана универсальная математическая модель обтекания
одиночного машущего крыла или системы крыльев, позволяющая учи
тывать ряд дополнительных условий движения (наличие границ раз
дела сред, наличие гармонических возмущений в набегающем потоке
и пр.); разработана математическая процедура оптимизации, позво
ляющая при выполнении определенных изопериыетрических условий
минимизировать энергетические потери и существенно повысить эф
фективность работы движительного комплекса;
разработан алгоритм, на базе которого создан программный комплекс, реализующий решение перечисленных выше теоретических задач;
проведены систематические расчеты оптимальных пропульсив-ных характеристик для одиночного крыла и систш крыльев различно конфигурации; получены данные о влиянии на эти характеристики различных свободных параметров (изопериметрических уеловик,, геометрических параметров, границ раздела сред и др.).
Основные положения и результаты, выносимые на защиту диосер тации состоят в следующем:
1. Разработан расчетно-теоретичёский метод, алгоритм и про
граммный комплекс, который позволяет
- определять пропульсивные характеристики одиночного крыла
или.системы, состоящей из двух и более машущих крыльев, в
широком диапазоне геометрических (удлинение и фор.іа крыла
в плане, конфигурация системы) и кинематических (законы колебаний, числа Струхаля, параметры волнового потока) параметров при наличии ограничивающих поверхностей;
- выполнять оптимизацию-кинематических параметров в рамках
выбранных законов движения крыльев и условных критериев оп
тимизации.
2. Получена совокупность новых результатов по исследованию
влияния на оптимальные пропульсивные характеристики различных
параметров: удлинения и формы крыльев в плане, чизла крыльев и
их компоноеки, изопериметрических условий, типа ограничивающей
поверхности.и отстояния от границы раздела, параметров гармони
ческих, возмущений, вносимых в набегаїоциіі поток и др. Проанали
зированы изменения пропульсиЕНых характеристик крыльев, к кото
рым может привести условная оптимизация при варьировании рас-
>
сштриваемых параметров.
Практическая значимость диссертационного исследования состоит в том, что применение разрабатываешь методик и реализующего их комплекса программ обеспечивает:
сокращение объема дорогостоящих экспериментальных исследований ;
теоретико-расчетное обоснование рассматриваемых проектных решении;
быстрое выявление благоприятных режимов функционирования крыльевого движителя с целью выработки оптимального проектного решения.
Кроме этого разработанный комплекс программ может с успехом использоваться при решении широкого круга задач, возникающих при разработке движителей бионичеокого типа (распределение давления по поверхности крыльевых элементов, построение кавктаци-онных диаграмм, решение гидроупругих задач и задач вязкой жидкости с расчетом нестационарных пограничных слоев).
Результаты работы использованы в практической деятельности Центра математического моделирования в судостроении при ЛТМТУ (Ленинград).
Апробацій работы. Основные положения диссертации регулярно докладывались на' семинарах ".Математические модели з судостроении" в ІІШГУ.
Публикации. По теме диссертации имеются публикации (приведены з конце автореферата).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, м?и разделов, заключения, приложения и списка использованной
литературы, включающего 66 источников. Основная часть работы СО' держит 194 с. машинописного текста и 54 рисунка.
