Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке численного метода определения полей скоростей в ближнем следе тела вращения с хвостовыми выступающими частями, обтекаемого потоком вязкой несжимаемой жидкости. Рассматриваемый диапазон чисел Рейнольдса от 106 до 108. Под ближним следом в работе понимается область потока в месте характерного расположения движителя, в частности рассматривается плоскость расположения диска гребного винта (далее - ДГВ).
Для обеспечения устойчивости движения и управляемости подводные аппараты снабжены стабилизаторами и рулями, расположенными, как правило, в кормовой оконечности соответствующего тела вращения. В результате обтекания кормовых выступающих частей поток, попадающий на движитель, становится неоднородным по окружной координате. При работе гребного винта в неоднородном потоке на его лопастях возникают переменные силы, вызывающие вибрацию корпуса и звукоизлучение.
Проектировщики подводных аппаратов стремятся уменьшить такие нежелательные явления, снизив степень неоднородности поля скорости в ДГВ по окружной координате.
В настоящее время основным методом изучения поля скорости в ДГВ является экспериментальный метод, реализуемый на моделях подводных аппаратов. Изучается влияние на поле скоростей следующих факторов: формы и размеров тела вращения, формы и размеров кормовых выступающих частей, расстояния от ДГВ до выступающих частей, угла атаки тела вращения при его движении в жидкости, числа Рейнольдса. Влияние указанных факторов на неоднородность поля скоростей весьма сложно, поскольку последние, в значительной степени, взаимозависимы.
В этой связи представляется целесообразным разработка на базе современного пакета численного моделирования течений метода определения полей средних и пульсационных скоростей в кормовой оконечности тела вращения, снабженного крыловыми выступающими частями.
Такой метод должен быть апробирован в результате сравнения расчетных и экспериментальных данных по полям скоростей, определяемых в кормовой оконечности типичных тел вращения с кормовыми выступающими частями.
Актуальность работы для судостроительной отрасли определяется тем, что данные о набегающем на винт потоке востребованы при проектировании движителей необитаемых подводных самоходных аппаратов. Поля скоростей в ДГВ определяют кавитационные характеристики винтов и такие параметры подводных аппаратов, как шумность и ходкость.
Состав и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из пяти разделов и пяти приложений.
Первый раздел - введение, в котором представлены: цель диссертационной работы, постановка задачи и метод исследования.
Второй раздел представляет собой обзор материалов по теме настоящей диссертационной работы.
Третий раздел содержит результаты моделирования обтекания тела вращения со стабилизаторами потоком вязкой несжимаемой жидкости. В качестве тестовых задач предварительно рассмотрены: обтекание гладкой плоской пластины ламинарным и турбулентным потоками, а также задача обтекания тела вращения без выступающих частей потоком вязкой несжимаемой жидкости под нулевым углом атаки набегающего потока. Численное моделирование обтекания тела вращения со стабилизаторами потоком вязкой несжимаемой жидкости включает в себя расчеты с применением нескольких моделей турбулентности. Рассматриваются малые углы атаки набегающего потока, = 0, 3, 60 и характерные числа Рейнольдса от 6,4106 до 6,4107.
В четвертом разделе представлены результаты экспериментального моделирования обтекания тела вращения со стабилизаторами. Оценивается влияние на поле скоростей в плоскости ДГВ: формы стабилизаторов в плане, формы выходной кромки стабилизаторов и расстояния от выходной кромки стабилизаторов до плоскости ДГВ.
Пятый раздел содержит основные результаты и выводы диссертационной работы.
Ключевые обсуждаемые в диссертации результаты представлены в виде графиков и содержатся в основном тексте и в окончаниях соответствующих разделов. Подробные результаты расчетов и экспериментальных исследований содержатся в Приложениях.
Приложение 1 содержит чертежи моделей, задействованных в диссертационной работе.
Приложение 2 содержит дополнительные результаты, полученные в рамках численного моделирования обтекания тела вращения с выступающими частями потоком вязкой несжимаемой жидкости.
Приложение 3 содержит результаты, полученные в рамках экспериментального исследования обтекания тела вращения с выступающими частями в аэродинамической трубе ФГУП “Крыловский государственный научный центр”.
В Приложении 4 описаны вычислительные схемы, входящие в состав пакета численного моделирования течений, применяемого в рамках диссертационной работы.
В приложении 5 описаны модели турбулентности, использованные в процессе численного моделирования.
В конце диссертационной работы представлен Список литературных источников.
Целью настоящей диссертационной работы явилась разработка численного метода определения полей средних и пульсационных скоростей в кормовой оконечности произвольного тела вращения с выступающими кормовыми частями, обтекаемого потоком вязкой несжимаемой жидкости под малыми углами атаки, обеспечивающего хорошее соответствие с экспериментальными данными.
Методы исследования. В работе использованы экспериментальный и численный методы исследования полей скоростей.
В рамках экспериментального метода автор выполнил цикл модельных испытаний в аэродинамической трубе ФГУП “Крыловский государственный научный центр”.
Численное моделирование выполнялось с применением средств вычислительной гидродинамики – пакета FLUENT (тестовая лицензия № 268809991 от 03 сентября 2004г., выданная Fluent Inc. ФГУП “ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова”).
Принятым в диссертации признаком качества разрабатываемого метода являлась степень соответствия результатов численного моделирования и модельного эксперимента. Соответствие полей средних скоростей в кормовой оконечности оперенного тела вращения, полученных численно, и результатов экспериментальных исследований, демонстрирует применимость рассматриваемых моделей турбулентности и предлагаемого метода для решения прикладных инженерных задач данного класса.
В диссертации рассматривается номинальное поле скоростей, то есть поле скоростей в кормовой оконечности без учета обратного влияния движителя. Такая постановка задачи обтекания тела вращения с хвостовыми выступающими частями, без учета влияния движителя, вообще говоря, справедлива для случая самодвижущихся подводных объектов с традиционными открытыми винтами больших диаметров, а также для случая соосных винтов. При такой конструкции хвостовой части, вызванные скорости оказываются относительно малыми. Рассмотрение в диссертации малых углов атаки набегающего потока, по существу, аналогично рассмотрению в натуре движения по траектории близкой к прямолинейной (траектории с большими радиусами).
Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту.
Метод численного определения полей средних и пульсационных скоростей в хвостовой оконечности тела вращения (с любым контуром диаметрального сечения) со стабилизаторами.
Результаты систематических экспериментальных исследований влияния геометрических параметров стабилизаторов на поле скоростей в плоскости ДГВ.
Результаты систематических расчетов полей скоростей в плоскости ДГВ тела вращения с различными формами стабилизаторов, при различных способах аппроксимации пограничного слоя, степенях турбулизации набегающего потока, вариации характерного числа Рейнольдса и углов атаки набегающего потока в диапазоне 0-60.
Результаты исследования масштабного эффекта.
Результаты исследования зависимости коэффициентов разложения осредненного поля скорости в ряд Фурье от числа Рейнольдса и расположения плоскости ДГВ.
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
Предложен численный метод определения средних и пульсационных скоростей в ДГВ оперенного тела вращения, обтекаемого потоком вязкой несжимаемой жидкости под малыми углами атаки набегающего потока, на основе низкорейнольдсовой “Realizable” k – модели турбулентности, обеспечивающий соответствие экспериментальным значениям средней продольной составляющей скорости с точностью в пределах 2%.
Исследованы возможности использования неравновесных пристенных функций совместно с высокорейнольдсовым вариантом “Realizable” k – модели турбулентности применительно к течениям в ближнем следе тела вращения со стабилизаторами различных форм при малых углах атаки набегающего потока в диапазоне чисел Рейнольдса 106 – 108.
Комплексно исследовано влияние на поле средних скоростей в кормовой оконечности оперенного тела вращения следующих факторов: формы стабилизатора; способа аппроксимации (разрешения) пограничного слоя на теле вращения и стабилизаторах; отрыва потока от поверхности стабилизаторов; перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентное состояние на поверхности стабилизаторов; точности задания геометрии стабилизаторов; точности определения координат точек фиксации значений осредненной скорости в следе за стабилизатором; интенсивности турбулентности набегающего потока; характерного числа Рейнольдса.
Практическая ценность работы состоит в разработке метода численного определения средних и пульсационных полей скоростей в ДГВ подводного аппарата в диапазоне чисел Рейнольдса 106 – 108.
Полученные в диссертации результаты относительно оптимальной геометрии стабилизаторов, обеспечивающей минимизацию неоднородности поля скорости в ДГВ, полезны при проектировании форм натурных стабилизаторов.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждены на следующих научно-технических конференциях:
Научно-техническая конференция XLII Крыловские чтения “Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики”, ФГУП ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, Санкт-Петербург, 2006 г.
XV Международная конференция по методам аэрофизических исследований (ICMAR 2010), Новосибирск, 2010 г.
Одиннадцатая международная научно-техническая конференция “Оптические методы исследования потоков”, Москва, 2011 г.
Объем диссертационной работы составляет 318 страниц и состоит из основной части диссертации и приложений. Диссертация включает 218 рисунков и 7 таблиц. Список литературы содержит 50 наименований.
