Введение к работе
Актуальность темы. Проблема отрыва потока в кормовой оконечности :вляется традиционной для гидродинамики судна. Исследованиям отрывного ібтекания тел во всем мире уделяется большое внимание. В России рачительный вклад в экспериментальное исследование отрывных течений на удах и судовых конструкциях внесли работы Ю.С. Базилевского, СИ. Девнина, Ш. Короткина, В.Н. Михайлова, А.Ф. Пустошного, Е.Ф. Сахно, В.М. Штумпфа. fe современном этапе интерес к этой задаче обусловлен широким внедрением \ практику судостроения нетрадиционных соотношений главных размерений и сонфигураций корпусов, на которых высока вероятность появления отрыва ютока. Прежде всего, это полно —короткие транспортные суда со сниженной істаллоемкостью и издержками эксплуатации.
Отрыв потока не только увеличивает сопротивление, но также ведет к Ухудшению условий работы движителя. На таких судах неоднородность потока, гатекающего на гребной винт, обычно очень большая, так что возникают іроблемьі, связанные с кавитацией гребного винта и с недопустимым Увеличением возбуждаемых им вибрационных нагрузок. В этом случае перед гроектантом встает задача обеспечить в натурных условиях безотрывное >бтекание корпуса при заданных, часто жестких, проектных ограничениях. В іастоящее время она решается путем отработки формы корпуса по результатам модельного эксперимента. В то же время, высокая стоимость модельного жсперимента и ограниченность сроков проектирования не позволяют гроводить широкомасштабные экспериментальные исследования для отработки конкретного проекта. Кроме того, из —за большого различия в соотношении іязкостньгх и инерционных сил (числа Рейнольдса) в модельных и в натурных условиях, область и даже характер отрыва потока могут существенно сличаться. В результате корпус судна, оптимизированный на модели, в штурных условиях таковым может не оказаться. Поэтому встает вторая задача - определение пропульсивных характеристик натурного судна. Сейчас она эешается на основе результатов модельных испытаний с последующей экстраполяцией на натурные условия. Данные вопросы наиболее полно лражены в работах О.П. Орлова и А.Ф. Пустошного. Однако основные .іетодики учета масштабного эффекта разработаны в предположении эезотрывного обтекания корпуса и, в общем случае, не применимы для судов с отрывом потока на корпусе.
На сегодня, как показывает общемировая практика, перспективным Управлением учета не моделируемых в физическом эксперименте явлений, зозникающих при обтекании корпуса судна вязкой жидкостью, является :оздание расчетных методов на основе решения уравнений Рейнольдса. Здесь
следует отметить работы, прежде всего, группы Ларссона (Швеция), Пателя Стерна из США, Роди (Германия) и ряда авторов из Англии, Греции, Япони Южной Кореи и Китая. Работы в области расчета вязких трехмерных течею велись также и в России. Здесь следует отметить работы: Э.Л. Амромина, В. Амфилохиева, И.А. Белова, А.С. Гииевского, А.Л. Горина, В.В. Дробленкова, С. Исаева, Г.И. Каневского, Ю.Н. Карпеева, Ю.Е. Карякина, МП. Лобачева, Ю., Шевелева и многих других.
Наиболее многообещающим является использование данных методов і ранних стадиях проектирования при выборе формы корпуса судна и при < предбассейновой компьютерной отработке, до проведения модельнь экспериментов. К сожалению, методы, в наибольшей степени подходящие д/ решения практических задач и основанные на решении полных уравнеш Рейнольдса с алгоритмом расчета давления во всей области счета, как правил реализованы применительно к мощным суперкомпьютерам, что ограничивает і использование в повседневной практике. Более перспективной, в особенное] для наших условий, является разработка программ для персоналы-» компьютеров, даже если время счета доходит до одних—двух суток.
В методах, разработанных для расчета течений с отрывными явлениям обычно используются модели турбулентности, не предполагающие применеш пристенных функций. При этом построение системы пристенных функций д/ течений, развивающихся под воздействием сильного положительного градиеіг давления, приводящего к отрыву потока, до настоящего времени і рассматривалось. В результате использование таких методов ограничеі модельными числами Рейнольдса из —за недостаточности вычислительнь ресурсов даже суперкомпьютеров.
В ЦНИИ им. акад. АН. Крылова разработан адаптированный д/ персонального компьютера метод расчета обтекания вязкой жидкость кормовой оконечности судна, позволяющий учесть основные механизм формирования потока, включая прогнозирование, так называемого, "открытоп отрыва, характеризующегося образованием линии стекания, вдоль которс предельные линии тока отходят от корпуса, и расчет развитых вихревь образований при модельном и натурном числах Рейнольдса. В то же врем расчет трехмерного отрыва потока "закрытого" типа, для которого характері наличие особых точек с нулевым трением на стенке, данным методо невозможен. Кроме того, метод не позволяет получать данные о сопротивлещ судна. Поэтому задача разработки более универсального метода расчет позволяющего пропюзировать образование на корпусе отрыва потока любої типа и рассчитывать вязкостное сопротивления корпуса в широком диапазої чисел Рейнольдса, является на сегодня важной и актуальной.
Целью работы является разработка метода расчета характеристик урбуленгного течения вязкой жидкости около корпуса судна при наличии трывных явлений, пригодного для численной отработки формы корпуса и ценки масштабного эффекта локальных и интегральных характеристик потока, также расчета взкостного сопротивления корпуса судна.
Методы исследования. Для разработки расчетного метода использовались еоретические подходы и методы численного моделирования. Достоверность іазработанного метода расчета проверялась путем сопоставления результатов «счета с данными модельных испытаний в опытовом бассейне и эродинамических трубах. Оценка качества расчетных алгоритмов выполнялась іа основе методических расчетов и путем сопоставления с результатами іасчетов других авторов.
Научная новизна. Получен ряд новых результатов, связанных с іазработкой методов расчета трехмерных турбулентных отрывных течений іязкой жидкости {с отрывом потока "открытого" и "закрытого" типа) и методов гостроения расчетной сетки. Разработан метод, позволяющий оценить влияние [зормы обводов и масштабного эффекта на характер обтекания вязкой кидкостью кормовой оконечности судна и вязкостное сопротивление корпуса. Летод учитывает реальную геометрию корпуса судна и пригоден для широкого ласса обводов одновальных транспортных судов, в том числе и с отрывом готока в кормовой оконечности. Выполнены численные исследования [юрмирования трехмерного отрывного обтекания корпуса судна при модельном натурном числах Рейнольдса.
Практическая денность работы. На основе предложенного метода создан грограммный комплекс, специально адаптированный к относительно маломощным персональным ЭВМ с процессором Pentium или выше. Благодаря юлее высокой точности, по сравнению с ранее существовавшими методами ірогнозирования отрывных течений, и экономичности разработанных исчетных алгоритмов, программный комплекс может быть использован для іроведения систематических расчетов при проектировании и отработке формы )бводов корпуса судна с целью обеспечения безотрывного обтекания кормовой жонечности и снижения вязкостного сопротивления. Кроме того, учитывая іриспособленность метода для расчета обтекания в широком диапазоне чисел 'ейнольдса, программный комплекс применим для пересчета результатов модельных измерений характеристик потока и вязкостного сопротивления на гатурные числа Рейнольдса с существенно большей точностью, чем это делалось ранее.
Результаты работы нашли применение в научно — исследовательских и сонтрактных работах, выполнявшихся в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова.
Полученные результаты использованы ЦКБ "Балтсудопроект" щ проектировании навалочного судна проекта 60444 и Северным ПКБ пг. разработке многоцелевого сухогрузного судна проекта 17380. Основные положения, выносимые на зашиту:
численный метод для определения в широком диапазоне чисел Рейнольді локальных характеристик пространственного турбулентного потока вязке жидкости вблизи корпуса судна при наличии отрывных явлений и расче' вязкостного сопротивления корпуса, основанный на решении полнь уравнений Реинольдса и "fc-є" модели турбулентности в криволинеинс неортогональной системе координат, учитывающей реальную геометри корпуса судна;
способ построения расчетной сетки, учитывающий реальную геометри корпуса судна и адаптированный к форме обводов дія широкого класі одновальних судов;
система пристенных функций, позволяющая сократить число узлов расчетш сетки в пристенной области, основанная на асимптотическом представлені профиля скорости вблизи твердой поверхности, включающего распределен! скоростей в вязком подслое, буферной зоне, участке логарифмического закої и "закона корня квадратного", и на закономерностях распределен! турбулентных характеристик в пристенной области при воздействии на пот( сильного положительного градиента давления;
результаты численных исследований формирования трехмерного отры; потока в кормовой оконечности корпуса судна, включающие в себя аналі влияния числа Реинольдса и геометрии корпуса на характеристики отрывно течения (конфигурацию зоны отрыва потока, поле скоростей в диске гребно винта и величину вязкостного сопротивления корпуса).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались получили положительную оценку на: научно—технических конференциях і теории корабля (Крыловские чтения) в 1993, 1995 и 1997 годах (С. — Петербур XIX научно—методологическом семинаре по гидродинамике судна 199( (Варна), международных конференциях по судостроению ISC 1994 г. и ISC'1 1998г. (С.—Петербург); международном симпозиуме по гидродинамике суд ISSH 1995 г. (С.-Петербург).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено 8 публикациях (см. перечень в конце автореферата).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глг заключения и списка литературы. Работа содержит 127 машинописных стран» включая 63 рисунка, 9 таблиц и 11 страниц списка литературы из 1 наименований.
