Содержание к диссертации
Введение
1 Перспективы развития скоростных амфибийных судов 14
1.1 Потребность России в скоростных амфибийных судах 14
1.2 Основные элементы аэрогидродинамических компоновок амфибийных судов на воздушной подушке с ограждением баллонетного типа 20
1.3 Особенности проектирования аэрогидродинамической компоновки экранопланов 25
1.4 Применение CFD-моделирования для исследования аэрогидродинамики скоростных амфибийных судов
1.4.1 Особенности моделирования в судостроении 32
1.4.2 Опыт применения пакета численного моделирования ANSYS CFD для исследования аэрогидродинамики судов на воздушной подушке и аэродинамики экранопланов 34
1.5 Амфибийное судно на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой (АСВП с
АР) 39
1.5.2 «Тунгус»
1.5.1 Аэрогидродинамическая компоновка АСВП с АР проекта «Тунгус» 39
Аэродинамические характеристики самоходной модели АСВП с АР проекта
1.6 Постановка цели и задач исследования 49
2 Численное моделирование аэрогидродинамики АСВП с АР с использованием технологий CFD 51
2.1 Вычисление аэрогидродинамических характеристик с использованием
программного комплекса ANSYS CFD 51
2.1.1 Основные этапы моделирования 51
2.1.2 Подготовка геометрической модели 51
2.1.3 Построение блочно-структурированной сетки 53
Вычисления Препроцессинг и математическая постановка задачи Постпроцессинг 61
Методика расчета продольной устойчивости и управляемости АСВП с АР 62
Решение уравнений продольного движения 62
Расчет коэффициента демпфирования
2.3 Методика расчета бокового возмущенного движения и боковой устойчивости АСВП
с АР 70
2.3.1 Решение уравнений бокового движения 70
2.3.2 Определение коэффициентов демпфирования моментов крена и рыскания 76
2.4 Расчет дальности движения АСВП С АР 80
3 Обоснование применения cfd-моделирования в проектировании АСВП с АР 82
3.1 Верификация результатов CFD-моделирования аэродинамики АСВП с АР по результатам экспериментов в аэродинамической трубе 82
3.1.1 Физическая постановка задачи 82
3.1.2 Численная модель аэродинамической трубы 83
3.1.3 Сопоставление результатов физического и численного моделирования 84
3.1.4 Влияние граничных условий на результаты моделирования в аэродинамической трубе 86
3.1.5 Коррекция результатов продувок в аэродинамической трубе 3.2 Верификация результатов CFD моделирования движения АСВП с АР в контакте с водной поверхностью 89
3.3 Верификация результатов CFD-моделирования АСВП с АР результатами натурных испытаний самоходной модели
3.3.1 Испытания самоходной модели АСВП с АР 91
3.3.2 Сопоставление результатов испытаний и результатов CFD-моделирования 94
3.4 Сравнительный анализ затрат производственных ресурсов двух различных
подходов к определению аэрогидродинамических характеристик АСВП с АР 102
3.4.1 Разработка компоновки на базе результатов физического моделирования 102
3.4.2 Разработка компоновки с использованием CFD-технологий 104
4 Разработка аэрогидродинамической компоновки асвп с ар на базе технологий CFD моделирования 107
4.1 Постановка задач главы 107
4.2 Некоторые особенности экранной аэродинамики АСВП с АР
4.2.1 Влияние формы ограждения воздушной подушки на аэродинамические характеристики компоновки 108
4.2.2 Выбор стреловидности крыла 109
4.2.3 Исследование компоновочных вариантов АСВП с АР с различными удлинениями крыла 110
4.2.4 Влияние относительной площади оперения на продольную устойчивость 113
4.2.5 Разработка аэродинамических профилей крыла экраноплана с относительно кормовым центром масс 114
4.2.6 Влияние крыльевых килей на характеристики устойчивости экранного полета 117
4.2.7 Влияние энергетической механизации баллонетов 119
4.3 Обоснование и выбор компоновочного варианта аэрогидродинамического комплекса АСВП с АР 122
4.3.1 Первый вариант аэрогидродинамической компоновки АСВП с АР 122
4.3.2 Второй вариант аэрогидродинамической компоновки АСВП с АР 125
4.3.3 Выбор компоновочного варианта 127
4.4 Аэрогидродинамические характеристики выбранного компоновочного варианта АСВП с АР 129
4.4.1 Аэрогидродинамические характеристики движения на воздушной подушке 129
4.4.2 Продольная устойчивость и управляемость экранного полета 133
4.4.3 Боковое возмущенное движение и боковая устойчивость экранного полета 136
4.4.4 Аэродинамические характеристики АСВП с АР на переходных режимах движения. Выбор взлетно-посадочной механизации 139
4.4.5 Анализ вариантов компоновки движительно-силовой установки АСВП с АР 142
4.5 Технико-экономические характеристики пассажирского АСВП с АР на базе
выбранной аэрогидродинамической компоновки 144
4.5.1 Расчет дальности движения АСВП с АР 144
4.5.2 Модельный маршрут эксплуатации АСВП с АР 149
4.5.3 Сравнительный анализ транспортной эффективности АСВП с АР и различных транспортных средств 152
4.6 Организация проектно-исследовательских работ создания аэрогидродинамической компоновки АСВП с АР на базе CFD-моделирования 156
Заключение 160
Библиографический список
- Особенности моделирования в судостроении
- Построение блочно-структурированной сетки
- Численная модель аэродинамической трубы
- Аэрогидродинамические характеристики выбранного компоновочного варианта АСВП с АР
Введение к работе
Актуальность исследований. Освоение регионов Севера, Сибири и Дальнего Востока невозможно без развития транспортной инфраструктуры, составным элементом которой является скоростной водный транспорт. В Государственной программе Российской Федерации "Развитие судостроения на 2013 – 2030 годы" скоростные пассажирские перевозки средствами водного транспорта рассматриваются как решение актуальной социальной задачи связанности отдаленных территорий с крупными транспортными узлами и социальными центрами. При этом особенно выделяется роль судов на воздушной подушке и экранопланов, способных обеспечивать всесезонность перевозок. Помимо преимущества круглогодичной эксплуатации, скоростные амфибийные суда на воздушной подушке (АСВП) не требуют обустройства навигационной обстановки и причальных сооружений.
В последнее десятилетие на территории России и, в первую очередь, в регионах Сибири, Севера и Дальнего Востока все большее применение находят АСВП с гибким ограждением воздушной подушки баллонетного типа. В сравнении с АСВП с гибким ограждением классического типа, баллонетные АСВП, несколько теряя в амфибийных качествах, выигрывают в ходкости, мореходности, устойчивости на курсе и, главное, в безопасности эксплуатации на крейсерских режимах. Однако существующие АСВП ограничены по скорости движения (60 - 100 км/ч), отличаются высокими перегрузками на преодолеваемых препятствиях и волне, имеют небольшую весовую отдачу и маневренность. Это затрудняет и ограничивает регулярное применение АСВП на протяженных маршрутах, характерных для указанных регионов.
Анализ недостатков существующих проектов АСВП привел к идее создания нового вида транспортного средства – амфибийного судна на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой (АСВП с АР). Потенциально АСВП с АР сочетает преимущества баллонетных судов на воздушной подушке и экранопланов. АСВП с АР способно двигаться как на статической воздушной подушке со скоростями до 90-100 км/час, так и в отсутствии контакта с опорной поверхностью под действием экранного эффекта со скоростями 150-200 км/час. Движение на режиме статической воздушной подушки используется на сложных в навигационном отношении участках маршрута: извилистых руслах боковых рек, в болотистых поймах, при подходе к местам высадки-посадки пассажиров и грузов. Режим экранного полета эффективен на протяженных и широких участках магистральных рек, крупных озерах, морских зонах маршрута.
Для решения социальных задач транспортной доступности регионов Севера, Сибири и Дальнего Востока АСВП с АР обладает большей экономической эффективностью в сравнении с другими типами судов с динамическими принципами поддержания. Высокие потенциальные возможности нового типа скоростных амфибийных судов подтверждены испытаниями первого экспериментального образца АСВП с АР: самоходной модели проекта «Тунгус». Этот образец был спроектирован, построен и испытан ООО Судостроительная компания «АЭРОХОД» (рисунок 1).
Рисунок 1. Самоходная модель АСВП с АР проекта «Тунгус»
Однако для создания этого нового вида транспорта – амфибийных судов на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой – необходимо решить ряд научно-технических и проектных задач, в том числе, разработать аэрогидродинамическую компоновку. Аэрогидродинамическая компоновка АСВП с АР должна обеспечивать высокое аэрогидродинамическое качество на основных режимах движения, обеспечивать устойчивость и управляемость АСВП с АР на этих режимах, а также приемлемые для эксплуатации характеристики мореходности и проходимости.
В основе традиционного подхода к проектированию компоновки скоростного амфибийного судна лежат результаты испытаний моделей в аэродинамических трубах и опытовых бассейнах. При всех достоинствах традиционного подхода следует отметить его недостатки.
Во-первых, методы физического эксперимента, рассчитанные на исследование масштабных моделей, далеко не всегда позволяют провести корректное моделирование натурного судна. В частности, это касается моделирования аэрогидродинамики с имитацией струй движителей, моделирования динамики АСВП на волне и пересеченной местности, моделирования по масштабным критериям Рейнольдса, Вебера и Коши.
Во-вторых, средства физического эксперимента существенно ограничены в возможностях детализации картины течения, установления вклада элементов компоновки в интегральные силы и моменты, определения аэрогидродинамической интерференции элементов компоновки. Для выявления полей давлений и скоростей необходимы специальные эксперименты с дренированными моделями, шелковинками, дымом и т.п.
В-третьих, при формировании и отработке аэрогидродинамических компоновок скоростных судов традиционные подходы физического модельного эксперимента оказываются весьма затратными в финансовом и временном плане.
В то же время современный уровень развития прикладной математики, вычислительных технологий и вычислительной техники позволяет в качестве основного инструмента разработки аэрогидродинамической компоновки скоростного амфибийного судна использовать технологии численного моделирования CFD (Computational Fluid Dynamics – вычислительная динамика жидкости).
Цель работы. Разработка методической базы с использованием технологий CFD-моделирования для решения проектных задач создания аэрогидродинамических компоновок амфибийных судов на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой (АСВП с АР).
Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:
1. Разработка алгоритма проектирования аэрогидродинамической компоновки АСВП с
АР на базе технологий CFD.
2. Разработка методик численного моделирования аэрогидродинамики, расчета
устойчивости, управляемости и дальности движения АСВП с АР на основе CFD-
моделирования.
3. Обоснование применения разработанных методик в проектировании
аэрогидродинамической компоновки АСВП с АР.
4. Исследование влияния элементов компоновки на аэрогидродинамические
характеристики АСВП с АР.
5. Апробация разработанных методических и технических решений на вариантах
аэрогидродинамических компоновок АСВП с АР.
6. Формирование предложений по использованию результатов диссертационного исследования в виде разработанной аэрогидродинамической компоновки АСВП с АР и его модельного маршрута эксплуатации, а также анализ технико-экономических характеристик и транспортной эффективности АСВП с АР на базе разработанной компоновки.
Решение перечисленных научных задач имеет значение для развития проектирования скоростных амфибийных судов, а также предлагает новые научно обоснованные технические и методические решения и разработки в области создания аэрогидродинамических компоновок скоростных амфибийных судов на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой и их применения.
Объектом научного исследования является амфибийное судно на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой.
Предметом научного исследования является проектирование аэрогидродинамической компоновки амфибийного судна на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой на основе численного моделирования аэрогидродинамики с использованием CFD-технологий.
Методы исследования:
- вычислительные эксперименты с использованием пакета численного моделирования
аэрогидродинамики ANSYS CFD, языка программирования С++, пакета инженерных
расчетов
модельные эксперименты в аэродинамической трубе и скоростном мореходном опытовом бассейне ФГУП «Крыловский государственный научный центр»;
испытания самоходной модели АСВП с АР проекта «Тунгус» с регистрацией параметров движения.
Научная новизна. В ходе проведенных работ и исследований впервые разработаны и
верифицированы методики численного моделирования аэрогидродинамики амфибийного
судна на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой. Впервые выполнена серия
вычислительных и физических модельных и натурных экспериментов для верификации
разработанных методик. Впервые разработан алгоритм проектирования
аэрогидродинамической компоновки АСВП с АР с определением аэрогидродинамических сил, а также определением характеристик устойчивости и управляемости АСВП с АР. В ходе апробации разработанных методик впервые выявлен ряд особенностей аэродинамики судов, использующих экранный эффект на крейсерских режимах движения, и даны проектные рекомендации для их применения.
Практическая значимость подтверждается использованием разработанных методик и алгоритма формирования аэрогидродинамической компоновки при проектировании
скоростных амфибийных судов ООО Судостроительная компания «АЭРОХОД», а также решении поисковых исследовательских задач в рамках федеральных целевых программ:
- «Развитие гражданской морской техники на 2009-2016 годы» (ОКР «Тунгус»);
- «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-
технологического комплекса России на 2014—2020 годы» (ПНИ «Разработка, верификация и
внедрение в проектирование скоростных амфибийных судов с аэродинамической разгрузкой
(АСВП с АР) суперкомпьютерных технологий вычислительного эксперимента в обеспечение
задач аэрогидродинамики, мореходности и динамики движения, прочности, ресурса»).
Достоверность. Результаты исследования базируются на решении фундаментальных уравнений движения жидкости (уравнения Навье-Стокса), теоретических основах моделирования и подтверждаются согласованием полученных результатов численного моделирования с результатами физических экспериментов в аэродинамической трубе и скоростном мореходном опытовом бассейне ФГУП «Крыловский государственный научный центр», а также натурных испытаний самоходной модели АСВП с АР проекта «Тунгус».
Основные положения, выносимые на защиту:
- алгоритм проектирования аэрогидродинамической компоновки АСВП с АР на базе
технологий CFD;
- методики численного моделирования аэрогидродинамики АСВП с АР на базе
технологий CFD;
- результаты технико-экономического обоснования и верификации методик численного
моделирования аэрогидродинамики АСВП с АР результатами физических экспериментов в
аэродинамической трубе и скоростном мореходном опытовом бассейне, а также натурных
испытаний самоходной модели АСВП с АР проекта «Тунгус»;
- результаты применения разработанных методик в виде компоновочных решений
АСВП с АР, в том числе решений по элементам компоновок.
Личный вклад автора состоит в разработке методик расчета аэрогидродинамических характеристик АСВП с АР; участии в физических и натурных экспериментах с моделями АСВП с АР; разработке алгоритма проектирования аэрогидродинамической компоновки АСВП с АР на базе CFD-технологий; разработке проектных решений в обеспечение создания вариантов аэрогидродинамической компоновки АСВП с АР и элементов компоновок.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на всероссийских и международных конференциях и семинарах:
- XIV Международная конференция по скоростному водному транспорту FAST 2017 /
город Нант (Nantes), Франция: 27 - 29 сентября 2017 г.
-V Международный Балтийский морской форум. V Международная научная конференция «Морская техника и технологии. Безопасность морской индустрии» / Калининградский государственный технический университет, Калининград: 21 - 27 мая 2017 г.
Семинар «Рождественские встречи: современные проблемы гидродинамики» / Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, Санкт-Петербург: 27 декабря 2016 г.
IV Ежегодная национальная выставка-форум «ВУЗПРОМЭКСПО-2016» / Научно-практической конференции «Исследования и разработки - 2016», Москва: 14 - 15 декабря 2016 г.
-Всероссийская научно-практическая конференция «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве», посвященная 100-летию со дня рождения Р.Е. Алексеева / НГТУ им. Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород: 23 -24 ноября 2016 г.
XIII Международная специализированная конференция по инженерным расчетам и численному моделированию CADFEM/ANSYS, Москва: 25 - 27 октября 2016 г.
XI Международная научная конференция по амфибийной и безаэродромной авиации/ «Гидроавиасалон - 2016», Геленджик: 23 - 24 сентября 2016 г.
XI Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях/ Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Алушта, 25 - 31 мая 2016 г.
-III Ежегодная национальная выставка «ВУЗПРОМЭКСПО-2015» / Научно-практическая конференция «Итоги реализации в 2015 году прикладных научных исследований и экспериментальных разработок (ПНИЭР) по приоритетным направлениям в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы», Москва: 2 - 4 декабря 2015 г.
Конференция «Современные суперкомпьютерные технологии в промышленности -2014» / ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург: 17 октября 2014 г.
X Международная научная конференция по амфибийной и безаэродромной авиации / «Гидроавиасалон-2014», Геленджик: 5 - 7 сентября 2014 г.
Публикации. Основные материалы исследования отражены в шестнадцати научных публикациях, в том числе в четырех статьях в журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ.
Изобретения. По результатам диссертационного исследования получено четыре патента на полезные модели.
Благодарности. Автор благодарит за организационную поддержку и научные консультации главного конструктора проекта АСВП с АР Лукьянова Анатолия Ивановича и других специалистов ООО Судостроительная компания «АЭРОХОД». Автор благодарит сотрудников ФГУП «Крыловский государственный научный центр» за содействие в организации и обсуждении результатов модельных и вычислительных экспериментов. Автор благодарит сотрудников Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева за методическую и организационную поддержку.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Работа содержит 175 страниц основного машинописного текста, в том числе 74 рисунка, 23 таблицы, 143 наименования библиографического списка.
Особенности моделирования в судостроении
Особенностью судна на воздушной подушке является его способность двигаться над различными типами подстилающей поверхности за счет подъемной силы, полностью или частично создаваемой областью избыточного давления под днищем, генерируемой специальными нагнетателями воздуха [66]. Различают воздушную подушку камерной схемы, сопловой схемы и промежуточных схем, сочетающих признаки первых двух типов [122]. Суда с так называемой динамической воздушной подушкой, создаваемой встречным скоростным напором движущегося относительно судна воздуха, выделяют в отдельную категорию экранопланов [44].
Истечение воздуха из воздушной подушки ограничивается ограждением, устанавливаемым по периметру корпуса, которое может быть реализовано в виде эластичной юбки, бортовых килей или сопел [46]. В отдельную группу выделяют СВП скегового типа. Скеги - это многофункциональные элементы корпуса СВП, которые, в первую очередь, ограждают область воздушной подушки и обеспечивают остойчивость и непотопляемость судна [119]. Наибольшее распространение в последние десятилетия получили СВП с пневматическими (надувными) скегами, установленными по бортам судна-баллонетные АСВП. Суда этого типа пользуются наибольшим спросом среди амфибий,что подтверждают открытые коммерческие данные [114; 95; 96], а также возрастающий к этому виду СВП научный интерес [84; 73; 128].
Основы теории и конструкции СВП различных типов изложены достаточно подробно [119; 46; 36; 45; 90; 70; 7; 51; 100; 71], однако, наименее изученными остаются баллонетные АСВП: как в части аэрогидродинамики воздушной подушки, так и в части способов повышения характеристик скорости, дальности и управляемости движения.
Рассмотрим некоторые аспекты проектирования компоновочных элементов баллонетных АСВП. Корпус судна и выступающие части Формы корпуса, надстроек, рубок, выступающих частей, с одной стороны, должны иметь минимальное воздушное сопротивление, а с другой - обеспечивать аэродинамическую разгрузку на эксплуатационных скоростях, снижающую энергетические затраты на ВП [66]. Носовое и кормовое ограждение ВП Может быть выполнено в жестком варианте - в виде щитков, и гибком варианте - в виде классической «юбки» (носовое ограждение) и «мешка» (кормовое ограждение) [45]. Недостатком первого варианта исполнения является большее волновое сопротивление, большая вероятность замывов и брызгообразования. Основным недостатком второго варианта является возможное «за-липание», когда при относительно низких дифферентах судна «юбка» затягивается под корпус, происходит потеря воздушной подушки и резкое торможение судна.
Наиболее популярным вариантом конструкции бортового ограждения баллонетного типа является двухярусная схема пневмобаллонетов [114; 95; 96]. Эта схема обеспечивает меньшее гидродинамическое сопротивление судна по сравнению с одноярусной схемой. Замывы нижнего яруса ограждения частично устраняют с помощью системы реданов. Рассматриваются варианты с заклинкой баллонетов (установкой под углом к плоскости ДП). Установлено [66], что заклинка в районе 1 - 3 градусов незначительно снижает качество судна, уменьшая при этом время выхода на режим воздушной подушки с водоизмещающего режима в 2 - 3 раза.
Промежуточное ограждение ВП Судно с секционированной воздушной подушкой и раздельной системой подачи воздуха имеет большую амфибийность за счет возможности удержания подушки в секциях, закрытых на маневре с избыточным креном или дифферентом. Движительно-рулевой комплекс (ДРК) ДРК баллонетных АСВП чаще всего включает маршевый винт и рули направления. В качестве дополнительных элементов могут быть использованы рули дифферента и кольцевые насадки. Кольцевой насадок за счет специально подобранного профиля сечения увеличивает тягу судна, а также частично предохраняет винт от попадания посторонних объектов [66]. Спереди и сзади ДРК винт может быть защищен сеткой с небольшим аэродинамическим сопротивлением. В конструкциях средних по водоизмещению (6 - 18 тонн) СВП применяют два рядом стоящих ДРК [114]. Для снижения взаимного влияния, приводящего к уменьшению расхода воздуха и тяги, следует выбирать оптимальный по отношению к плоскости симметрии угол их расположения. Нагнетательный комплекс ВП
Выполняется в виде системы осевых или центробежных вентиляторов с шахтой, обеспечивающей подачу воздуха в воздушную подушку с наибольшим КПД. Типичная кривая зависимости давления от расхода воздуха такого вентилятора, как правило, содержит участок, описывающей эффект помпажа (значительное изменение расхода воздуха при практически неизменном давлении) [131]. Выведение рабочего режима вентилятора вне этого участка кривой может быть осуществлено с помощью спрямляющего аппарата либо специальной профилировки шахты нагнетателя. Также спрямляющий аппарат может способствовать увеличению КПД нагнетательной системы [84].
В таблицах 1.1-1.2 приведены основные характеристики различных эксплуатируемых проектов СВП [84], на рисунке 1.4 - эксплуатируемое СВП проекта А48 производства ООО Судостроительная компания «АЭРОХОД» (г. Нижний Новгород).
Баллонетные АСВП получили наибольшее распространение в последние десятилетия за счет сочетания свойств остойчивости, маневренности, ходкости и амфибийности. Теория динамики движения СВП в целом является достаточно проработанной, однако, многие аспекты проектирования аэрогидродинамического комплекса баллонетных АСВП, такие, как взаимное аэрогидродинамическое влияние элементов ограждения ВП, особенности аэрогидродинамики и аэрогидро-упругости пневмобаллонетов в составе компоновки до недавнего времени оставались без внимания. В последние десятилетия внимание к исследованию АГДК баллонетных АСВП возросло [84; 73; 128] благодаря распространению систем автоматического проектирования (САПР, англ. CAD -computer-aided design) и программных пакетов имитационного моделирования, реализующих методы вычислительной гидродинамики (англ. CFD- computational fluid dynamics).
Построение блочно-структурированной сетки
Характерным примером использования имитационного моделирования в исследовании динамики жидкости является применение особого вида САЕ-систем: программных пакетов вычислительной динамики жидкости CFD (Computational Fluid Dynamic). Не принуждая к самостоятельному программированию численных методов, CFD-пакеты предлагают широкий набор готовых инструментов анализа течения жидкости. Входными данными для CAE-CFD пакетов являются геометрическая модель и начальные (граничные) условия численного моделирования.
К настоящему времени создан ряд программных комплексов, позволяющих проводить численное моделирование аэрогидродинамики, динамики движения, статики и динамики деформируемого твердого тела на базе вычислительных экспериментов. В части аэрогидродинамики широкие возможности имеют пакеты ANSYS CFX, ANSYS Fluent (входят в ANSYS CFD), STAR-CCM, Open FOAM (этот комплекс свободно распространяемый), в части прочности - ANSYS Mechanical, Abaqus, в части определения динамических нагрузок на транспортные объекты LS-Dyna, ANSYS Autodyn.
В настоящей работе исследованы возможности применения вычислительных пакетов ANSYS CFX и сеточного генератора ANSYS ICEM CFD (входящих состав комплекса ANSYS CFD) для моделирования аэрогидродинамики АСВП с АР. аэрогидродинамики судов на воздушной подушке и аэродинамики экранопланов
Одним из первых успешных опытов применения ANSYS CFD с использованием блочно-структурированных гексаэдрических сеток стало исследование аэродинамики взаимодействия воздушного маршевого винта с элементами компоновки баллонетного СВП проекта А32 (ООО СК «АЭРОХОД») [67]. В результате вычислений было сформировано представление о картине течения в окрестностях винта и предложены варианты конструктивных изменений, направленных на повышение износостойкости конструкций. Эффективность внедренных в компоновку изменений подтверждена успешным опытом эксплуатации судна СВП А32 на маршруте Нижний Новгород - Петрозаводск - Архангельск.
Усовершенствованная методика вычислительного эксперимента, изложенная в [81], позволяет моделировать влияние различных конструктивных факторов на несущие качества СВП и сопротивление его движению, определять смоченную поверхность элементов СВП, исследовать вклад отдельных составляющих элементов компоновки СВП на аэрогидродинамические силы и моменты с учетом интерференции. Моделируется работа поддувных вентиляторов. Результаты моделирования вполне согласуются с результатами испытаний СВП «Хивус» пр. А8.
С использованием результатов работ [67; 81; 78] совместно сотрудниками ННГУ им. Н.И. Лобачевского, НГТУ им. Р.Е. Алексеева и ООО СК «АЭРОХОД» предложено системное применение методов виртуального проектирования при разработке концептуального проекта СВП с гибким ограждением баллонетного типа [73].
Дальнейшим развитием методического комплекса численного расчета характеристик АСВП [67; 81; 78; 73; 77] стало создание вычислительной методики моделирования аэрогидроупругих взаимодействий гибкого ограждения воздушной подушки баллонетного типа с водными и воздушными потоками [129; 130; 72]. Особенностью методики является связанное применение двух программных продуктов ANSYS: 1) CFX – для определения нагрузок со стороны жидкости и газа; 2) Mechanical– для определения деформаций ограждения с учетом нагрузок. Таким образом, на каждой итерации решения задачи осуществляется обмен данными между двумя программными комплексами. Разработанная методика позволяет не только решать нестационарные задачи взаимодействия гибкого ограждения ВП с водной средой, но и моделировать контактные взаимодействия баллонетов с носовым и кормовым ограждением, а также с твердыми опорными поверхностями с различными характеристиками рельефа и трения.
Численные эксперименты по комплексному исследованию аэрогидродинамики компоновок АСВП с использованием ANSYS на базе блочно-структурированных гексаэдрических сеток довольно редки в мировой практике по причине сложности создания сеточных моделей такого типа. Тем не менее, с использованием гибридных сеток (сочетающих различные виды топологии), сотрудники Bahcesehir University (Турция) провели ряд численных экспериментов по исследованию аэродинамических характеристик СВП для различных величин давления воздушной подушки и высоты воздушного зазора [16]. Совместные CFD-исследования (с использованием тетраэдрических сеток) коллег из Канады и Брунея [28] позволили оптимизировать геометрию корпуса СВП в части снижения аэродинамического сопротивления компоновки на 30%.
На базе неструктурированных тетраэдрических сеток методом численного эксперимента в ANSYS CFX сотрудники American University of Sharjah (ОАЭ) исследовали применение профилиро ванных направляющих лопаток, расположенных в кормовой части компоновки, для снижения сопротивления корпуса [32]. Ряд успешных опытов построения блочно-структурированных гексаэдриче-ских сеточных моделей для анализа гидродинамики гребных винтов, пропеллеров, рудеров и аэрогидродинамики корпуса судна [24; 5; 21; 3; 10; 9] также может быть использован в численном моделировании аэрогидродинамики скоростных амфибийных судов.
Численная модель аэродинамической трубы
Модель АСВП с АР продувалась в аэродинамической трубе ФГУП «Крыловский государственный научный центр» в 2014 г. Проведено сопоставление результатов CFD моделирования экранной аэродинамики АСВП с АР и физического эксперимента в аэродинамической трубе с масштабной моделью АСВП с АР. Математическое моделирование выполнено с использованием программного комплекса ANSYS CFD как с моделированием условий эксперимента в аэродинамической трубе, так и с моделированием обтекания натурного АСВП с АР на режиме экранного полета - в объеме полупространства, ограниченном подвижным экраном.
Рассматривается установившийся полет АСВП с АР на экранном режиме. Влиянием струй двигателей на структуру движения воздуха пренебрегается. Режим течения воздуха всюду считается турбулентным, числа Маха таковы, что влиянием сжимаемости воздуха можно пренебречь. Справедлив принцип обращения движения. Необходимо, определить АДХ модели АСВП с АР при различных ее положениях относительно экрана и различных углах атаки.
Аэродинамическая труба А-6 представляет собой аэродинамическую трубу замкнутого типа. Течение моделируется у фрагментов трубы, примыкающих к открытой рабочей части. Эти фрагменты и открытая рабочая часть с расположенными в ней моделью и экраном находятся в помещении, ограниченном стенками и пьедесталом, предназначенным для обслуживания модели. В открытой рабочей части расположены модель АСВП с АР и экран конечных размеров, меньших, чем размеры открытой части трубы. Поверхность экрана неподвижна. При моделировании аэродинамики с минимальными экранными высотами модель АСВП с АР и экран расположены в центре эллиптического сечения рабочей части трубы. С помещения при этом пренебрегается. Температура воздуха, его химический увеличением экранной высоты положение модели не меняется, а экран перемещается в вертикальном направлении. Экранная высота определяется зазором между задней кромки крыла модели и экраном h . Для моделирования различных углов атаки осуществляют вращение модели АСВП с АР. Помещение, в котором расположены входное и выходное сопла аэродинамической трубы, а также открытая рабочая часть, имеет размеры того же порядка, и что аэродинамическая труба. Влиянием гра ниц состав и атмосферное давление соответствуют стандартным условиям. Модель АСВП с АР для проведения аэротрубного эксперимента выполнена в масштабе 1:6.
Под АДХ понимаются безразмерные коэффициенты сопротивления, подъемной силы, а также безразмерный коэффициент момента по углу атаки.
Расчетная область вычислительной задачи для определения аэродинамических характеристик с имитацией условий продувок модели АСВП с АР в аэродинамической трубе А-6 представлена на рисунке 3.1. Геометрические размеры расчетной области равны размерам аэродинамической трубы и помещения ее базирования [133].
На входное сечение 2 фрагмента 3 аэродинамической трубы подается поток воздуха со скоростью, принятой в продувках модели в аэродинамической трубе: Vx = 30 м/с, Vy =VZ = 0. На выходной границе 4 фрагмента 3 аэродинамической трубы ставится граничной условие на избыточное давление р = 0. На плоскости симметрии 7 задается граничное условие симметрии К, = 0, = 0 . Все осталь dz ные границы расчетной области есть твердые стенки, на которых выставляется граничное условие непротекания и прилипания Vx = V = Vz = 0.
Количество узлов в сеточных моделях рассматриваемых задач варьировалось приблизительно от 4 до 18 млн. При этом, для сеточной модели задачи имитации экранного полета оптимальное количество узлов составляет 7-8 млн. контрольных объемов, а для задачи, представленной на рисунке 3.1-примерно 14 млн. контрольных объемов. Увеличение числа элементов сеток незначительно влияет на результаты численных экспериментов.
На рисунке 3.2 результаты продувок модели АСВП с АР в АДТ сопоставлены с результатами численного моделирования этих продувок, а также с результатами численного моделирования экранного полета самоходной модели АСВП с АР (методика моделирования - разделе 3.1 настоящей работы). Выполнение критерия Рейнольдса Re рУР rj (3.1) ( р - плотность воздуха; D - гидравлический диаметр, V - скорость воздушного потока, -динамическая вязкость) достигалось уменьшением геометрических размеров модели, имитирующей экранный полет, до размеров модели, используемой в аэродинамической трубе (с соответствующим изменением скорости воздушного потока). Рисунок 3.2 - Зависимости коэффициентов сопротивления Сх, подъемной силы Су, продольного момента т2и аэродинамического качества К модели АСВП с АР от безразмерного зазора между задней кромкой крыла и экраном h при различных углах атаки а 3.1.4 Влияние граничных условий на результаты моделирования в аэродинамической трубе
Результаты продувок и вычислительных экспериментов с имитацией условий продувок в аэродинамической трубе вполне согласуются между собой (Рисунок 3.2). В то же время, результаты CFD моделирования экранного полета АСВП с АР заметно отличаются от результатов продувок. Целью дальнейших вычислительных экспериментов было выявление причин этого отличия и, в первую очередь, различия коэффициентов подъемной силы Су.
Аэрогидродинамические характеристики выбранного компоновочного варианта АСВП с АР
С использованием верифицированных методик CFD моделирования аэрогидродинамики, расчета устойчивости и управляемости АСВП с АР поставлена задача разработки компоновочных вариантов и выбора аэрогидродинамическая компоновка АСВП с АР водоизмещением до 30 тонн. В качестве прототипа использована аэрогидродинамическая компоновка АСВП с АР «Тунгус». От прототипа наследована принципиальная схема компоновки ограждения статической воздушной подушки, а также схема компоновки корпуса (схема Алексеева): основное несущее экранное крыло с прямой задней кромкой и стреловидной передней кромкой, а также расположенное на вертикальном киле горизонтальное оперение. Удлинение основной части крыла (центроплана) Л = 2. Как и в компоновке АСВП с АР «Тунгус», центроплан выбранного компоновочного варианта дополнен консолями. Ставится задача исследования влияния параметров компоновочных элементов АСВП с АР (стреловидности крыла, формы и размера оперения, формы ограждения подушки и т.д.) на АДХ судна. В разделе приводятся результаты параметрического исследования в виде зависимостей от угла дифферента и высоты зазора между крылом и экраном h основных продольных АДХ (Сх, Су, mz, К), а также характеристик устойчивости.
Выбранный компоновочный вариант предложен к использованию в дальнейших проектных исследованиях и разработках как основа для создания эффективного с точки зрения технико-экономических показателей проекта АСВП с АР, с последующим внедрением в производство. Уровень технических решений, найденные в процессе выполнения работ настоящего раздела, зафиксирован документами об охране интеллектуальной собственности.
На основе разработанных и верифицированных методик, а также полученных с их использованием результатов предлагается принципиальный алгоритм выбора и обоснования компоновки амфибийного судна, использующего экранный эффект на крейсерском режиме движения. Разработанный алгоритм предназначен для выполнения поисковых работ в обеспечение создания облика как скоростного судна с динамической воздушной подушкой (экраноплана), так и амфибийного судна на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой. Алгоритм апробирован в производственном процессе ООО Судостроительная компания «Аэроход» при разработке проектов АСВП с АР.
Выполнена серия вычислительных экспериментов по исследованию обтекания воздушной средой компоновочных вариантов АСВП с АР на крейсерских режимах движения, не содержащих консолей и различающихся бортовым ограждением воздушной подушки (рисунок 4.1). В первом варианте бортовое ограждение имеет форму пневмобаллонетов, во втором – форму плоских шайб. Результаты численного моделирования приведены на рисунке 4.2.
Полученные результаты показывают, что выбор формы бортового ограждения статической воздушной подушки существенно влияет на аэродинамические свойства компоновки. При нерациональном выборе бортового ограждения потери в аэродинамическом качестве могут составлять до 30%. Пневмобаллонеты влияют не только на величину лобового сопротивления АСВП с АР, но и на несущие свойства АСВП с АР как экраноплана. Использование баллонетов снижает абсолютное зна Ск Ск т чение величины у (вплоть до изменения знака у на высотах движения с п « 0.1), что связано, как показывают результаты моделирования, главным образом, с боковым перетеканием воздуха из воздушной подушки во внешнюю область под баллонетами. Это перетекание стимулируется округлой формой поперечного сечения пневмобаллонета. Аэродинамическое разрежение под баллонетами способствует возникновению отрицательной подъемной силы, действующей на баллонет. Таким образом, концевые сечения центроплана оказываются в зоне влияния отрицательных скосов потока, вызванных баллонетами. Кроме того, как показывают зависимости сy(h) и тг(Й), баллонеты влияют на характеристики устойчивости компоновки, способствуя смещению фокуса по высоте в направлении носа судна на режимах движения с Л = 0.1-0.2. Выбор рациональной формы бортового ограждения воздушной подушки АСВП с АР должен проводиться с учетом аэродинамического взаимодействия баллонетов и несущих элементов компоновки. Применение пневмобаллонетов с продольными реданами позволяет поднять аэродинамическое качество на 0.5 - 1 единиц. Как показано далее, компенсировать негативное влияние баллонетов на несущие свойства компоновки могут энергетические способы механизации баллонетов (например, локальный выдув с использованием эффекта Коанда).
С использованием методики CFD моделирования экранной аэродинамики АСВП с АР исследовано влияние стреловидности передней кромки прилежащей к ДП части крыла - центроплана - на несущие свойства компоновки АСВП с АР. Для численного моделирования выбраны компоновочные варианты АСВП с АР с одинаковой площадью несущего крыла, не содержащего консолей, со значениями угла стреловидности центроплана z = 0; 30; 50; -30 (знак «-» показывает обратную стреловидность). Для исключения влияния скосов потока со стороны баллонетов на центроплан, в численных расчетах в качестве бортового ограждения моделируются плоские шайбы. Результаты исследований для угла дифферента =0 и зазора Л = 0.15 представлены на рисунке 4.3. Полученные результаты показывают, что для компоновки АСВП с АР оптимальным является крыло со стреловидностью передней кромки -30 30в плане обеспечения высокого аэродинамического качества и устой 109 чивости движения АСВП с АР по высоте У . Таким образом, с приближением стреловидности х к нулю аэродинамические свойства АСВП с АР как экраноплана улучшаются. Проекты экранопланов компоновочной схемы Алексеева (КМ, «Орленок», «Лунь», «Стриж»), обладающие малой стреловидностью передней кромки крыла, подтверждают полученный результат.
С другой стороны, для компоновки АСВП с АР существенными также являются и аэрогидродинамические свойства носового ограждения ВП. Угол установки носового щитка ВП по отношению к диаметральной плоскости АСВП с АР во много определяется формой центроплана, поэтому c точки зрения гидродинамических свойств АСВП с АР значения z 0 не рациональны. Для обоснованного выбора угла стреловидности передней кромки центроплана АСВП с АР необходим поиск оптимального соотношения между гидродинамическим сопротивлением носового щитка АСВП с АР на режиме хода на ВП и аэродинамическими свойствами центроплана с учетом его стреловидности.
Одним из способов достижения высокого аэродинамического качества судна, осуществляющего движение на крейсерском режиме в воздушной среде, является применение в его компоновке несущего крыла большого удлинения. С целью выявления влияния различных форм крыла на аэродинамическое качество АСВП с АР на базе технологий численного моделирования выполнено исследование экранной аэродинамики трех компоновочных вариантов АСВП с АР с различными значениями удлинения крыла Л. Площадь крыла и удлинение центроплана крыла исследованных вариантов АСВП с АР имеют одинаковые значения. Размеры рубки, баллонетов и оперения компоновок не изменялись. Удлинения крыла компоновочных вариантов АСВП с АР Я имеют значения 2.6; 5; 6.4; 8.3 (рисунок 4.4). Законцовка крыла компоновочного варианта с А = 2.6 выполнена в форме пневмобал-лонета, а в остальных исследованных вариантах вместо концевой шайбы моделируется винглет. На рисунке показаны виды моделей исследованных компоновочных вариантов с удлинениями 1 = 5 и Л = 8.3. Результаты численного моделирования в виде зависимостей Су, СхиКот безразмерного зазора между задней кромкой крыла и экраном h для движения с дифферентом =0, а также зависи