Введение к работе
І. Актуальность темы.
Кавитационные качества гребных винтов входят в число их важнейших характеристик. В настоящее время особое внимание уделяется начальным стадиям кавитации, которые, практически не влияя на упор и крутящий момент гребного винта, могут значительно увеличивать амплитуды периодических сил, передоваемых корпусу, и являться источником повышенного шума.
Традиционно прогнозирование кавитационных характеристик натурных изделий основывается на результатах модельных экспериментов. Однако, невозможность добиться полного динамического подобия между экспериментальным и натурным течениями приводит к тому, что кавитации на модели отличается от кавитации на полномасштабном изделии. И именно на начальные стадии кавитации изменение размеров обтекаемого тела оказывает особенно сильное влияние. Поэтому к результатам модельных экспериментов применяются методы пересчета ( Горшков, Гончаров ) на натурные условия ( так называемый масштабный эксграполятор ). Пересчет основывается на трех гипотезах: формы кавитации - одни и те же при одинаковых поступях на гребных винтах и на их моделях; критические числа кавитации пропорциональны некоторой степени числа Рейноль-дса, которая определяется формой кавитации и не зависит от геометрии лопастей; справедлив квазистационарный подход, т.е. значения критического числа кавитации можно определять при обтекании гребного винта стационарным однородным потоком, скорость которого равна экстремальному из мгновенных значений скорости набегающего на лопасти нестационарного потока. Как показала практика, такой пересчет дает достоверные прогнозы для гребных винтов с оптимальным по Бетцу законом
4 распределения нагрузки по радиусу, для которых характерны большие градиенты циркуляции на концевых сечениях лопасти и, как следствие, интенсивные концевые вихри.
На гребных винтах могут существовать различные формы кавитации, однако проведенные в начале 7 0-х годов лабораторные исследования показали, что кавитация возникает в концевых вихрях. Поэтому, основные усилия проектантов, направленные на улучшения кавитационкых качеств лопастей гребных винтов, были связаны с отдалением момента возникновения вихревой формы кавитации. Большой вклад в совершенствование конструкции гребных винтов и методов проектирования внесли В.Ф.Вавин, А.С. Горшков, Ю.Л.Левковский, И.Я. Миниович, В.Г.Мишке-вич, А.Д.Перник, А.А.Русецкий, Ю.Ф.Рябков, Е.Н.Сыркин, И.А.Титов, С.П.Чекалов и др. Эти работы привели к созданию гребных винтов с улучшенными кавитацлонными качествами, в частности - лопастей с сильной гидродинамической разгрузкой концевых сечений. Однако, проведенные в начале 80-х годов натурные наблюдения показали, что у таких винтов кавитация возникает в виде пленочной каверны вблизи входящей кромки лопасти, а вихревая форма либо не возникала вообще, либо появлялась на скоростях, значительно больших, чем предсказывал пересчет по экстраполяторам, хотя на моделях этих винтов (диаметр D=0.2 м) кавитация возникала имено в концевых вихрях, а кромочной кавитации получить не удалось. Таким образом, проблема прогнозирования характеристик кромочной кавитации натурных гребных винтов с разгрузкой концевых сечений является актуальной и для ее решения необходим теоретический анализ.
Традиционным аппаратом исследования кавитации является теория струй идеальной жидкости. Благодаря работам К.В.Александрова, А.Н. Иванова, Д.В.Маклакова, А.Г.Терентьева, Ulhaan, Rowe, Pellone и др.
теория плоского стационарного кавитационного обтекания профиля произвольной геометрии в идеальной жидкости уже достаточно хорошо разработана. Однако эта теория оперирует только одним критерием подобия - числом кавитации, и для анализа масштабных эффектов не пригодна. Кроме того, широко используемые на практике закрытые схемы каверны дают неограниченный рост числа кавитации и величины подъемной силы при приближении точки замыкания частичной каверны к задней кромке профиля, что не позволяет использовать такие теоретические результаты для практических целей.
Целью работы является разработка теоретических методов расчета кромочной кавитации натурного гребного винта в однородном и неоднородном поле скорости на основе численных методов расчета плоских кави-тационных течений.
Методика исследования. В работе трехмерная задача кавитационного обтекания гребного винта сводится к набору кавитационных задач для плоских однородных и неоднородных потоков, которые анализируются с помощью схемы кавитационного отрыва, разработанной в исследованиях Э.Л.Амромина и А.Н.Иванова. Эта схема позволяет предсказывать масштабный эффект, обусловленный влиянием вязкости и капиллярности жидкости, что дает возможность вести расчет непосредственно для натурных условий. Эффективность разработанных теоретических методов оценивалась по результам сравнения с данными натурных наблюдений и модельных экспериментов.
Научная новизна диссертационной работы состоит:
1. В разработке метода вычисления гидродинамических характеристик
плоского профиля с учетом вязкости и капиллярности жидкости, дающего достоверные результаты во всем диапазоне длин частичных каверн.
-
В применении метода расчета кавитации с учетом эффектов вязкости и капиллярности жидкости для отыскания параметров кромочной каверны на лопастях натурных гребных винтов, работающих в однородном потоке.
-
В разработке метода расчетного прогнозирования критического числа кавитации гребного винта в неоднородном потоке.
Практическая ценность работы. Разработанные методы рачета позволяют: качественно и количественно прогнозировать характеристики частичной каверны на плоском профиле и на лопасти гребного винта в однородном потоке как для натурных, так и для модельных условий; прогнозировать значение критического числа кавитации натурных гребных винтов в неоднородном потоке; вырабатывать рекомендации по совершенствованию акустических характеристик гребных винтов в процессе их проектирования.
Внедрение результатов работы. Полученные результаты были использованы:
при проектных проработках гребных винтов заказов 11442, 11551 (Северное ПКБ );
при прогнозировании начальных стадий кавитации заказа 12441 ( ЦМКБ "Алмаз" );
в работах по темам А-35-6, А-35-3, А-8-259, А-7-189, А-8-280;
в работах по контрактам N А.93.77.088.00.405.75.78 от 22.10.93 и N А.93.77.089.00.405.75.78 от 22.10.93
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на XXXV Всесоюзной конференции "Крыловские чтения" (Ленинград, 1991), зимнем съезда ASME (Нью-Орлеан,1993) и международном
конгрессе, посвященном 100-летию ЦНИИ им. акад. Д.Н.Крылова (С.Петербург,1994)
Публикации По теме диссертации опубликовано 9 работ ( перечень публикаций представлен в конце автореферата ).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы ( 72 названия ), содержит 105 страниц машинописного текста и 56 рисунков.
Похожие диссертации на Разработка методов расчета плоских кавитационных течений и прогнозирование кромочной кавитации натурных гребных винтов
