ОГЛАВЛЕНИЕ •......................................................2
Принятые обозначения.и сокращения.........................................7
Введение
1. Обоснование проблемы..........................................11
2. Цели и содержание работы.........................................15
Глава 1. Конструктивные и гидродинамические особенности КГР
1.1 История создания.............................................18
1.2 Гидродинамические особенности гибридных катамаранов..........28
1.3 Основные конструктивные особенности корпусов и
подводных крыльев КГР......................................... 31
1.4 Экономическая эффективность КГР.............................36'
1.5 Обзор существующих КГР. Использование подводных крыльев в составе гидродинамических систем стабилизации движения.............................................38
1.6 Достоинства и недостатки КГР.................................48
Глава 2. Обзор теоретических и экспериментальных методов
исследования гидродинамики КГР
2.1 Аналитические и приближенные решения для
традиционных катамаранов.......................................54
2.2 Экспериментальные исследования гидродинамики КГР.............60
2.3 Приближенные теории для расчета гидродинамики КГР............77
2.4 Обзор численных методов для расчета гидродинамики КГР
2.4.1 Особенности численного моделирования гидродинамики КГР в зависимости от скорости
движения ............................................. 81
2.4.2 Обзор численных методов, основанных на потенциальной теории волн......................................84
2.4.3 Моделирование течения за транцевой кормой быстроходных судов.............................................89
2.4.4 Программные комплексы для расчета ГДХ
полуводоизмещающих катамаранов.............................91
2.4.5 Сравнение линейных и нелинейных панельных методов, теории тонкого судна для расчета полуводоизмещающих катамаранов................................ 92
2.4.6 Методы расчета подводных крыльев вблизи свободной поверхности. Исследование взаимодействия несущих элементов крыльевых
систем.....................................................95
2.4.7 Методы расчета глиссирования.............................104
2.4.8 Заключение.............................................. 116
Глава 3. Основы численного метода расчета гидродинамических
характеристик |КГР
3.1 Введение.................................'....................118
3.2 Постановка задачи.............................................124
3.3 Расчет несущей поверхности и ее следа с помощью МДВ...........126
3.4 МДВ для моделирования волновых движений, вызванных подводным крылом, не пересекающим
свободную поверхность.........................................131
3.4.1 Свойства вихревого слоя..................................131
3.4.2 Вывод динамического граничного условия на
свободной поверхности................................... 132
3.4.3 Кинематическое граничное условие на свободной поверхности. Определение ординат волновой
поверхности...............................................134
3.4.4 Панелизация свободной поверхности.
Определение циркуляций....................................134
3.4.5 Итоговый алгоритм........................................137
3.5 Применение МДВ для расчета глиссирования при больших числах Фруда
3.5.1 Метод аналогии с крылом..................................140
4
3.5.2 Определение смоченной поверхности.........................141
3.6 Определение гидродинамических и гидростатических сил...........147
3.7 Математическая модель расчета ГДХ тела,
пересекающего свободную поверхность
3.7.1 Численное представление свободной поверхности
и пересекающего ее корпуса.....................................151
3.7.2 Определение циркуляций на свободной поверхности...........155
3.7.3 Итоговый алгоритм.........................................157
3.8 Некоторые проблемы МДВ.........................................160
3.9 Выбор математической модели для расчета КГР
в зависимости от режима движения................................164
Глава 4. Примеры численного моделирования гидродинамики КГР
4.1 Методические исследования математической модели расчета подводного крыла
4.1.1 Влияние числа панелей по хорде и размаху подводного крыла на сходимость его ГДХ при
больших числах Фруда......................................169
4.1.2 Влияние закона панелизации подводного крыла на сходимость его ГДХ..............................................171
4.1.3 Влияние числа панелей на свободной поверхности
на сходимость ГДХ подводного крыла........................174
4.1.4 Исследование сходимости формы свободной поверхности в зависимости от способа
панелизации численной волновой области....................175
4.2 Тестирование математической модели расчета
глиссирования при больших числах Фруда..........................178
4.3 Методические исследования математических моделей расчета катамарана с системой подводных крыльев типа тандем при больших числах Фруда
4.3.1 Сущность четырех шаговой процедуры решения задачи 180
5
4.3.2 Результаты расчета гидродинамики КГР на первом шаге при умеренном числе панелей на
переднем ПК...................................’...........182
4.3.3 Уточнение расчета переднего ПК в компоновке
КГР на втором шаге решения................................183
4.3.4 Коррекция расчета кормового ПК на третьем шаге
решения задачи............................................184
4.3.5 Коррекция сопротивления на четвертом шаге
численного решения........................................139
4.3.6 Исследования сходимости ГДХ катамарана
с системой ПК типа тандем.................................190
4.3.7 Сравнение уточненного расчета гидродинамики катамарана с системой ПК типа тандем с экспериментом...................................................193
4.4 Роль различных элементов компоновки КГР в создании
силы поддержания................................................196
4.5 Определение влияния деформации свободной
поверхности на гидродинамику КГР................................197
4.6 Оптимизация взаимного расположения корпусов и подводных крыльев в компоновке катамарана с
системой ПК типа тандем.........................................201
4.6.1 Предварительные исследования..............................202
4.6.2 Алгоритм поиска оптимального решения......................207
4.6.3 Расчет посадки............................................208
4.6.4 Анализ результатов........................................213
4.7 Тестирование математической модели расчета быстроходных катамаранов в переходном режиме
4.7.1 Сравнение разработанного метода расчета
быстроходных катамаранов в переходном режиме с другими численными методами
и с экспериментом.............................
4.7.2 Сравнение расчетов ГДХ катамарана с системой ПК типа тандем в переходном режиме с
экспериментом ;.................................
Заключение.........................................................................
Список использованных источников............................
7
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
• , * •
СД1Ш — судно с динамическими принципами поддержания;
СПК — однокорпусное судно на подводных крыльях,
СВП—судно на воздушной подушке; ■ •
СМПВ — судно с малой площадью ватерлинии;
КПК — катамаран на подводных крыльях;
КГР — катамаран с гидродинамической разгрузкой;
КАР — катамаран с аэростатической нагрузкой;
МДВ — метод дискретных вихрей;
МКР — метод конечных разностей;
SGPM— Staggered-Grid Panel Method (метод смещенных гидродинамических особенностей и контрольных точек);
СЛАУ — система линейных алгебраических уравнений;
ПС — пограничный слой;
ПК — подводное крыло;
ГДХ — гидродинамические характеристики;
ДП — диаметральная плоскость;
число Фруда по водоизмещению D;
D — весовое водоизмещение погруженной части корпусов, Н;
V — скорость движения катамарана с гидродинамической разгрузкой; р — плотность морской воды, кг/м3; g — ускорение свободного падения; 9,81м/с2;
FrL = V/ViL — число Фруда по длине корпуса L;
Ргд - v/-v/g%/A — число Фруда по водоизмещению Д;
Д — объемное водоизмещение погруженной части корпусов, м3;
Ч' = L/^Д — относительная длина корпуса;
М — массовое водоизмещение погруженной части корпусов, т;
сеток
Гг/ — число Фруда по смоченной длине глиссирующей пластины; с — расстояние между внутренними бортами корпусов катамарана на уровне скулы на миделе, м;
б — расстояние между диаметральными плоскостями корпусов катамарана, м; у — угол входа носовых ватерлиний;
В — полная ширина судна, м;
Вк — ширина одного корпуса катамарана, м;
Т — осадка, м; т °— угол дифферента;
Р,°— угол внешней поперечной килеватости днища; х<1 — продольная координата центра давления, м;
Н — глубина погружения центра тяжести судна, м;
Б — площадь смоченной поверхности одного корпуса, м ;
Бе — площадь смоченной поверхности двух корпусов катамарана, м2;
К — гидродинамическое качество;
8-1/К — обратное гидродинамическое качество;
Ко — пропульсивное качество;
ер — показатель экономической эффективности;
Иг = У/Т^С — число Фруда по длине хорды подводного крыла;
С — длина хорды подводного крыла; а, ° — угол атаки подводного крыла;
Ь— расстояние от подводного крыла до свободной поверхности (глубина погружения подводного крыла); высота волны;
Ь = Ь/С — обезразмереннос расстояние от подводного крыла до свободной поверхности;
_ (ув +|Ун|)
( = ^Ю0,%— максимальная толщина профиля;
О
- (л+Ьн!)
у- _ \-------/шах_. юо,% — относительная кривизна средней линии профиля;
2С
9
X - I2/§ — удлинение подводного крыла; / — размах крыла;
Х киля * скулы • „
=-------г—1------удлинение глиссирующей поверхности;
скулы
Ьпк. — продольное расстояние между подводными крыльями;
концевых вихрей;
Ьз% — высота волны трехпроцентной обеспеченности;
К — длина волны, п — орт внешней нормали;
7 — радиус-вектор точки пространства,
Ф — потенциал скорости; ра — атмосферное давление;
Р1(р+)> ^(У+) — давление и скорость над свободной поверхностью; р2(р_), V2(V_) — давление и скорость под свободной поверхностью; Уо — значение скорости на свободной поверхности;
Уг — скачок касательной скорости на вихревой пелене; у — интенсивность вихревого слоя на единицу площади;
Лу — подъемная сила, т;
Яу
Су = г— ------------коэффициент подъемной силы;
Ру с 2 ^пер ПК
Ср — коэффициент давления;
— сопротивление движению КГР, т;
по хорде подводного крыла скосы
Сх =----^— -----------коэффициент сопротивления;
рУ2
2 ^пер ПК
Яхм — сопротивление движению модели КГР, т;
Ся — коэффициент гидростатических сил;
10
— волновое сопротивление, т;
М2 — момент гидродинамических сил относительно оси г, тм; .
ПАРАМЕТРЫ РАСЧЕТОВ: '
п — число итераций;
.Одь х\2\ — координаты узловых точек передней и задней границ численной волновой области на свободной поверхности;
Ах, Дг —размеры панели численной волновой области на свободной поверхности;
X — расстояние от передней границы расчетной волновой области до передней кромки подводного крыла;
М, Ис — число панелей по хорде подводного крыла; число полос численной волновой области на свободной поверхности;
М — число панелей по размаху подводного крыла; число рядов численной волновой области на свободной поверхности;
Ых— число панелей на одной длине волны.
ВВЕДЕНИЕ
!.
1. - Обоснование проблемы:.
Быстроходные суда (СПК, глиссеры, суда с малой площадью ватерлинии, СВП, экранопланы) — важный показатель мирового технического прогресса. В условиях стремительно развивающихся технологий сокращение времени морских перевозок является одной из важнейших задач современного судостроения.
Все водоизмещающие суда имеют ограничение по скорости; Это объясняется тем, что, начиная с определенного значения числа Фруда, сопротивление воды, доминирующей-: составляющей которого является волновое сопротивление, растет настолько интенсивно, что эксплуатация судна с экономической точки зрения становится совершенно невыгодной: для того, чтобы получить малое приращение скорости требуется значительное увеличение мощности двигателя. Способом* повышения скорости водоизмещающих судов длительное время являлось улучшение формы их обводов (например, использование бульбов в, носовой оконечности, уменьшение угла входа носовых ватерлиний), а также совершенствование энергетической установки. Кардинального снижения сопротивления удалось достичь за счет гидроаэродинамической разгрузки, приводящей к выходу либо всего корпуса, либо его части из воды. Разгрузка достигается за* счет использования подводных крыльев (суда на подводных крыльях СПК), воздушной-подушки (суда на воздушной подушке СВП), воздушных крыльев (экранопланы) и глиссирования корпуса (глиссирующие суда). Перечисленные выше суда получили общее название — суда с динамическими принципами поддержания СДПП. Вследствие выхода корпуса СДПП из воды уменьшаются волновое сопротивление* и сопротивление трения. При этом волновое сопротивление в. крейсерском режиме практически исчезает. При выходе на крейсерский режим волновое сопротивление может быть существенным и определяющим для выбора энергетической установки скоростного судна. К
12
сожалению, оптимистические прогнозы 60-70х гг. относительно полного доминирования в будущем СДПГ1 в пассажирских и частично в грузовых •перевозках не подтверждаются. Низкая экономическая эффективность, проблемы с остойчивостью, зависимость от погодных условий, низкий комфорт привели к тому, что в настоящее время непрерывно сокращается число строящихся СПК, экранопланы так и не вышли из стадии экспериментальных разработок, закрыты многие пассажирские линии СВП, в том числе наиболее известная через Ламанш. В отличие от многих СДПП судьба скоростных катамаранов оказалась более удачной. В 80-90х гг. XX века судостроители в СССР, США, Германии и ЮАР независимо друг от друга пришли к идее совместить достоинства СПК, глиссера и катамарана. Так появились катамараны с гидродинамической разгрузкой.
Катамараны- с гидродинамической разгрузкой КГР (в иностранной литературе Foil Assisted Catamarans) — перспективный вид морского транспорта, предназначенный в- основном для быстрых перевозок. Это катамараны переходного (2^FrD<3) и глиссирующего (Frp>3) режимов. Гидродинамическое качество оптимальных компоновок КГР составляет 16, скорость — около 100 км/час. Мировой опыт в области гидродинамики КГР на сегодняшний день ограничен немногочисленными исследованиями. Это отчасти обусловлено сложной постановкой задачи при исследовании КГР в широком диапазоне скоростей, и отчасти тем, что основное внимание судостроителей вплоть до 1970х годов было обращено- на традиционные водоизмещающие катамараны.
Катамараны с гидродинамической разгрузкой представляют собой гибрид катамарана и системы подводных крыльев. Подводные крылья в-компоновке КГР предназначены для частичной разгрузки корпусов. В отличие от СПК, корпус которых в основном режиме полностью выходит из воды, корпуса КГР сохраняют контакт с водой. Благодаря этому традиционными методами обеспечиваются остойчивость, мореходность, управляемость, маневренность.
. • . ; із
В центре внимания представленного исследования — разработка математических моделей для расчета гидродинамики КГР, использование этих моделей для определения: наиболее важных, оказывающих влияние на экономическую эффективность судна геометрических характеристик корпусов и конфигураций подводных крыльев ПК. Модельный эксперимент — мощный инструмент исследования гидродинамики гибридных судов; но он* требует больших экономических затрат, его- точность ограничена наличием масштабного эффекта. Исследование сложных систем. подводных крыльев вносит дополнительные трудности в проведение эксперимента [1]. В связи с этим рационально прогнозирование гидродинамических характеристик ГДХ рассматриваемых судов на ранних этапах их создания с помощью надежного численного метода, а затем — на основе предварительного численного моделирования с помощью экспериментальных исследований. Такой подход значительно сокращает объем экспериментальных исследований, позволяет рассмотреть различные компоновки КГР при минимальных экономических затратах.
Математическое моделирование гидродинамики КГР — непростая задача, поскольку КГР являются сложными гидродинамическими объектами. В зависимости от скорости движения изменяются посадка, смоченная поверхность и ГДХ в целом. В каждом режиме определяющими являются различные гидродинамические принципы. Гидродинамика КГР существенно отличается от гидродинамики традиционных быстроходных судов наличием взаимодействий между корпусами и ПК. В результате взаимного влияния конструктивных элементов в конфигурации КГР происходит перераспределение давлеїшй на корпусах и ПК, что приводит к существенному отличию гидродинамики изолированных корпусов и подводных крыльев от гидродинамики этих элементов- в компоновке КГР. На сегодняшний день практически не существует надежных теоретических методов расчета таких сложных гибридных судов: с учетом возникающих в их конфигурациях взаимодействий составляющих элементов. Поэтому одна из основных проблем
• .14
при- моделировании КГР состоит в корректном- определении гидродинамических особенностей взаимодействия конструктивных элементов и в зависимости от скорости, движения; а также в поиске наиболее благоприятного характера этих взаимодействий. ,
В основе работы лежит метод, разработанный и апробированный группой исследователей под руководством проф. Корнева в коммерческом программном пакете AUTOW1NG. Этот метод базируется на методе дискретных вихрей МДВ. Опыт показывает, что вихревые методы позволяют моделировать несущие поверхности наиболее естественным образом и обеспечивают прогнозирование-всех ГДХ с точностью, не меньшей, чем при модельных испытаниях. Программа AUTOWING к моменту написания диссертации успешно зарекомендовала себя во многих судостроительных предприятиях. Первая ее версия использовалась в ЦКБ по СПК, АО Технологии и Транспорт, КБ Рубин, МГП Агат, Московском Авиационном Институте (МАИ), филиале фирмы. Marine Technology Development (MTDLtd), Корейском Институте Судостроения' (KRISO), ряде фирм Германии и других организациях для расчетов легких самолетов, экранопланов, подводных лодок и даже авианосцев. Вторая версия программы разработана; для расчета ПК при произвольных числах Фруда, она использовалась для моделирования гидродинамики СПК к глиссеров. Развитый в диссертации метод расчета КГР лег в основу третьей версии• программы AUTOWING. Для расчета гидродинамики КГР требовалось решить задачу о движении ПК вблизи свободной поверхности, а также волновую задачу для тел, пересекающих свободную поверхность. МДВ достаточно разработан и апробирован для целого ряда аэродинамических задач. Тем не менее, практически до сих пор МДВ не использовался для решения волновых задач;
Всестороннее изучение особенностей гидродинамики КГР будет способствовать более широкому распространению этих судов. С помощью теоретических моделей, разработанных в рамках принятого численного метода с учетом основных гидродинамических принципов КГР, можно
оптимизировать гидродинамические комплексы «корпуса — подводные
• I
крылья» и «переднее — кормовое Г1К» и создать экономически эффективные конфигурации КГР, способные • успешно конкурировать на рынке быстроходных судов.
2. Цели и содержание работы
Основная цель работы — обобщение МДВ для. решения пространственных задач, гидродинамики сложных интегрированных объектовКГР, движущихся в переходном режиме и в режиме глиссирования, с учетом граничных условий. Для решения этой задачи необходимо решить ряд конкретных проблем, в том числе:
• разработать теоретическую модель гидродинамики КГР в основном режиме движения, при котором часть корпуса КГР глиссирует в вихреволновом следе переднего ПК;
• • обобщить полученную теоретическую модель глиссирования на случай
переходного режима (2 ^ Гго < 3) и, тем самым, создать универсальную модель расчета гидродинамики КГР в широком диапазоне чисел Фруда в рамках единого численного метода;
• провести апробацию моделей, систематическое сопоставление расчетов с экспериментальными данными.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
Введение содержит обоснование проблемы, раскрывает цели и содержание работы.
В главе I рассмотрены основные этапы развития КГР, достоинства и недостатки этих судов, критерии экономической эффективности и сопоставление КГР с другими быстроходными судами; выполнен обзор некоторых построенных в мире судов с крыльевой разгрузкой с описанием их конструктивных особенностей.
В главе 2 представлен обзор теоретических и экспериментальных методов исследования гидродинамики КГР. Рассматриваются аналитические и
• 16‘
приближенные решения для традиционных катамаранов, экспериментальные исследования гидродинамики КГР, приближенные теории для. расчета гидродинамики КГР. Выполнен обзор численных методов для расчета гидродинамики КГР, в том числе методов расчета волнового сопротивления корпусов судов, методов расчета ПК и глиссирования. Отмечены особенности; численного моделирования гидродинамики КГР в зависимости от скорости движения и способы моделирования течения за транцевой кормой. В главе 2 также представлена информация о программных пакетах, применяющихся для проектирования: скоростных катамаранов. На основе анализа литературы, в: заключении к главе 2 делается вывод об актуальности- исследований, представленных в диссертации.
Глава 3 содержит основные теоретические результаты диссертации. Задачей исследования, описанного в главе 3, было создание численного метода, расчета КГР в основном и переходном режимах движения. В начале главы дается математическая, постановка задачи в- наиболее общей форме. Далее описываются следующие частные математические модели:
• дискретно-вихревая модель для расчета несущей поверхности и ее вихревого следа с помощью МДВ без учета волновой поверхности,
• МДВ для моделирования волновых движений, вызванных подводным крылом, не пересекающим свободную поверхность,
• дискретно-вихревая модель для расчета глиссирования при больших числах Фруда.
Частные математические модели служат основой для расчета гидродинамики КГР в основном режиме его движения. В основном режиме движения гидродинамика КГР определяется в два этапа. На первом этапе рассчитывается волнообразование и деформация вихревого следа за передним ПК. Волновая поверхность, вызванная1, движением переднего ПК, рассчитывается с использованием как линейного, так и нелинейного граничного условия на свободной поверхности. Затем рассчитываются ГДХ кормовой части корпуса, глиссирующей в вихреволновом следе переднего ПК. При этом корпус
17
рассчитывается совместно с кормовым ПК. Специальная методика позволяет
i
учесть влияние свободной поверхности на гидродинамику кормового ПК. На базе частных математических моделей в § 3.7 разработана универсальная дискретно-вихревая модель для расчета гидродинамики КГР в переходном режиме. Эта модель позволяет рассчитать волновое обтекание корпуса, пересекающего свободную поверхность, с использованием линейного' и нелинейного граничного условия на свободной поверхности с учетом влияния подводных крыльев.
В главе 4 представлены численные результаты работы. В начале главы 4 приведены методические исследования математической модели расчета подводного крыла и модели расчета катамарана с системой ПК типа тандем при больших числах Фруда. Рассматриваются проблемы выбора размера панелей и способы панелизации несущих элементов и свободной поверхности. Представлено сравнение результатов расчета сопротивления, подъемной силы и продольного положения центра давления катамарана с крыльевой системой: тандем с экспериментом как в переходном режиме, так и при глиссировании; показаны эффективность и работоспособность разработанных моделей. С помощью разработанного метода выявлена роль различных элементов компоновки КГР в создании суммарной силы поддержания и влияние деформации свободной поверхности, вызванной движением переднего ПК, на гидродинамику исследуемого КГР. Также в главе 4 с помощью численного моделирования выполнена оптимизация взаимного расположения корпусов и подводных крыльев в компоновке катамарана с системой ПК типа тандем.
Основные результаты: работы, их новизна-и практическая значимость отмечены в заключении к диссертации;
18
ГЛАВА 1:. КОНСТРУКТИВНЫЕ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КГР
1.1 История создания
Название катамаранов «катту марам»- (связанные- деревья) носит малайско-полинезийское происхождение. Эти-: суда, представляющие собой выдолбленные и заостренные с обоих, концов соединенные мостками бревна, первоначально использовались, для коротких сообщений и рыбной ловли5 у народов:азиатского побережья Индийского океана и прилегающих островов, а также островов-Тихого океана, и Южной Америки.- Применение простейших компоновок катамарана было очень удобно, поскольку они обладали, хорошей остойчивостью и. высокой вместимостью. Тем не менее, первые большие катамараны «Касталия» (1874 г) и «Кале -Дувр»-(1877 г), использовавшиеся для переправы через каналы, показали низкую рентабельность: потребляли большое количество угля, их скорость составляла не более 14 узлов, к тому же на волнении катамараны «Касталия»*и «Кале-Дувр» испытывали порывистую качку. Отмеченные недостатки были обусловлены тем, что проектирование и постройка, катамарановI проводились без изучения: особенностей их. гидродинамики: Дальнейшее развитие катамаранов стало возможным после того, как была доказана возможность значительного до (30-40 %) снижения их волнового сопротивления: Было показано,, что в результате благоприятной интерференции волновых систем двух корпусов волновое сопротивление судна в целом может быть меньше суммы волновых сопротивлений отдельно взятых корпусов, составляющих катамаран. Начиная с некоторых скоростей 'движения, катамаран имеет меньшее общее сопротивление по- сравнению с однокорпусным судном равного водоизмещения, так как понижение волнового сопротивления превосходит приращение сопротивления.трения, обусловленное существенно возросшей при- наличии двух корпусов величиной смоченной поверхности.
19
Этот факт способствовал не только более широкому распространению катамаранов, но и появлению судов с новыми!, принципами, движения — катамаранов-глиссеров. Первый самоходный глиссирующий катамаран был создан во Франции в 1897 г. Он представлял собой два корпуса, соединенные четырьмя поперечными балками; имел- паровую машину, установленную на соединительном мосту, и один четырехлопастной гребной- винт в диаметральной плоскости судна в качестве движителя. Во время испытаний максимальная скорость катамарана составила 20 узлов.
Развитию концепции катамарана-глиссера способствовало то, что глиссирующие катамараны имеют определенное преимущество по сравнению с однокорпусными глиссирующими судами. Как известно, однокорпусным глиссирующим судам с плоским широким днищем не всегда удается реализовать высокое гидродинамическое качество [2]. Одна из причин этого — потеря устойчивости судна при- достижении им'; оптимального ходового дифферента; Поэтому на практике при глиссировании однокорпусных судов фактические углы атаки оказываются значительно меньше оптимальных углов атаки. В. результате гидродинамическое качество однокорпусных глиссирующих катеров не достигает своего максимального значения и составляет ~4ч-5. Одна из возможностей повышения гидродинамического качества — это существенное уменьшение ширины глиссирующего участка днища, при котором судно глиссирует устойчиво с большим углом атаки. Чем больше по сравнению с шириной днища длина смоченной- поверхности и, следовательно, расстояние от транца до точки приложения равнодействующей гидродинамических сил давления, тем выше скорость, при которой происходит потеря устойчивости. Именно это свойство устойчивого глиссирования при оптимальных углах атаки в расчетном реасиме используется в конструкции глиссирующих катамаранов для повышения гидродинамического качества. Дополнительным, преимуществом использования глиссирующих катамаранов является то, что днищу катамарана, с целью уменьшения перегрузок на волнении и улучшения мореходности можно придать больший по сравнению с
20
однокорпусным- глиссирующим судном угол килеватости без потери остойчивости.
В 1938 г был построен быстроходный глиссирующий; катамаран «Экспресс» водоизмещением 42т. 0*1 имел симметричные корпуса со сложной профилировкой днища и поперечными реданами. Катамаран «Экспресс» эксплуатировался на морской пассажирской линии «Сочи — Сухуми». Это судно благодаря тщательно разработанной форме обводов и высокой эффективности двигательной установки было совершенным даже по меркам сегодняшнего времени: катамаран развивал максимальную скорость с полной нагрузкой на тихой воде 46 узлов, эксплуатационная скорость составляла 38 узлов. Мореходность глиссирующего катамарана ограничивалась до волны в 3 балла.
Глиссирующие катамараны не получили широкого распространения в качестве прогулочных судов и катеров народнохозяйственного значения. В основном они используются для спортивных целей. На соединительном мосту скоростных спортивных катамаранов особенно в том случае,, если ему придать продольный профиль крыла, при высокой-скорости воздуха в туннеле между корпусами создается аэродинамическая подъемная сила, воспринимающая часть нагрузки судна. В результате аэродинамической разгрузки корпусов уменьшается осадка, их смоченная поверхность, увеличивается скорость. Современные спортивные глиссирующие катамараны способны развивать скорость до 250 км/час. На волнении при резком увеличении угла дифферента такие суда в результате чрезмерного роста аэродинамической подъемной силы испытывают продольную неустойчивость, приводящую к опрокидыванию (рйсЬ-ир). Для обеспечения продольной устойчивости; спортивных глиссирующих катамаранов в случае действия1 дополнительных аэродинамических сил и моментов, мост смещают ближе к транцу, а его продольное сечение выбирают из числа таких аэродинамических профилей, у которых центр давления и аэродинамический фокус (точка приложения
21
равнодействующей дополнительных сил, возникающих при- изменении угла атаки) имеют кормовое расположение.
Серийное строительство быстроходных катамаранов началось в Норвегии в 1971 г. В Советском Союзе за исключением нескольких судов катамараны практически не строили. Тем не менее, в нашей стране был проведен ряд обширных систематических исследований катамаранов и в том числе выполнена научно-экспериментальная программа по изучению влияния управляемых интерцепторов на гидродинамику быстроходных катамаранов [3]. Это исследование показало, что установка на модели катамарана интерцепторов вследствие благоприятного перераспределения давлений в кормовой оконечности способствует росту гидродинамического качества катамарана, а также значительному улучшению его маневренности и мореходности как в переходном режиме, так и при глиссировании.
За последние годы катамараны получили широкое развитие.
Таблица 1.1
Количество единиц построенных в мире быстроходных судов
период катамараны однокорпусные суда СПК всего:
1956-1989гг 216 82: 306 761
1989-1988гг 407 112 65 628
2001г 83 21 4 111
Как следует из таблицы 1, основная роль в скоростных морских перевозках сегодня принадлежит именно этим судам. По сравнению с однокорпусными водоизмещающими судами для катамаранов при одинаковых соответствующих условиях характерны: более высокая средняя скорость, большие полезная площадь палуб и вместимость на единицу водоизмещения. Несмотря на то, что скорость катамаранов меньше скорости СПК, темпы строительства СПК начиная с 1980х годов (табл. 1) несколько упали, а спрос на катамараны постоянно растет [4]. Это объясняется тем, что в отличие от СПК катамараны проще по конструкции и дешевле, в эксплуатации. Кроме того,
- Київ+380960830922