Исследование нелинейных задач обтекания суперкавитирующих профилей с учетом интерцептора и застойной зоны на выходящей кромке

Введение
I. Общая формулировка проблемы. Актуальность исследований
Диссертация посвящена решению задач обтекания суперкавитирующих профилей особой формы с интерцептором и застойной зоной на выходящей кромке, а также решетки таких профилей потоком невязкой несжимаемой жидкости с использованием различных схем замыкания каверны. Под суперкавитацией понимается такой процесс образования каверны, при котором ее длина превышает длину профиля, вследствие чего замыкание каверны происходит уже за задней кромкой.
Рассматриваемые задачи тесно связаны с такими понятиями гидроаэродинамики, как интерцепторы, застойные зоны, струйное и кавитационное обтекание.
1.1. Использование интерцепторов
Интерцепторы — выдвигаемые поперек набегающего потока пластины, позволяющие целенаправленно управлять отрывом потока на несущих поверхностях корпуса и на лопастях движителей быстроходных судов [42], [72].
Рис. I. Принцип работы системы интерцепторов: 1 — корпус катера; 2 — носовые интерцепторы (НИ); 3 — кормовые интерцепторы (КИ); 4,5 — эпюры давлений перед НИ и КИ; б — эпюра давления от корпуса катера; 7 — днищевая каверна за ІІИ;
8 — подсос воздуха в каверну; УкиУн — подъемная сила на корпусе от 4 и 5.
Управление характером обтекания корпуса судна и его движителей позволяет совершенствовать быстроходные суда. Одним из таких направлений является повышение их ходовых и мореходных качеств. Кроме традиционного пути оптимизации обводов судов, значительно улучшить их гидродинамические характеристики может установка интерцепторов на глиссирующих поверхностях [41]. Так, установка интерцепторов на днище судна в районах транца и миделя
Си
при выдвижении их приводит к возникновению перед ними зон повышенного давления, которые уменьшают осадку и, соответственно, смоченную поверхность судна. Возникающая за мидслевыми интерцепторами воздушная каверна, заполняемая атмосферным воздухом, также ведет к уменьшению смоченной поверхности днища. В итоге же обеспечивается снижение общего сопротивления судна. Также при определенном расположении интерцепторов в диаметральной плоскости судна, их побортным выдвижением и убиранием можно управлять креном и дифферентом судна во времени, что позволяет использовать интерцепторы, в том числе, и как успокоители качки (рисунок I).
Результаты натурных испытаний показывают следующее:
1. На тихой воде симметричные относительно ДП судна выдвижения интерцепторов, обеспечивающие оптимальную посадку судна, позволяют снизить сопротивление воды движению и, как следствие, повысить, скорость полного хода. Правда, в этом случае для сохранения остойчивости судна на переходном режиме необходимо правильно подобрать выдвижение носовых интерцепторов. При этом с убранными носовыми интерцепторами на переходных режимах при перекладке рулей уменьшается время циркуляции при соответствующем уменьшении крена.
2. Па волнении, при правильном управлении интерцепторами возможно значительное снижение параметров бортовой и килевой качки.
3. На волнении при работающих интерцепторах улучшается курсовая устойчивость движения судов, а также значительно уменьшаются средние вертикальные ускорения на их корпусе.
Важнейшим элементом быстроходного судна является движитель. Наиболее распространенный тип движителя - гребной винт. На любом моторизированном плавсредстве — это одна из важнейших составляющих всего комплекса «двигатель-движитель». От его правильного выбора зависят скорость, экономичность, комфортный режим движения и масса иных характеристик, влияющих на эффективность использования плавсредства в целом [4].
Гребной винт преобразует вращение вала двигателя в упор — силу, толкающую судно вперед. Диаметр и шаг винта являются важнейшими параметрами, от которых зависит степень использования мощности двигателя, а, следовательно, и возможность достижения наибольшей скорости хода судна. Шаг винта — это расстояние, пройденное винтом в результате поступательного движения за один полный оборот. Разность между теоретическим шагом винта и фактически пройденным расстоянием за один оборот называется проскальзыванием. Винт, максимально эффективно реализующий мощность мотора в со-
2
четании с конкретным корпусом и обладающий наибольшим КПД, называется оптимальным.
Применение на 1рсбных винтах загнутой исходящей кромки, т.е. интерцептора, способствует увеличению способности винта к «захвату» жидкости, особенно на лодках с высоко установленным мотором и большими углами ходового дифферента. Интерцептор также обеспечивает дополнительный подъем носа катера в случае установки на линиях угла наклона лопасти (см. рисунок I). Применение интерцептора на исходящей и внешней кромках лопасти увеличивает шаг [39].
Также существует и другое преимущество установки на гребных винтах интерцепторов. Обычный полностью погруженный гребной винт должен быть значительно заглублен для предотвращения попадания в его гидравлическое сечение атмосферного воздуха, который в этих случаях ухудшает тяговые характеристики винта, а они при эпизодическом попадании туда воздуха становятся нестабильными [51].
Однако при достаточном заглублении оптимального по КПД гребного винта детали привода, например, наклонный гребной вал с кронштейном, оказываются настолько развитыми, что их доля в сопротивлении судна составляет 20% и более, что значительно снижает эффективность движителя за счет низкого пропульсивного коэффициента при высоком КПД самого винта.
Рис. II. Кавитирующий профиль с интерцептором 1 на задней кромке. Пунктирными линиями показаны границы каверны при обтекании изолированного профиля, сплошными линиями — при обтекании профиля с интерцептором
Другой особенностью глубоко погруженного гребного винта является невозможность развития больших оборотов на промежуточных скоростях движения: возрастание момента на гребном валу влечет за собой недостаточность тяги для быстрого разгона судна.
3
Для повышения эффективности такого движителя можно уменьшить его заглубление, снизив, таким образом, сопротивление выступающих частей его привода. Одним из способов является разработка гребных винтов, приспособленных к работе вблизи поверхности жидкости при ограниченных режимах. Для достижения этих целей возможно применение интерцепторов, устанавливаемых на нагнетающей поверхности лопастей в районе выходящих кромок (рисунок И). Применение интерцепторов делает кавитационную каверну более тонкой, и она смещается в сторону нагнетающей поверхности, приводя к увеличению подъемной силы профиля [47].
Физическая причина увеличения подъемной силы профиля с интерцептором состоит в повышении гидродинамического давления на его нагнетающей стороне из-за подтормаживания потока. Роль засасывающей стороны в создании подъемной силы незначительна. Поэтому попадание воздуха в гидравлическое сечение гребного винта с интерцептором при его работе на расчетном режиме оказывает существенно меньшее влияние на его тягу, чем в случае гребного винта с традиционной профилировкой лопастей.
Примером может служить гребной винт с клиновидными сечениями лопастей (рисунок III), спроектированный таким образом, что высота интерцепторов по его радиусу изменяется по эллиптическому закону.
Важным преимуществом интерцепторов является возможность путем регулирования их высоты существенно изменять гидродинамические характеристики гребного винта. Это позволяет достаточно просто согласовывать параметры гребного винта и двигателя в зависимости от нагрузки судна, состояния акватории и других эксплуатационных условий путем подбора высоты интерцептора.
В ЦНИИ имени академика А Н. Крылова разработан новый вид водометного движителя, лопасти рабочего колеса которого- приспособлены к работе
•: ‘АЇА
^/777777
Рис. 111. Лопасть гребного винта с интерцептором 1
при постоянном поступлении воздуха в гидравлическое сечение движителя [42]. Этот движитель назван вентилируемым водометным движителем — ВВД. В отличие от традиционного водометного движителя, ВВД не имеет спрямляющего аппарата и сопла, формирующего струю. Конструктивно ВВД состоит из водовода, на выходном сечении которого располагается рабочее колесо с приводом от гребного вала (рисунок IV).
Рис. IV. Установка вентилируемого водометного движителя на катере: а — схема компоновки; б — фотография модели катера с вентилируемым водометным движителем
Рабочие колеса ВВД имеют лопасти с клиновыми сечениями, на которых предусматривается возможность установки интерцепторов. Пропульсивные характеристики ВВД находятся на уровне лучших движителей быстроходных судов. Как и в случае гребных винтов, установка интерцепторов позволяет регулировать гидродинамические характеристики в широких пределах.
Еще одной областью применения интерцепторов являются клиновые рули быстроходных судов. Установка за рулями интерцепторов, выдвигаемых при перекладке, повышает эффективность рулей и уменьшает величины необходимых углов перекладки.
Итак, все сказанное об использовании интерцепторов при отрывном обтекании элементов судов показывает перспективность их применения в различных областях судостроения.
Примером может служить система интерцепторов QL Boat Trim System, являющаяся принципиально новым патентованным решением, с новыми стан-
5
дартами в области дифферентовки судов. Технология использования интерцепторов обеспечивает плавность хода и быстрый выход на редан [53], [55].
Также данная система дифферентовки, разработанная для скоростей до 50 узлов, обладает такими же эксплуатационными характеристиками, что и традиционные транцевые плиты, однако характеризуется меньшими значениями времени отклика и сопротивления, а также компактностью.
В отличие от обычных гидравлических систем дифферентовки, новая система QL boat trim является полностью электромеханической. Основными ее элементами являются блоки интерцепторов, панель управления, блок управления, кабельные пучки со штепсельными разъемами.
Рисунок V. Новая, не имеющая аналогов система QL Boat Trim System с интерцепторами
Из рисунка V можно видеть, что в случае применения указанной системы-гидродинамическая сила, действующая на небольшую поверхность интерцептора, создает направленное вверх давление на днище корпуса судна, в результате чего его корма приподнимается, а нос опускается. В случае же традиционной системы дифферентовки (рисунок VI) гидродинамическая сила, действующая на транцевую плиту большой площади, создает направленное вверх давление. В традиционном варианте транцевые плиты выступают из корпуса, что делает их более уязвимыми и подверженными повреждению.
Благодаря малым размерам, интерцепторы легко монтируются. Единственным изменением в состоянии корпуса является небольшое отверстие для проводов. Рядом можно установить дополнительные интерцепторы, т.е. по два блока на каждой из сторон транца.
Рисунок VI. Традиционная система дифферентовки
6
Таким образом, преимущества системы QL Boat Trim System во многом определяются именно интерцепторами.
Практика показывает также перспективность использования интерцепторов не только в различных областях судостроения.
'Гак в 2006 году компания Gulfstream Aerospace Corporation завершила первый этап программы испытательных полетов, разработанной на основе исследовательской концепции Advanced Flight Controls (AFC) [87]. Программа AFC использует самолет Gulfstream GV, предназначенный для полетов на сверхдальние расстояния. Используемые технологии задействовали электронно-управляемый привод, приводящий в движение поверхности управления воздушным судном, включая руль высоты, элероны, закрылки, а также интерцепторы.
На этапе испытаний Gulfstream была оценена работа интерцепторов, управляемых электромеханическими приводами. Помимо этого, тестировались управление самолетом по крену, выпуск интерцепторов и придание самолету посадочной конфигурации, а также проводилась проверка боковой и курсовой устойчивости на высоких скоростях. В процессе испытаний экспериментальный самолет достигал предельной скорости при максимальной маневренности.
Другим примером может служить изобретение группы авторов из Военно-морской академии им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова. Оно относится к ветротехнике и может быть применено на верхней части установок (ветроагрегат, дымовая труба, дымоход, вентиляционная шахта), имеющих вертикальный сквозной канал [54].
Сами устройства для усиления тяги воздуха, например в ветроагрегатах, у которых ветроколесо установлено в вертикальном сквозном канале на вертикальном валу, были известны и ранее.
Известным был также ветроагрегат, содержащий ветроколесо, размещенное в башне, на торце которой расположен интерцептор, внутренний диаметр которого равен внутреннему диаметру башни. Недостаток такой конструкции выражался в невысокой эффективности и сложности.
Цель изобретения состояла в повышении эффективности устройства за счет энергии ветра с любого направления, а также упрощение конструкции.
Ветроагрегат содержит ветроколесо 1, размещенное в башне 2, на торце которой расположен интерцептор 3, внутренний диаметр которого равен внутреннему диаметру башни 2. Интерцептор 3 снабжен пластинами 4 и имеет поперечное сечение, выполненное в виде много!ранника, а пластины 4 установ-
7
лены радиально на ребрах наружной поверхности интерцептора 3 (рисунок VII).
вид А
Рисунок УЛ. Продольное сечение ветроагрегата (слева); вид по стрелке А (справа)
С целью повышения эффективности и упрощения конструкции данный интерцептор снабжен пластинами и имеет поперечное сечение, выполненное в виде многогранника, а пластины установлены радиально на ребрах наружной поверхности интерцептора.
Устройство работает следующим образом. Ветер набегает на интерцептор 3, при этом на ветроколесе 1 перед интерцептором происходит торможение потока, после чего поток срывается с острой кромки интерцептора с повышенной скоростью.
Экспериментально найдено, что точка начала застойной зоны находится на расстоянии около 10 высот интерцептора. Этим определяется необходимая ширина кольца. Высота интерцептора должна быть равна 1/4 диаметра верхней части канала. За интерцептором образуется зона пониженного давления, которая охватывает большую часть поперечного сечения канала. Увеличение градиента давления в канале приводит к увеличению тяги и ускорению потока воздуха (газов), проходящего в канале. Для рассматриваемого в качестве примера ветроагрегата, у которого ветроколесо 1 (рисунок VII) размещено в канале на вертикальном валу, это позволит увеличить число оборотов колеса и вырабатываемую электроэнергию. Пластины 4, установленные на ребрах многогранника, частично препятствуют растеканию ветрового потока в стороны и увеличивают тем самым объем потока воздуха, формирующего зону пониженного давления.
8
1.11. Застойные зоны
Широкий круг проблем гидромеханики приводит к постановке задач об отыскании потенциального движения идеальной жидкости в области, ограниченной частично твердыми стенками, а частично - свободной поверхностью. Форма свободной поверхности заранее неизвестна, ее нужно определять в процессе решения задачи с помощью дополнительных условий на этой поверхности. В тех случаях, когда влиянием силы тяжести и поверхностного напряжения на движение можно пренебречь, в установившихся движениях, как следует из интеграла Бернулли, на свободной поверхности, вдоль которой жидкость соприкасается с областью постоянного давления, скорость жидкости постоянна. Типичными задачами с условиями такого типа являются задачи об истечении струй из отверстия в сосуде и о соударении струй, натекании на тело струи жидкости конечной толщины, глиссировании с большой скоростью тела по поверхности жидкости. К таким же задачам относятся задачи об обтекании тел неограниченным потоком со срывом струй и с образованием за телом застойных зон или кавитационных полостей с постоянным давлением. В случае двумерных течений при решении всех этих задач используются аппарат конформных отображений, вариационный метод и метод интегральных уравнений. Решение пространственных задач значительно труднее и опирается на численные методы. При решении этих задач лишь немногие результаты получены с использованием точных методов. Значительные успехи связаны с применением приближенных асимптотических методов [45], [18].
Если рассматривать двумерные плоские течения в смысле задач обтекания, то можно говорить об использовании застойных зон как одного из способов моделирования реальных процессов.
Так схема обтекания тела потенциальным потоком со срывом струй и с образованием за ним застойной области, в которой скорость жидкости равна нулю, представляет собой один из возможных способов схематизации. Также имеются схемы, обтекания тел с застойной областью в следе, заполненной завихренной жидкостью.
Исследование таких схем, в частности, привело к возникновению задачи о склейке областей потенциального и вихревого течений жидкости, отделенных поверхностью тока, форма которой заранее неизвестна.
9
Стоит заметить, что применение застойных зон в кавитационных задачах обтекания находит отражение на практике. Ярким примером может служить использование зализов - обтекателей, обеспечивающих плавное, без завихрений, застойных зон и срывов обтекание мест сочленения различных агрегатов самолета. Таким образом, например, на стыке крыла с фюзеляжем, пилоном подвески двигателя, с мотогондолой «моделируется застойная зона». Если говорить точнее, то на самом деле при помощи твердой поверхности наоборот предотвращается появление такой области [27].
Такой метод оказывает существенное влияние на характеристики крыла. Дело здесь в следующем. При обтекании воздушного судна потоком возникают основные виды сопротивления. Во-первых, - это лобовое сопротивление. Оно зависит от площади лобовой проекции летательного аппарата. Во-вторых, - это сопротивление индуктивное, которое зависит от величины углов атаки при маневрировании. Существует также интерференционное сопротивление, вызванное перемешиванием струйных потоков вблизи элементов конструкции, расположенных друг к другу под углом от 60 градусов и выше, с образованием зон турбулентности. В результате существенным образом возрастает общее сопротивление летательного аппарата, что может привести к непоправимым последствиям. Наиболее сильно возрастает эта составляющая сопротивления па скоростях от 80 до 400 км/ч. Эта проблема во многом оказывается устраненной при проектировании летательного аппарата методом заполнения теоретической зоны интерференции подходящим материалом [32].
Проблема учета застойных зон оказывается актуальной не только в задачах, связанных с обтеканием движущихся в жидкой или газообразной среде тел применительно, в частности, к судам и летательным аппаратам. Она также может возникать и в областях, связанных с более обыденной деятельностью.
Так понятие аэродинамики здания объединяет явления, также связанные с процессом обтекания турбулентным потоком воздуха, а именно ветром [31].
При обтекании ветром около здания образуются застойные зоны. Определение характеристик этих зон необходимо для расчета их загрязнения выбросами вредных веществ технологических и вентиляционных систем. Вихревые зоны образуются за счет отрывных потоков от поверхности земли и кромки здания (сооружения). Эти вихревые зоны представляют собой сложные вихревые неустановившисся трехмерные потоки. При набегании на здание нижние слои
10
потока воздуха затормаживаются, и кинетическая энергия этой части потока переходит в потенциальную. Следовательно, статическое давление увеличивается. Нарастание статического давления происходит постепенно по мере приближения к зданию, торможение потока начинается на расстоянии от здания, примерно равном 5—8 средним размерам фасада. Максимальных значений избыточное давление воздуха достигает на поверхности наветренного фасада здания. Здесь набегающий поток образует характерную зону циркуляции. Ее вихри как бы дополняют форму здания до удобообтекаемой формы и тем самым уменьшают потерю энергии основного потока. В этой зоне происходит активный обмен воздуха, совершающего вихреобразное движение и уходящего на заветренную сторону здания. Набегающий поток обтекает здание и зону циркуляции сверху и с боков. На заветренной стороне здания образуется несколько вихрей. Граница аэродинамического следа в этой области — криволинейная поверхность.
При обтекании ветром группы зданий образуются более сложные зоны с общей циркуляцией воздуха. Их изучение необходимо для расчета диффузии вредных примесей вблизи здания, для выбора мест расположения устройств, выбрасывающих вредные примеси в атмосферу, для расчета степени их очистки, а также при определении мест воздухозабора. Также необходимость расчета избыточного статического давления, возникающего за счет действия ветра, появляется при расчете ветровой нагрузки на здание, а также при определении естественного воздухообмена в его помещениях.
Для конкретных экспериментальных расчетов влияния ветра на здания используют аэродинамические трубы.
11