Брызгообразование амфибийных судов на воздушной подушке.

Дьяченко, Наталия Владимировна

Брызгообразование амфибийных судов на воздушной подушке. тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Дьяченко, Наталия Владимировна АВТОР

доктора технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Брызгообразование амфибийных судов на воздушной подушке.»

Автореферат диссертации на тему "Брызгообразование амфибийных судов на воздушной подушке."

Министерство образования Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи 005051

ДЬЯЧЕНКО НАТАЛИЯ ВЛАДИМИРОВНА

БРЫЗГООБРАЗОВАНИЕ АМФИБИЙНЫХ СУДОВ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ

Специальность 01.02.05 - «Механика жидкости, газа и плазмы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

« ЛЬ? ¿013

Санкт-Петербург 2013

005051906

Работа выполнена на кафедре прикладной математики и математического моделирования федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский

государственный морской технический университет» (СПбГМТУ).

Официальные оппоненты: Павловский Валерий Алексеевич

Зуев Валерий Андреевич

Мотыгин Олег Валерьевич

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры ТОСЭ ФГБОУ ВПО «СПбГМТУ»

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры кораблестроения и авиационной техники ФГБОУ ВПО «Нижегородский технический университет»

доктор физико-математических наук, вед. н.с. ФГБУН «Институт проблем машиноведения РАН» ОАО ЦМКБ «Алмаз», г. Санкт-

Петербург

Защита состоится 14 мая 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.228.02 при СПбГМТУ по адресу: 190008, г. Санкт-Петербург, Лоцманская ул., д. 3, ауд. А-313.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГМТУ

Автореферат разослан » -Л-?¿ь^—■ 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

С. Г. Кадыров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ПОСТАНОВКА И АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ Создание судов и кораблей на воздушной подушке (ВП) является примером инновационной технологии, объединяющей новейшие достижения судостроительной, авиационной, машиностроительной и ряда других отраслей промышленности.

Реализация принципа ВП позволила создать ударные корабли и десантно-высадочные средства для военно-морского флота, суда пассажирского и специального назначения для народного хозяйства. Уникальные свойства амфибийных судов на воздушной подушке (АСВП), позволяющие эксплуатировать их круглогодично над водой, льдом и сушей, выходить на необорудованный берег, значительно сокращают расходы на строительство терминалов, причальных сооружений и другой транспортной инфраструктуры. АСВП активно используются частями министерства по чрезвычайным ситуациям при проведении спасательных работ на воде. Интерес к приобретению Российских АСВП проявляют такие зарубежные страны как Греция и Южная Корея. В связи с этим научно-исследовательские и опьггно-конструкторские работы, направленные на развитие технологии создания АСВП, имеют большое народно-хозяйственное и оборонное значение.

Вместе с тем опыт использования АСВП показал, что имеется ряд проблем, затрудняющих их эксплуатацию и частично снижающих эффективность их применения. К числу этих проблем относится сильное брызгообразование, - облако брызг, поднимающееся вокруг АСВП при парении над водой, особенно на малом ходу и на «стопе». Это облако создает следующие технические проблемы:

1. Затрудняет обзор из ходовой рубки и серьезно усложняет навигацию.

2. Капли воды и содержащиеся в них частицы морских солей вместе с воздухом попадают из окружающей среды в воздухозаборные устройства главных двигателей; после испарения воды частицы солей оседают на лопатки газовых турбин и приводят к перегрузке и остановке двигателей. При

отсутствии специальных водоотделителей общее время работы газовых турбин сокращается до 15-20 минут.

3. Брызги воды при взаимодействии с быстро вращающимися лопастями воздушных винтов и лопатками нагнетателей вызывают эрозию и разрушение их входящих кромок.

4. В холодное время года брызги воды, оседающие на частях надстройки судна, насадках воздушных винтов, рулях и т.д. приводят к обледенению указанных поверхностей и создают серьезные эксплуатационные проблемы. При движении с малыми скоростями толщина льда на надстройках в течение получаса может достигнуть величины порядка 100 мм.

5. Оседание капель - брызг на корпусе судна, изготовленного из легких сплавов, может привести к коррозии и преждевременному износу материала.

Приведенный перечень проблем свидетельствует о том, что представленное в диссертации исследование процесса брызгообразования АСВП связано с крупной научно - технической проблемой развития судостроительной промышленности на базе инновационных технологий и является актуальным.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Устранение вышеперечисленных недостатков является многоплановой технической проблемой, имеющей различные пути решения и требующей, по крайней мере, трех последовательных этапов решения.

• Первый этап - получение информации об объеме и параметрах облака брызг вокруг АСВП в зависимости от их конструктивных особенностей.

• Второй этап - проектно-конструкторские проработки на базе полученной информации, направленные на формирование рекомендаций по устранению вредных последствий брызгообразования, и проведение ОКР и НИР для апробации найденных конструктивных решений.

• Третий этап - практическая реализация предлагаемых проектных рекомендаций и конструктивных решений в ходе постройки судов

на заводах и опытная проверка реализованных решений при испытаниях судов в морских условиях

Настоящая диссертационная работа посвящена выполнению первого из перечисленных этапов решения проблемы.

В настоящее время в науке и технике не существует никакой информации о параметрах облака брызг, окружающего АСВП, парящее над водой. Наблюдателю со стороны видно, что судно окружено массой брызг, поднимающихся над водой. Ничего более. Неизвестно ни полное количество воды, выносимое струей воздуха из ВП, ни распределение этой воды по высоте над уровнем моря, ни дисперсность водной среды. Тем не менее, вся эта информация необходима для технически обоснованного конструирования сепараторов, отделяющих воду и содержащиеся в ней морские соли от воздуха, поступающего для питания двигателей в проточную часть газовых турбин. Информация о количестве воды в облаке брызг, окружающем судно, полезна для выбора числа ступеней очистки воздуха, а информация о дисперсном составе водной среды может быть использована для выбора типа сепараторов: сетчатого типа «НИТМАШ» или вихревого типа «ЦИКЛОН». Перечисленная информация также может быть использована для улучшения конструкции защитных накладок на ведущих кромках лопастей воздушных винтов и лопаток нагнетателей, для улучшения конструкций защиты от брызг окон ходовой рубки судна.

Отсутствие до настоящего времени этой информации не случайно, - её невозможно получить при проведении испытаний маломасштабных моделей АСВП, т.к. масштабный эффект коренным образом изменяет характер происходящих процессов. Проводить же эксперимент с полноразмерным судном было бы слишком дорогостоящим мероприятием, к тому же технически трудно реализуемым.

Целью данной диссертационной работы является создание научно обоснованного метода расчета параметров и объема брызгового облака в зависимости от конструктивных особенностей судов для выполнения проектно - конструкторских разработок, направленных на улучшение эксплуатационных характеристик АСВП

и уменьшение вредного воздействия на суда окружающей морской среды.

Для достижения поставленной цели автору необходимо было разработать теоретические положения, на основе которых решить следующие конкретные задачи:

1. Изучить механизм истечения воздуха из ВП и исследовать волновые движения поверхности склона впадины ВП.

2. Исследовать механизм движения двухфазной среды, состоящей из струи воздуха и капель воды, в пространстве между склоном впадины ВП и поверхностью гибкого ограждения (ГО).

3. Исследовать механизм движения капель в атмосфере над уровнем моря.

4. Разработать методику определения объема облака брызг АСВП и распределение этого объема по высоте над уровнем моря.

5. Разработать методику определения дисперсионного состава облака на разных высотах над уровнем моря.

6. Разработать методику расчета количества морской соли, поступающей внутрь корпуса АСВП вместе с воздухом и брызгами.

7. Выявить влияние конструктивных особенностей АСВП на указанные выше величины.

Для решения поставленных задач в диссертации разработаны теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное научное достижение.

Действительно, если до настоящего времени информация о параметрах облака брызг, которое окружает судно, парящее над водой, практически полностью отсутствовала, то в результате выполненного исследования предложены алгоритмы и программы, позволяющие установить величины объемов воды, выносимые струей воздуха из ВП, объемные расходы воды, которые поднимаются на различные высоты над уровнем моря, дисперсность жидкой среды на различных высотах, количества морской воды и содержащихся в ней

солей, попадающие внутрь корпуса судна и в машинное отделение и даже распределение их между различными двигателями судна.

ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ Объектами проведенного исследования являются амфибийные суда на воздушной подушке (АСВП) и параметры генерируемых ими облаков брызг, окружающих суда при парении над водой на малом

ходу или «стопе».

Предметом исследования являются закономерности брызгообразования, распределения объемов воды по высоте над уровнем моря и взаимосвязь параметров облака брызг с конструктивными особенностями АСВП.

МЕТОДЫ ПРОВЕДЕННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ При выполнении исследований использовались как теоретические, так и экспериментальные методы. В теоретической части работы использованы методы теоретической механики, математической физики, теории вероятностей и математического анализа. Постановка экспериментальных исследований и обработка результатов измерений проводились на базе теории подобия и размерностей.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ЗНАЧИМОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ Новыми научными результатами, полученными при проведении работы, являются:

исследования волнового движения склона впадины ВП, отличающиеся учетом взаимодействия струи воздуха, вытекающей из ВП, и гребней волн; впервые получены:

• численные характеристики процесса обмена количеством движения между струей воздуха, вытекающей из ВП, и массой капель воды, образовавшихся при разрушении жидкой поверхности склона впадины ВП;

• значения диапазона изменения радиусов капель воды, выносимых струей воздуха в атмосферу из области ВП;

• эмпирическая формула для расчета объема воды, вынесенного струей воздуха из ВП, на базе обобщения экспериментальных материалов;

• численные характеристики дисперсности водной среды (математические ожидания, среднеквадратичные отклонения радиусов капель воды), как в районе выноса из области ВП, так и на различных высотах над уровнем моря;

• зависимости распределения объемного расхода воды по высоте над уровнем моря для различных типов АСВП;

• величины объемных расходов воды, поступающих внутрь АСВП через отверстия нагнетателей, при парении судна в условиях ветра;

• величины весовых расходов морских солей, поступающих в проточную часть газовых турбин, при парении судна в условиях ветра;

• впервые проведен анализ физической природы масштабных эффектов, возникающих при изучении процесса брызгообразования АСВП в условиях проведения испытаний маломасштабных моделей в опытовых бассейнах;

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ Обоснованность разработанных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы определяется тем, что в ней аргументированно оговорены все основные допущения и ограничения при построении математических моделей процессов, использованы строгие математические методы численного интегрирования систем дифференциальных уравнений, аналитические методы теоретической механики, математической физики, теории вероятностей и математического анализа, а обработка результатов экспериментальных исследований проведена на основе применения теории подобия и размерностей.

Достоверность полученных результатов и вытекающих из них выводов подтверждается следующими факторами:

• сопоставлением полученных расчетным путем закономерностей распределения объемов воды по высоте над уровнем моря с высотами, определенными по имеющимся фото - и киноматериалам, полученным при испытаниях натурных АСВП.

• сравнением полученных экспериментальных результатов с известными экспериментальными данными других авторов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ Практическая значимость диссертационной работы в первую очередь состоит в создании научно обоснованного задела для выполнения проектно - конструкторских разработок, направленных на улучшение эксплуатационных характеристик АСВП и уменьшение вредного влияния на такие суда окружающей морской среды.

Практическая ценность работы состоит также в разработке математических моделей, алгоритмов и программ для расчетов с использованием ЭВМ, позволяющих получить важную для проектирования АСВП информацию, которая не может быть определена другим путем.

В работе выполнены расчеты применительно к ряду АСВП, спроектированных ЦМКБ «АЛМАЗ», в том числе КВП «Скат», «Джейран», «Кальмар», «Омар», «Зубр», «Мурена», «Косатка».

В работе установлена связь параметров облака брызг с конструктивными особенностями АСВП в том числе:

- линейными размерениями судна, его общим расположением и компановкой оборудования;

- величиной давления в ВП;

- величиной расхода воздуха на 1 м длины периметра ВП;

- высотой и конструкцией ГО, углом наклона к горизонту навесных элементов ГО;

- типом, количеством и расположением главных двигателей на судне;

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ На защиту выносятся разработанные теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное научное достижение, направленное на решение важной народно-хозяйственной и оборонной задачи по улучшению эксплуатационных характеристик АСВП и защите их от вредного воздействия окружающей морской среды. Эти положения включают:

• математическую модель волнового движения наклонной поверхности жидкого склона впадины ВП;

• математическую модель динамического процесса обмена импульсом между струей воздуха, вытекающей из ВП, и каплями воды, образовавшимися при разрушении волн на склоне впадины ВП, а также алгоритм и программу расчета параметров процесса с использованием ЭВМ;

• математическую модель дисперсионного состава облака воды, выносимой струей воздуха из ВП, и алгоритм расчета параметров дисперсности в зависимости от высоты подъема воды над уровнем моря;

• математическую модель движения капель воды в облаке брызг над уровнем моря, алгоритм и программу расчета распределения воды по высоте подъема над уровнем моря,

• алгоритм расчета величины объемного расхода воды, выносимой струей воздуха из ВП;

• алгоритм расчета весового расхода морской соли, поступающей вместе с воздухом в проточную часть главных двигателей;

• конструктивные рекомендации, направленные на уменьшение вредного воздействия на судно окружающей морской среды.

СООТВЕТСТВИЕ ДИССЕРТАЦИИ ПАСПОРТУ СПЕЦИАЛЬНОСТИ Работа представлена к соответствию формуле специальности 01.02.05 - «Механика жидкости, газа и плазмы», так как в ней рассмотрены на основе механики сплошной среды процессы и явления, сопровождающие течение однородных и двухфазных сред, построены и исследованы математические модели, проведены

экспериментальные исследования течений и интерпретированы их результаты. Результаты научного исследования соответствуют пунктам 6 (Течения многофазных сред (газожидкостные потоки, пузырьковые среды, газовзвеси, аэрозоли, суспензии и эмульсии)), 10 (Гидромеханика плавающих тел), 13 (Гидродинамическая устойчивость), 14 (Линейные и нелинейные волны в жидкостях и газах), 17 (Экспериментальные методы исследования динамических процессов в жидкостях и газах) области исследований паспорта специальности.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные результаты диссертационного исследования докладывались на итоговой сессии ученого совета РГГМУ 31 мая 2000 г, Санкт-Петербург; на VI, VII Всероссийских конференциях по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах» июнь, 2002 г., июнь, 2003 г., Санкт-Петербург, на Международной конференции «Superfast Marine Vehicles, moving above, under and in Water Surface», Санкт-Петербург, июль 2008 г., на XIV Всероссийской конференции «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах», июнь 2010 г., Санкт-Петербург; на Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС), г. Алушта, Украина, 25-31 мая 2011, на Всемирной морской технологической конференции (WMTC), Санкт-Петербург, 31 мая - 2 июня 2012.

ОПУБЛИКОВАННОСТЬ Основное содержание работы отражено в 15 публикациях: из них 8 статей, 7 тезисов докладов на профильных конференциях в РФ и за рубежом, 10 публикаций без соавторов, доля автора в остальных публикациях - от 70% до 80%.

В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях 6 статей без соавторов, доля автора в остальных - 80%.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 301 страницу текста, 90 рисунков, список литературы из 118 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дается постановка проблемы и обоснована актуальность темы диссертации.

Глава 1. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ БРЫЗГООБРАЗОВАНИЯ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ В главе дан краткий обзор имеющихся к настоящему времени исследований брызгообразования, а также рассматривается принятая схематизация этого явления и обсуждаются модели происходящих процессов.

Условно исследования образования брызг можно разделить на четыре группы:

1. Исследования брызгообразования над горизонтальной (взволнованной) поверхностью моря под действием ветра.

2. Исследования брызгообразования при быстром входе твердых тел в воду (ударе). Эти работы имеют непосредственное отношение к движению глиссеров, судов на подводных крыльях и т.д. Среди авторов этих работ можно отметить Л.А. Эпштейна, Г.В. Логвиновича, A.B. Шляхтенко.

3. Исследование брызгообразования при воздействии на воду газовых струй осуществлялись для проектирования судов на ВП, экранопланов, исследования подводного старта ракет и т.д. В числе авторов этих работ - Л.А.Эпштейн и группа его учеников.

4. Исследования, связанные с истечением воздушных струй из области ВП, впадины, образованной на поверхности воды системой давлений, ограниченной ГО. В этой области известны работы В.В. Кличко, В.Н. Аносова и В.К. Дьяченко с соавторами.

Данная диссертационная работа является развитием этой последней группы исследований, непосредственно связанных с проблемой брызгообразования АСВП.

К настоящему времени на АСВП используются ГО баллонно-сегментного типа, рис.1. При этом конфигурация области ВП представляет собой впадину на поверхности воды с горизонтальной основной частью и наклонными краями.

Угол наклона краев впадины в основном следует

величине угла наклона поверхности съемных элементов ГО к горизонту. Таким

образом, воздух из ВП вытекает в атмосферу через узкую щель, ограниченную с одной стороны резино-ткане-вым материалом ГО, с другой стороны — наклонной поверхностью жидкости склона впадины.

Экспериментальные наблюдения, выполненные в ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского и в ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, показывают, что по поверхности склона впадины распространяются волны, идущие из области ВП в направлении свободной поверхности моря. В диссертации построена математическая модель волнового движения наклонной поверхности склона впадины ВП (Гл.2), показывающая экспоненциальный рост амплитуды волн в направлении поверхности моря и с течением времени.

Образовавшееся и растущее в объеме облако брызг движется, увлекаемое воздушной струей, к поверхности моря. В диссертационной работе строятся математические модели последовательных этапов движения образовавшихся капель воды сначала над склоном впадины ВП (Гл.З), а затем в атмосфере над

Рис.1. Схема истечения воздуха из ВП

уровнем моря (Гл.5, 6). Воздух рассматривается как непрерывная несжимаемая среда, сплошной континуум, в котором поле скоростей определяется как функция координат по схеме Л.Эйлера. Капли воды рассматриваются как круглые твердые шары, движущиеся в этой среде.

В работе использованы методы теории как идеальной, так и вязкой жидкости. В рамках теории идеальной жидкости решены:

- задача о волновом движении поверхности склона впадины ВП, (Гл.2);

- задача об устойчивости границы, разделяющей два параллельно текущих потока различной плотности (Гл.З);

- задача об определении потенциала течения и поля скоростей при обтекании потоком ветра твердой надстройки судна (Гл.6);

- задача об изгибе турбулентной струи воздуха набегающим потоком ветра (Гл.6).

Все основные результаты работы получены с использованием известных решений теории вязкой жидкости. К ним относятся:

- задача об обмене количеством движения между струей воздуха и массивом капель жидкости (Гл.З);

- задача об определении максимального размера капли в массиве жидкости и определении дисперсности жидкой среды при выносе ее из ВП и на различных высотах над уровнем моря (Гл.З);

- математическая модель движения капель в атмосфере, определение траекторий капель и максимальных высот их подъема (Гл.5);

- задачи определения поля скоростей внутри турбулентной струи воздуха, вытекающей из ВП (Гл.5) и т.д.

Глава 2. ВОЛНЫ НА СКЛОНЕ ВПАДИНЫ ВП В главе приведено решение граничной задачи математической физики о волнах на наклонной поверхности идеальной жидкости, учитывающее взаимодействие воздушной струи с волнами, приводящее к пульсациям давления вдоль склона впадины ВП. Задача решена в приближении линейной теории волн малой амплитуды и потенциальных течений.

Гравитационные волны на склоне впадины ВП

Первое решение задачи о волнах, распространяющихся по поверхности, имеющей угол наклона к горизонту, было представлено в работе В.Н.Аносова и В.К.Дьяченко. Авторы работы нашли решение, в котором величина давления вдоль склона впадины ВП зависит от вертикальной координаты, но не зависит от времени. В дальнейшем в ЦНИИ им. А.Н. Крылова были экспериментально обнаружены и зарегистрированы пульсации давления с частотой 6-И О Гц в фиксированной точке склона впадины. Наличие пульсаций давления, по-видимому, связано с взаимодействием струи воздуха с колебаниями подстилающей поверхности воды. В узкой щели между поверхностью ГО и жидкой поверхностью склона впадины появление волн на этой поверхности приводит к локальным изменениям ширины сечения струи, и, следовательно, к локальным изменениям скорости течения и давления в струе, что в свою очередь, отражается на характере волнового процесса на склоне впадины ВП.

Рассмотрим поверхность воды, образованную плоским дном и склоном впадины ВП, рис.1. В.Н.Аносов экспериментально определил, что избыточное давление воздуха вдоль склона впадины изменяется по гидростатическому закону

Р=Рп~УУ (2-1)

где Рп - давление в области ВП. Такое распределение давления обеспечивает равновесие невозмущенной плоской поверхности склона ус. Считается, что жидкость колеблется относительно этой поверхности ус = х tg 5, где с - угол между поверхностью склона впадины и горизонтальным дном. Пусть £:) - свободная поверхность склона впадины в положении, отклоненном от равновесного в процессе колебаний; ((х, £) — вертикальное отклонение точки склона впадины ВП от равновесного положения ус.

Очевидно, что уравнение свободной поверхности жидкости на склоне впадины можно представить в виде

50с,0 = ?(*,0 + ус(х) (2.2)

Движение жидкости считается потенциальным. Потенциал скоростей <р удовлетворяет уравнению Лапласа. Полная производная по времени функции 5(х, С) в случае малых колебаний

dt м дх dt 4 ' '

Величина вертикальной составляющей скорости точки склона впадины

dS д<р dt~ ду

Следовательно, кинематическое условие на свободной поверхности имеет вид:

-г—««г+й ч» <2-4'

Местная толщина струи sm(pc,y) при постоянной величине расхода воздуха Qi равна

sm = lr (2.5)

При наличии на поверхности склона впадины волн с ординатами <Г(х> У) толщина струи увеличивается или уменьшается в зависимости от знака величины

s = sm — (cos 8 (2.6)

Величина местного значения скорости воздуха с учетом волнового движения подстилающей поверхности и малости колебаний

^ = + (2.7)

Величина давления в струе определяется при помощи уравнения Бернулли

p = d _£i&(i + H££££) (2.8)

2 V. ^тп '

Подставив выражение (2.8) в уравнение Коши - Лагранжа и произведя несложные преобразования, получим динамическое граничное условие

Величина q(pc) зависит от положения точки (х,у) на склоне впадины ВП. В районе истечения струи из-под нижней кромки навесного элемента ГО величина скорости Vm минимальна, и толщина струи sm максимальна. В этом случае, как показывают расчеты, величина q(x) очень близка к единице. По мере подъема к поверхности моря q(x) убывает, и в некоторой точке ук становится равной нулю. На выходе

струи в атмосферу величина q(x) становится отрицательной. Физический смысл неравенства q (х) < 0 означает, что силы аэродинамического разрежения в струе воздуха превышают силы тяжести воды. В этом случае поверхность жидкости может разрушаться, от нее начнут отрываться капли воды, если этому не смогут препятствовать силы поверхностного натяжения на границе воздух - вода.

Исключив величину ( из (2.4) и (2.9), получим новое общее граничное условие на границе у = ус для определения величины потенциала (р (х, у, t)

€±-gq(x)tg8^ + gq(x)d^ = 0 при y = yc = xtg5 (2.10)

Граничное условие на глубине

ср -> 0 при У~*—00 (2-11)

При у <Ук величина q{x) > 0, а при у > ук величина q(x) < 0. В дальнейшем более подробно рассмотрим участок у > Ук как отрезок поверхности склона, на котором, в основном, происходит брызгообразование.

Решение уравнения Лапласа, удовлетворяющее граничным условиям на бесконечной глубине, может быть получено методом Фурье разделения переменных

<р = екУ[а{Осos (кх) + b(t)sin (кх)] (2.12)

где a(t) и Ъ(1) неизвестные функции времени. В работе показано, что после подстановки (2.12) в (2.10), выражения для них получаются в результате решения системы двух дифференциальных уравнений второго порядка. Эти решения имеют вид

a(t) = C^sinfat + £Х) + Cze~at sin(wt + £2) (2.13)

b(t) = C^cosioit + ег) - C2e~atcos((ot + e2) (2.14)

где С/, С2, £¡, £2 ~ произвольные постоянные, а

lgq(x)k . S \gq{x)k___S

o= ■ sin- <0 = -F"C05T (2.15)

yj cosS 2 \ cosS 2

Подстановка выражений (2.13) и (2.14) в решение уравнения Лапласа (2.12) дает выражение для потенциала:

(Pix,у, t) = C1e^ky+athin(kx - cot) + C2e^y-at)sin(kx + oit) (2.16)

Второе слагаемое в (2.16) мы опустим в связи с его быстрым затуханием во времени. Продифференцируем по времени функцию ср(х,у,£) и подставим производную в формулу (2.19), положив у — xtgS. Это даст профиль свободной поверхности жидкости на склоне впадины ВП (2.17), изображенный на рис.2

= t95+at)cOS (** ~ ** " f + (2.17)

При q(x) > 0 профиль поверхности жидкости имеет вид (2.18)

= t95+at)cos(2Л8>

Таким образом, можно утверждать, что на склоне впадины ВП

возникают нестационарные гравитационные волны с быстро возрастающей

амплитудой. Профиль

поверхности представляет собой косинусоиду, амплитуда которой возрастает по экспоненциальному закону как с ростом координаты х, т.е. по мере приближения к свободной поверхности жидкости, так и с течением времени, до разрушения волн и образования брызг воды. Главными параметрами, определяющими эффект разрушения волн, являются - отношение давления в ВП к расходу воздуха и

Рис.2. Зависимость ординат профиля волн <;' от координаты Уточки на склоне впадины ВП для различных моментов времени.

величина угла наклона впадины к горизонту 8, который определяется

конструкцией ГО ВП.

Проведенное исследование позволяет утверждать, что местные

повышения и разряжения статического давления оказывают

существенное влияние на характеристики волн, образующихся на

и /

склоне впадины ВП. Малые величины отношения ! 5т соответствуют толстым струям, т.е. большим величинам расхода воздуха и малым давлениям в ВП. Большие величины этого параметра соответствуют тонким струям, т.е. малым величинам расхода воздуха и большим давлениям в ВП. Очевидно, что возмущения, приводящие к образованию волн па склоне впадины ВП, наиболее сильно выражены в случае тонких струй.

Глава З.ОБРАЗОВАНИЕ И ДВИЖЕНИЕ КАПЕЛЬ-БРЫЗГ ПОСЛЕ ОТРЫВА ОТ ПОВЕРХНОСТИ СПЛОШНОЙ МАССЫ ВОДЫ В данной главе рассмотрены возможные механизмы отрыва капель от сплошной поверхности жидкости, их движение вдоль склона впадины ВП в струе воздуха и дисперсионный состав этого облака брызг.

Механизм образования капель - брызг на склоне впадины ВП

Выше было показано, что на склонах впадины ВП образуются нестационарные волны, высота которых быстро увеличивается. Крутые волны разрушаются с образованием массы капель жидкости. Механизм разрушения волн неоднозначен, однако можно выделить некоторые физические процессы, которые могут быть причиной образования капель из сплошной массы жидкости:

- обрушение вершин крупных волн под действием силы тяжести, как это происходит с волнами прибоя;

- отрыв отдельных капель жидкости с острых гребней волн силами вязкого сцепления воздуха (разрушение границы в связи с различием тангенциальных составляющих скоростей воздушной струи и воды (схема Гельмгольца));

- разрушение поверхности жидкости вследствие возникновения центробежных сил при орбитальном движении частиц жидкости (схема Тейлора);

- удар высоких волн о поверхность навесных элементов ГО и разрушение жидкости от удара.

Ниже будет рассмотрен процесс движения уже образовавшихся капель в струе воздуха над склоном впадины ВП.

Движение струи воздуха и капель жидкости вдоль склона

впадины ВП

Образовавшийся массив капель воды делится на две части. Самые крупные капли скатываются по склону впадины в область ВП, остальные выносятся струей воздуха в атмосферу. Для описания этого процесса использована модель движения двухфазной среды, принятая, например, в монографии Л.Е. Стернина: «Простейший случай движения газа с взвешенными в нем твердыми или жидкими частицами - одномерное течение с частицами одинакового размера», дополненная, однако, следующими уточнениями: во-первых, учитывается массообмен, т.к. частицы воды поступают в струю воздуха по мере движения струи вдоль склона впадины ВП. Во-вторых, конвективный теплообмен между воздухом и водой не учитывается в силу краткосрочности взаимодействия сред (масса воды выносится струей воздуха в атмосферу за доли секунды), хотя в реальных условиях температура морской воды и воздуха в атмосфере над морем могут быть различными. В-третьих, учитывается не только вязкое силовое взаимодействие между водой и воздухом, но также силы трения воздуха о поверхность ГО и склон впадины ВП. В-четвертых, силы гравитации, действующие на капли воды учтены, а действующие на массу воздуха не учитываются в силу различия удельного веса воды и воздуха более, чем в 800 раз. Все остальные постулаты, касающиеся двухфазного течения, полностью соответствуют общепринятым.

Для того чтобы капли воды приобрели скорость и смогли вылететь в атмосферу, необходимо чтобы часть количества движения воздуха была передана массиву капель. Для описания динамического

процесса обмена импульсом между воздухом и водой разработана математическая модель, состоящая из трех обыкновенных дифференциальных уравнений:

<1т

(3.1)

Лу' „ . —— = V/ БШ О,

где

Чт?

В этой системе V*, IV '-относительные скорости воздуха в струе и капель соответственно, г —относительное время, ц"т —относительный объем захваченной воды, у* — относительная координата склона впадины ВП.

Первое уравнение системы выражает теорему изменения количества движения жидкого объема и струи воздуха на участке, ограниченном пунктиром на рис.3. В этом уравнении учтено, что в выделенный участок поступает объем воды, захваченный струей воздуха, существует трение на участках АВ и ОС и перепад давления между участками АЭ и ВС.

Второе уравнение описывает движение капли воды радиуса г над склоном впадины ВП. Первое слагаемое в правой части - сила аэродинамического давления, разгоняющая каплю воды, второе слагаемое - проекция силы тяжести на ось ОЕ,, тормозящая движение капли.

Третье уравнение - уравнение связи координаты и скорости капли.

С позиций математики система уравнений (3.1) является полной. Она содержит три уравнения относительно трех

неизвестных функций У*,\м',у*. Система может быть решена при задании исходных величин, которые определяют значения

входящих в систему коэффициентов, и

начальных условий.

С позиций физики, однако, имеется много проблем. Второе уравнение системы описывает

движение одной капли воды определенного размера,-капли заданного радиуса г, а первое уравнение системы включает некоторый объем жидкости содержащий капли различных

размеров. Для того чтобы решить систему, сделано допущение в соответствии с постулатами теории двухфазной жидкости, что весь объем жидкости ц*т состоит из одинаковых капель, имеющих один и тот же радиус г. Используя ЭВМ, можно выполнить такой расчет многократно для различных капель с разными величинами радиуса и получить в сечении у* = 1 (на выходе в атмосферу) зависимость и/* = и/*(г). Однако при этом и величина скорости V* для различных радиусов капель будет различной. Для дальнейшего практического приложения, - расчета траекторий капель в атмосфере над уровнем моря, - используется усредненное значение скорости воздуха при выходе в атмосферу. На рис.4 приведены результаты расчета импульсов системы «воздух-вода» и ее составляющих в зависимости от радиуса капель. Видно, что импульс воздуха составляет от 20% до 13% полной величины импульса /, а импульс облака брызг составляет

Рис.3. Схема контрольной поверхности в теореме изменения импульса жидкого объема при взаимодействии с воздушной струей

от 60% до 83% этой величины. Потери на трение и преодоление силы гравитации составляют около 20%. При увеличении радиуса капли импульс воздуха увеличивается, а воды - уменьшается.

Рис.4. Зависимости импульсов } системы «вода-воздух» и ее составляющих

при выходе струи в атмосферу от радиуса капель воды гт: ц'т= 0,025; //„= 0,5 м; 01 — 0,15; (1) -в отсутствии брызг; (2) - сумма импульсов воды и воздуха; (3) - импульс брызг воды; (4) — импульс струи воздуха.

Дисперсность жидкой среды в струе воздуха

Анализ решений системы дифференциальных уравнений (3.1) показывает, что на величину скорости воздуха в струе, вытекающей из ВП, наиболее сильно влияют два параметра - количество воды, захваченной воздухом при движении вдоль склона впадины ВП q, и дисперсность массы захваченной воды, т.е. диапазон радиусов капель, образующихся при отрыве потоком воздуха от сплошной массы воды.

Для построения математической модели облака капель необходимо знать величину максимального радиуса образующихся капель. Обобщение опытных результатов многих исследователей позволило предложить в данной работе алгоритм расчета этой величины применительно к брызгообразованию на склоне впадины ВП. На рис.5 представлена область возможных размеров капель, определяемая следующими ограничениями - так левая часть кривой -это условие равенства аэродинамической силы, действующей на каплю, и проекции силы тяжести на направление, параллельное склону впадины ВП.

.1, кгм/с

800л

700600500400300200100-

г, мм

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

6103с1,м

Рис.5. Зависимость максимального диаметра капли воды от величины скоростного напора в струе воздуха; • - Условие скатывания капли в область ВП

под действием силы гравитации; » - Условие устойчивости размера капли по опытам М.С.Волынского.

1од(Р\/)

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Точки, лежащие выше этой кривой, соответствуют каплям, которые не выносятся в атмосферу струей воздуха, а скатываются в ВП. Правая часть кривой - это условие равенства сил аэродинамического разрежения, действующих в районе полюсов капли, силам поверхностного натяжения, действующим по экватору капли. Точки, лежащие выше этой кривой, соответствуют каплям, которые разрываются силами аэродинамического разрежения на более мелкие. Это условие, полученное на основании экспериментальных исследований М-С.Волынского, записывается в виде:

где 7-скорость струи воздуха, о - коэффициент поверхностного натяжения на границе сред вода - воздух.

Для нахождения диаметра капли (1 по этой формуле, необходимо знать величину средней скорости струи воздуха при выходе в атмосферу. Эта величина определяется в результате решения системы дифференциальных уравнений (3.1). Задача решается методом последовательных приближений. Заканчивается процесс итераций при равенстве скоростей, вычисленных по формуле М.С.Волынского, и полученных в результате решения системы уравнений (3.1). Зная величину гт радиуса самой большой капли, можно построить функцию плотности вероятности распределения

(3.2)

капель по линейному размеру. Учитывая, что число образовавшихся капель на 1 м длины периметра ВП измеряется десятками миллионов, образование каждой отдельной капли рассматривается как случайный процесс, т.е. считается, что распределение плотности вероятности капель по размерам описывается нормальным законом Гаусса. Таким образом, получим выражение закона в относительных величинах

/(г*) = 2,39еИ8(г'-°<5)21 где г* = — тг* = 0,5 сгг* = \

Принятый закон количественного нормального распределения радиусов капель используется только для определения дисперсности жидкости в сечении струи воздуха при выходе в атмосферу. В дальнейшем закон количественного нормального распределения размеров капель с ростом высоты над уровнем моря будет трансформироваться, усекаться за счет удаления крупных капель, выпавших из жидкого объема на более низких высотах за счет силы гравитации. В работе показано, что этот закон имеет вид:

^ ;0г'"/(г-)йг- '

где РЛ - вероятность того, что в массиве капель при выходе из ВП, на самом уровне моря, есть капли только с радиусами от 0 до гЛ. Зная функцию распределения плотности вероятности /Л(г*), можно, пользуясь методами теории вероятностей, определить величину математического ожидания тЛ радиуса капли и среднеквадратичное отклонение радиуса от этой величины для массива капель, поднимающихся выше уровня к над поверхностью моря. Для расчета распределения объемов воды по высоте над уровнем моря необходимо найти закон распределения объемов жидкости в каплях различного диаметра. Большинство исследователей использует интегральный закон Розина - Раммлера

определяющий часть общего объема жидкости, содержащегося в каплях, диаметр которых не превышает с! . Этот закон достаточно прост, содержит всего две неизвестные константы I и п, и хорошо описывает относительное распределение объемов жидкости.

Для определения конкретных значений констант I и п привлечены общие соображения физического характера, основанные, впрочем, также на известных экспериментальных результатах. Первое из них - это то, что максимальная величина диаметра капли определяется условиями М.С.Волынского (3.2). Поскольку капель с величиной диаметра больше с1т не существует, значение функции 53 при этой величине аргумента с1т равно единице. Для практического использования приближенно принято

53 = 1 — 1 = 0,997 ,

Тогда первое уравнение для определения констант

= -1п (0,003) = 5,81

Второе соображение - это экспериментальный результат Ю.Н. Маменко, показавшего, что мода кривой частотного объемного распределения капель жидкости близка к половине максимального радиуса капли, т.е. с1 = йт/2. Если обозначить текущее значение диаметра капли й = х,то плотность распределения объемов жидкости по диаметрам капель равна производной функции 53:

Максимальное значение эта равенства нулю производной

1.0 0.8 0.60.40.2 0.0

функция принимает при условии ¿Г

тогда второе уравнение для определения констант:

/<ЦП = Д~ 1

\21) п Найденная функция распределения объемов жидкости по диаметрам капель имеет вид рис.6

с 1 К81'" ^^ 5 = 1 — е1

\йт)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Рис.6. Функция Розина—Раммлера, показывающая, какая часть полного объема воды содержится в каплях с радиусом, меньше данного.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМА ВОДЫ, ВЫНОСИМОЙ СТРУЕЙ ВОЗДУХА ИЗ ВП В этой главе приводятся результаты эксперимента по определению объема жидкости, который выносится струей воздуха в атмосферу из области ВП. Результаты обобщены на натурные условия с использованием теории подобия и размерностей.

Особенности эксперимента и установки

Для определения максимально возможного размера капли в образующемся облаке применяются совместно два условия - A.C. Волынского и результаты решения системы уравнений (3.1). Однако в первое уравнение этой системы входит относительная величина захваченного объема воды, которая заранее не известна. Определить ее можно только в условиях эксперимента. Для этого была создана экспериментальная установка, включающая емкость с водой, камеру, имитирующую АСВП, нагнетатель и дифференциальные манометры. Камера подвешивалась над поверхностью воды через систему блоков с разгрузкой. Воздух от нагнетателя подавался в камеру через гибкий шланг. На дне емкости были установлены направляющие, обеспечивающие камере свободу вертикального перемещения. Воздух вытекал из камеры через щель под наклонной к горизонту заслонкой, имитирующей навесной элемент ГО. Дифференциальные манометры позволяли измерить величину расхода воздуха на входе в нагнетатель и величину избыточного давления в ВП. Количество воды, выносимой струей воздуха, определялось по изменению уровня в емкости перед началом и после окончания эксперимента. Продолжительность проведения опыта определялась по секундомеру. Точность измерений при проведении эксперимента определялась, в основном, точностью измерения линейных размеров перемещения уровня жидкости в манометрах и основном резервуаре. Погрешность измерения линейного размера определяется случайной составляющей, полученной в результате пятикратного повторения измерения, и не превышает 10%.

Обработка результатов эксперимента на базе теории подобия и размерностей

Обработка результатов эксперимента по методу наименьших

квадратов позволила получить эмпирическую формулу

„ 160 . . Чт = (4-2>

На рис.7. показаны экспериментальные результаты и расчет по формуле (4.2). Достоинство этой формулы состоит в том, что она охватывает практически весь интересный диапазон значений параметра (/, как для полноразмерных судов, так и для маломасштабных моделей. Не возникает необходимости интерполировать или

экстраполировать расчетные величины за пределы результатов эксперимента

Анализ результатов эксперимента по определению объема воды, вынесенной струей воздуха из области ВП

Структура параметра V, полученная чисто формально из соображений теории размерностей и подобия, имеет большой физический смысл. Величину этого параметра можно представить в виде произведения двух отношений линейных размеров

71 Нп

Величина параметра — характеризует интенсивность возмущений

поля давлений воздуха над склоном впадины ВП. Чем меньше величина этого отношения, тем сильнее возмущения, тем быстрее растут волны на склоне впадины ВП, а большие волны, разрушаясь, дают большое количество капель, т.е. большой объем воды, оторванный от сплошной массы.

Рис.7. Зависимость относительного захваченного объема воды от величины параметра У: 1- массив экспериментальных точек; 2- эмпирическая формула (4.2)

Выше было показано, что облаку, состоящему из мелких капель, от струи воздуха передается большее количество движения, чем облаку, состоящему из крупных капель. Из области ВП в атмосферу выносится большое количество воды в том случае, если одновременно выполняются, по крайней мере, два условия:

— над склоном впадины ВП образовался довольно большой объем воды, раздробленный на капли;

— этот объем должен получить от струи воздуха достаточно большое количество движения, чтобы быть вынесенным со склона впадины ВП в атмосферу. Первое из этих требований обеспечивается малой

50 « « 7"тг?

величинои отношения — , второе - малой величинои отношения —.

"71 Нп

Произведение этих множителей характеризует интенсивность процесса образования капель и выноса воды из области ВП и является определяющим в формировании облака брызг, окружающего АСВП.

Таким образом, можно считать, что параметр и есть тот критерий подобия процесса брызгообразования, который позволяет на основании результатов модельного эксперимента прогнозировать количество захваченного объема воды дтв условиях натурного судна.

В данной главе диссертации приводится формулировка и обоснование математической модели расчета траекторий отдельных капель в облаке брызг над уровнем моря и изложение практических результатов, полученных путем расчетов с использованием принятой математической модели.

Дифференциальные уравнения движения капель в атмосфере

Математическая модель включает систему четырех обыкновенных дифференциальных уравнений

Глава 5. ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ КАПЕЛЬ ВОДЫ В АТМОСФЕРЕ

(5.1)

где

V = УаУ* IV = у*

IV - скорость движения капли относительно неподвижной системы координат, Сх - коэффициент сопротивления движению шара (капли) в воздухе, зависящий от числа Рейнольдса, V}- скорость воздуха в турбулентной струе из ВП в той же системе координат, Уг~ относительная скорость воздуха

Для того чтобы выполнить расчет с использованием этой модели, необходимо знать величину скорости в турбулентной струе воздуха V]. Поле скоростей в свободной турбулентной струе хорошо изучено и описано, однако в задаче о движении капель, вынесенных струей воздуха из ВП, считать струю свободной турбулентной нельзя. В работе учтено, что на начальном участке движения воздуха в атмосфере струя ограничена с одной стороны «твердой» конструкцией резино-тканевого материала ГО, рис.8, что приводит к тому, что вдоль этой границы не происходит вовлечение неподвижного воздуха в движение.

Уг = ЦИ/

Рис 8. Схема поля скоростей турбулентной струи, использованная при расчетах траекторий капель: 1- начальный участок, 2- основной участок, 3- гибкое ограждение АСВП, 4- металлический корпус АСВП

Следовательно, уменьшение скорости воздуха в струе происходит не так значительно, как в свободной турбулентной струе. Другая граница струи, находящаяся в контакте с неподвижным воздухом, размывается, и происходит сужение области ядра струи, в котором величина скорости первоначально не изменяется. Начальная скорость движения капель различного размера и средняя величина скорости в струе воздуха при входе в атмосферу определяется в результате многократного интегрирования системы (3.1).

Глава 6. ЗАВИСИМОСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК БРЫЗГООБРАЗОВАНИЯ ОТ ТИПА, РАЗМЕРОВ СУДНА, ДЕТАЛЕЙ ЕГО КОНСТРУКЦИИ, И МЕРЫ БОРЬБЫ С АГРЕССИВНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АСВП В МОРСКИХ УСЛОВИЯХ В шестой главе приведены результаты расчетов параметров облака брызг по разработанным алгоритмам и программам для натурных АСВП

Расчет траекторий капель воды в атмосфере над уровнем моря в условиях ветра и оценка дисперсности водной среды на различных высотах над уровнем моря.

Для применения предложенного алгоритма в практических целях необходимо определить, какое количество воды и содержащихся в ней морских солей поступает непосредственно в корпус конкретного судна и, в конечном итоге, в проточную часть газовых турбин. Этот вопрос невозможно решать в общем виде, -необходима привязка к конкретной конструкции судна. С этой целью в данной главе предлагаемый выше метод будет применен к четырем типам судов. Два первых типа судов имеют одинаковые геометрические размеры, но разное водоизмещение, а, следовательно, различные величины давления в ВП. Суда 2-го и 3-го типа имеют одинаковую величину давления в ВП, но различные геометрические размеры и величины водоизмещения. Наконец, судно 4-го типа значительно меньше остальных по размерам, по водоизмещению и по давлению в ВП. В таблице 1 приведены некоторые характеристики АСВП 4-х типов.

Характеристики АСВП четырех типов Таблица 1

Параметр Размерность 1 2 3 4

С т 539 300 52 9,5

1п м 50 50 19 11

Вп м 23 23 11 5

м2 1078 1078 188 52

Нп м 0,51 0,28 0,28 0,18

Рп Па 4900 2730 2700 1780

<?г м2/с 7,1 5,0 3,3 1,1

<11 - 0,15 0,27 0,17 0,11

Ч'т - 0,025 0,015 0,017 0,018

Для решения задачи определения траекторий капель в условиях бокового ветра приходится прибегнуть к использованию следующих допущений.

1. При выполнении расчетов использованы математические модели, описанные Г.Абрамовичем в двух изданиях его монографии, посвященной турбулентным струям. При движении струи воздуха в зоне контакта с ГО принято, что в условиях ветра вертикальная составляющая турбулентной струи воздуха не изменяется, а горизонтальная составляющая скоростей в струе воздуха алгебраически складывается со скоростью ветра. При движении струи воздуха выше ГО принято, что струя воздуха изгибается в сторону корпуса, т.е. под ветер.

2. Считать, что внутрь корпуса судна попадает весь объем воды, содержащийся в каплях, траектории которых в условиях ветра направлены в сторону корпуса судна и поднимаются выше уровня крыши надстройки корпуса, т.е. выше приемного отверстия нагнетателя в корпусе судна.

3. Считать, что, несмотря на ветер, качка судна отсутствует.

Пример полученных расчетным путем траекторий капель воды в условиях бокового ветра со скоростью м/с приведен на рис 9.

Зная траектории капель различного размера и используя сформулированные допущения, можно определить какого размера капли захватываются струей воздуха, направляющейся в нагнетатель. Используя формулу Розина-Раммлера, можно

определить какое количество воды содержится в этих каплях и поступает с ними внутрь судна.

Выполненные расчеты дают следующие величины секундных объемов воды, попадающих внутрь корпуса судна при ветре 1^=10 м/с. Для АСВП 1-го типа - 0,55 м3/с, для АСВП 2-го типа - 0,074 м3/с, для АСВП 3-го типа - 0,074 м3/с.

Для расчета весового количества морских солей, поступающих вместе с воздухом в проточную часть главных двигателей (газовых турбин), необходимо иметь дополнительный объем информации:

- количество воздуха, поступающего в двигатель;

- количество воздуха, поступающего через нагнетатель в ресивер;

- число граммов морских солей, содержащихся в 1 литре морской воды;

- количество сепараторов, установленных на входе в двигатель и количественная оценка эффективности каждого сепаратора.

В работе предложен алгоритм расчета скорости поступления весового или объемного количества солей, содержащихся в морской воде, в проточную часть газовых турбин АСВП. Результат выполнения этой процедуры расчета применительно к АСВП 2-го типа дает величину 0,019 пропромилле (ррш).

Согласно утверждению главного конструктора судна степень очистки воздуха от морских солей, равная 0.01 ррш, позволяет длительно эксплуатировать его в морских условиях. Такая степень

-4 -2 0 2 4 6

Рис.9. Траектории капель в облаке брызг при парении над водой АСВП 1 -го типа при боковом ветре со скоростью

К, =10®.

очистки воздуха достигается при пропускании воздуха с водой через нагнетатель и три сепаратора.

Влияние деталей конструкции АСВП на характеристики брызгообразования и количество морских солей, поступающих вместе с воздухом в проточную часть газовых турбин

Изучение проблемы брызгообразования АСВП приводит к выводу о том, что характеристики брызгообразования существенно различны для разных АСВП. Они зависят от таких проектных параметров, как глубина ВП Нп, величины <34 расхода воздуха на 1 м длины периметра ВП, величины Кр коэффициента перепада давления между ресивером и ВП, высоты ГО /гг0 и угла наклона навесных элементов ГО к горизонту 6, высоты корпуса надстройки судна Нк, конструкции нагнетателей.

Количество морской соли, поступающее в двигатель, зависит от числа ступеней очистки воздуха от воды и от типа фильтров, сетчатых «С» или вихревых «В», используемых для очистки воздуха.

В данном разделе приводятся расчеты и анализ характеристик брызгообразования АСВП, созданных ЦМКБ «АЛМАЗ», имеющих очень разные размеры, конструкции и водоизмещения. Количество ступеней очистки воздуха и типы используемых фильтров при выполнении расчета выбирались таким образом, чтобы в конце расчета получить величину количества солей, поступающих в газовую турбину, около 0,01 - 0,02 пропромилле (ррт) (в долях весового количества воздуха, потребляемого газовой турбиной). Результаты расчетов приведены в Таблице 2.

Таблица 2

Тип АСВП Схема фильтров Масса солей, поступающая в двигатель, мгм/с Относительная масса, ррш

Скат С+С 0,038 0,02

Джейран В+С+В 0,47 0,01

Кальмар В+С+В 0,57 0,01

Омар В+С+В 0,14 0,007

Зубр В+С+С 0,33 0,013

Косатка В+С+С 1,1 0,019

Мурена В+С+С 0,54 0,007

Несмотря на различие характеристик брызгообразования у различных типов АСВП, выбранные схемы очистки позволяют практически во всех случаях обеспечить необходимый уровень очистки воздуха от морских солей - до 0,01 - 02 рргп. Характерно, что для АСВП «Зубр» в условиях Балтийского моря величина расхода морских солей составляет 0,013 ррш, а в условиях Эгейского моря -0,024 ррт, что связано с большой соленостью морской воды в Эгейском море.

Анализ полученных результатов и пути борьбы с засолением главных двигателей в морских условиях

В данном разделе диссертации приводятся конкретные рекомендации проектантам АСВП, направленные на решение проблемы по снижению агрессивного воздействия окружающей морской среды на АСВП, в том числе:

- забор воздуха для питания главных двигателей через поверхность высоко расположенных аэродинамических стабилизаторов;

- установка дополнительных боковых аэродинамических стабилизаторов в районе расположения шахты нагнетателей;

- использование двухкилевой схемы секционирования ВП;

- использование Т-образной схемы секционирования ВП с установкой двух килей в кормовой части ВП;

- использование гибких брызгоотбойников в носовой части ГО;

- использование малых (45°) углов наклона навесных элементов ГО к горизонту;

- уменьшение расхода воздуха АСВП при парении на стопе в пределах допустимого изменения поперечной остойчивости.

- увеличение высоты крыши надстройки АСВП при больших давлениях в ВП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненное исследование является совокупностью теоретических положений, содержащих решение важной научно-технической проблемы - разработку научно-обоснованного метода расчета параметров облака брызг, окружающих АСВП при парении над поверхностью воды, и количества морской соли, поступающей внутрь АСВП. В итоге создан инструмент для определения исходной информации, необходимой для конструктивных разработок средств защиты АСВП от агрессивного воздействия окружающей среды.

В работе получены следующие новые результаты:

Разработаны математические модели и описаны уравнениями последовательные этапы образования облака брызг в атмосфере вокруг АСВП:

Волнового движения жидкой наклонной поверхности склона ВП, разрушающейся с образованием брызг;

Движения облака брызг переменной массы в струе воздуха над склоном впадины ВП;

Структуры облака брызг на выходе из ВП и на различных высотах над уровнем моря;

Движения капель воды в струе воздуха в атмосфере над уровнем моря в условиях ветра и действия поля скоростей нагнетателя; Разработаны алгоритмы и программы расчетов параметров облака брызг - максимального радиуса капли в образовавшемся облаке, распределения расхода воды по высоте над уровнем моря, дисперсионного состава облака на различных высотах.

Выявлено влияние конструктивных особенностей АСВП на формирование облака брызг и его характеристики.

Разработан алгоритм расчета количества морской воды и соли, попадающих в сеть воздушного питания двигателей с учетом конструктивных особенностей АСВП.

На основе разработанных методик расчета конструкторам и проектантам предложен ряд возможных мероприятий по снижению засоления двигателей и улучшения эксплуатационных характеристик АСВП.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах

и изданиях

1. Аносов В.Н., Дьяченко Н.В. Расчет количества воды, выносимой струей воздуха из воздушной подушки. Труды ЦНИИ им. акад. Крылова А.Н. СПб, 2009, вып.49 (333), (авт.80%).

2. Дьяченко В.К., Дьяченко Н.В. Расчет параметров облака брызг, окружающих судно на воздушной подушке (АСВП) при парении над поверхностью воды. Труды ЦНИИ им. акад. Крылова А.Н. СПБ, 2009, вып.49(333), (авт.80%).

3. Дьяченко Н.В. Исследование брызгообразования амфибийных судов на воздушной подушке (АСВП). Морской вестник, 2009, №4 (32), (авт. 100%).

4. Дьяченко Н.В.Методика расчета количества морской соли, поступающей в проточную часть газовых турбин амфибийного судна на воздушной подушке при его парении над водой. Морской вестник, 2010, №4 (36), (авт. 100%).

5. Дьяченко Н.В. Динамика движения капель воды в облаке брызг, окружающем амфибийное судно на воздушной подушке (АСВП) при боковом ветре. Труды ЦНИИ им. акад. Крылова А.Н. СПБ, 2011, вып.59(343), (авт.100%).

6. Дьяченко Н.В. Влияние типа, размеров и конструкции судна на воздушной подушке на характеристики брызгообразования. Морской вестник, Спецвыпуск, №1 (9), 2012. - с.63-65, (авт.100%).

7. Дьяченко Н.В. Волновые движения наклонной поверхности жидкости. Ученые записки РГГМУ, В.23, 2012.- с.35-40, (авт.100%).

8. Дьяченко Н.В. Гравитационно-капиллярные волны на наклонной поверхности жидкости. Ученые записки РГГМУ, В.24, 2012,- с.35-38, (авт.100%).

Прочие публикации

9. Дьяченко Н.В., Дьяченко В.К. Влияние стационарных потоков воздуха на волнообразование на наклонной поверхности жидкости// Материалы итоговой сессии ученого совета РГГМУ за 31 мая 2000 г. СПб, Изд. РГГМУ, 2002, (авт.70%).

Ю.Дьяченко Н.В., Дьяченко В.К. Волнообразование на наклонной поверхности жидкости // Материалы VI Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. Фундаментальные исследования в технических университетах 6-7 июня 2002 г., в двух томах. СПБ.:Изд-во СП6ГПУ.-2002. т.1.- С. 127, 2002 г, (авт.70%).

П.Дьяченко Н.В., Дьяченко В.К. О траектории движения капли воды в турбулентной струе воздуха // Материалы VII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. Фундаментальные исследования в технических университетах. 20 -21 июня 2003 г, в двух томах. СПб.: Издательство СП6ГГ1У .-2003, т.1.-С. 106, (авт.70%).

12. Дьяченко Н.В. О дисперсности брызгового облака, окружающего амфибийное судно на воздушной подушке // Материалы XIV Всероссийской конференции. Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах. Санкт- Петербург. Том 1. - СПб.:Изд-во Политехнич. Ун-та ,2010. С.26, (авт. 100%).

13.Дьяченко Н.В. Методика расчета параметров облака брызг, образующегося при взаимодействии воздушной струи с взволнованной поверхностью жидкости // Материалы XVII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС), 25-31 мая 2011 г., г. Алушта, Украина.-М.: Изд-во МАИ, 2011,- 830 с, (авт. 100%).

M.Djachenko N.V. A cloud of water drops around the air- cushion vehicles. International Conference on Superfast Marine Vehicles , moving above, under and in Water Surface. St-Petersburg, SPbSMTU, 2008, (авт.100%).

15.Djachenko N.V Estimate of velocity of the salinization of propellers of amphibious air-cushion vehicles (AACV). World Maritime Technology Conference (WMTC). St-Petersburg, SPbSMTU,31 May-1 June 2012, (авт.100%).

Издательство СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 21.03.2013. Зак. 4482. Тир. 100. 2,0 печ. л.

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, доктора технических наук, Дьяченко, Наталия Владимировна, Санкт-Петербург

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ДЬЯЧЕНКО НАТАЛИЯ ВЛАДИМИРОВНА

БРЫЗГООБРАЗОВАНИЕ АМФИБИЙНЫХ СУДОВ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ

Специальность 01.02.05- «Механика жидкости, газа и плазмы»

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

05201351216

На правах рукописи УДК 532.011

Санкт-Петербург 2013

Оглавление

Перечень принятых обозначений и сокращений.................................5

Введение...................................................................................7

Глава 1. Исследования процессов брызгообразования и их значение для развития науки и техники............................................................19

§1.1 Образование и строение склона впадины ВП..........................21

§1.2 Механизм разрушения сплошной поверхности жидкости..........35

§1.3 Движение водовоздушной струи вдоль склона впадины ВП......39

§1.4 Дисперсность жидкой среды в струе газа..............................41

§1.5 Динамика движения капель................................................45

§1.6 Структура поля скоростей в струе воздуха.............................52

Глава 2. Волны на склоне впадины ВП............................................54

§2.1 Гравитационные волны на склоне впадины ВП.......................54

§2.2 Гравитационно - капиллярные волны на склоне впадины ВП.. ..69

§2.3 Выводы по материалам исследования волновых движений

на склоне впадины ВП...........................................................76

Глава 3. Образование и движение капель - брызг после отрыва от поверхности сплошной массы воды...............................................78

§3.1 Механизм образования капель - брызг на склоне впадины ВП....78

§3.2 Движение струи воздуха и капель жидкости

на склоне впадины ВП...........................................................86

§3.3 Дисперсность жидкой среды в струе воздуха.......................105

§3.4 Выводы по материалам исследования образования и

движения облака брызг вдоль склона впадины ВП........................127

Глава 4. Экспериментальное определение объема воды,

выносимой струей воздуха из ВП.................................................128

§4.1 Особенности эксперимента и установки..............................128

§4.2 Обработка результатов эксперимента на базе

теории подобия и размерностей..............................................135

§4.3 Анализ результатов эксперимента по определению

объема воды, вынесенной струей воздуха из области ВП..............141

§4.4 Выводы по результатам экспериментального исследования брызгообразования..............................................................149

Глава 5. Траектории капель воды в атмосфере................................150

§5.1 Дифференциальные уравнения движения капель в атмосфере.. 150

§5.2 Масштабные эффекты, связанные с явлением

брызгообразования АСВП.....................................................163

§5.3 Выводы по результатам исследования движения капель

в атмосфере над уровнем моря............................................174

Глава 6. Зависимость характеристик брызгообразования от типа,

размеров судна, деталей его конструкции и меры борьбы с агрессивным воздействием окружающей среды при эксплуатации АСВП в морских условиях...............................................................................175

§6.1 Расчет траекторий капель воды в атмосфере над уровнем моря применительно к конкретным типам АСВП и оценка дисперсности

водной среды на различных высотах над уровнем моря................175

§ 6.2 Траектории капель в условиях ветра.................................193

§6.3 Влияние деталей конструкции АСВП на характеристики

брызгообразования и количество морских солей, поступающих вместе с воздухом в проточную часть газовых турбин............................222

§6.4 Анализ результатов выполненных расчетов и пути борьбы с засолением главных двигателей в морских условиях....................251

§6.5 Выводы по результатам исследования брызгообразования

натурных АСВП..................................................................264

Заключение.............................................................................267

Литература.............................................................................274

Приложение...........................................................................285

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ АСВП - амфибийное судно на воздушной подушке; КВП - корабль на воздушной подушке ВП - воздушная подушка; ГО - гибкое ограждение; Ьп (м) - длина воздушной подушки; Вп (м) - ширина воздушной подушки; 5П (м2) - площадь воздушной подушки;

Нк (м) - высота корпуса АСВП от уровня моря до крыши надстройки;

Нп (м) - глубина воздушной подушки;

кто (м) - высота гибкого ограждения;

к (м) - высота подъема капель над уровнем моря;

Р (м) - длина периметра воздушной подушки;

г (м) - радиус капли воды;

гт (м) - максимальный радиус капли воды в массиве; г* = — - относительная величина радиуса капли воды;

гт

У0 (м/с) - скорость струи воздуха при выходе из ресивера;

Уа (м/с) - скорость струи воздуха при выходе в атмосферу;

К (м/с) " средняя скорость струи воздуха при выходе в атмосферу с учетом брызгообразования;

V/ = — - относительная скорость струи воздуха при выходе в атмосферу; и> (м/с) - скорость движения капли воды;

* и/

и/ = — относительная величина скорости капли воды;

д (м/сг) _ ускорение свободного падения;

У = Рм/' 9 "вес единицы объема воды; (} ^м3/- расход воздуха через ВП;

расход воздуха через ВП на 1 м периметра;

с, (м7с)

(¿1 = - безразмерная величина расхода воздуха на 1 м периметра;

Н-пУа

б (м) - толщина струи воздуха;

Я (м7с) ~ ежесекундный объем воды, захваченный струей воздуха с 1 м периметра ВП;

Чт= ~~ ~ относительная величина захваченного объема воды;

Рп (Па) - давление воздуха в ВП; Рр (Па) - давление воздуха в ресивере;

Кр = — - коэффициент перепада давления между ресивером и ВП;

Рп

5 - угол наклона навесных элементов ГО к горизонту; р (кг/ ) - плотность воздуха;

Ры (кг/мз) " плотность воды;

кинематическая вязкость воздуха.

о " коэФФиЦиент поверхностного натяжения на границе воздух-вода;

<тг (м) - среднее квадратичное отклонение радиуса капли;

тг (м) - среднее значение радиуса капли (математическое ожидание)

Введение

Актуальность исследования

Создание судов и кораблей на воздушной подушке является примером инновационной технологии, объединяющей новейшие достижения судостроительной, авиационной, машиностроительной и ряда других отраслей промышленности.

Реализация принципа воздушной подушки позволила создать ударные корабли и десантно-высадочные средства для военно-морского флота, суда пассажирского и специального назначения для народного хозяйства. Уникальные свойства амфибийных судов на воздушной подушке (АСВП), позволяющие эксплуатировать их круглогодично над водой, льдом и сушей, выходить на необорудованный берег, позволяют значительно сокращать расходы на строительство терминалов, причальных сооружений и другой транспортной инфраструктуры. АСВП активно используются частями министерства по чрезвычайным ситуациям при проведении спасательных работ на воде.

Созданные в нашей стране суда на воздушной подушке превосходят известные зарубежные образцы, не имеют аналогов за рубежом, поэтому АСВП, создаваемые отечественной промышленностью, с успехом продаются за границу в такие страны, как Греция и Южная Корея, что вносит определенный вклад в бюджет Российской Федерации. Интерес к приобретению Российских АСВП проявляют и другие зарубежные страны.

В связи с этим научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, направленные на развитие технологии создания судов на воздушной подушке, имеют большое народно-хозяйственное и оборонное значение.

Вместе с тем опыт использования судов на воздушной подушке показал, что имеется ряд проблем, затрудняющих их эксплуатацию, и частично снижающих эффективность их применения. К числу этих проблем относится сильное брызгообразование, - облако брызг, поднимающееся

вокруг АСВП при парении над водой, особенно на малом ходу и на «стопе». Это облако создает следующие технические проблемы:

1. Затрудняет обзор из ходовой рубки и серьезно усложняет навигацию.

Цель и задачи исследования

Устранение вышеперечисленных недостатков является многоплановой технической проблемой, имеющей различные пути решения и требующей, по крайней мере, трех последовательных этапов решения.

• Третий этап - практическая реализация предлагаемых проектных рекомендаций и конструктивных решений в ходе постройки судов на заводах и опытная проверка реализованных решений при испытаниях судов в морских условиях

Настоящая диссертационная работа посвящена выполнению первого из перечисленных этапов решения проблемы. Ее целью является создание научно обоснованного метода расчета параметров и объема брызгового облака в зависимости от конструктивных особенностей судов для выполнения проектно - конструкторских разработок, направленных на улучшение эксплуатационных характеристик АСВП и уменьшение вредного воздействия на суда окружающей морской среды.

высоте над уровнем моря, ни дисперсность водной среды. Тем не менее, вся эта информация необходима для технически обоснованного конструирования сепараторов, отделяющих воду и содержащиеся в ней морские соли от воздуха, поступающего для питания двигателей в проточную часть газовых турбин. Информация о количестве воды в облаке брызг, окружающем судно, полезна для выбора числа ступеней очистки воздуха, а информация о дисперсном составе водной среды может быть использована для выбора типа сепараторов: сетчатого типа «НИТМАШ» или вихревого типа «ЦИКЛОН».

Перечисленная информация также может быть использована для улучшения конструкции защитных накладок на ведущих кромках лопастей воздушных винтов и лопаток нагнетателей, для улучшения конструкций защиты от брызг окон ходовой рубки судна.

Отсутствие до настоящего времени информации о величине и структуре облака брызг вокруг АСВП на «стопе» или малом ходу не случайно, - её невозможно получить при проведении испытаний маломасштабных моделей АСВП, т.к. масштабный эффект коренным образом изменяет характер происходящих процессов. Проводить же эксперимент с полноразмерным судном было бы слишком дорогостоящим мероприятием, к тому же технически трудно реализуемым.

1. Изучить механизм истечения воздуха из ВП и исследовать волновые движения поверхности склона впадины ВП.

3. Исследовать механизм движения капель в атмосфере над уровнем моря.

5. Разработать методику определения дисперсионного состава облака на разных высотах над уровнем моря.

7. Выявить влияние конструктивных особенностей АСВП на указанные выше величины.

Действительно, если до настоящего времени информация о параметрах облака брызг, которое окружает судно, парящее над водой, практически полностью отсутствовала, то в результате выполненного исследования построены математические модели процессов, на основе которых предложены алгоритмы и программы, позволяющие установить величины объемов воды, выносимые струей воздуха из ВП, объемные расходы жидкости, которые поднимаются на различные высоты над уровнем моря, дисперсность жидкой среды на различных высотах, количества морской воды и содержащихся в ней солей, попадающие внутрь корпуса судна и в машинное отделение и даже распределение их между различными двигателями судна.

Объект и предмет исследования

Объектами проведенного исследования являются амфибийные суда на воздушной подушке (АСВП) и параметры генерируемых ими облаков брызг, окружающих суда при парении над водой на малом ходу или «стопе».

Предметом исследования являются закономерности

брызгообразования, распределения объемов воды по высоте над уровнем

моря и взаимосвязь параметров облака брызг с конструктивными особенностями АСВГТ.

Методы проведенного исследования

При выполнении исследований использовались как теоретические, так и экспериментальные методы. В теоретической части работы использованы методы теоретической механики, математической физики, теории вероятностей и математического анализа. Постановка экспериментальных исследований и обработка результатов измерений проводились на базе теории подобия и размерностей.

Научная новизна и значимость полученных результатов исследования

Новыми научными результатами, полученными при проведении работы, являются:

- исследования волнообразования на наклонной к горизонту поверхности склона впадины ВП, отличающиеся учетом взаимодействия струи воздуха, вытекающей из ВП, и гребней волн;

- впервые получены:

• значения диапазона изменения радиусов капель воды, выносимых струей воздуха в атмосферу из области ВП;

• эмпирическая формула для расчета объема воды, вынесенного струей воздуха из ВП на базе обобщения экспериментальных материалов;

• зависимости распределения объемного расхода воды по высоте над уровнем моря для различных типов АСВП;

- впервые проведен анализ физической природы масштабных эффектов, возникающих при изучении процесса брызгообразования АСВП в условиях проведения испытаний маломасштабных моделей в опытовых бассейнах;

Обоснованность и достоверность результатов исследования

Обоснованность разработанных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы определяется тем, что в ней аргументированно оговорены все основные допущения и ограничения при построении математических моделей процессов, использованы строгие математические методы численного интегрирования систем дифференциальных уравнений, аналитические методы теоретической механики, математической физики, теории вероятностей и математического анали�