Численное моделирование аэрогидродинамики амфибийных судов на воздушной подушке с гибким ограждением баллонетного типа тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи /4U1

Кальясов Павел Сергеевич

Численное моделирование аэрогидродинамики амфибийных судов на воздушной подушке с гибким ограждением баллонетного типа

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

1 9 МАЙ 2011

Нижний Новгород - 2011

4847401

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего, профессионального образования «Нижегородский государственный университет им.Н.И. Лобачевского»

Научный руководитель

Доктор физико-математических наук, профессор Любимов Александр

Константинович

Научный консультант

Кандидат технических наук, доцент Шабаров Василий Владимирович Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Зуев Валерий Андреевич Доктор физико-математических наук, профессор Кочетков Анатолий Васильевич

Ведущая организация:

Центральный научно-исследовательский институт им.акад.А.Н.Крылова, Санкт-Петербург.

Защита состоится 9 июня 2011 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.166.09 при Нижегородском государственном университете по адресу: 603950, ГСП 1000, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп.6.

С диссертацией можно ознакомится в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета

Автореферат разослан 9 мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физ.-мат. наук, проф.

Игумнов Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В материалах заседания Морской Коллегии при Правительстве РФ от 12 сентября 2006г. отмечается необходимость приоритетного развития амфибийных транспортных средств. Особо отмечается направление амфибийных судов на воздушной подушке (АСВП). Они способны органично вписаться в действующую транспортную систему севера и северо-востока России за счет частичного переключения на себя задач малотоннажного флота и грузопассажирского транспорта.

Опыт использования АСВП показывает, что при их эксплуатации сокращаются капитальные затраты на постройку причальных сооружений и мест межнавигационного отстоя, отсутствуют расходы на дноуглубительные, путевые и обстановочные работы. Амфибийные качества позволяют СВП успешно конкурировать с наземным транспортом за счет сокращения протяженности маршрута, а также с воздушным транспортом за счет более низких эксплуатационных расходов.

Принципиальным моментом развития АСВП является формирование методической базы, позволяющей принимать обоснованные конструктивные решения при проектировании специфических элементов АСВП (гибкое ограждение (ГО), движительно-рулевой и несущий комплексы). Разработка методической базы связана с необходимостью решения ряда наукоемких задач по моделированию процессов, реализующихся при движении АСВП. Конечной целью решения этих задач является повышение степени совершенства аэрогидродинамической компоновки АСВП, которая напрямую связана с экономической эффективностью, и снижение аэрогидродинамических нагрузок на элементы компоновки с целью повышения их ресурса.

Состояние вопроса. Направление АСВП с классическим ГО интенсивно развивалось в СССР в 1960 - 1990 годах. В эти годы была создана методическая база по решению проектных задач аэрогидродинамики, динамики движения и прочности, которая позволила создать ряд удачных проектов (особенно в 80-е годы), предназначенных для решения в первую очередь оборонных, а затем и хозяйственных задач. В 1990 - 2000 годы темпы развития этого направления снизились, что в значительной степени связано с произошедшими в стране переменами. Фактически прекратилось проектирование и строительство крупнотоннажных АСВП, предназначенных для решения оборонных задач. Сократилось производство мало и среднетоннажных (8-10 т.) пассажирских и разъездных АСВП. В настоящее время относительно малыми сериями производятся только малотоннажные АСВП типа «Арго» и среднетоннажные типа «Арктика».

В то же время именно в 1990 - 2000 годы достаточно интенсивно развивается направление АСВП с баллонетным ГО. К настоящему времени ситуация выглядит следующим образом: месячное число продаж аппаратов с

ГО баллонетного типа оказывается выше годового числа продаж АСВП классической схемы.

Традиционным и основным на сегодняшний день способом исследования аэрогидродинамики АСВП остается физический модельный эксперимент. Основные методики проведения эксперимента были разработаны в 70-х годах. ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, ЦАГИ им. Н. И. Жуковского и рядом других институтов накоплена обширная экспериментальная информация и выведены полуэмпирические зависимости для АСВП с ГО классического типа. Для судов с ГО баллонетного типа систематических модельных испытаний не проводилось. В целом, при разработке аэрогидродинамического комплекса (АГДК) АСВП с баллонетным ГО, проектанты испытывают серьезные затруднения ввиду слабой методической базы, ориентированной на решение основных задач аэрогидродинамики этих АСВП. Существующие расчетные подходы носят общий оценочный характер, причем зачастую невозможно определить направление оценки (сверху или снизу), не отличаются точностью и достоверностью. В отличие от АСВП с классическим ГО систематических материалов испытаний моделей АСВП с баллонетным ГО в аэродинамических трубах и опытных бассейнах недостаточно. Проектирование АГДК ведется по прототипу, которым является более или менее удачный предшествующий вариант АСВП.

Качественный скачок в уровне решаемых задач стал возможен в связи с созданием и освоением ряда численных методов по решению общих уравнений движения жидкости, комплексов вычислительной механики (ANSYS, Fluent, Abacus и д.р.), внедрением многопроцессорных технологий расчетов. Известно, что к настоящему времени расчеты аэрогидродинамических компоновок и исследования задач прочности на современных комплексах вычислительной механики проводятся в ряде международных авиационных и судостроительных корпораций, в исследовательских центрах аэронавтики и кораблестроения. В России такие работы ведутся в ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова и ЦАГИ им. Н. И. Жуковского. Применительно к АСВП расчетов по полным математическим моделям в России не проводилось. В литературе практически отсутствуют ссылки на проведение указанных исследований за рубежом; в то же время у отечественных разработчиков АСВП есть вызванные практикой проектирования и эксплуатации АСВП основания утверждать, что такие работы, во всяком случае, в судостроительных фирмах США, Великобритании, Канады и Норвегии, проводятся.

Целью настоящей работы является:

1. Постановка задач, выбор и обоснование схем расчета движительного, нагнетательного и несущего комплексов АСВП с использованием лицензионного программного обеспечения (пакет гидрогазодинамики ANSYS CFX и вычислительной механики ANSYS) на высокопроизводительных вычислительных узлах.

2. Верификация результатов вычислительных экспериментов, проводимых по выбранным схемам расчета, по результатами натурных испытаний.

3. Поиск конструктивных решений и выдача рекомендаций по проектированию АСВП с ГО баллонетного типа, направленных на повышение аэрогидродинамического совершенства АСВП и снижение аэрогидродинамических нагрузок на элементы компоновки, с целью повышения ресурса работы этих элементов.

Рассмотрены три основных элемента аэрогидродинамической компоновки АСВП:

Схема расчета движительно-рулевого комплекса в составе компоновки АСВП имеет целью исследование аэродинамического взаимодействия ДРК с элементами компоновки, а именно:

- определение нестационарных нагрузок на лопасти маршевых винтов для прочностного и модального анализа, поиск путей снижения нестационарных аэродинамических нагрузок.

- определение кривых аэродинамического сопротивления корпуса при его взаимодействии с работающим ДРК, раскладки сил по элементам корпуса и ДРК, поиск конструктивных решений по уменьшению сопротивления -снижение лобового сопротивления за счет изменения обводов корпуса и сопротивления кормовой части за счет уменьшения взаимодействия корпуса с ДРК;

Схема расчета нагнетательного комплекса имеет целью получение аэродинамических нагрузок для прочностного анализа и расходно-напорных характеристик осевых и центробежных вентиляторов в составе их компоновки (колеса, коллекторы, спрямляющие и направляющие аппараты) и трассы. Исследовательская серия расчетов имеет целью повышение расходно-напорных характеристик нагнетательного комплекса как за счет оптимизации трассы, так и за счет доработки элементов компоновки вентиляторов (геометрии лопастей колес, спрямляющих и направляющих аппаратов, противопомпажных устройств).

Схема расчета несущего комплекса направлена на изучение деформированной формы баллонетов под действием внутренних и внешних избыточных давлений, формы свободной поверхности и взаимодействия глиссирующих баллонетов с зоной воздушной подушки, получение численных значений аэрогидродинамического сопротивления на элементах компоновки АСВП с ГО баллонетного типа на разных режимах движения. Вычислительный эксперимент ориентирован на поиск конструктивных решений по повышению степени аэрогидродинамического совершенства компоновки АСВП, а именно изучение влияния заклинки скег на гидродинамическое качество АСВП, разработку схем интерцептирования, поиск геометрии ГО для создания оптимальной формы пятна давления на воду с целью снижения гидродинамического сопротивления на баллонетах.

Научная новизна работы заключается в постановке задач и выборе расчетных схем для организации вычислительного эксперимента, базирующегося на современных пакетах гидрогазодинамики, для отработки АГДК АСВП с ГО баллонетного типа. По результатам вычислительных экспериментов дан ряд рекомендаций по проектированию АСВП с ГО баллонетного типа. На основе рекомендаций создан ряд оригинальных разработок, реализованных фирмой «СК Аэроход».

Практическая значимость. С использованием выбранных расчетных схем получен ряд качественно новых проектных решений, часть из которых внедрена в производство проектантом и производителем АСВП «СК Аэроход» и позволила поднять ходовые и эксплуатационные характеристики АСВП проектов А5, А8, А32, А48. В частности, реализация рекомендации, полученных по результатам вычислительных экспериментов, позволила увеличить скоростные качества для пассажирских АСВП этих проектов на 20%, поднять стартовые характеристики, снизить километровый расход топлива на 10%. Повышен ресурс маршевых винтов и ГО. Расчетные методики могут быть использованы при проектировании новых перспективных проектов АСВП.

Достоверность результатов, полученных путем вычислительного эксперимента, подтверждена серией стендовых, а так же натурных швартовых и ходовых испытаний АСВП проектов А5, А8, А32, А48.

На защиту выносятся:

- результаты работы по выбору и обоснованию расчетных схем для организации вычислительного эксперимента, ориентированного на проектирование движительного, нагнетательного и несущего комплексов АСВП с ГО баллонетного типа;

- верификация результатов вычислительного эксперимента серией натурных испытаний.

- рекомендации по проектированию АСВП с ГО баллонетного типа, полученные на базе результатов вычислительных экспериментов, стендовых, натурных швартовых и ходовых испытаний.

Личный вклад автора. Разработаны схемы расчета основных элементов АГДК АСВП с ГО баллонетного типа. Спланирована и проведена серия физических экспериментов, натурных швартовых и ходовых испытаний, подтверждающих достоверность результатов расчетов. По результатам исследования основных элементов АГДК АСВП с помощью вычислительного эксперимента дан ряд рекомендаций по изменению элементов компоновки с целью повышения их ресурсных характеристик и ходовых характеристик АСВП в целом.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены:

1. Конференция «Лобачевские чтения - 2007», г. Казань, Диплом за лучшее выступление.

2. Конференция молодых ученых, Татинец 2008г.

3. Конференция «Лобачевские чтения - 2008», г. Казань, Диплом за лучшее выступление.

4. Итоговая научная конференция учебно-научного инновационного комплекса. Н.Новгород, 27-30 ноября, 2007г.

5. Семинар «Решения Ansys для судостроения и строительства морских сооружений» ЗАО ЕМТ Р, Санкт-Петербург 2009.

6. Четвертая Всероссийская молодежная научно-инновационная школа «Математика и математическое моделирование», г. Саров 2010, Диплом за второе место.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, из которых 5 статей, в том числе 4 - из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации: Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем составляет 137 стр., включая 59 рисунков, 5 таблиц, библиографию, содержащую 76 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, приводятся характеристики современных АСВП, кратко формулируется цель работы.

В главе 1 проводится обзор современных АСВП разных типов и методов отработки основных элементов АГДК АСВП.

Основными элементами аэрогидродинамической компоновки АСВП с ГО баллонетного типа являются (рис.1):

1. Движительно-рулевой комплекс (ДРК), включающий в себя маршевые винты в профилированных кольцевых насадках, направляющие и спрямляющие аппараты, силовые пилоны и систему рулей.

2. Нагнетательный комплекс, представляющий собой вентиляторы со спрямляющими и направляющими аппаратами и систему воздуховодов, обеспечивающих подачу воздуха в воздушную подушку.

3. Несущий комплекс, включающий в себя область воздушной подушки, носовые, кормовые ГО и систему надувных оболочек - баллонетов, выполняющих функцию бокового ГО.

Рис.1 Основные элементы аэрогидродинамической компоновки АСВП. Подбор и проектирование этих элементов является основным вопросом при создании новых компоновок АСВП.

Традиционным способом проектирования элементов АГДК АСВП является физический модельный эксперимент. Предлагается на разных стадиях проектирования АСВП использовать вычислительный эксперимент, основанный на современных вычислительных пакетах, в которых реализуется численное решение общих уравнений движения жидкости и теории упругости, позволяющих решать задачи в наиболее полных постановках. Проведение вычислительного эксперимента позволяет сократить количество физических модельных экспериментов, а в ряде случаев является единственным способом исследования: дает возможность получить нагрузки на отдельные элементы конструкции, подробно исследовать поля скоростей, давлений и т.д. Вычислительный эксперимент дает новые возможности в учете масштабных эффектов.

С позиций аэрогидродинамики проводится сравнительный анализ АСВП с ГО классической схемы и баллонетного типа. Недостатки АСВП одной схемы переходят в достоинства другой и обратно. Это свидетельствует о взаимном дополнении АСВП классической и баллонетной схем и возможности развития каждой из них не в ущерб другой.

В главе 2 изложены схемы решения задач по отработке трех основных элементов АГДК АСВП. 1. Движытелъный комплекс АСВП.

Шестилопастной воздушный винт вращается с заданной угловой скоростью. Винт расположен в профилированном кольцевом насадке. Втулка винта зафиксирована группой пилонов (рис. 2). Кольцевой насадок с пилонами обтекается воздухом с заданной скоростью потока на бесконечности перед винтом, равной скорости движения АСВП. Воздух рассматривается как несжимаемая жидкость. Режим течения - турбулентный.

кольцо

Рис. 2. Винт в кольцевом насадке. 2. Нагнетательный комплекс АС В П

Центробежный вентилятор вращается с заданной угловой скоростью. Модель вентилятора и прилегающих к нему участков воздуховода придставлена на рис. 3. Воздух из атмосферы поступает в воздушный тракт (вырез 1), затем проходит через вентилятор, преодолевает второй участок воздушного тракта и выбрасывается в ВП (вырез 2), откуда снова попадает в атмосферу. Воздух рассматривается как вязкая несжимаемая жидкость. Режим течения турбулентный.

Рис. 3. Кормовой вентилятор АСВП пр. А32, система воздуховодов.

3. Несущий комплекс АСВП с ГО баллонетного типа.

Подъемно-несущий комплекс АСВП с баллонетным боковым ограждением (на примере АСВП пр.А8, рис. 4) состоит из вентиляторной группы 1, зоны ВП 2, глиссирующих боковых баллонетов (пневмоскегов) 3, носового 4 и кормового 5 гибких ограждений.

Рис. 4. АСВП пр.А8.

Задача ставится в рамках модели вязкого турбулентного течения несжимаемой жидкости с границами раздела сред. Носовое, кормовое гибкие ограждения, деформированные баллонеты считаются мгновенно отвердевшими. Предварительно находится деформированная под действием внутренних и внешних избыточных давлений форма баллонетов. Давления в ВП и расходы воздуха моделируются согласно расходно-напорной характеристике нагнетателей.

Схема решения этих задач базируется на решении общих уравнений движения вязкой жидкости с учетом турбулентного характера течения методом конечных объемов. Решение уравнений реализовано в пакете вычислительной гидрогазодинамики Ansys CFX и адаптировано к решению задач аэрогидродинамики АСВП. Поиск деформированной формы скега осуществлялся с использованием языка программирования Fortran. Частотный нанлиз лопастей маршевого винта осуществляется в комплексе вычислительной механрки Ansys.

Рассмотрены принципиальные моменты построения конечнообъемной модели в пакете ICEM CFD применительно к трем задачам аэрогидродинамики АСВП.

Решение проектных задач, как правило, требует объемных расчетов, в результате чего остро встает вопрос о рациональном использовании временных ресурсов и вычислительных мощностей. При решении задач предлагается использовать ряд методов (методы расщепления многомерных задач, схема направленных против потока разностей и метод SIMPLE для связывания скоростей и давлений на разнесенных сетках), позволяющих получать решения на более грубых сетках.

Задачи решались на сетках различной структуры и мелкости разбиения. Установленные размеры расчетной области и ячеек сетки позволяют минимизировать затраты компьютерных ресурсов. Полученные решения согласуется с экспериментами и не противоречит теоретическим расчетам.

Приведены наиболее полные математические постановки и особенности схем решения каждой из трех основных задач аэрогидродинамики АСВП.

1. Задача о расчете движителъного комплекса АСВП.

В качестве расчетной области взят цилиндр (рис. 5).

Рис. 5. Расчетная область. 1 - вход, 2 - выход, 3 - профилированный кольцевой насадок, 4 - пилоны. 5 -общие границы областей А и В, 6 - боковая поверхность циллиндра, 7 -втулка, 8 - лопасти.

При исследовании задачи в упрощенных постановках решен ряд вопросов, связанных с реализацией физической и математической постановок задач. Наиболее важные из них это:

- размеры расчетной области и размеры элементов в разных зонах течения (диаметр цилиндра равен пяти диаметрам винта, высота равна восьми диаметрам. Количество элементов по хорде лопасти 30, по размаху 100.);

- выбор рациональных численных алгоритмов (схема «против потока» аппроксимации конвективных членов уравнения, алгоритм «SIMPLE»);

- выбор модели турбулентности (SST модель Ментора);

- выбор граничных условий на внешней границе расчетной области (на входе задается скорость набегающего потока V (скорость движения АСВП) или давление р = 0 Н/м" (работа винта на стопе); условия на выходной границе: среднее давление р = 0 Н/м"; на боковой поверхности цилиндра рассматривались два основных типа граничных условий: задание скоростей V (скорость движения АСВП) или давлений р = 0 Н/м2);

- рациональное описание пограничного слоя на лопастях, кольцевом насадке, пилонах.

При решении в области А используется принцип обращения движения: лопасти неподвижны, воздух закручен вокруг винта с угловой скоростью со. На общих границах областей А и В выполняется непрерывность скоростей прямого и обращенного движения. При переходе через границы сохраняется средняя по окружности величина давления. В численной реализации используются скользящие сетки.

2. Задача о расчете нагнетательного комплекса АСВП.

В ходе исследования задчи решен вопрос о размерах расчетной области, позволяющих получить физичное решение. Задание граничных условий непосредственно на входе в воздушный тракт и на выходе из него является некорректным, т.к. не учитывает неравномерность потока в этих областях, существенно влияющую на работу вентилятора. Входную границу необходимо относить на 4 - 5 диаметров колеса вентилятора от входа в воздушный тракт. Такой подход позволяет также исследовать работу

вентилятора в составе воздушного тракта при различных скоростях движения АСВП. На выходе моделировалось истечение из ВП (рис. 6).

атмосфера :

: !: л ::: Л;!

Рис. 6. Расчетная область. Система уравнений движения жидкости решалась при следующих граничных условиях:

- на входе давление р = 0 Н/м2, дающее возможность рентилятору забирнать необходимое количество воздуха; при движении АСВП - скорость набегающего потока со стороны носа V(скорость движения АСВП);

- на выходе среднее давление р = 0 Н/м2;

- дно, скег, гибкое ограждение, арагменты корпуса, воздуховод и кожух вентилятора, экран - условие прилипания и непротекания.

При расчетах давление в подушке регулировалось путем изменения зазора между скегом и экраном. Исследовались режимы работы вентилятора при давлении в подушке около 1000-2000 Па, полученного в ходе натурных испытаний.

Оценка потерь в сложном воздушном тракте проводилась как при прямом моделировании работы вентилятора, так и в упрощенной постановке

- колесо вентилятора заменялось системой источников и стоков, позволяющих задавать расход воздуха в зависимости от давления в ВП согласно расходно-напорной характеристике.

3. Задача о расчете несущего комплекса АСВП с ГО баллонетного типа. Решение задачи состоит из двух этапав.

На первом этапе решается задача о поиске деформированной под действием внутренних и внешних избыточных давлений формы баллонетов. Задача решается при следующих допущениях: различные поперечные сечения оболочки находятся в одинаковых условиях по всей длине, форма сечений по длине не меняется, в плоском сечении оболочка заменяется идеальной нерастяжимой невесомой нитью, давление в баллонетах меняется по баротропному закону. Составлена система уравнений, позволяющих описать деформированную форму баллонетов. Решение уравнений осуществляется методом Ньютона и методом простых итераций с использованием языка Fortran.

На втором этапе решается задача гидродинамики. Расчетная область представлена на рис.7.

Входная граница ABCD отстоит от носовой оконечности модели АСВП на 5-6 корпусов модели; выходная граница AiBiCiDi отстоит от кормовой оконечности модели АСВП не менее чем на 20 корпусов модели; нижняя граница расчетной области CDDiCj отстоит не менее чем на 0.5 корпуса модели от ее основной плоскости; верхняя граница расчетной области ABB ¡А! отстоит не менее чем на 3 корпуса модели от ее основной плоскости; боковая граница расчетной области ADD,Aj отстоит не менее чем на 5 корпусов модели от ее диаметральной плоскости.

Сеточная модель задачи строилась с использованием пакета ICEM CFD. Число узлов при отладке задачи варьировалось от МО6 до 5-106. Для более точного расчета смоченной поверхности модели АСВП и действующих на модель нагрузок сетка сгущалась к зоне расположения модели АСВП и предполагаемому положению границы раздела сред. Вертикальные размеры конечнообъемных элементов в области предполагаемого положения границы раздела сред составляли не более 1-2-10"2 м. Рекомендуется ориентировать сеточные элементы в зоне невозмущенного потока по нормали к его скорости.

Уравнения решаются при следующих граничных условиях: на входной границе ABCD задается скорость обращенного потока (скорость движения АСВП), на верхней границе расчетной области - нулевая величина избыточного давления, на нижней границе - скорость невозмущенного потока. При исследовании продольных аэрогидродинамических характеристик АСВП рационально использовать условие симметрии и задавать в плоскости z = 0, совпадающей с диаметральной плоскостью АСВП, естественные условия Неймана на компоненты скорости и давление. Весьма результативным оказалось задание на выходной границе величины нормальной скорости, численно равной скорости невозмущенного потока. На боковой границе ADD ¡А] расчетной области эффективным является задание компонент скорости, равных по величине компонентам скорости невозмущенного потока. При выбранных размерах расчетной области и исследовании течений в диапазоне чисел Фруда Fr - 2^5 система

Рис. 7. Расчетная область задачи.

расходящихся волн не успевает внести возмущения в областях боковой границы.

В численной реализации определение мгновенного положения границы раздела сред осуществляется методом объемного слежения (MAC). Носовое, кормовое гибкие ограждения, баллонеты считаются мгновенно отвердевшими. Форма гибких ограждений находится перед решением аэрогидродинамической задачи либо с использованием теории мягких оболочек, либо по упрощенной схеме с применением гипотезы плоских сечений и теории гибкой нерастяжимой невесомой нити. Задача решается при заданной посадке судна, определяемой углом дифферента и погружением кормового ограждения относительно статического (невозмущенного) уровня воды. Погружение и угол дифферента, соответствующие определенному режиму движения АСВП, определяются перебором исходя из соответствия расчетных центровки и водоизмещения судна результатам взвешивания.

Расчеты проводились с использованием процедур нижней релаксации с параметром а = 0,5. Релаксация в методе SIMPLE задавалась равной 0,5. Интегрирование по времени производится методом Эйлера первого порядка. Величина шага интегрирования подбирается на этапе настройки вычислительного эксперимента с учетом условия: число Куранта меньше 1.

В главе 3 изложены результаты решения основных задач аэрогидродинамики АСВП и дан ряд рекомендаций по проектированию АСВП.

1. Задача о моделировании ДРК АСВП с учетом его взаимодействия с элементами аэродинамической компоновки.

Результаты швартовых испытаний по замеру тяги АСВП пр.А32 на максимальных оборотах (980 об./мин.) показали 13500 Н. По результатам расчетов получено 12200 Н.

Исследовано взаимодействие маршевых винтов и корпуса судна. Разряжение перед маршевым винтом несколько повышает тягу ДРК, но существенно увеличивает сопротивление корпуса в связи с их близким расположением. Дана оценка потерь суммарной тяги (тяга ДРК минус аэродинамическое сопротивление корпуса) вследствие взаимодействия ДРК с корпусом при их различном взаимном расположении.

Рис.9. Оценка взаимодействия ДРК с корпусом АСВП пр. А48 при их различном положении на скорости движения 60 км/ч. Проведен частотный анализ лопасти маршевого винта. Расчет собственных частот и форм колебаний (модальный анализ) выполнялся в программном комплексе Апзуэ блочным методом Ланцоша. Экспериментальная проверка осуществлялась на вибростенде ОАО «ГосНИИмаш». Экспериментальные и расчетные значения первых четырех

№ Собственная частота (Гц)

формы Эксперимент Расчет

1 27.8 23.5

2 37.6 48.0

3 101.0 103.3

4 153.0 121.6

На основании результатов аэрогидродинамических расчетов в нестационарной постановке выявлено, что на третьей собственной частоте (изгибно-крутильной) наблюдается резонанс. С использованием вычислительного эксперимента разработан направляющий аппарат, позволяющий на 25% снизить нестационарные нагрузки на лопасти маршевых винтов и избежать резонанса. Этот аппарат был установлен на АСВП пр.А32 и позволил остановить серию аварий, вызванных разрушением лопастей маршевых винтов.

Рис.8. Нестационарная нагрузка на лопасть винта с учетом взаиамодействия ДРК с корпусом АСВП и пилонами, спрямляющий аппарат.

В настоящее время результаты расчетов ДРК используются при проектировании АСВП пр.А25.

2. Задача о моделировании нагнетательного комплекса АСВП.

Исследование работы нагнетательного комплекса АСВП пр.А32 состояло из двух этапов. На первом этапе определялись потери в воздушном тракте и велись работы по его оптимизации. Второй этап заключался в исследовании работы лопастей колеса вентилятора в оптимизированном тракте. Получены расходно-напорные характеристики вентилятора при различных трассах и различной профилировке лопастей (рис.10).

2300 2100 1900 1700 1500 1300 1100 900 700 500

.............1........., .....!.................. 1 1 !

о— —о- -О-. 1

■о

\ ' 1

1

1 1 1 1

5

а,м»/с

-1. Натурный вентилятор.

Оптимизированный воздуховод, лопасть ЦАГИ.

Оптимизированный воздуховод, спроектированная лопасть.

Рис.10. Расходно-напорные характеристики нагнетателей АСВП пр.А32.

С помощью вычислительного эксперимента была спроектирована экспериментальная установка по замеру характеристик нагнетательного комплекса. Проведена серия испытаний по замеру расходно-напорных характеристик нагнетателей АСВП разных проектов.

Натурные испытания показали, что тенденции натурной расходно-напорной характеристики в разных конструктивных вариантах схватываются вычислительным экспериментом полностью. В то же время давления в ВП по результатам вычислительных экспериментов ниже замеренных давлений, причем величина этого рассогласования оказывается систематической для различных оборотов рабочего колеса вентилятора и различных зазоров, устанавливаемых для истечения воздуха из ВП в вычислительных и натурных экспериментах. К настоящему времени основной версией системного рассогласования результатов является версия относительно низкой точности сеточной модели, которая может быть реализована на располагаемых вычислительных мощностях с учетом весьма сложной геометрии и внутренней аэродинамики нагнетательного тракта АСВП пр. А32 и А48.

Аналогичная работа проводилась по исследованию нагнетательного комплекса АСВП пр.А8. На АСВП пр.А8 установлены осевые вентиляторы К-06 со спрямляющим аппаратом. В ходе исследований было выявлено, что рабочий режим вентиляторов находится в зоне помпажа. По результатам

расчетов было разработано противопомпажное устройство и уменьшен зазор между лопастями и стенкой коллектора. Безразмерные рсходно-напорные характеристики нагнетателя представлены на диаграмме рис. 11. Результаты моделирования подтверждены серией проведенных стендовых испытаний по замеру расходно-напорных характеристик вентиляторов.

-«-Уменьшены О, зазоры, расчет

0,05

Серийный вариант

-«-Уменьшены зазоры

^-Уменьшены зазоры, ППУ

-*- Уменьшены зазоры, ППУ, расчет -н«- Серийный вариант, расчет

Рис.11. Экспериментальные и расчетные расходно-напорные характеристики нагнетателей АСВП пр.А8.

3. Задача о моделировании несущего комплекса АСВП с ГО баллонетного типа.

Приведены некоторые результаты вычислительных экспериментов, позволяющие понять механизмы некоторых аэрогидродинамических эффектов (разряжение на кормовой части скега, замыв центрального скега, «залипание» АСВП и т.д.), имеющих место на крейсерских режимах движения АСВП, показана возможность моделирования влияния различных конструктивных факторов аэрогидродинамической компоновки на структуру течения, проведена верификация результатов моделирования по результатам натурных испытаний АСВП пр.А5, А8, А32 и А48, выработаны рекомендации к мощности вычислительных систем, потребных для решения

'.....: Л ——1

■ т^мяЯИи '—8 „ „ "

Рис.12. Волновая картина и линии тока воздуха Деформации поверхности воды вблизи АСВП пр.А8 и А48, волновые картины, смоченные поверхности баллонетов в натурных ходовых

испытаниях и вычислительных экспериментах (рис.12) находятся в качественном соответствии не только на ходовых режимах, соответствующих числам Фруда по объемному водоизмещению ■/*> = 2.5^5.5, но и на режимах выхода на ВП Рг = 1.5-4.7.

Достоверность вычислительных экспериментов подтверждается следующими зафиксированными результатами.

1. Математическое моделирование, проведенное для АСВП пр.А32, показало, что кормовая часть центрального баллонета оказывается в области положительных скосов потока воды и замывается. Было принято решение о подъеме центрального баллонета на величину, рекомендуемую результатами вычислительного эксперимента. После модификации крейсерская скорость АСВП пр.А32 «Путейский» возросла примерно на 10 км/час; после же реализации всего комплекса рекомендаций вычислительных экспериментов, включающих в себя помимо подъема центрального баллонета изменение профилировки лопастей рабочего колеса вентиляторов и геометрии трасс нагнетателей, максимальная зафиксированная скорость АСВП пр.А32 «Путейский» возросла с 68 км/час до 90 км/час.

2. По результатам вычислительных экспериментов был проработан вариант аэрогидродинамической компоновки АСВП пр.А8 с кормовой системой интерцепторов на боковых баллонетах. Система интерцепторов состоит из семейства полиуретановых пластин, наклеенных в определенных зонах баллонетов ортогонально их поверхности. Целью проработки являлось уменьшение негативного влияния эффектов разрежения в кормовой части баллонетов. С помощью интерцепторов в область пониженного давления подается воздух в большей степени из ВП за счет избыточных давлений. Часть воздуха поступает и с внешней стороны баллона за счет скоростей набегающего потока по соответствующе направленным интерцепторам.

Экспериментальное АСВП пр.А5 №224 с новой системой интерцепторов показало на испытаниях максимальную скорость 80 км/час, что примерно на 20 км/час выше скорости серийных АСВП пр.А5. При этом характеристики управляемости экспериментального АСВП существенно выше характеристик серийных АСВП указанного проекта, что косвенно свидетельствует о предсказанном вычислительными экспериментами уменьшении замыва кормовой части баллонетов и величины топящей силы.

3. Результаты вычислительных экспериментов позволили сделать вывод о рациональности заклинки скег на корму. Такое решение позволило посредством увеличения площадей в носовой части ВП уменьшить тенденцию к «залипанию». Кроме того наблюдается уменьшение гидродинамического сопротивления в связи с уменьшением бокового подпора. Серия ходовых испытаний судов пр.А8 №204 (реализована заклинка) и А8 №194 (штатный вариант), пр.А48 «Августин Бетанкур» (реализована заклинка) и пр.А48 «Яков Сивере» (штатный вариант) показала увеличение скорости судна с заклиненными скегами на 10-15%.

4. Рекомендации по проектированию АСВП с ГО баллонетного типа.

В ходе вычислительного эксперимента при работе над отдельными элементами аэрогидродинамической компоновки АСВП варьировались их различные параметры (кривизна лопасти у центробежных вентиляторов, угол заклинки скег, взаимное положение ДРК и корпуса АСВП и др.). По результатам перебора выстраивались зависимости, часть которых приведена ниже в виде проектных рекомендаций.

При работе маршевых винтов на кольцевом насадке реализуется дополнительная тяга. Для обеспечения нужных расходов через диск винта происходит забор воздуха сбоку. В районе передней кромки профиля кольцевого насадка образуется зона пониженного давления, обусловленная искривлением линий тока воздуха при подходе к ДРК.

К примеру, для 6-и лопастного воздушного винта диаметром 2,5 м при скорости вращения 980 об/мин тяга на кольцевом насадке составляет до 40% от тяги на винте при скорости набегающего потока 60 км/ч и до 80% при скорости 7,2 км/ч.

На диаграмме (рис. 13) приведена безразмерная тяга, реализующаяся на кольцевом насадке в зависимости от расхода воздуха через диск винта при различных скоростях набегающего потока.

2-Т

С =-г—, где 3 - площадь диска винта, Т - тяга на кольцевом насадке, р

р -Ун

- плотность воздуха. £> = — , где ()н - объемный расход воздуха

б"

проходящего со скоростью Ун через площадь, равную площади диска винта, Qд - объемный расход воздуха через диск винта с учетом его работы.

449,960 -399,960 -349,960 -299,960 -249,960 -

д-

199,960 -149,960 -99,960 -49,960 --0,040 -

0 5 10 — 15 20 25

б

Рис. 13. Тяга на кольцевом насадке.

Заклинка скег на корму в районе 1°-3° оказывает положительный эффект при Fr=3+6 и негативно сказывается при малых Рг (для судов пр.А8, АЗ 2, А48 режим выхода на ВП). На малых скоростях движения АСВП подъем воды перед носовым ограждением провоцирует замыв бортового скега со стороны ВП. Как показывают ходовые испытания, время выхода на подушку судна с заклиниными на 1° скегами в 2-3 раза меньше, чем судна без заклинки, что по видимому, объясняется более быстрой разгрузкой носовой части судна, в связи с увеличением в носу площадей подушки.

На рис. 14 представлена величина качества судна К (отношение подъемной силы к сопротивлению судна) в зависимости от угла заклинки. Положительный угол соответствует заклинке на корму.

Рис. 14. Влияние угла заклинки скег на качество судна. Перспективным направлением в поисках путей снижения аэродинамического сопротивления, доля которого существенна в общем сопротивлении скоростных судов, является «обдув» носовой части судна. Принцип работы такой схемы основан на эффекте Коанда.

Применительно к АСВП данная схема выглядит следующим образом: часть воздуха из ВП выбрасывается вперед через воздуховоды или щели в носовом ограждении со скоростями Ус. Площадь области разряжения в районе борта и величина разряжения увеличиваются.

Как показывают расчеты, такое решение может существенно снизить лобовое сопротивление судна. На рис. 15 представлено сопротивление

2-Р

основания АСВП с =-;—, где Р - сопротивление. Обдув

р ■ Ун ■ Б

осуществляется через вертикальные полосы, вырезанные по всей высоте основания. Снижение сопротивления происходит при разумных расходах выбрасываемого вперед воздуха. К примеру, для основания АСВП пр.А48 нарезано 10 полос, ширина полосы составляет 1 см. Скорость обдува 25 м/с (расход 0,5 м3/с) соответствует давлению в ВП 400 Па (давление в секции брызгоулавливателя), 50 м/с (расход 1 м3/с) соответствует давлению в ВП 1200 Па (давление в носовой секции). Скорость движения судна 60 км/ч.

УсЛ/н

Рис. 15. Зависимость лобового сопротивления от скоростей движения АСВП

и скоростей «обдува».

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации:

С использованием технологий вычислительного эксперимента разработаны схемы решения трех основных проектных задач АСВП с ГО баллонетного типа.

1. Разработана схема расчета ДРК СВП с учетом взаимодействия ДРК с элементами аэродинамической компоновки. Разработанная схема решения верифицирована по результатам натурных испытаний.

Решение по разработанной схеме позволяет определить вклад элементов компоновки в результирующую аэрогидродинамических сил с учетом работающего движительного комплекса и может быть использовано при модернизации аэрогидродинамической компоновки.

С применением разработанной схемы получены нестационарные аэродинамические нагрузки на лопасти винта, которые могут быть использованы при прочностном, частотном, усталостном анализе. Проведен частотный анализ, показавший наличие резонанса при работе маршевых винтов. Проведенный комплекс работ позволил снизить величину периодических нагрузок и избежать резонансных частот. В результате прекращена серия аварий, вызванных разрушением лопастей маршевого винта.

Схема расчета внедрена в проектирование и использовалась для отработки ДРК пр.А8, А32, А48. В настоящее время схема расчета используется для отработки аэрогидродинамической компоновки пр.А25.

2. Разработана схема расчета задач по определению расходно-напорных характеристик нагнетательного комплекса АСВП.

Результаты, полученные по разработанной схеме, верифицированы по результатам вычислительных экспериментов.

Решение по разработанной схеме позволяет определить как нагрузки для прочностного анализа элементов нагнетательного комплекса так и влияние элементов на изменение его расходно-напорной характеристики и может использоваться для модернизации нагнетательного комплекса АСВП.

Схема расчета внедрена в проектирование и использовалась для модернизации воздушного тракта нагнетательного комплекса пр.А32, доработки нагнетательного комплекса пр.А48 и модернизации нагнетательного комплекса пр.А8.

3. Разработана схема расчета аэрогидродинамических характеристик несущего комплекса АСВП с ГО баллонетного типа с учетом деформированной формы скег. Решена задача о поиске деформированной под действием внутренних и внешних избыточных давлений формы скег по теории идеальной нити. С использованием решения, полученного по разработанной схеме, исследованы форма свободной поверхности, поля скоростей и давлений воздуха и воды в зоне действия ВП и глиссирующих баллонетов.

Полученные результаты позволяют определить влияние формы подушки в плане, геометрии баллонетов, чисел Эйлера и Фруда на гидродинамическое сопротивление АСВП, подъемную силу и сопротивление баллонетов, их смоченную поверхность, структуру истечения воздуха из ВП, распределение давлений по длине и ширине ВП, а так же на баллонетах.

Схема расчета внедрена в проектирование АСВП с ГО баллонетного типа. По результатам серии вычислительных экспериментов, проведенных по разработанной схеме решения, даны рекомендации по изменению геометрии гибких ограждений, заклинке баллонетов и схемы интерцепторов. Рекомендации реализованы на АСВП пр.А5, А8, А32, А48 и позволили повысить их ходовые качества.

4. По разработанным схемам проведен ряд вычислительных экспериментов, ориентированных на совершенствование аэрогидродинамических компоновок АСВП с ГО баллонетного типа. Исследованы составляющие тяги на маршевом винте и кольцевом насадке при различных скоростях движения, взаимодействие маршевых винтов, влияние переднего выдува из ВП на сопротивление АСВП, влияние заклинки скег на аэрогидродинамическое качество. Полученные результаты и разработанные схемы расчета могут быть использованы при проектировании перспективных АСВП.

Публикации по теме диссертации

Статьи, входящие в перечень изданий, утвержденных ВАК

1. С.Г. Дербенев, П. С. Кальясов, А.К. Любимов. Математическое моделирование взаимодействия работы маршевого винта с элементами аэродинамической компоновки судна на воздушной подушке (СВП). Анализ аварий движительного комплекса СВП пр. А-32. Вестник Нижегородского университета им. Н.ИЛобачевского. 2007. №7. С. 92-97.

2. П.С. Кальясов А.К. Любимов. Математическое моделирование аэродинамики подъемного комплекса судна на воздушной подушке. Вестник Нижегородского университета им. Н.И.Лобачевского. 2008. №2. С. 122-127.

3. Кальясов П.С., Любимов А.К., Шабаров В.В., Якимов А.К. Развитие и применение методов вычислительного эксперимента для исследования

несущего комплекса амфибийных судов на воздушной подушке. Вестник Нижегородского университета им. Н.И.Лобачевского. 2009. №6. С.142-151.

4. П.С. Кальясов, А.В.Туманин, В.В.Шабаров, А.К.Якимов. Математическое моделирование несущего комплекса судов на воздушной подушке (СВП). Морской вестник, СПб, 2011. №1. С.104-107.

Статьи в журналах и сборниках, труды и тезисы докладов научных

конференций

5. П.С. Кальясов. Математическое моделирование взаимодействия работы маршевого винта с элементами аэродинамической компоновки судна на воздушной подушке. Труды математического центра Н.И.Лобачевского, Т.36. Казань, 2007г. С. 87-88.

6. А.К. Любимов, П.С. Кальясов, В.В. Шабаров. Применение высокопроизводительной техники и современных пакетов вычислительной механики к решению научно-технических задач в обеспечение создания перспективного транспорта и технологий перспективных материалов. Труды итоговой научной конференции учебно-научного инновационного комплекса. Н.Новгород, 27-30 ноября, 2007г. С. 32.

7. П.С. Кальясов. Математическое моделирование аэродинамики подъемного комплекса судна на воздушной подушке. Тезисы. Конференция молодых ученых. Татинец 2008г. С. 156.

8. П.С. Кальясов. Математическое моделирование аэродинамики подъемного комплекса судна на воздушной подушке. Труды математического центра Н.ИЛобачевского, Т.37. Казань, 2008г. С. 112-113.

9. П.С. Кальясов. Развитие и применение методов вычислительного эксперимента для исследования несущего комплекса амфибийных судов на воздушной подушке. Семинар «решения АшуБ для судостроения и строительства морских сооружений» ЗАО ЕМТ Р, тезисы Санкт-Петербург 2009. С. 23-24.

10. П.С.Кальясов. Развитие и применение методов вычислительного эксперимента для исследования аэрогидродинамического комплекса амфибийных судов на воздушной подушке. Четвертая Всероссийская молодежная научно-инновационная школа «Математика и математическое моделирование». Сборник материалов. Саров: Саров, 2010. С. 43^44.

Подписано в печать 03.05.2011 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1. Заказ № 320. Тираж 100 экз.

Отпечатано с готового оригинал-макета в РИУ ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 603000, г. Нижний Новгород, ул. Б. Покровская, 37

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АМФИБИЙНЫЕ СУДА НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ С ГИБКИМ ОГРАЖДЕНИЕМ БАЛЛОНЕТНОГО ТИПА.

1.1 Основные элементы АГДК АСВП с ГО баллонетного типа. Проблемы их проектирования

1.2. АСВП с классическим ГО и ГО баллонетного типа.

1.3. Методы отработки АГДК АСВП.

1.4. О сочетании вычислительного и физического экспериментов при отработке компоновки и элементов компоновок судов.

1.5. Цели работы.

ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКИ И ВЫБОР СХЕМЫ РЕШЕНИЯ ПРОЕКТНЫХ ЗАДАЧ АЭРОГИДРОДИНАМИКИ АМФИБИЙНЫХ СУДОВ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ.

2.1. Физическая постановка.

2.1.1. Движительный комплекс АСВП.

2.1.2. Нагнетательный комплекс АСВП.

2.1.3. Несущий комплекс АСВП с ГО баллонетного типа.

2.2. Математическая постановка и схема решения задач.

2.2.1. Численная реализация решения уравнений.

2.2.2. Построение модели для численных расчетов.

2.2.3. Методы расщепления многомерных задач, схема направленных против потока разностей и метод SIMPLE для связывания скоростей и давлений на разнесенных сетках.

2.2.4. Задача аэродинамики ДРК АСВП; математическая постановка и схема решения.

2.2.5. Задача расчета нагнетательного комплекса АСВП; математическая постановка и схема решения.

2.2.6. Поиск деформированной формы скега.

2.2.7. Задача расчета несущего комплекса АСВП; математическая постановка и схема решения

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ КОМПОНОВКИ АМФИБИЙНОГО СУДНА НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ.

3.1. Результаты вычислительных экспериментов по моделированию движительного комплекса АСВП.

3.1.1. Нестационарные аэродинамические нагрузки на лопасть винта.

3.1.2. Частотный анализ лопасти маршевого винта.

3.2. Результаты вычислительных экспериментов по моделированию нагнетательного комплекса АСВП.:.

3.2.1. Экспериментальное определение характеристик нагнетательного комплекса.

3.2.2. Моделирование нагнетательного комплекса с осевыми вентиляторами. Работа нагнеателей в режиме помпажа.

3.3. Результаты вычислительных экспериментов по моделированию несущего комплекса АСВП с ГО баллонетного типа.

3.3.1. Моделирование режимов с малыми углами дифферента. О механизме залипания АСВП

3.3.2. Об адекватности вычислительного эксперимента результатам натурных испытаний АСВП. Конструктивные решения.

3.4. Технические рекомендации по проектированию АСВП.

3.4.1. Тяга на кольцевом насадке.

3.4.2. Взаимное влияние двух ДРК.

3.4.3. Влияние заклинки скег на качество судна.

3.4.4. Обдув носовой части судна; эффект Коанда.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ, ВЫВОДЫ, ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Освоение регионов Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока невозможно без развития транспортной инфраструктуры, составным элементом которой является водный транспорт. В настоящее время существующий скоростной флот в стране морально и физически устарел, и для его развития даже в тех немногочисленных местах, где есть перспективы его развития, промышленности необходимо предложить новые эффективные суда.

В материалах заседания Морской Коллегии при Правительстве РФ от 12 сентября 2006г. отмечается необходимость, приоритетного развития амфибийных транспортных средств. Особо отмечается направление амфибийных судов на воздушной подушке (АСВП). Они способны органично вписаться в действующую транспортную систему севера и северо-востока России за счет частичного переключения на себя задач малотоннажного флота и грузопассажирского транспорта.

Из всех задач, предусмотренных «Транспортной стратегией РФ до 2030 года» [1], с помощью АСВП может быть выполнена социальная задача приближения жителей отдаленных районов к крупным центрам. Наиболее целесообразным при решении указанной социальной задачи выглядит применение АСВП для пассажирских перевозок на реках Сибири. Себестоимость перевозок на АСВП ниже, чем на судах на подводных крыльях на 90-120% и, чем на судах на воздушной подушке с жесткими скегами на 65-80%. Преимущества АСВП в этом случае определяются большей в 2 раза провозной способностью за счет увеличения периода навигации [2].

АСВП конкурируют не только с водным транспортом, а главным образом с железнодорожным, автомобильным и авиационным транспортом. Прямые транспортные затраты (по себестоимости перевозок) только для Якутии (Республика Саха) составляют 52% стоимости всего валового продукта республики, тогда как в целом по России транспортные затраты не превышают 4% стоимости валового продукта [1].

В европейских регионах, в крупных городах с развитой транспортной сетью АСВП, в первую очередь, целесообразно и экономически оправданно использовать для перевозки пассажиров и высокотарифицированных или дорогостоящих грузов, таких как дорогостоящее оборудование, срочные и скоропортящиеся грузы и т.д. Грузы, перевозимые на АСВП в этих регионах, должны по возможности покрывать эксплуатационные расходы [1].

Опыт использования АСВП показывает, что при их эксплуатации сокращаются капитальные затраты на постройку причальных сооружений и мест межнавигационного отстоя, отсутствуют расходы на дноуглубительные, путевые и обстановочные работы. Амфибийные качества позволяют АСВП успешно конкурировать с наземным транспортом за счет сокращения протяженности маршрута, а также с воздушным транспортом за счет более низких эксплуатационных расходов. Основные характеристики пассажирских АСВП приведены в таблицах 1.1 (легкие АСВП) и 1.2 (тяжелые АСВП) [2-5].

Зарубежные АСВП Отечественные АСВП

Наименование основных характеристик АСВП «СИт^у 6132Ь» (США) «Ноуегй уег 580» (Австра лия) СВП «Griffon 500 TD» (Велико британи я) СВП «Марс 700» СВП «Гепард » СВП «Хивус» пр.А8

Водоизмещение 1,2 1,6 2,5 1,95 1,9 2,25 полное, т

Длина, м 6,42 6,34 8,04 7,92 6,9 7,55

Ширина, м 2,97 2,85 3,92 3 о ^ 1— 3,15 3,3

Мощность силовой установки, л.с. 120 120 168 140 140 140 /

Удельная мощность, л.с./т. 100 75 67,2 72 74 62

Полезная нагрузка, т. 0,6 0,7 0,47 0,7 0,37 0,8

Коэффициент утилизации 0,5 0,44 0,19 0,36 0,19 0,35

Пассажировмест имость, чел 5 5 7 6 4 9

Макс, скорость, км/час 55 55 55 65 70 90

Расход топлива, кг/пасс. *км 0,056 0,052 0,09 0,042 0,13 0,045

Таблица 1.1. Основные характеристики легких АСВП.

Наименование основных характеристик АСВП Зарубежные АСВП Отечественные АСВП

1800ТБ (Велико британи я) ВНТ 130 (Велико британи я) АР. 1-88 (Велико британи я) АСВП «Ирбис» АСВП «Рысь» АСВП «Хивус» пр.А48

Водоизмещение полное, т 20 50 40 11 11 18

Длина, м 21,3 29,7 24,4 17 14 19

Ширина, м 11 15 11 6,2 5,6 8

Мощность силовой 2000 3400 1800 346 408 840 установки, л.с.

Удельная мощность, л.с./т. 100 68 45 31 37 47

Полезная нагрузка, т. 9 20 П,4 2,4 1,7 5

Коэффициент утилизации 0,45 0,4 0,29 0,22 0,15 0,28

Пассажировмест имость, чел 80 130 100 32 17 48

Макс, скорость, км/час 80 83 92 60 60 90

Расход топлива, кг/пасс. *км 0,04 0,063 0,033 0,03 0,08 0,036

Таблица 1.2. Основные характеристики тяжелых АСВП.

Современный рынок амфибийного транспорта ощущает потребность в более экономичных как легких, так и тяжелых АСВП водоизмещением 10 -50 т.

Принципиальным моментом развития АСВП является формирование методической базы, позволяющей принимать обоснованные конструктивные решения при проектировании специфических элементов АСВП (гибкое ограждение (ГО), движительно-рулевой и несущий комплексы). Разработка методической базы связана с необходимостью решения ряда наукоемких задач по моделированию процессов, реализующихся при движении АСВП. Конечной целью решения этих задач является повышение степени совершенства аэрогидродинамической компоновки АСВП, которая напрямую связана с экономической эффективностью.

Существующие подходы к отработке аэрогидродинамического комплекса (АГДК) АСВП ориентированы на проведение модельных физических экспериментов [14-16, 20, 21, 40] и не используют возможностей вычислительного эксперимента, базирующегося на прямом решении уравнений вязкой жидкости.

Целью настоящей диссертационной работы является развитие методической базы для отработки компоновки АСВП через создание элемента этой базы, ориентированного на технологии вычислительного эксперимента, выбор основных проектных задач аэрогидродинамики АСВП, построение алгоритмов решения этих задач с использованием суперкомпьютерного моделирования, анализ аэродинамических нагрузок и верификация результатов вычислительных экспериментов по результатам физических экспериментов.

Методы исследования и решений. Вычислительный эксперимент реализован на базе пакета гидрогазодинамики Ansys CFX, языка программирования Fortran, пакета вычислительной механики Ansys.

Научная новизна работы заключается в применении вычислительного эксперимента, базирующегося на современных пакетах вычислительной механики, для отработки АГДК АСВП с ГО баллонетного типа. По результатам вычислительных экспериментов дан ряд рекомендаций по проектированию АСВП с ГО баллонетного типа. На основе рекомендаций создан ряд оригинальных разработок, реализованных фирмой «СК Аэроход».

Практическая значимость и реализация результатов работы. Получен ряд качественно новых проектных решений, часть из которых внедрена в производство проектантом и производителем АСВП «СК Аэроход» и позволила поднять ходовые и эксплуатационные характеристики АСВП проектов А5, А8, А32, А48. В частности, реализация рекомендации, полученных по результатам вычислительных экспериментов, позволила увеличить скоростные качества для пассажирских АСВП этих проектов на 20%, поднять стартовые характеристики, снизить километровый расход топлива на 10% Повышен ресурс маршевых винтов и ГО.

Достоверность результатов, полученных путем вычислительного эксперимента, подтверждена серией стендовых, а так же натурных швартовых и ходовых испытаний АСВП проектов А5, А8, А32, А48. На защиту выносятся:

- результаты работы по выбору расчетных схем для проведения вычислительного эксперимента, ориентированного на проектирование движительного, нагнетательного и несущего комплексов АСВП с ГО баллонетного типа,

- результаты работы по верификации результатов, полученных по выбранным расчетным схемам, серией натурных испытаний.

- рекомендации по проектированию АСВП с ГО баллонетного типа, полученные на базе результатов расчетов, стендовых, натурных швартовых и ходовых испытаний.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на всероссийских конференциях и семинарах и отмечены дипломами за лучшие выступления:

1. Конференция «Лобачевские чгения - 2007», г. Казань, Диплом за лучшее выступление

2. Конференция молодых ученых, Татинец 2008г.

3. Конференция «Лобачевские чтения - 2008», г. Казань, Диплом за лучшее выступление.

4. Итоговая научная конференция учебно-научного инновационного комплекса. Н.Новгород, 27-30 ноября, 2007г.

5. Семинар «решения АшуБ для судостроения и строительства морских сооружений» ЗАО ЕМТ Р, Санкт-Петербург 2009.

6. Четвертая Всероссийская молодежная научно-инновационная школа «Математика и математическое моделирование», г. Саров 2010, Диплом за второе место.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, из которых 5 статей, в том числе 4 - из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем составляет 137 стр., включая 59 рисунков, 5 таблиц, библиографию, содержащую 76 наименований.

Первая глава посвящена обзору современных АСВП с ГО баллонетного типа и методов отработки их АГДК. Предлагается использовать вычислительный эксперимент при проектировании АСВП.

Во второй главе проводятся схемы решения трех основных задач аэрогидродинамики АСВП.

В третьей главе практические результаты, полученные в ходе вычислительных экспериментов.

В заключении сформулированы основные результаты исследований, представленных в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ, ВЫВОДЫ,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С использованием , технологий вычислительного эксперимента разработаны схемы решения трех основных проектных задач АСВП с ГО баллонетного типа.

1. Разработана схема расчета ДРК СВП с учетом взаимодействия ДРК с элементами аэродинамической компоновки. Разработанная схема решения верифицирована по результатам натурных испытаний.

Решение по разработанной схеме позволяет определить вклад элементов компоновки в результирующую аэрогидродинамических сшт с учетом работающего движительного комплекса и может быть использовано при модернизации аэрогидродинамической компоновки.

С применением- разработанной схемы получены нестационарные аэродинамические нагрузки на лопасти винта, которые могут быть использованы при прочностном, частотном, усталостном анализе. Проведен частотный анализ, показавший наличие резонанса при работе маршевых винтов. Проведенный комплекс работ позволил снизить величину периодических нагрузок и избежать резонансных частот. В результате прекращена серия аварий; вызванных разрушением лопастей маршевого винта.

Схема расчета внедрена в проектирование и использовалась для отработки ДРК пр.А8, А32, А48. В настоящее время схема расчета используется для отработки аэрогидродинамической компоновки пр.А25.

2. Разработана схема расчета задач по определению расходно-напорных характеристик нагнетательного комплекса АСВП.

Результаты, полученные по разработанной схеме, верифицированы по результатам вычислительных экспериментов.

Решение по разработанной схеме позволяет определить как нагрузки для ' прочностного анализа элементов нагнетательного комплекса так и влияние элементов на изменение его раеходно-напорной характеристики и может использоваться для модернизации нагнетательного комплекса АСВП.

Схема расчета внедрена в проектирование и использовалась для модернизации воздушного тракта нагнетательного комплекса пр.А32, доработки нагнетательного комплекса пр.А48 и модернизации нагнетательного комплекса пр.А8.

3. Разработана схема расчета аэрогидродинамических характеристик несущего комплекса АСВП с ГО баллонетного типа с учетом деформированной формы скег. Решена задача о поиске деформированной под действием внутренних и внешних избыточных давлений формы скег по теории идеальной нити. С использованием решения, полученного по разработанной схеме, исследованы форма свободной поверхности, поля скоростей и давлений воздуха и воды в зоне действия ВП и глиссирующих баллонетов.

Полученные результаты позволяют определить влияние формы подушки в плане, геометрии баллонетов, чисел Эйлера и Фруда на гидродинамическое сопротивление АСВП, подъемную силу и сопротивление баллонетов, их смоченную поверхность, структуру истечения воздуха из ВП, распределение давлений по длине и ширине ВП, а так же на баллонетах.

Схема расчета внедрена в проектирование АСВП с ГО баллонетного типа. По результатам серии вычислительных экспериментов, проведенных по разработанной схеме решения, даны рекомендации по изменению геометрии гибких ограждений, заклинке баллонетов и схемы интерцепторов. Рекомендации реализованы на АСВП пр.А5, А8, А32, А48 и позволили повысить их ходовые качества.

4 По разработанным схемам проведен ряд вычислительных экспериментов, ориентированных на совершенствование аэрогидродинамических компоновок АСВП с ГО баллонетного типа. Исследованы составляющие тяги на маршевом винте и кольцевом насадке при различных скоростях движения, взаимодействие маршевых винтов, влияние переднего выдува из ВП на сопротивление АСВП, влияние заклинки скег на аэрогидродинамическое качество. Полученные результаты и разработанные схемы расчета могут быть использованы при проектировании перспективных АСВП.

1. Сборник: Судостроительная промышленность, JL: сер. ПС, вып.7, с.3-7, 1988.

2. Сборник Промышленная аэродинамика. М.:вып.32, 1975.

3. Соломахова Т.С., Чебышева ' К.В. Центробежные вентиляторы. Справочник. М. Машиностроение, 1980.

4. Брусиловский И.В. Аэродинамические схемы и характеристики осевых вентиляторов ЦАГИ. М.:Недра, 1978.

5. Калинушкин М.П. Вентиляторные установки. М.:Высшая школа, 1967.

6. Войткунский Я.И., Фаддеев Ю.И., Федяевский К К. Гидромеханика. Я. Судостроение, 1982.

7. Кличко В.В. Гидроаэродинамика несущего комплекса АСВП и методы достижения заданных характеристик поддержания, остойчивости, ходкости и мореходности этих судов. Автореферат. 2010.

8. Бенуа Ю.Ю. и др. Основы теории судов на воздушной подушке. Л.: Судостроение, 1970.

9. Колызаев Б.А., Косоруков А.И., Литвиненко В.А., Справочник по проектированию судов с динамическими принципами поддержания. Л.: Судостроение, 1980.

10. Гарин Э. Н. Конструкция корпуса судов на воздушной подушке. Л.:ЛКИ, 1979.

11. Смирнов С.А. Суда на воздушной подушке скегового типа. Л. Судостроение, 1983.

12. Злобин Г.П., Смигельский С.П. Суда на подводных крыльях и воздушной подушке. Л.Судостроение, 1976.

13. Войткунский Я.И. Справочник по теории корабля. Том 3. Л. .Судостроение, 1985.

14. Л.А Эпштейн Методы теории размерностей и подобия в задачах гидромеханики судов Л.: Судостроение 1970.

15. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. М.:Мир, 1991.

16. Пейре Р., Тейлор Т. Вычислительные методы в задачах механики жидкости. Л.: Гидрометеоиздат, 1986.

17. Белов И. А., Исаев С. А., Коробков В. А. Задачи и методы расчета отрывных течений несжимаемой жидкости. Л. Судостроение, 1989.

18. Быстров Ю. А., Исаев С. А., Кудрявцев Н. А., Леонтьев А. И. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб. СПб.Судостроение, 2005.

19. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Течения и теплообмен в каналах и вращающихся полостях. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2010.

20. ANSYS CFX Tutorial Reference. ANSYS Inc., 2006.

21. ANSYS ICEM CFD Tutorial Reference. ANSYS Inc., 2005.

22. ANSYS Advantage № 1-14, CadFem, 2005.

23. Ветчинкин В.П., Поляхов Н.Н Теория и расчет воздушного гребного винта. М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1940.

24. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. М.: Наука, 1984.

25. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.:Наука, 1987.

26. S.V. Patankar. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere Publishing Corp., 1980.

27. Rhie, C.M. and Chow, W.L. A Numerical Study of the Turbulent Flow Past an Isolated Airfoil with Trailing Edge Separation, AIAA Paper 82-0998, 1982

28. S. Majumdar. Role of Underrelaxation in Momentum Interpolation for Calculation of Flow with Nonstaggered Grids", Numerical Heat Transfer 13:125132.

29. Harlow F.H., Welch J.E. Numerical study of large amplitude free surface motion. Phys. Fluids, 1966, 9, p.

30. Воеводин B.B., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления. Санкт-Петербург: BHV-Санкт-Петербург, 2004.

31. Н.Дж. Вуд, Дж.Н. Нилсен. Применеие профилей с управляемой циркуляцией в винтокрылых аппаратах. Journal of Aircraft, 1986, № 12. с.47-59

32. Р.Дж. Энглар, Г.Г. Хьюсон. Разработка профилей, обладающих большой подъемной силой, для крыльев перспективных самолетов КВП с системой управления циркуляцией. Journal of Aircraft, 1984, № 7. с.35-45

33. Бень Е. Модели и любительские суда на воздушной подушке. JI. Судостроение, 1983.

34. Царев Б.А. Оптимизационное проектирование скоростных судов. Л.:ЛКИ, 1988.

35. Давыдов В.В., Маттес Н.В. Динамические расчеты прочностных судовых конструкций. JT.: Судостроение, 1974.

36. МагулаВ.Э. Судовые эластичные конструкции. Л.Судостроение, 1978.

37. Yun L. Bliault A. Theory and Design of Air Cushion Craft. John Wiley & Sons Inc., New York, 2000.

38. Nikseresht A.H., Alishahi M.M., Emdad E. Complete flow field computation around an ACV (air-cushion vehicle) using 3D VOF with Lagrangian propagation in computational domain. Computers and Structures 86 (2008)

39. Ferziger J. H., Peric M. Computional mathods for fluid dynamics. Berlyn, Springer, 2002.

40. Barth T. Numerical methods for conservation law on structured and unstructured meshes. NASA, California, 2003.

41. Chung T. J. Computational fluid dynamics. Cambridge University Press, 2002.

42. Pozrikidis C. Fluid Dynamics. Theory, computation and numerical simulation. Kluwer, 2001.

43. Самарский A.A. Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики. М.: Наука, 1992.

44. Reuther J., Jameson A., Farmer J., Martinelli L., Saunders D. Aerodinamix shape optimization of complex,aircraft configurations. Universities Space Research Association, 1996.

45. Станкова E. H., Затевахин M. А. Многосеточные методы. Введение в стандартные методы. Институт высокопроизводительных вычислений и информационных систем, 2003.

46. Кудинов П. И. Сравнительное тестирование моделей турбулентности. Днепропетровский национальный университет, 2004.

47. Корнилов В. И. Пространственные пристенные тубулентные течения. Новосибирск:Наука, 2000.

48. Bloomer J.J. Practical fluid mechanics for engineering applications. M.Dekker, 2000)

49. Кличко B.B., Семионичева Е.Я., Колосова E.A. Численные методы определения параметров формы гибких ограждений амфибийных судов на воздушной подушке. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова №6. СПб., 2009.

50. Лобачев М.П., Овчинников * Н.А., Пустошный А.В. Численное моделирование работы гребного винта в неоднородном потоке. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова №6. СПб., 2009.

51. Кличко В.В., Семионичева Е.Я., Колосова Е.А. Разработка автоматизированной системы проектирования несущего комплекса СВП Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова №2. СПб., 2009.

52. Войткунский Я.И. Сопротивление движению судов. JI.: Судостроение, 1988.

53. Ушаков К.А. Бушель А.Р. Устранение неустойчивости работы осевых вентиляторов с помощью сепараторов. Сборник: Промышленная аэродинамика, Л.: Оборониз., 1962.

54. Горлин С.М., Слезингер И И Аэромеханические измерения. Методы и приборы. М.:Наука, 1964.

55. Короткин И.М. Аварии судов на воздушной подушке и подводных крыльях. JI.: Судостроение, 1981.

56. Меркин Д.Р. Ведение в механику гибкой нити. М.: Наука, 1980.

57. Гулин A.B., Самарский A.A. Численные методы. М.: Наука, 1989. „

58. Публикации по теме диссертации

59. Статьи, входящие в перечень изданий, утвержденных ВАК

60. П.С. Кальясов А.К. Любимов. Математическое моделирование аэродинамики подъемного комплекса судна на воздушной подушке. Вестник Нижегородского университета им. Н.И.Лобачевского. 2008. №2. С. 122-127.

61. П.С. Кальясов, А.В.Туманин, В.В.Шабаров, А.К.Якимов. Математическое моделирование несущего комплекса судов на воздушной подушке (СВП). Морской вестник, СПб, 2011. №1. С.104-107.

62. Статьи в журналах и сборниках, труды и тезисы докладов научныхконференций

63. П.С. Кальясов. Математическое моделирование взаимодействия работы маршевого винта с элементами аэродинамической компоновки судна на воздушной подушке. Труды математического центра Н.И.Лобачевского, Т.36. Казань, 2007г. С. 87-88.

64. П.С. Кальясов. Математическое моделирование аэродинамики подъемного комплекса судна на воздушной подушке. Тезисы. Конференция молодых ученых. Татинец 2008г. С. 156.

65. П.С. Кальясов. Математическое моделирование аэродинамики подъемного комплекса судна на воздушной подушке. Труды математического центра Н.И.Лобачевского, Т.37. Казань, 2008г. С. 112-113.