Диссертация (Повышение ходкости и тягово-скоростных свойств глиссирующих амфибийных машин малого класса), страница 10

Рекомендуемое значение ω0 = 0…2o;- lc и φ0 не оказывают влияния на характеристики подвески при движении посуше. С их увеличением ΔlУДЭ и Δφ уменьшаются.6. Представлена компоновка и изложен принцип работы повышающеговодоходные свойства амфибии дополнительного оборудования, в состав котороговходят носовой откидной (выдвижной) щит, носовые и кормовые воздушныерезервуары или управляемые транцевые плиты.7.

Предложена структурная схема и описан принцип работы КЭУ дляГАММК, расширяющей функциональные возможности амфибии.66ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВГЛИССИРУЮЩИХ АМФИБИЙНЫХ МАШИН МАЛОГО КЛАССА3.1. Теория определения сопротивления движению глиссирующего объектаХодкость глиссирующего объекта в значительной степени определяетсяформой его корпуса.

Эталонными для ГАММК являются корпуса быстроходныхмалых судов, гидродинамическое качество которых заведомо лучше, чем уГАММК ввиду наличия у последних колесных ниш и выступающих элементовходовой части. Для определения гидродинамического качества моделей ГАММК сразличными корпусными обводами и составом дополнительного оборудованиявоспользуемся основными положениями теории движения глиссирующегонадводного объекта, изложенными в [9] и [38].Условие установившегося (равномерного) поступательного движениясамоходного надводного объекта выражается следующим образом:е = б ,(3.1)где Pe – полезная тяга, развиваемая движителями, кН,Rб – величина полного (буксировочного) сопротивления, кН.Следовательно, при проектировании движителей самоходного надводногообъекта необходимо знать силу сопротивления воды его движению.

Принятосчитать,чтосуммарноегидродинамическоесопротивлениедвижениюамфибийных машин Rб, кН, представляется в виде суммы трех составляющих:б = тр + вих + вол ,(3.2)где Rтр – сопротивление трения, обусловленное вязкостью воды, кН,Rвих – вихревое сопротивление формы корпуса и ходовой части машины, кН,Rвол – волновое сопротивление из-за перераспределения давлений, кН.67Подробное описание составляющих сил сопротивления при движении поводе глиссирующего объекта представлено в [9].

Величина полного сопротивлениядвижению может быть представлена в следующем виде:в2б = ,2(3.3)где ρ = 1000 кг/м3 – плотность воды,Ω – площадь смоченной поверхности, м2,ζ – безразмерный коэффициент полного сопротивления воды.Определить аналитически значения коэффициента ζ и площади смоченнойповерхности Ω представляется крайне трудоемкой задачей ввиду сложногохарактера распределения гидростатических и гидродинамических сил придвижении амфибии по воде.

Величину сил сопротивления движению надводныхобъектов в зависимости от скорости движения определяют экспериментально.Для правильной постановки опытов и обобщения их результатов приисследовании различных моделей ГАММК необходимо соблюдать динамическоеподобие по силам вязкого трения и тяжести.

Число Фруда FrD характеризуетотношение сил инерции к силам тяжести и рассчитывается по формуле (1.2).Условие перехода надводного объекта на режим глиссирования имеет вид:3 в > 3√√ .Сравнитьэффектглиссирования,(3.4)обеспечиваемыйконструктивнымиособенностями различных моделей ГАММК, можем по относительному критериюгидродинамического качества kг или по его обратной величине ε:г =,б(3.5)б(3.6).Чем ниже обратное качество ε, тем меньшая мощность требуется для=преодоления переходного режима надводному объекту.68Такимобразом,получиввходепроведенияэкспериментальныхисследований серии моделей ГАММК с различной конструктивной конфигурациейбуксировочные характеристики Rб = f(vв) и изменение дифферента θ = f(vв), можемперестроить эти графики в относительных величинах, т.е.

ε = f(FrD) и θ = f(FrD). Пополученным данным определим зависимость буксировочной мощности отскорости движения Nб = f(vв) и удельной по массе буксировочной мощности отчисла Фруда Nбуд = f(FrD). Наличие этих зависимостей для ГАММК с различнымиобводами корпусов и дополнительным оборудованием позволит нам в первомприближении определять ходкость машин на этапе их проектирования.3.2.

Формирование расчетной моделиПроведемвычислительныйэкспериментпосредствомпрограммногокомплекса для решения задачи по определению гидродинамических свойствразличных моделей ГАММК. В условиях ограниченности материальных ресурсовосновным преимуществом компьютерного моделирования является возможностьпостановки экспериментов над объектами, натурное моделирование которыхпредполагаетсозданиесерииобразцовииспользованиедорогостоящейинфраструктуры. В нашем случае, производится имитация испытательныхбассейнов для натурных моделей корпусов надводных объектов.

Компьютерноемоделирование также позволяет измерять любые параметры в любой точкерасчетной области. Главным недостатком компьютерного моделирования являетсязатратность по вычислительным ресурсам и времени проведения.В основу решателя программного комплекса положены уравнениявычислительнойгидродинамики,характеризующиепотоковыепроцессы:уравнения неразрывности, состояния, Навье-Стокса и Эйлера, а также законысохранения импульса и энергии.

С учетом особенностей решаемой задачи общиеуравнения могут быть дополнены частными зависимостями, учитывающимитурбулентность, перенос веществ, многофазность и т.д.69Для конкретной задачи с учетом ее особенностей составляется системанелинейных дифференциальных уравнений, решение которой осуществляетсяпосредством методов дискретизации. Общая методология проведения численногоэксперимента представлена на Рисунке 3.1.Рисунок 3.1 – Общая методология проведения численного экспериментаГеометрия исследуемого объекта задается трехмерной твердотельноймоделью, построенной в CAD-системе (computer added design), включающейповерхности, формирующие внешние обводы объекта (ГАММК), а также границыподвижной и неподвижной части расчетной области. Рассматриваемая задачасимметрична относительно диаметральной плоскости машины, поэтому в целяхэкономии вычислительных ресурсов моделируется движение половины объекта врасчетной области, усеченной соответствующей плоскостью.Проведем подготовку расчетной модели (препроцессинг).

Формированиерасчетной сетки (Рисунок 3.2) происходит в три стадии.70Рисунок 3.2 – Сформированная расчетная сеткаНа первом этапе осуществляется предварительное разбиение поверхностиимпортируемой модели на ячейки треугольной формы (триангуляция) и созданиеповерхностной сетки.

Затем формируется объемная сетка. Для дискретизациирасчетной области используется призматическая сетка с усечением ячеек награницах. Для повышения качества воспроизведения процессов непосредственнонаграницеобъектасосредойиспользуетсядополнительнаямодельпризматических слоев. Завершающим этапом является задание взаимосвязиподвижной и неподвижной сеток по модели накладывающейся сетки.На следующем шаге зададим структуру физической модели исходя изрешаемой задачи. В нашем случае, физическая модель формируется из следующихподмоделей:«трехмерная»,«нестационарнаянеявная»,«Эйлеровамногофазность», «объем жидкости VOF», «турбулентный поток», «k-omega модельтурбулентности», «волны VOF», «сила тяжести» и некоторых других.

Затем71осуществим параметрический синтез физической модели: зададим Эйлеровы фазы,тип и скорость потока, положение свободной поверхности относительно моделиГАММК, степени свободы и инерционные характеристики (масса и расположениецентра масс, моменты инерции) исследуемого объекта.Перейдем к определению граничных условий. Для этого зададим типыграниц для каждого из объектов расчетной среды: модели ГАММК («стенка»),плоскости входа («скорость на входе»), плоскости симметрии («плоскостьсимметрии»), а также подвижной («накладывающаяся сетка») и неподвижной(«давление на выходе») областей расчета.Следующим этапом препроцессинга является выбор параметров настройкирешателя – шага по времени и числа внутренних итераций.

При определенииданных параметров нужно обеспечить сходимость и необходимую точностьрешения задачи.В заключении формирования расчетной модели определим переченьрегистрируемых выходных параметров. В результате проведения компьютерногомоделирования ходкости ГАММК получим зависимости от скорости движения vв,км/ч, следующих величин:- сопротивления движению Rб, Н;- дифферента θ, о.Также проанализируем графические эпюры зависящих от скорости движенияvв, км/ч, параметров, перечисленных ниже:- давлений на поверхности корпуса pк, Па;- скоростей фаз расчетной среды vф, м/с;- свободной поверхности.Изображения объемной сетки в подвижной области и приграничном слое, атакже параметры расчетной модели, задаваемые на этапе препроцессинга,представлены в Приложении Д.После проведения препроцессинга производим инициализацию решения изапуск процесса итеративного расчета.72На последнем этапе (постпроцессинг) необходимо обработать выходныеданные.

Для каждой испытуемой модели построим графики зависимостибуксировочной мощности от скорости движения Nб = f(vв). Также приведемабсолютные функции Rб = f(vв) и θ = f(vв) к относительному виду: ε = f(FrD),θ = f(FrD) и Nбуд = f(FrD). Сравним данные показатели для моделей с различнымикорпусными обводами и дополнительным оборудованием, а затем сделаем выводыо влиянии последних на ходкость ГАММК.3.3. Описание исследуемых моделейПрисвоим каждой модели номер от «0» до «5» в порядке проведенияэксперимента. Для проверки адекватности и точности сформированной численноймодели используем сравнение результатов компьютерного моделирования сданными натурного эксперимента. Модель «0» соответствует типовому корпусубыстроходного катера малого класса с глиссирующими обводами. Теоретическиечертежи при посадке на ровный киль, конфигурация и массогабаритныехарактеристики всех исследуемых моделей ГАММК, а также графики зависимостиизменения обратного качества и дифферента от числа Фруда для корпуса модели«0», полученные в ходе натурного эксперимента [106], приведены в ПриложенииД.

На чертежах изображены системы координат, ватерлинии, а также положенияцентров тяжести и величины.Применимвисследуемыхмоделяхследующиехарактерныедлябыстроходных надводных объектов типы корпусных обводов: моногедрон (корпусс постоянным углом килеватости днища от транца до миделя 10-17о), обводы малойкилеватости (корпус с постоянным углом килеватости днища от транца до миделядо 10о) и тримаран (корпус с основным килем и двумя боковыми спонсонами).Более подробное описание типов обводов корпусов быстроходных малых судов, атакже их преимуществ и недостатков приведено в работе [9].73Рассмотрим влияние дополнительного оборудования на гидродинамическиесвойства ГАММК, включающего в себя следующие элементы: носовой воздушныйрезервуар, носовой откидной (или выдвижной) щит, кормовые воздушныерезервуары, кормовые транцевые плиты.Корпусные обводы модели «0» имеют тип «моногедрон».Модель «1» построена на обводах малой килеватости и не оснащена какимлибо дополнительным оборудованием.Модель «2» имеет обводы малой килеватости и отличается от модели «1»более коротким передним свесом, измененной формой колесных ниш передней осии входа водовода, добавлением дополнительного оборудования в виде носовогооткидного щита, а также носовых и кормовых воздушных резервуаров,изолирующих колеса от водной поверхности.Корпус модели «3» имеет обводы, построенные на основе «моногедрона»эталонного номера «0».