The main regularities of hydrodynamic effect caused by natural marine conditions on the underwater objects
Authors: Гурьев Ю.В. , Слуцкая М.З. 
Published: June 2020

Обеспечение управляемости морских объектов серьезно усложняется при их движении в сложных условиях морского волнения, ветра и других. Для подводных объектов важным фактором, влияющим на их движение, является существенная пространственно-временная неоднородность натурных гидрофизических полей плотности и скорости, а также внутренние волны, возникающие на границах резкого изменения плотности морской воды (пикноклина). Для проектирования и безопасного маневрирования в таких условиях необходимо знание основных закономерностей их воздействия на гидродинамику этих объектов. Использование натурного и модельного физического эксперимента для решения этой проблемы затрудняется ограниченными возможностями моделирования натурных условий, проблемой измерения нестационарных сил и моментов, а также наличием масштабного эффекта по критерию Рейнольдса. Наиболее эффективным способом решения задачи является применение методов вычислительной гидродинамики и компьютерных технологий. В статье излагаются результаты вычислительного эксперимента, проведенного на основе разработанных авторами физико-математической модели и численного метода прогнозирования силового воздействия морской среды на подводные объекты. Допущение о потенциальном характере течения согласуется с современными моделями как поверхностных, так и внутренних волн, и позволяет создать единую потенциальную гидродинамическую модель обтекания подводного объекта неоднородным потоком. При этом производится косвенный учет влияния вязкости на распределение давлений на корпусе путем введения специальной вихревой системы. В качестве модели внутренней волны используется модифицированная авторами двухслойная потенциальная модель Сретенского Л.Н. На основе анализа вычислительного эксперимента сформулирован ряд новых закономерностей такого воздействия, в частности, получены качественные и количественные зависимости гидродинамических сил от параметров пикноклина и внутренней волны, кораблестроительных характеристик объекта и ряда других. Предложенный программный продукт и выявленные закономерности могут быть использованы в практике проектирования подводных объектов, эксплуатируемых в условиях пространственно-временной неоднородности гидрофизических полей Океана и при создании тренажеров-имитаторов динамики морских объектов.

Ensuring the controllability of marine objects is made much more difficult when they move in complex conditions of sea waves, wind and so forth. For underwater objects an important factor affecting their movement is a substantial spatio-temporal heterogeneity of natural hydrophysical fields of density and velocity, as well as internal waves that appear at the borderlines of a rapid change of sea water density (pycnocline). For designing and safe manoeuvring in such conditions it is necessary to know the main regularities of their effect on the hydrodynamics of these objects. Using a natural and model physical experiment to solve this problem is made harder by the limited capabilities of natural conditions modeling, the problem of measurement of unsteady forces and moments, as well as existence of a scale effect according to Reynolds criterion. The most efficient method to solve this task is application of methods of computational fluid dynamics and computer technology. The article presents the results of a computing experiment, which was conducted on the basis of a physico-mathematical model and numerical method for predicting a force impact of marine environment on the underwater objects. An assumption about a potential nature of the current is in agreement with the modern models of surface and internal waves, and this allows to create a unified potential hydrodynamical model of heterogeneity stream flowing around an underwater object. At the same time we make a indirect accounting for the effect of viscosity on pressure distribution on the hull by introducing a special vortex system. As a model for a internal wave we use a two layer potential model by L.N. Sretensky, modified by the authors. On the basis of analysis of the computing experiment several new regularities of such effect were formulated, in particular, as the result of experiment were obtained qualitative and quantitative relationships of hydrodynamic forces with pycnocline parameters and internal wave, shipbuilding characteristics of the object and some others. The proposed software product and the revealed regularities can be used in the practice of designing underwater objects operated in the conditions of spatio-temporal heterogeneity of the hydrophysical fields of the Ocean and in creating simulators for the dynamics of marine objects.