Экспериментальное обоснование возможности эффективного применения воздушной каверны на скоростных катамаранах

УДК 629.12.011:532.5.013.12

С.С. Метелица

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ КАВЕРНЫ НА СКОРОСТНЫХ КАТАМАРАНАХ

Показан один из путей значительного снижения волнового сопротивления движению скоростного судна. Выявлены наиболее существенные факторы, влияющие на величину сопротивления движению судов на воздушной каверне (СВК). Показаны результаты решения экспериментальной задачи по нахождению оптимальной величины расхода воздуха Q для создания воздушной каверны на днище скоростных многокорпусных судов.

Кавитационные течения, воздушная каверна, волновое сопротивление, продольная профилировка днища

S.S. Metelitsa

EXPERIMENTAL DATA FOR THE POSSIBILITY OF EFFECTIVE APPLICATION OF AIR CAVITIES IN JET POWERED CATAMARANS

The paper shows one of the ways to significant slowdown of the wave-pattern resistance for jet powered vessels. The author reveals the most significant factors affecting the magnitude of wave impedance for the air-cushion vessels The paper provides the results of experimental data relating the optimum air consumption value Q for creating the air cavity at the bottom of the jet powered multi-hulled vessel.

Cavitating flow, air cavity, wave drug, bottom lengthwise profiling Введение

Быстроходные суда (суда на подводных крыльях - СПК, глиссеры, суда с малой площадью ватерлинии, суда на воздушной подушке - СВП, экранопланы) - важный показатель мирового технического прогресса. В условиях стремительно развивающихся технологий сокращение времени морских перевозок является одной из важнейших задач современного судостроения. Все водоизмещающие суда имеют ограничение по скорости. Это объясняется тем, что, начиная с определенного значения числа Фруда FrD, сопротивление воды, доминирующей составляющей которого является волновое сопротивление, растет настолько интенсивно, что эксплуатация судна с экономической точки зрения становится совершенно невыгодной: для того, чтобы получить малое приращение скорости, требуется значительное увеличение мощности двигателя. Способом повышения скорости водоизмещающих судов длительное время являлось улучшение формы их обводов (например, использование бульбов в носовой оконечности, уменьшение угла входа носовых ватерлиний), а также совершенствование энергетической установки. Кардинального снижения сопротивления удалось достичь за счет гидроаэродинамической разгрузки, приводящей к выходу либо всего корпуса, либо его части из воды. Разгрузка достигается за счет использования подводных крыльев (СПК), воздушной подушки (СВП), воздушных крыльев (экранопланы) и глиссирования корпуса (глиссирующие суда). Перечисленные выше суда получили общее название - суда с динамическими принципами поддержания (далее по тексту СДПП). Вследствие выхода корпуса СДПП из воды уменьшаются волновое сопротивление и сопротивление трения. При этом волновое сопротивление в крейсерском режиме практически исчезает. При выходе на крейсерский режим волновое сопротивление может быть существенным и определяющим для выбора энергетической установки скоростного судна.

Одним из перспективных направлений создания высокоскоростных судов, позволяющим добиться существенного снижения сопротивления воды движению, является применение воздушной каверны [1].

Наличие на днище судна воздушной прослойки, подчиняющейся закономерностям развитой кавитации, т. е. искусственной каверны, позволяет изолировать от трения о воду его участок, покрытый каверной, что приводит к снижению сопротивления трению [2]. Для снижения полного сопро-

тивления судна необходимо создать на его днище такую каверну, которая обеспечила бы снижение составляющей трения, существенно превышающее вызываемое наличием каверны возможное увеличение остаточного сопротивления.

В течение продолжительного периода времени работы по применению воздушной каверны на днище проводились исключительно с однокорпусными судами [3]. Многочисленные эксперименты и создание опытных образцов скоростных судов подтвердили эффективность применения воздушных каверн для снижения гидродинамического сопротивления. Так, для глиссирующих катеров со скоростями хода удалось достичь 30 %-го снижения величины гидродинамического сопротивления. С учетом работы нагнетателей для поддержания избыточного давления в каверне это позволяет снизить значение мощности силовой установки до 12 % [4].

Постановка задачи

Применение воздушной каверны на высокоскоростных катамаранах открывает перспективу снижения гидродинамического сопротивления за счет не только сопротивления трению, но и уменьшения волнового сопротивления вследствие благоприятной интерференции волновых систем корпусов катамарана.

Вследствие этого перед началом проведения модельного эксперимента были сформулированы следующие основные задачи:

1. Принципиальная возможность эффективного использования искусственной каверны на судах с большим удлинением корпуса L/B.

2. Влияние величины горизонтального клиренса c на величину гидродинамического сопротивления.

3. Влияние статической нагрузки и положения центра тяжести по длине на величину гидродинамического сопротивления.

Из многочисленных исследований [5] известно, что каверна имеет предельную длину, пропорциональную скорости.

Методика проведения модельного эксперимента

Модельные испытания рассматриваемых буксируемых моделей проводились в опытном бассейне ОАО «ЦКБ по СПК им. Алексеева». Опытный бассейн имеет следующие характеристики:

Максимальная скорость буксировочной тележки может достигать 11 м/с.

Одной из особенностей бассейна является наличие специального автоматизированного измерительного комплекса, обеспечивающего измерения параметров движения моделей с воздушной каверной на днище в условиях спокойной и взволнованной поверхности воды, изучение колебательных процессов на неустановившихся режимах движения и физических явлений, происходящих в воздушной каверне, и т.п. В состав автоматизированного измерительного комплекса входят датчики замеров регистрируемых параметров, первичные преобразователи, устанавливаемые на моделях и буксировочной тележке, а также автоматизированная система измерений «МОДЕРН», состоящая из блока автоматики «КАМАК» и компьютера со встроенной платой согласования, расположенной на пульте управления.

Система выполнена на базе современной вычислительной компьютерной техники и новых отечественных технологий с последующим применением достижений математических продуктов. При этом используется пакет прикладных программ MultiPet, работающих в операционной системе Windows при использовании драйверов: wsg1d; wsg32d; hPool; hFlood; Grader собственной разработки, а также пакетов стандартных программ Microsoft Excel, Microsoft Word и Corel.

Система позволяет одновременно по 16 каналам проводить измерения, сбор, регистрацию параметров модельных испытаний в реальном масштабе времени, их длительное хранение, экспресс-обработку с построением графических зависимостей параметров, замеряемых в ходе эксперимента, а также выполнять окончательную обработку результатов и получение машинописного текста.

Во время испытаний также проводилось визуальное наблюдение за колебательными процессами и брызгообразованием, происходящими при движении модели, с использованием видеосистемы, созданной на базе виброустойчивой видеокамеры, и установленного на буксировочной тележке видеоконтрольного устройства.

длина, L ширина, В глубина, T

74,5 м; 4,0 м; 0,7-0,9 м;

Технологическая последовательность проведения экспериментальных работ в опытном бассейне по отработке гидродинамических компоновок многокорпусных судов с воздушной каверной на днище состояла из следующих основных этапов:

• Разработка теоретических и рабочих чертежей буксируемой модели с воздушной каверной на днище и ее изготовление

Основной задачей на данном этапе является правильный выбор водоизмещающего судна, близкого по своим характеристикам к требованиям технического задания на проект, и возможно более рационального размещения камеры для воздушной каверны.

• Наладочные испытания буксируемой модели на спокойной воде.

Кроме проведения стандартных калибровок основных параметров движения модели, на данной стадии испытаний определяется один из главных элементов судна с воздушной каверной на днище -расход воздуха, идущего на создание воздушной каверны. Для этого на предполагаемой расчетной скорости движения модели V исследуется в широком диапазоне количество расходуемого воздуха и оценивается его влияние на величину сопротивления: момент, когда количество расходуемого воздуха не оказывает влияния на величину сопротивления, является началом зоны автомодельности, а количество расходуемого воздуха Q - оптимальным, рекомендуемым для использования на проектируемом судне. При этом количество воздуха рассчитывается по формуле

Qhat = m5/2 х Q,

где

Q = 3600 p D 2Л/РТ, м3/ч,

где m - масштаб модели; Q - расход воздуха, м3/ч;

• Основная программа испытаний буксируемой модели

Задачей данного этапа является определение гидродинамических характеристик: сопротивления, угла ходового дифферента, всплытия в зависимости от скорости движения, а также исследования всех колебательных процессов, мореходности, качки, устойчивости глиссирования. Важной составляющей этой части испытаний является оценка смоченной поверхности судна на различных режимах движения, функционирование воздушной каверны. Установленные на своде камеры воздушной каверны и по бортам модели контактные датчики измерительного комплекса с достаточной степенью точности определяют границы смоченной поверхности. При этом смоченная поверхность свода камеры воздушной каверны по своему физическому состоянию разделяется на три зоны [6]:

I зона - собственно воздушная каверна, где свод камеры находится в воздухе.

«Основная зона, обеспечивающая эффективность воздушной каверны за счет уменьшения смоченной поверхности и, как следствие, существенного снижения сопротивления трения».

II зона - зона пульсации воздушно-водяной эмульсии.

«Резервная зона, обеспечивающая пусть незначительную, но дополнительную, порой крайне необходимую, скорость».

III зона - зона смоченной поверхности, где днище находится в контакте с водой.

Программа испытаний

Испытания проводились с буксируемой моделью катамарана, оборудованного воздушной каверной. Проекция «Корпус» теоретического чертежа изолированного корпуса буксируемой модели представлена на рис. 1.

Буксируемая модель изолированного корпуса имела следующие основные характеристики: Длина по ватерлинии, ЬКВЛ 2,76 м

Ширина, B 0,276 м

Коэффициент полноты КВЛ, а 0,472

Предварительным этапом испытаний было нахождение величины оптимального расхода воздуха, при котором не происходит дальнейшего снижения сопротивления. В данном случае оптимальным оказался расход, равный Q = 12,4 м3/ч.

Основной задачей было выявление зависимости величины гидродинамического сопротивления от горизонтального клиренса. Предварительно был определен оптимальный расход воздуха для создания каверны. Такая процедура была проведена при одном значении поперечного клиренса. Программа испытаний представлена в табл. 1.

Рис. 1. Проекция «Корпус» буксируемой модели изолированного корпуса катамарана, оборудованного воздушной каверной

Таблица 1

Программа испытаний

Условия испытаний Сб Хд, % V, м/с с Номер рисунка

Определение влияния поперечного клиренса 0,51

1,40 40,3 1-5 0,57 2, 3, 4, 5

0,65

В данном случае Св - коэффициент, учитывающий статическую нагрузку, вычисляется по формуле

Св =

в в3

где V- объемное водоизмещение, м3; В - ширина наибольшая, м.

Горизонтальный клиренс с был выражен в безразмерном виде

- 2 Вг

с =

Во

где ВК - ширина изолированного корпуса, м; В0 - общая ширина катамарана, м.

Завершающим этапом испытаний были сравнительные испытания катамарана, оборудованного воздушной каверной, и высокоскоростного катамарана с обводами, спроектированными для переходного режима. Значения коэффициентов статической нагрузки Св, горизонтального клиренса с и положение центра тяжести были идентичны и равнялись Св = 1,40, = 40,3%, с =0,57.

Результаты испытаний

Результаты проведенных испытаний позволили ответить на основные вопросы, которые стояли перед началом исследования о возможности создания эффективной каверны для корпусов с большим удлинением и влиянии горизонтального клиренса на изменение гидродинамического сопротивления и связанных с этим физических процессов.

С взаимодействием корпусов связаны ряд наиболее интересных особенностей гидродинамики катамаранов. Результаты выполненных исследований позволяют установить основные факторы взаимовлияния корпусов быстроходных катамаранов, дать его количественную оценку и практические рекомендации по выбору формы обводов корпусов, величины горизонтального клиренса, оценке сопротивления движению.

Физической основой взаимовлияния корпусов катамарана является изменение поля давлений и скоростей в окружающей корпуса жидкости по сравнению с полем одиночного корпуса.

Для катамаранов с воздушной каверной, так же как и для глиссирующих катамаранов, в первом поддиапазоне переходных чисел Фруда (FrD = 0,9-2,1) соответствует интенсивный рост угла дифферента при практическом отсутствии всплытия миделевого сечения, во втором поддиапазоне (FrD = 2,1-3,0) начинается подъем из воды миделевого сечения и уменьшение общей смоченной площади корпуса при замедленном дальнейшем росте угла ходового дифферента. В указанных переходных поддиапазонах, характеризуемых тем или другим изменением посадки катамарана, влияние горизонтального клиренса на посадку и сопротивление движению катамаранов имеет свои особенности, причем оно принципиально различается при соответствующих числах Фруда.

Общим принципом, определяющим характер влияния горизонтального клиренса, является стимулирование процессов, связанных с развитием режима глиссирования, при уменьшении клиренса ввиду увеличения давлений в окружающей корпуса жидкости. В первом поддиапазоне чисел Фруда (FrD = 0,92,1), в котором волновое сопротивление глиссирующего катамарана достигает максимальных значений, имеет место наиболее сильное влияние клиренса. Во втором поддиапазоне (FrD = 2,1-3,0) эффект влияния клиренса несколько снижается, хотя и продолжает иметь достаточно выраженный характер.

Основным же выводом стало доказательство эффективного применения воздушной каверны на судах с большими удлинениями корпусов LIB, какими являются катамараны. Так, при скорости хода FrD = 1,5 выигрыш в сопротивлении по сравнению со своим «традиционным» аналогом составил 5 = 12,9%, на скорости FrD = 2,0 - 5 = 18,8%, а при FrD = 2,5 - 5 = 24,8%.

Результаты испытаний графически приведены на рис. 2-5.

R/D

0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

c=0,63

• c=0,57

- c=0,51

FrD

Рис. 2. Зависимость обратного гидродинамического качества (R/D) от скорости (FrD) при различных значениях относительного горизонтального клиренса c

-40 -45 -50 -55 -60 -65 -70 -75

0,

FrD

Тм, мм

c=0,63

c=0,57

c=0,51

Рис. 3. Зависимость осадки на миделе (Т„) от скорости (Рго) при различных значениях относительного горизонтального клиренса с

Q, м2

1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50

c=0,63

• c=0,57

- c=0,51

FrD

Рис. 4. Зависимость площади смоченной поверхности (Q„) от скорости (Fro) при различных значениях относительного горизонтального клиренса c

R/D

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50

модель-глиссер

модель-СВК

FrD

Рис. 5. Сравнительный график гидродинамического сопротивления для высокоскоростного катамарана и катамарана, оборудованного воздушной каверной

Заключение

Проведенные испытания позволили ответить на вопрос о возможности эффективного применения искусственной каверны для снижения гидродинамического сопротивления катамаранов, эксплуатируемых в переходном режиме движения в диапазоне скоростей хода FrD = 1,0^3,0.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бутузов А. А. Об искусственном кавитационном течении за тонким клином, помещенным на нижнюю поверхность горизонтальной стенки // Известия АН СССР. МЖГ. 1967. № 2.

2. Бутузов А.А. Применение искусственной каверны для снижения гидродинамического сопротивления глиссирующего судна // Вопросы судостроения. Сер. Проектирование судов. Л., 1975. Вып. 8. С. 3-19.

3. Бутузов А. А., Сверчков А.В., Чалов С.А. Некоторые результаты исследований по выбору эффективной профилировки днища полуглиссирующих и глиссирующих судов с газовыми кавернами II Тезисы докладов XII науч.-техн. конф. по проектированию скоростных судов, посвященной 80-летию со дня рождения Р.Е. Алексеева. Н. Новгород, 1996.

4. Гидродинамика и проектирование судов на воздушной каверне I В.М. Пашин, А.Н. Иванов,

B.Г. Калюжный и др. II Нева - 2001: 6-я Междунар. конф. по судостроению, судоходству, оборудованию морских платформ и обеспечивающих их работу плавстредств, морская техника для освоения океана и шельфа. СПб., 2001. С. 127-129.

5. Быстроходные суда на воздушной каверне I А. А. Бутузов, А.В. Сверчков, А.В. Пустошный,

C.А. Чалов II Проблемы мореходных качеств судов корабельной гидродинамики: тез. докл. науч.-техн. конф. (39 Крыловские чтения). СПб., 1999. С. 126-127.

6. Сверчков А.В., Чалов С.А. Применение искусственных каверн для снижения гидродинамического сопротивления быстроходных судов II Нева99: сб. тез. Пятой Междунар. конф. по судостроению и судоходству, деятельности портов и освоению океана и шельфа. СПб., 1999. С. 52-53.

Метелица Сергей Сергеевич - Sergei S. Metelitsa -

аспирант Нижегородского государственного Postgraduate,

технического университета им. Р.Е. Алексеева Nizhny Novgorod State Technical University

Статья поступила в редакцию 15.12.15, принята к опубликованию 10.06.16