Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Теория корабля

Диссертационная работа:

Яковлев Алексей Юрьевич. Создание системы расчетных методов для проектирования новых типов движительных комплексов современных судов : диссертация ... доктора технических наук : 05.08.01 / Яковлев Алексей Юрьевич; [Место защиты: ФГУП "ГНЦ "Центральный научно-исследовательский институт""]. - Санкт-Петербург, 2008. - 315 с. : 31 ил.

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 5

ВВЕДЕНИЕ 9

ГЛАВА 1 ДВИЖИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ: АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

И СПОСОБЫ ИХ РЕШЕНИЯ 12

1.1 Развитие теории движительных комплексов 12

1.2 Актуальные проблемы проектирования поворотных колонок 16

1.3 Проблемы применения соосных ГВ в рамках новой концепции -

CRPOD 24

1.4 Проблемы разработки движителей с насадками в зависимости от

области их применения 27

1.5 Создание комплекса расчетных методов для исследования и
проектирования современных движителей 31

1.6 Структура диссертации и основные положения, выносимые на

защиту 43

ГЛАВА 2 МЕТОДЫ ГРАНИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ - ОСНОВНОЙ

ИНСТРУМЕНТ РАСЧЕТА ДВИЖИТЕЛЕЙ 46

2.1 История и основные направления развития методов расчета

невязкой жидкости 46

2.2 Основные положения новых методов граничных элементов 67

2.3 Новый подход к разработке методов граничных элементов

высокого порядка 68

2.4 Применение нового метода для решения «плоских задач» 88

2.5 метод граничных элементов для осесимметричных тел - новая

интерпретация ИЗВЕСТНОГО ПОДХОДА 92

-3-
ГЛАВА 3 ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕСКОЛЬКИХ
ЛОПАСТНЫХ СИСТЕМ И ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ИМ НЕСТАЦИОНАРНЫЕ
ЭФФЕКТЫ
3

3.1 История и современное состояние проблемы

3.2 Теоретическое исследование пульсаций сил и моментов на
взаимодействующих ЛС

3.3 Метод расчета нестационарного взаимодействия ЛС

3.4 Исследование взаимодействия ЛС и возникающих при этом нестаци

ОНАРНЬГХ ЭФФЕКТОВ

ГЛАВА 4 МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ ВИХРЕВЫХ
ПЕЛЕН ЗА ЛОПАСТЯМИ ЛС
138

4.1 История и современное состояние проблемы 138

4.2 Нелинейный метод расчета формы вихревых пелен и особенностей
поведения псв за гв 152

4.3 Разработка упрощенных моделей вихревых пелен 166

4.4 Экспериментальные исследования формы концевых вихрей в составе
движительных комплексов 175

ГЛАВА 5 МЕТОДЫ РАСЧЕТА ДВИЖИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ НА
НЕПРОЕКТНЫХ РЕЖИМАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
184

5.1 Состояние проблемы и обоснование используемых принципов

расчета 184

5.2 Основные принципы расчета вязких эффектов, возникающих при

работе движителей на непроектных режимах эксплуатации 189

5.3 Метод расчета сил на ГВ, работающем на непроектном режиме в

скошенном потоке 203

5.4 Метод расчета сил действующих на поворотной колонке без учета

работы ГВ 211

5.5 Метод расчета силовых характеристик поворотной электрической

колонки в широком диапазоне режимов работы 214

ГЛАВА 6 РАЗРАБОТКА И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ

ПОВЕРОЧНОГО РАСЧЕТА ДВИЖИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ 217

6.1МЕТОДЫ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ПОВОРОТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛОНОК... 217

6.2МЕТОД РАСЧЕТА И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖИТЕЛЕЙ С ГВ

ПРОТИВОПОЛОЖНОГО ВРАЩЕНИЯ 224

6.3ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ДВИЖИТЕЛЕЙ В НАСАДКЕ 242

6.4ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ГВ НА РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ 256

ГЛАВА 7 ПРОЕКТИРОВОЧНЬШ РАСЧЕТ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ

ДВИЖИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ 262

7.1 методика проектирования движительньіх комплексов 262

7.2 Выбор базовых геометрических характеристик движителей в насадке. 267

7.3 Метод прямой оптимизации для проектирования лопастных систем

ДВИЖИТЕЛЬНЫХ комплексов 278

7.4 Оптимизация водозаборников судовых движителей 284

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 293

ЛИТЕРАТУРА 300

Список сокращений и условных обозначений

ГВ РК

пнлс знлс пев

RANS-метод

ЛДА PIV

Сокращения

Гребной винт

Рабочее колесо

Лопастная система

Передняя неподвижная ЛС

Задняя неподвижная ЛС

Пелена свободных вихрей

Метод численного решения уравнений Навье-Стокса, осредненных по

Рейнольдсу

Лазерный доплеровский анемометр

Измерение скорости на основе изображений частиц

R=D/2 Z

Ае/Ао

г - R

Условные обозначения

Геометрические характеристики гребного винта и лопастных систем Диаметр ГВ или ЛС [м] Радиус ГВ или ЛС [м] Число лопастей Дисковое отношение Безразмерный радиус цилиндрического сечения лопасти ГВ

Длина хорды профиля цилиндрического сечения лопасти ГВ (в

зависимости от радиуса)

Максимальная толщина профиля цилиндрического сечения лопасти ГВ

(в зависимости от радиуса)

Максимальная кривизна профиля цилиндрического сечения лопасти ГВ

(в зависимости от радиуса)

Шаг цилиндрического сечения лопасти ГВ (в зависимости от радиуса)

ф Шаговый угол цилиндрического сечения лопасти ГВ

Характеристики режима работы ГВ или ЛС

V Скорость потока [м/с]

п Число оборотов ГВ или РК в секунду

2=2яп Угловая скорость вращения

V Относительная поступь ГВ
nD

vj/ Угол поворота оси ГВ по отношению к потоку

о Число кавитации

w Коэффициент попутного потока

t Коэффициент засасывания

wx Продольная составляющая вызванной скорости

wx Тангенциальная составляющая вызванной скорости

Pi Угол индуктивной поступи

Q Расход жидкости через канал движительного комплекса в насадке [м3/с]

Характеристики профилей и их обтекания

5 Максимальная толщина, отнесенная к длине хорды профиля

5с Максимальная стрелка прогиба, отнесенная к длине хорды профиля

С Длина хорды профиля

4 Координата, отсчитываемая вдоль хорды профиля в направлении носика

г| Координата, направленная по нормали к хорде профиля, таким образом,

что система координат 0п, связанная с профилем, является правой

а Угол атаки

Сх Коэффициент сопротивления

Су Коэффициент подъемной силы

Cn Коэффициент нормальной силы

е Коэффициент обратного качества

Геометрические характеристики движительных комплексов

L Длина насадки

а Коэффициент раствора насадки

Р Коэффициент расширения насадки

е Относительная толщина крыла

L Размах крыла

Индексы F и А Обозначают переднюю (F) или заднюю (А) ЛС

Силовые характеристики движителей Упор ГВ или РК Суммарный упор на движителе Крутящий момент

коэффициент упора ГВ или РК коэффициент момента ГВ или РК

коэффициент упора движителя в насадке

Коэффициенты продольной и поперечных сил на ГВ, полученные отнесением компонент сил в декартовой системе координат к pn2D4

Kmy, Kmz Коэффициенты поперечных составляющих момента на ГВ, полученные

отнесением компонент момента в декартовой системе координат к pn2D5

ц КПД движителя или ГВ

Ст Коэффициент нагрузки по упору

Стр Коэффициент нагрузки по упору для ГВ движительного комплекса

Стт Коэффициент нагрузки по упору для движительного комплекса в целом

-8-Общефизические и гидродинамические величины

t Время

р Плотность жидкости

Re Число Рейнольдса (в каждом конкретном случае особо указывается по

каким величинам оно определяется)
Ф Потенциал скорости

Г Циркуляция скорости (особо указывается - циркуляция вокруг какого

профиля или сечения крыла)
ґі Завихренность в потоке жидкости

к Вихревой потенциал

Vn, VT Нормальные и касательные компоненты скорости

Ср Коэффициент давления

q Интенсивность гидродинамических источников

"* Интенсивность вихревых особенностей

Нормаль к поверхности

Rppo Расстояние между точками Р и Ро

g Метрический тензор

Sr Вихревая поверхность

Системы координат
Oxyz Декартова система координат

Охгб Цилиндрическая система координат (для ГВ, насадок и

осесимметричных тел ось Ох направлена вдоль их оси симметрии)
0п 2-х мерная ортогональная система координат, связанная с профилем (см.

описание координат % и ц)
O^Qt]
Криволинейная система координат, связанная с поверхностью тела при

расчете его обтекания ВЕМ-методом

Введение к работе:

Актуальность темы

Разнообразие требований, предъявляемых в последние годы к движителям кораблей и судов различных классов, привело к тому, что наряду с совершенствованием традиционных гребных винтов (ГВ), началось бурное развитее новых типов движителей, таких как поворотные колонки и водометы. Этому немало способствовало появление поворотных колонок с электромотором, размещенным внутри гондолы, что позволило снять ограничения по мощности, присущие давно известным поворотным колонкам с Z-образной передачей, и выдвинуло поворотные колонки в разряд весьма перспективных главных движителей, например для пассажирских и ледокольных судов. Появление таких колонок сделало возможным создание мощных соосных движительных комплексов «ГВ на валу плюс поворотная колонка, расположенная соосно за ГВ» (CRPOD), которые особенно перспективны для высокоскоростных крупнотоннажных транспортных судов, где переработка потребной мощности на валу одним ГВ становится проблематичной.

Своим путем развивались водометные движители, которые прочно заняли место как основные движители скоростных судов. Выделился особый класс водометов «Pump-Jet», представляющих собой двойную лопастную соосную систему, включающую подвижную и неподвижную части, помещенные в удлиненную насадку. Сейчас делаются попытки объединения такого водомета с поворотной колонкой.

Применение указанных новых типов движителей для судов и кораблей различных классов позволяет решить многие задачи повышения экономичности, маневренности судов и их виброакустических качеств. Обеспечить современный уровень проектирования этих движителей невозможно без создания соответствующей теории, математических моделей движителей и методов их расчета. Таким образом, возникла проблема ускоренной разработки методологии компьютерного проектирования сложных движительных комплексов.

Все перечисленные выше движители в принятой МКОБ международной терминологии носят название «движительные комплексы с пассивными и активными элементами». Их проектирование, расчет эксплуатационных характеристик, обеспечение надежности связано с решением целого ряда комплексных гидродинамических задач. Особая сложность в данном случае связана с тем, что в состав движителя входят несколько взаимодействующих между собой элементов. В результате, для решения этих задач требуется создание специального теоретического аппарата и разработка библиотеки компьютерных программ. Разработке таких методов и программ посвящена настоящая работа.

Цель работы

Целью настоящей работы является решение проблемы создания методологии компьютерного проектирования сложных движительных комплексов современных кораблей и судов, путем разработки методов гидродинамического расчета и создания реализующей эти методы библиотеки взаимосвязанных вычислительных программ.

Методы исследования

В работе сочетаются теоретические, численные и экспериментальные методы исследования. Теоретические методы разрабатывались в тех случаях, когда приходилось сталкиваться с абсолютно новыми, не исследованными ранее, проблемами, или если применение известных методов оказывалось не рациональным для решаемых задач. С помощью теоретических разработок были созданы расчетные методы и реализующие их компьютерные программы. Экспериментальные методы использованы для верификации компьютерных методов. При этом эксперименты проводились на моделях реальных объектов, что позволило максимально приблизить работу к решению практических задач.

Научная новизна

  1. Разработан новый метод расчета циркуляционного обтекания тел на основе решения граничного интегрального уравнения Фредгольма 2-го рода. Данный метод отличается от известных аналогов тем, что он 1) основан на методе Галеркина, а не на методе коллокации, 2) является методом высокого порядка, то есть использует более точную билинейную и бикубическую аппроксимацию искомых функций, 3) в процессе расчета использует реальную геометрию тела, без каких либо ее аппроксимаций.

  2. Разработан метод расчета обтекания осесимметричных тел неоднородным и нестационарным потоком, использующий разложение искомых интенсивностей особенностей в ряды Фурье по угловой координате и времени.

  3. Установлен и теоретически обоснован факт возникновения пульсаций сил на специфических частотах при гидродинамическом взаимодействии пары гребных винтов в неоднородном потоке. Эти пульсации не характерны для одиночных ГВ или соосных ГВ в однородном потоке и ранее не были теоретически обоснованы. Разработан метод расчета амплитуд этих пульсаций. С его помощью выявлены зависимости амплитуд и частот пульсаций от неоднородности потока и взаимного расположения гребных винтов.

  4. Создан метод расчета формы вихревых пелен за лопастями ГВ, позволяющий учитывать сложные нелинейные эффекты их развития и в частности моделировать сворачивание этих пелен в вихревые жгуты.

  5. Для анализа работы ГВ в сильно скошенном потоке, в условиях работы в составе поворотной колонки и для расчета характеристик этой колонки применен полуэмпирический расчетный метод. На основе этого метода

проведено исследование особенностей работы ГВ и поворотной колонки на режимах существенно отличающихся от проектного.

  1. Разработаны методы поверочного расчета многокомпонентного движительного комплекса с насадкой и метод прямой оптимизации для проектирования лопастных систем таких движителей.

  2. Выявлена и исследована несимметрия силовых характеристик движительного комплекса CRPOD от угла поворота колонки. Обнаружено возникновение неустойчивости вихревых пелен за лопастями переднего ГВ и явление деформации этих пелен при взаимодействии со стойкой и крылом.

Практическая ценность

Практическое значение диссертационной работы состоит в создании системы расчетных методов, находящих непосредственное применение при проектировании сложных движительных комплексов. Применение разработанных методов позволяет без существенных материальных и временных затрат оценить пропульсивные, реверсивные, виброакустические характеристики судов, оснащенных движительными комплексами. Важное значение имеют методы оптимизации характеристик движителей, что позволяет использовать систему расчетных методов не только как инструмент оценки тех или иных характеристик, но и как средство непосредственного проектирования, в результате применения которого определяются геометрические параметры движителя.

Реализация результатов работы на практике

Методы поверочного и проектировочного расчета движителей в насадке разрабатывались и совершенствовались в рамках работ по темам A-VII-214, A-VII-265, A-VIII-370. Результатом этих работ явилась методика РД5ИМЯН.080-2008, которая используется при проектировании движителей данного типа с целью выбора оптимальной геометрии лопастных систем. Кроме того, разработанные методы позволяют оптимизировать форму насадки и обеспечивать выполнение прочностных и виброакустических требований. Также с использованием разработанных методов, осуществляется оптимизация формы водозаборников движителей различных проектов. Примером служит успешно прошедший ходовые испытания катер проекта «Буян».

Непосредственную практическую реализацию при выполнении контрактов с ABB Оу, в рамках научного обеспечения экспорта ГВ предприятиями России, нашли следующие результаты данной работы:

Метод расчета нагрузок на ГВ и поворотной колонке при произвольных режимах работы движителя,

Метод расчета и результаты проведенных исследований переменных сил на взаимодействующих ГВ

Метод расчета вихревых пелен и поля скорости в следе за ГВ.

В рамках этих работ, с использованием указанных методов проводились расчетные оценки характеристик движителя при реверсировании, оценки прочности лопастей ГВ поворотной колонки и переменных сил, действующих на движителе. Такие оценки выполнены, в частности, для крупнейших в мире пассажирских судов проектов "Challenger" и "Genesis", а также более десятка других судов. Расчетные оценки сил действующих на элементах поворотных колонок были использованы при выработке рекомендаций Российского регистра.

Результаты, полученные в рамках исследования соосных ГВ, нашли применение при проектировании первого в мире комплекса CRPOD быстроходного судна Ro-Ro, построенного фирмой Мицубиси. Гребные винты этого комплекса были изготовлены в России.

Представленные в работе исследования были поддержаны грантом Президента РФ для молодых кандидатов наук № МК-2675.2004.8 и грантом РФФИ №07-08-00745.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на всероссийских научно-технических конференциях «Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики. Крыловские чтения» в 1997, 2001, 2003 и 2006 годах (ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, С.-Петербург), на 2-й конференции молодых ученых и специалистов по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ-ЮНИОР 2002» (С.-Петербург, 2002), на научно-технической конференции «Кораблестроительное образование и наука - 2005» (СПбГМТУ, С.-Петербург, 2005), на международных научных конференциях по механике «Поляховские чтения» (СПбГУ, С.-Петербург) в 2003 и 2006 годах, на научно-технической конференции, посвященной 95-летию со дня рождения А. Н. Патрашева (ВМИИ, С.-Петербург, 2005), на XXXV и XXXVI Уральских семинарах (УрО РАН, Миасс, 2005 и 2006), на всероссийском семинаре, посвященном 90-летию со дня рождения С. В. Валландера (СПбГУ, С.-Петербург, 2008), на международных конференциях: «Второй международной конференции по судостроению ISC98» (С.-Петербург, Россия, 1998), «Военно-морской флот и судостроение в современных условиях NSN'2001», NSN'2003 и NSN'2007 (С.-Петербург, Россия, 2001, 2003 и 2007), «Международной конференции по судостроению ISC2002» (С.-Петербург, Россия, 2002), «Первой международной конференции по технологическим достижениям в области поворотных колонок T-POD» (Ньюкасл, Великобритания, 2004), «8-й международной конференции по скоростным морским перевозкам FAST2005» (С.-Петербург, Россия, 2005).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 31 работа: 23 статьи и 8 тезисов докладов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, списка сокращений и условных обозначений, семи глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 299 страниц печатного текста, включает 144 рисунка и 399 литературных ссылок.

Подобные работы
Китаев Максим Владимирович
Обоснование типа и характеристик движительного комплекса в проектах модернизации судов с несколькими режимами движения
Каретников Владимир Владимирович
Разработка математического обеспечения для создания непрерывного дифференциального поля в автоматизированных системах управления движением судов на внутренних водных путях
Курочкин Евгений Анатольевич
Метод создания системы нормативно-технической документации по одобрению организаций по техническому обслуживанию и ремонту авиационной техники, гармонизированной с международными требованиями
Цветников Вадим Александрович
Разработка и исследование методов создания компьютерной системы интеллектуальной поддержки решения задач физической химии в объеме университетского курса
Зегжда Дмитрий Петрович
Принципы и методы создания защищенных систем обработки информации
Григорьев Александр Сергеевич
Разработка метода и создание системы полнотекстового поиска на основе статистической обработки ограниченного контекста слова
Тарабрин Владимир Федорович
Исследование акустических методов, создание мобильных систем и технологии технической диагностики железнодорожных рельсов
Звольский Леонид Станиславович
Метод формализованного создания систем промышленной автоматизации на основе виртуального моделирования
Терентьева Зинаида Сергеевна
Разработка организационно-экономических методов и моделей создания системы интегрированной логистической поддержки наукоемкой продукции на этапе эксплуатации
Лопатникова Вера Борисовна
Совершенствование гибридных абдуктивных методов для создания интеллектуальных систем поддержки принятия решений

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net