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:

Рогожина Екатерина Александровна. Инженерный метод расчета гидродинамических характеристик тел судовой формы с наделками на основе методов вычислительной гидромеханики : диссертация ... кандидата технических наук : 05.08.01 / Рогожина Екатерина Александровна; [Место защиты: ГОУВПО "Санкт-Петербургский государственный морской технический университет"].- Санкт-Петербург, 2010.- 147 с.: ил.

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ТЕЛ СУДОВОЙ ФОРМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ
РАЗВИТИЯ 11

1.1. Современные методы прогнозирования гидродинамических
характеристик морских подвижных объектов в интересах оценки их
мореходных качеств 11

  1. Экспериментальные 14

  2. Аналитические 20

  3. Численные 22

  1. Перспективы развития современных численных методов прогнозирования ГДХ 29

  2. Цели и задачи исследования 34

Выводы по главе 1 37

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ В
ЗАДАЧАХ ГИДРОДИНАМИКИ КОРАБЛЯ И ИХ ПРОГРАММНАЯ
РЕАЛИЗАЦИЯ 40

  1. Основные положения метода дискретных вихрей 40

  2. Характерные проблемы моделирования вихревых течений и возможные способы их разрешения 47

  3. Нелинейная вихревая модель расчета выступающих частей подводных аппаратов 54

  1. Общая математическая постановка задачи 54

  2. Поле скорости, индуцируемое вихревым отрезком 67

  1. Модификация численной схемы расчета пелены свободных вихрей -замена вихревой рамки эквивалентным вихревым зерном 69

  2. Условие непроникновения вихрей через поверхность обтекаемого тела 75

  1. Метод источников-стоков для расчета сил и моментов инерционной природы 77

  2. Численная реализация методов гидродинамических особенностей.. 85

  1. Расчетный комплекс WingSim 85

  2. К вопросу об эффективности распараллеливания вычислений решения СЛАУ 91

Выводы по главе 2 97

ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ДИСКРЕТНЬЕХ ВИХРЕЙ ДЛЯ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
РАЗЛИЧНЫХ ОБЪЕКТОВ
'. 99

3.1. Моделирование обтекания крыльевых элементов оперения ПА 99

  1. Исследование сил и моментов, действующих на крылья конечного размаха 99

  2. Сопоставление результатов моделирования обтекания крыла конечного размаха вихревыми рамками с результатами обтекания вязкой жидкости на расчетном комплексе Fluent 103

  3. Исследование сил и моментов, действующих на различные варианты изолированного оперения ПА с переложенными и непереложенными рулями 110

3.2. Применение метода замкнутых вихревых рамок для расчета
лобового сопротивления осесимметричных плохообтекаемых
тел
различной формы 121

3.2.1. Определение лобового сопротивления шара 122

3.2.2. Определение лобового сопротивления тел с фиксированной линией
отрыва 124

  1. Моделирование обтекания пластины при круговом изменении угла атаки 127

  2. Комбинированный подход при расчете гидродинамических характеристик оперения с учетом интерференции корпуса 132

  1. Исследование гидродинамических характеристик скега буксира.... 133

  2. Исследование гидродинамических характеристик кормового оперения ПА 138

3.5. Определение сил и моментов инерционной природы 140

  1. Расчет присоединенных масс и моментов инерции тел корабельной формы 140

  2. Расчет обобщенных присоединенных масс судна в условиях ограниченной акватории 142

Выводы по главе 3 145

ГЛАВА 4. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ДИНАМИКИ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕЗУЛЬТАТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ
РАССМАТРИВАЕМОЙ МЕТОДОЛОГИИ 148

  1. Анализ эксплуатационных качеств буксира, оснащенного кормовым скегом 148

  2. Оценка эффективности использования и пределов применимости носовых гидродинамических рулей на исследовательских ПА 167

Выводы по главе 4 177

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 179

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 181

Введение к работе:

Актуальность темы

Гидродинамические характеристики (ГДХ) являются основой для прогнозирования ходкости, мореходности и управляемости морских подвижных объектов (МПО). К сожалению, в настоящее время отсутствуют общепринятые расчетные методики оценки ГДХ. На сегодняшний день основным методом их определения остается модельный эксперимент, но его проведение связано с достаточно высокими затратами. Реальной альтернативой являются все более и более популярные в последнее время методы численного моделирования. Использование компьютерного моделирования на ранних стадиях проектирования позволяет проработать целый ряд конструктивных решений и выполнить, например, оценку эффективности органов управления и маневренных качеств. Таким образом, задача разработки и совершенствования надежных численных методов прогнозирования ГДХ определяет актуальность диссертационной работы.

Цель работы

Цель исследования состоит в разработке расчетного метода определения ГДХ тел судовой формы с крыльевыми наделками в возможно более общих случаях движения, т.е. при произвольных сочетаниях углов натекания потока и угловых скоростей вращения тела, который позволял бы простыми средствами учитывать основные особенности моделируемого течения, надежно определять интегральные ГДХ и был бы свободен от недостатков других подходов. При этом основные усилия сосредоточены на развитии и адаптации методов гидродинамических особенностей, в частности, метода дискретных вихрей, к возможности эффективного решения практических задач динамики корабля.

Методы исследований

Для решения поставленных задач в работе использованы методы граничных интегральных уравнений, методы гидродинамических особенностей (граничных элементов), относящиеся к группе бессеточных

методов, теория векторного поля, теория матриц, методы вычислительной гидродинамики, а также методы вычислительной геометрии, методы прикладного программирования и математического моделирования. Для верификации вычислительных методов использованы методы модельных экспериментов.

Научная новизна

  1. Полученные в диссертации результаты являются расширением области практического применения известного метода вихревых отрезков к телам судовой формы с наделками характерной конфигурации при наличии фиксированных и нефиксированных линий схода вихревой пелены в нестационарных случаях движения.

  2. Выполнена модификация схемы расчета свободного вихревого следа с целью повышения быстродействия и расширения возможностей используемого метода дискретных вихревых рамок для выполнения расчетов при круговом изменении углов натекания потока. С этой же целью разработан блочный способ решения системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) при численном моделировании обтекания групп тел.

  3. Показана возможность достоверной оценки ГДХ наделок в присутствии потенциально обтекаемого корпуса.

  4. Исследована возможность использования носовых гидродинамических рулей на исследовательских подводных аппаратах (ПА) и выполнена оценка их эффективности и пределов применимости.

  5. Проведен анализ эксплуатационных качеств буксира-эскорта, оснащенного таким элементом оперения, как скег, для которого характерными и немаловажными при проектировании являются режимы движения с умеренными и большими углами дрейфа. Указанные условия существенно отличаются от проектных для других типов судов и поэтому прогнозирование ГДХ в диапазоне больших углов дрейфа является

предметом специального исследования для этих судов, методика которого в настоящее время разработана недостаточно.

Практическое значение

К практическим результатам работы следует отнести разработанное автором программное обеспечение, которое может эффективно использоваться для определения ГДХ при проектировании. Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «СПМБМ „Малахит"» и ЗАО «Транзас Технологии», что подтверждено соответствующими актами.

Достоверность

Достоверность и обоснованность результатов обусловлена строгой математической постановкой рассматриваемых задач, используемых методов, а также подтверждается их сравнением с результатами других авторов и экспериментальными данными. Математическое моделирование исследуемых физических процессов проведено в рамках известных теорий и моделей.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции, посвященной проблемам эксплуатации вооружения, военной техники и подготовіси инженерных кадров ВМФ (ВМИИ, С.-Петербург, 2004), на 6-й международной конференции по морским интеллектуальным технологиям «Моринтех-2005» (С.-Петербург, 2005), на всероссийских научно-технических конференциях «Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики. Крыловские чтения» (ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, С.-Петербург) в 2006 и 2009 годах, на международной конференции «MARSIM'09» (Panama, 2009).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах, из них 4 статьи, 5 тезисов докладов и 1 научный отчет. В изданиях, рекомендованных в перечне ВАК РФ, опубликовано 3 статьи.

Краткое содержание работы

В первой главе на основе анализа литературных источников приводится обзор существующих подходов и методов определения ГДХ тел судовой формы, выполнена оценка их текущего состояния и перспектив развития. Кроме того, выполнен обзор методов исследования отрывных и вязких течений. Сформулированы цели и задачи диссертации.

Во второй главе рассматриваются общие положения и допущения, лежащие в основе вихревых методов моделирования отрывных течений, использующих лагранжево представление о движении жидкости, а также особенности численного моделирования вихревыми методами, возникающие при этом, характерные проблемы и способы их решения. Дана общая математическая постановка задачи, изложена нелинейная вихревая модель расчета сложных крыльевых систем, предложена модификация расчетной схемы, заключающаяся в описании вихревого следа в терминах распределенной завихренности, представлены основные математические выкладки. Приводится методика численной реализации условия непроникновения вихревых элементов через обтекаемую поверхность. Рассматривается численный метод расчета присоединенных масс тел произвольной формы в условиях невозмущенной свободной поверхности и твердых границ. Описаны детали программной реализации используемых методов в виде единого вычислительного алгоритма. Рассмотрена численная схема блочного решения СЛАУ, которая может быть эффективно распараллелена.

Третья глава посвящена исследованию стационарных ГДХ изолированных крыльев конечного размаха и крыльевых систем. С помощью разработанного расчетного комплекса выполнено численное моделирование обтекания различных вариантов изолированного кормового оперения ПА с переложенными и не переложенными рулями. Для оценки влияния вязкости на ГДХ с использованием расчетного комплекса Fluent выполнено численное моделирование обтекания крыла конечного размаха и

изолированного Х-образного оперения потоком вязкой жидкости. Исследована возможность применения метода замкнутых вихревых рамок для расчета сопротивления тел плохообтекаемой формы, имеющих как фиксированную, так и перемещающуюся линию отрыва, выполнено сравнение полученных коэффициентов сопротивления с известными экспериментальными данными. Здесь также изложены полученные с использованием предложенных модификаций расчетной схемы результаты численных расчетов ГДХ квадратной пластины при круговом изменении угла натекания и выполнено сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными. С учетом гидродинамического взаимодействия с корпусом судна произведена оценка ГДХ кормового скега буксира-эскорта и кормового оперения ПА с эллиптическим корпусом. Приведены результаты расчетов присоединенных масс и присоединенных моментов инерции различных объектов как в безграничной жидкости, так и в присутствии поверхности раздела и дна, выполнено сравнение с экспериментальными данными и результатами расчета других авторов.

В четвертой главе выполнено имитационное моделирование неустановившегося управляемого движения ПА с вариацией его ГД комплекса и оценка ( в сравнении с другими средствами управления) эффективности использования носовых гидродинамических рулей. Рассмотрены особенности движения буксира-эскорта в режимах косвенной буксировки и выполнен анализ эксплуатационных качеств буксиров.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

На защиту выносятся:

  1. Расчетный комплекс WingSim, предназначенный для моделирования как нестационарного вихревого, так и потенциального пространственного обтекания произвольных тел и крыльевых систем, обеспечивающий вычисление ГДХ.

  2. Модификация схемы расчета пелены свободных вихрей, сходящей с тел судовой формы и схема блочного решения характерных для

рассматриваемого класса задач СЛАУ, способствующие ощутимому повышению вычислительной эффективности рассматриваемого метода. 3. Результаты математического моделирования обтекания и расчета ГДХ крыльевых систем и тел судовой формы с наделками. Благодарности

Автор выражает искреннюю благодарность к.т.н., доценту Никущенко Д. В. за предоставление полезной информации по особенностям численного моделирования, плодотворные обсуждения различных деталей работы и ценные практические советы по реализации идей; д.т.н., профессору Васильевой В. В. за консультации по методам расчета волнового сопротивления; к.т.н. Соболеву П. К., к.т.н. Анкудинову В. К. за стимулирующие обсуждения результатов работы; научному руководителю к.т.н., профессору Потехину Ю. П. за руководство работой, многочисленные консультации, всестороннее содействие и бесконечное терпение.

/


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