научная статья по теме ОПТИМИЗАЦИЯ СУДОВЫХ ОБВОДОВ: НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ОПТИМИЗАЦИЯ СУДОВЫХ ОБВОДОВ: НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ»

фраструктурной независимости и самодостаточности.

Возвращаясь к новому доку, отметим, что это первый, после более чем двадцатилетнего перерыва, объект такого класса не только в России, но и в мире. Все это время ведущие морские державы более или менее активно использовали ранее созданную инфраструктуру. Многие верфи, специализировавшиеся на до-костроении, в этот период перешли исключительно на их ремонт и обслуживание. В настоящее время вопросам обновления водной инфраструктуры вновь стало уделяться по-

вышенное внимание. Во-первых, старая база изношена и требует замены, во-вторых, существующие доки устарели не только физически, но и морально и, в-третьих, началось освоение Арктики и Северного морского пути, возвращен в состав России Крым... Новые доки становятся для страны жизненно необходимы, также как и плавучие причалы, дебаркадеры, плавмастерские и др.

В заключение отметим, что в настоящее время ОАО «Судоремонт-но-судостроительная корпорация» является единственным предприятием в России, которое владеет технологией

и способно строить стальные и композитные плавучие доки, железобетонные причалы для крупных морских и речных судов, дебаркадеры. Оно также является базовым предприятием Военно-Морского Флота по строительству причалов. Основы технологии композитного и металлического судостроения, заложенные более 70 лет назад, продолжают развиваться и дополняться на верфи применительно к сегодняшним условиям и на основе последних достижений кораблестроительной науки. Нижегородские корабелы готовы к решению новых задач.

ОПТИМИЗАЦИЯ СУДОВЫХ ОБВОДОВ: НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

Б. Н. Станков, А. В. Печенюк (Digital Marine Technology, Одесса/ООО «Цифровые Морские Технологии», Санкт-Петербург, www.digitalmarine.net)

УДК 629.5.024

Основные экономические показатели судна в значительной мере определяются эффективностью его пропульсивного комплекса. Существуют различные показатели эффективности, использующиеся в разных задачах. Для транспортных судов удобно сравнивать нагрузку главных двигателей по мощности или затраты топлива на тонну водоизмещения при постоянной скорости.

Эффективность при движении на тихой воде зависит от буксировочного сопротивления, характеристик движителей и взаимодействия между корпусом и движителями. Движители обычно подбирают к уже спроектированной форме корпуса. Выбор их характеристик в рамках существующих методик позволяет обеспечить максимально возможный КПД для заданного корпуса.

Если считать обводы судна заданными, повышение эффективности выше обычного уровня может достигаться за счет применения дополнительных энергосберегающих устройств, которые улучшают характеристики движителей в свободной воде или взаимодействие, что сопровождается повышением про-пульсивного коэффициента. Примерами таких устройств являются: направляющие насадки, контрпропел-

леры различного типа, спрямляющие поток крылья и преднасадки, пропульсивные наделки на рули и т. д. Влияние подобных устройств на расход топлива обычно ограничено 5—10%. Многие из них сложны в изготовлении и уязвимы в эксплуатации. С другой стороны, эти устройства компактны, их нетрудно установить при модернизации судна. Затраты на топливо обычно составляют основную статью эксплуатационных расходов, поэтому энергосберегающие устройства применяются достаточно часто, особенно на крупных судах.

Обводы корпуса в составе про-пульсивного комплекса, да и всего гидродинамического комплекса судна играют роль фундамента, ключевого элемента. Снижение сопротивления корпуса непосредственно конвертируется в экономию энергии и топлива.Однако вопросы проектирования и совершенствования обводов обобщены и формализованы гораздо слабее, чем связанные с движителями. Как правило, выбор обводов осуществляется на базе противоречивой комбинации инженерного опыта, научных знаний и критериев, которые можно отнести к искусству. На практике довольно сложно оценить оптимальность обво-

дов и резервы снижения сопротивления, доступные за счет их перепроектирования, а тем более — модернизации обводов существующего судна при наличии ограничений на объем и конфигурацию изменений.

Для подобных оценок могут быть применены экспериментальные и численные методы. Экспериментальный подход остается наиболее надежным, но для отдельных судов требует слишком больших затрат времени и средств. В ответственных случаях с его помощью сравнивают несколько заранее подготовленных вариантов корпуса, чего, конечно, не достаточно для выводов об оптимальности обводов. Более системно можно использовать результаты серийных испытаний и статистические данные, накопленные в архивах опытовых бассейнов. Однако по разным причинам эти данные пригодны, как правило, для обоснования соотношений главных измерений и основных характеристик формы корпуса на ранних этапах проекта, но не для детального проектирования судовой поверхности.

Для проектирования обводов на твердых научных принципах разрабатывались теоретические методы. Одно из первых исследований об оптимальных обводах было выполнено Н. Е. Жуковским. В различных постановках эту задачу рассматривали Т. Хавелок, Г. Вейнблюм, Г. Е. Павленко, Л. Н. Сретенский, В. Г. Сизов, Т. Инуи и многие другие. Хотя были получены важные результаты, найти решения, пригодные для широкого практического применения, не удалось — прежде всего из-за не решенной до конца проблемы сопротивления.

ГРАЖДАНСКОЕ СУДОСТРОЕНИЕ

СУДОСТРОЕНИЕ 3'2015

В последние годы в задачах моделирования движения судна и отработки обводов все интенсивнее применяются численные методы. Специалисты Digital Marine Technology с 2004 г. с помощью программного комплекса FlowVision выполнили численные исследования более чем для 50 проектов новых или модернизируемых судов разного типа и назначения (например, [1, 2]), а также решили ряд исследовательских задач (например, [3]). Опыт показывает, что численные исследования, в сравнении с экспериментальными, имеют преимущества по срокам и стоимости. Благодаря этому, а также легкости модификации виртуальных 3D-моделей, число одновременно рассматриваемых вариантов в задачах оптимизации можно существенно увеличить. Богатые возможности визуализации потока также очень полезны для поиска эффективных решений (рис. 1). Но принципы использования численных методов пока остаются близкими к экспериментальным — отработка обводов проводится фактически методом проб и ошибок.

В данной статье авторы предлагают ознакомиться с новым методом оптимизации судовых обводов, ориентированным на эффективное использование численного моделирования, а также с некоторыми из полученных с его помощью результатов, которые полностью подтверждены специальными экспериментами в опытовом бассейне.

Концепция метода основана на фундаментальных теоретических исследованиях профессора В. Г. Сизова в области формы судов наименьшего полного сопротивления. Основные результаты исследований и их анализ с современных позиций представлены в [4].

Метод оптимизации обводов. Оптимизация обводов судна может

рассматриваться в различных постановках. Термин «судно» объединяет объекты с разнообразными характеристиками формы и быстроходности, поэтому даже основные критерии оптимизации могут быть разными. Если рассматривать водоизмещаю-щие суда малой и средней быстроходности, обоснованным критерием качества обводов представляется отношение сопротивления корпуса к водоизмещению R/V при фиксированной относительной скорости Fr.

Задача выбора главных разме-рений и их соотношений вынесена за рамки метода, соответствующие величины считаются уже заданными. Это оправдано наличием большого числа методик и рекомендаций по их обоснованию, а также соответствует проектной практике, где эти величины во многом определяются требованиями, не связанными с ходкостью.

При указанных условиях модификация обводов приводит в основном к изменению волнового сопротивления. Сопротивление трения зависит от площади смоченной поверхности и относительной скорости, которые практически не меняются. Сопротивление формы зависит от изменений обводов гораздо слабее, чем волновое. Кроме отдельных случаев, например, связанных с проявлениями мощного отрывного течения в корме, влиянием сопротивления формы в задачах оптимизации вполне можно пренебречь.

Физическая сторона оптимизации формы корпуса по волновому сопротивлению хорошо иллюстрируется известной формулой Т. Хаве-лока, связывающей волновое сопротивление судна с параметрами волны на большом удалении за ним:

1 п/2

Rw = - npv2 j (А(0)2 + ß(9)2)cos39d9,

2 -(п/2)

где 8 — угол между направлениями движения объекта и распространения волны; р — плотность жидкости; V — скорость движения объекта; А(8) и В(8) — функции спектра свободных волн, соответствующие особенностям объекта.

Из этой формулы видно, что волновое сопротивление определяется произведением квадрата амплитуды волны на косинус угла между направлением ее распространения и направлением движения судна в кубе. Как известно, особенности образования корабельных волн таковы, что формируется всего два типа волн: поперечные и расходящиеся, интерференция которых дает общий волновой рельеф на удалении за судном. Интенсивное влияние угла 8 означает, что наиболее эффективный путь снижения волнового сопротивления состоит в ослаблении поперечных волн.

Несмотря на прозрачность этих выводов, воспользоваться ими для нахождения формы корпуса с минимальным волновым сопротивлением непросто, так как теоретическая взаимосвязь между параметрами обводов и волн на удалении за судном в общем случае неизвестна (проблема сопротивления). На практике доступно лишь определение сопротивления заданного корпуса с помощью экспериментального или численного моделирования.

Расширенные возможности численного моделирования в подобных случаях позволяют находить оптимум на основе анализа некоторого числа прямых расчетов, в которых варьируются требуемые параметры геометрии. Примером может служить оптимизация положения элементов механизированного крыла самолета [5]. Система из крыла, предкрылка и закрылка хорошо поддается формализации — варьируемыми параметрами являются толь-

Рис. 1. Примеры

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»