научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ НОСОВОЙ ОКОНЕЧНОСТИ ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ НА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБТЕКАНИЯ КОРПУСА И ШУМНОСТЬ ГРЕБНОГО ВИНТА Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ НОСОВОЙ ОКОНЕЧНОСТИ ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ НА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБТЕКАНИЯ КОРПУСА И ШУМНОСТЬ ГРЕБНОГО ВИНТА»

СУДОСТРОЕНИЕ 6'1WV

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ НОСОВОЙ ОКОНЕЧНОСТИ ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ НА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБТЕКАНИЯ КОРПУСА И ШУМНОСТЬ ГРЕБНОГО ВИНТА

А. В. Жаринов, канд. техн. наук (ГосНИЦ ЦАГИ), В. Я. Вексляр,

Б. Ф. Дронов, канд. техн. наук (СПМБМ «Малахит»)

удк 629.5.015.2:629.5.024.3

Настоящая публикация посвящена памяти канд. техн. наук Людмилы Васильевны Калачевой, лауреата Ленинской премии в области науки и техники. На заре создания отечественного атомного подводного кораблестроения ею, совместно с работниками ГосНИЦ ЦАГИ докт. техн. наук К. К. Федяевским, канд. техн. наук И. Б. Федоровой и другими, были заложены основы комплексного научно обоснованного подхода при проектировании обводов подводных лодок (ПЛ), которые получили свое дальнейшее продолжение и развитие в исследованиях сотрудников ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова — докт. техн. наук А. И. Короткина, канд. техн. наук В. А. Тюшкевича и др. Сущность этого подхода базируется на систематизации зависимостей физической природы компонентов гидродинамических и акустических характеристик от архитектуры ПЛ в целом и формы отдельных ее элементов, определяющих кинематические параметры движения ПЛ и гидродинамические составляющие ее акустической скрытности.

Поиск оптимальных форм носовой оконечности остается актуальным и для ПЛ последующих поколений, что, в свою очередь, вызывает необходимость разработки рекомендаций по улучшению условий формирования тракта шумопеленгования с учетом основных особенностей работы гидроакустических систем при их компоновке в носовой оконечности ПЛ.

Предварительные конструктивные проработки одного из первых проектов ПЛ привели к необходимости выполнения сравнительного анализа гидродинамических характеристик ПЛ, по крайней мере, с тремя вариантами обводов носовой оконечности: традиционной оживальной формы (I); в виде сглаженного клина с плоскими боковыми стенками, напоминающей в некоторой степени штевневые обводы (II); формы с поперечными сечениями в виде эллипсов (III), являющейся определенным компромиссом между первой и второй (рис. 1). При сравнительной оценке трех форм носовой оконечности корпуса ПЛ в процессе анализа использовались результаты исследований ряда гидродинамических факторов: визуализацию структуры обтекания, распределение давления, параметры пограничного слоя, гидродинамические характеристики ПЛ (суммарные позиционные силы и моменты), определяющие устойчивость движения и управляемость, а также структуру поля скоростей перед гребным винтом (ГВ), которой, в основном, определяются периодические силы, передаваемые ГВ корпусу корабля, и уровень шумоиз-лучения движителя. Исследования проводились на основе испытаний модели ПЛ с вариантами съемных носовых частей в аэродинамической трубе, а также расчетов. В результате было получено полное комплексное представление о влиянии формы носовой оконечности на все компоненты гидро-

динамических характеристик, которые анализируются при конкретном проектировании, за исключением силы сопротивления, определяющей ходкость корабля. Программой испытаний модели ПЛ (С-105) в аэродинамической трубе предусматривались следующие этапы.

1. Определение структуры обтекания непосредственно носовой оконечности модели: визуализация обтекания с помощью метода шелковинок, а в ряде контрольных точек — измерение профилей скорости основного и вторичного течений, а также измерение распределения давления вдоль основных меридиональных сечений. Целью этих исследований было обнаружение локальных отрывных и вторичных течений, которые могут являться источником интенсивных пристеночных пульсаций давления. Параметры воздушного потока в пограничном слое измерялись пневмометрической трех-трубчатой насадкой, а пульсации скорости — термоанемометрической аппаратурой и однониточной проволочной термонасадкой. Распределение давления вдоль носовых оконечностей определялось экспериментально и расчетным путем [1]. Для проведения измерений носовые части модели были продренированы, а давление фиксировалось микроманометром ЦАГИ. Визуализация течения и измерения в пограничном слое выполнялись при углах атаки а = 0...±6о и углах дрейфа в = 0...±10о.

военное к0рабл1стр01ни1

СУДОСТРОЕНИЕ 6'1WV

Рис. 1. Теоретический чертеж модели ПЛ С-105 с тремя вариантами формы обводов носовой оконечности:

I — в виде эллипсоида вращения (оживальная форма); II — образованная эллиптическим цилиндром с вертикальными образующими в плоскости шпангоутов (штевневая форма обводов); III — с эллиптическими шпангоутами, образованными сочетанием бортового цилиндра с носовой полусферой

2. Измерение зависимостей позиционных гидродинамических характеристик — нормальной и боковой сил, продольного момента и момента дрейфа для полной модели и изолированного корпуса(без кормового оперения) — проводилось в диапазоне углов атаки а и дрейфа ß = 0...±16о на специальных аэродинамических весах АВТ-5. Присоединенные массы определялись расчетным путем [1].

3. Измерение неравномерности поля скоростей в диске гребного винта вдоль окружностей с относительными радиусами (относительно половины ширины корпуса) R = 0,238; 0,400; 0,657 выполнялось с шагом центрального угла 0 = 5o при углах

атаки а = 0 и 2о и дрейфа в = 0 и 2о. Измерение скорости в диске гребного винта выполнялось с помощью пнев-мометрической пятитрубчатой насадки ЦАГИ.

При испытаниях в аэродинамической трубе скорость потока составляла V^ = 40 м/с при числе Рей-нольдса Ке = (6,96...7,35) • подсчитанном по длине модели ПЛ, где диапазон чисел Рейнольдса обусловлен изменением длины модели из-за отличия в размерах вариантов носовых оконечностей.

Методика и результаты исследований. Результаты испытаний и расчетов позволили качественно и количественно оценить влияние изменения формы носовой оконечности по

ряду гидроакустических факторов, требующих специального внимания при конкретном проектировании.

1. Визуализация обтекания (рис. 2) с помощью пучков шелковинок длиной 35 мм обеспечивала определение структуры обтекания по поведению шелковинок и выявление зон отрыва или интенсивного вторичного течения. Носовые оконечности вариантов I и III в диапазоне углов атаки а и дрейфа ß от 0 до = 3о обтекаются плавно с искривлением линий тока лишь перед ограждением рубки. При больших значениях углов а и ß наблюдается заметное отклонение линий тока: с наветренной стороны они веерообразно расходятся, а на подветренной — сходятся. Зоны

Рис. 2. Структура обтекания модели носовой оконечности при углах атаки и дрейфа а = ß = 0 (вид с левого борта и сверху): варианты I, II и III

(см. рис. 1)

СУДОСТРОЕНИЕ 6'1WV

военное кораблестроение

локальных отрывов или застойные зоны не наблюдаются. Лишь на расстоянии 0,20—0,25 длины корпуса от носового перпендикуляра поведение шелковинок свидетельствует о зарождении двух основных корпусных вихрей. Обтекание носовой оконечности варианта II носит более сложный характер. Уже при а = в = 0 вдоль линий перехода возникают локальные, небольших размеров зоны отрывного обтекания с наибольшей интенсивностью на расстоянии 0,10—0,15 длины корпуса от носового перпендикуляра. При углах атаки а и дрейфа в, отличных от нуля, эти зоны на подветренной стороне несколько смещаются в нос. Обтекание боковых, верхней и нижней поверхностей при умеренных значениях а и в носит безотрывный характер. В итоге, при заданном диапазоне углов атаки а и дрейфа в носовые оконечности I и III обтекаются безотрывно, а обтекание носовой оконечности II сопровождается возникновением локальных рециркуляционных зон.

2. Результаты измерений интенсивности продольных пульсаций скорости Еи = У у2/вблизи поверхности вдоль верхнего меридионального сечения (диаметральной плоскости) при а = в = 0 показали, что все носовые оконечности обтекаются безотрывно. Это подтверждает оценки результатов обтекания с помощью пучков шелковинок. Если на носовой оконечности III переход от ламинарного режима к турбулентному происходит вблизи носовой точки, то на носовой оконечности I — ниже по потоку, на расстоянии (0,12...0,16)1. На носовой оконечности II пограничный слой является турбулентным вдоль всей образующей. Профили скорости основного и вторичного течений внутри пограничного слоя, построенные по результатам измерений вдоль линии шпангоута на сечении 0,151 при центральных углах 8 = 0; 45, 90, 180 и -90о, подтвердили выводы, базирующиеся на анализе пульсаций скорости. Наиболее интенсивные вторичные течения имеют место на носовой оконечности II. При 8 = 45 и -90о они достигают 5% от основного продольного течения под влиянием на характер течения «ребер» перехода от одной формы поверхности к другой.

Указанные особенности обтекания вариантов носовых оконечностей, в общем, подтверждаются и рас-

четами толщины вытеснения и толщины потери импульса

5* = J

t) dy; 5** = Jt(1 - t) dy . (1)

В соответствии с зависимостями этих параметров от центрального угла 8 наиболее плавным является их изменение на исходной оживальной носовой оконечности I. Наиболее резкое изменение происходит на носовой оконечности II. На носовой оконечности III пограничный слой оказывается заметно толще по сравнению с вариантами I и II.

3. Распределение статического давления по поверхности (по нормали к поверхности корпуса) носовых частей модели определялось экспериментально и расчетом [1] вдоль меридиональных сечений при 8 = 0, ±90 и 180о в указанном диапазоне изменения углов атаки и дрейфа.

На рис. 3 приведены наиболее характерные зависимости безразмерного коэффициента давления Р= Р/(Ру~2/2) от х = х/1 при а = в = 0.

Наиболее плавной эпюрой Р = f ( х ) и наименьшим по абсолютной величине пиком разрежения вдоль верхнего и нижнего меридианов обладает носовая оконечность оживаль-ной формы I, а наибольшим пиком разрежения и неблагоприятным градиентом давления — носовая оконечность штевневой формы II. Зависимости распределения давления вдоль максимальной ватерлинии (8 = ±90°) близки между собой по абсолютным значениям пиков разрежения, но отличаются ходом течения. При углах атаки и дрейфа,_ отличных от нуля, различие эпюр Р = (( X) проявляется, главным образом, на ходе

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