CC BY
32AUTOMATED WAVE MEASURING DEVICE FOR INLAND WATERWAYS
S.N. Girin, V.I. Pluschaev, E.R. Shtein
Keywords: wind waves, wave measuring buoy, communication, automatic identification system
The problem of determination of height of a wave in the set point of the water basin of internal waterways and transfer of the obtained information to a remote control office is considered. Function charts of a wave-measuring buoy and coastal intake are stated. As a transmission medium of information it is offered to use channels of the automatic identification system used on inland vessels. Results of natural tests of system are given.
Статья поступила в редакцию 12.04.2016 г.
УДК 533.692.6
Е.М. Грамузов, доктор технических наук, профессор, НГТУ им. Р.Е. Алексеева А.В. Февральских, аспирант НГТУ им. Р.Е. Алексеева 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОФИЛЬ НЕСУЩЕГО КРЫЛА ДЛЯ СКОРОСТНЫХ ЭКРАННЫХ СУДОВ С КОРМОВЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ЦЕНТРА МАСС
Ключевые слова: скоростное экранное судно, аэродинамический профиль, технология CFD.
С использованием технологий CFD (computational fluid dynamic) сформированы семейства профилей для несущих крыльев экранных аппаратов с относительно кормовым расположением центра масс. Сформированные семейства профилей характеризуются более кормовым расположением фокуса по высоте в сравнении с профилями типа CLARK, используемых на экранопланах с относительно носовой центровкой. Использование разработанных профилей в аэрогидродинамических компоновках скоростных экранных судов с относительно кормовой центровкой дает возможность рационально обеспечить продольную устойчивость.
1. Физическая постановка задачи
Продольная устойчивость движения скоростных судов, использующих эффект экрана на основном крейсерском режиме движения (экранопланов, амфибийных судов на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой - АСВП с АР и др.) обеспечивается взаимным расположением центра масс, аэродинамических фокусов по углу атаки и по высоте. Известно условие статической продольной устойчивости [1]:
XFa~ XPh > 0 (1)
xPa - xT > 0, (2)
где xPa - безразмерная координата фокуса по углу атаки; xPh - безразмерная координата фокуса по высоте;
_Т - безразмерная координата центра тяжести.
Безразмерные координаты определены в долях длины хорды крыла и отсчитыва-ются от носка к хвостику крыла в плоскости средней аэродинамической хорды (САХ). Положение фокуса по углу атаки [2] определяется соотношениями:
_ _дт2 : дсу
_ра _ : "Т
да да
Су _
р V2 Sb
ртч
где т2 - безразмерный коэффициент продольного аэродинамического момента; Мг - продольный аэродинамический момент, Н-м; су - безразмерный коэффициент аэродинамической подъемной силы,
Y - аэродинамическая подъемная сила, Н; а - угол атаки, рад;
Ь - длина средней аэродинамической хорды, м; S - площадь крыла, м2;
V- скорость набегающего воздушного потока, м/с; р - плотность воздуха, кг/м3.
2 М 2
т
z
Положение фокуса по высоте (точки приложения дополнительной подъемной силы, обусловленной изменением высоты крыла над экраном) определяется следующим
соотношением (h _ h / Ь - относительная высота крыла над экраном):
_ _дтг дсу
хрн _Ж' Ж'
Условие (1) является условием статической продольной устойчивости судна, использующего экранный эффект на основном крейсерском режиме движения, второе условие (2) должно выполняться для всех летательных аппаратов вне зависимости от высоты движения.
Условия (1) - (2) являются необходимыми, но не достаточными для обеспечения продольной динамической устойчивости и приемлемой для экипажа управляемости в продольной плоскости. Результаты натурных испытаний экранопланов, АСВП с АР и их самоходных моделей, результаты математического моделирования динамики движения и результаты исследований на пилотажных стендах рекомендуют наилучшее для комфортного пилотирования расположение фокусов: фокус по высоте в районе центра тяжести аппарата, фокус по углу атаки располагается за центром тяжести на расстоянии 15-20% средней аэродинамической хорды.
В аэродинамической компоновке экранного судна самолетной схемы положением фокуса по углу атаки управляют выбором плеча и размеров горизонтального оперения. Положение фокуса по высоте в большей степени определяется несущим крылом, а именно его удлинением, формой в плане, аэродинамическим профилем. Положение фокуса по высоте определяется также элементами компоновки, влияющими на структуру обтекания крыла у экрана. К таким элементам относятся пилоны двигателей, фюзеляж, шайбы, подкрыльевые кили [3].
Вместе с тем, для ряда скоростных судов, использующих экранный эффект, тре-
буется смещение фокуса по высоте к задней кромке крыла. К таким судам относятся, в первую очередь, двухрежимные АСВП с АР, которые на первом крейсерском режиме используют статическую воздушную подушку, а на втором скоростном крейсерском режиме полета - экранный эффект. Помимо АСВП с АР, смещение фокуса по высоте к задней кромке необходимо и для компоновочных вариантов экранопланов, использующих для взлета статическую воздушную подушку или глиссирующую гидролыжу. АСВП с АР, экранопланы с взлетно-посадочным устройством (ВПУ) в виде статической воздушной подушки или гидролыжи имеют, в отличие от экранопланов, использующих для взлета традиционный поддув, более кормовую центровку. Это связано с необходимостью обеспечения продольной устойчивости: для АСВП с АР на первом крейсерском режиме хода на статической воздушной подушке, а для экрано-планов, не использующих поддув - на режиме взлета-посадки.
Таким образом, в этом ряде аэрогидродинамических схем скоростных экранных судов изначально имеет место кормовая центровка и, в соответствии с требованиями динамической устойчивости и управляемости, фокус по высоте должен быть смещен к задней кромке крыла.
Традиционно используемый в компоновочных вариантах экранопланов и АСВП с АР аэродинамический профиль крыла типа CLARK (рис. 1) характеризуется максимальной толщиной профиля, достигаемой на 40% длины хорды, отсчитываемой от передней кромки крыла. В данной работе исследованы аэродинамические характеристики профиля типа CLARK и экспериментальных профилей с каплевидным носком Dropnaze и Dropnaze-M (рис. 2). Максимальная толщина этих профилей смещена к задней кромке в сравнении с профилем типа CLARK за счет введения выпукло-вогнутого участка в носовой части нагнетающей стороны профиля, а также дополнительного выпукло-вогнутого участка в кормовой части. В качестве исследуемых аэродинамических характеристик выбраны координата фокуса по высоте xph, координата
центра давления xD и аэродинамическое качество K (отношение величины подъемной силы к величине силы сопротивления) для разных значений коэффициентов подъемной силы c .
Рис. 1. Аэродинамический профиль типа CLARK
Рис. 2. Аэродинамические профили с каплевидным носком
2. Математическая постановка задачи
Аэродинамические характеристики исследуемых профилей получены в результате решения задачи обтекания профиля вязким турбулентным несжимаемым потоком вблизи экранирующей поверхности в двухмерном пространстве. Математическая мо-
дель течения включает решение осредненных уравнений Навье-Стокса и уравнения неразрывности [4]. Для замыкания системы уравнений привлечена составная модель турбулентности Ментера (SST) [5], базирующаяся на гипотезе вихревой вязкости и являющаяся комбинацией k-ю и k-s моделей, причем k-ю (кинетическая энергия турбулентности k, завихренность ю) активизируется вблизи твердых границ потока, а вдали от них активизируется k-s модель (кинетическая энергия турбулентности k и скорость ее диссипации s). Моделируемое пространство выполнено в виде прямоугольника с сеточным разбиением, содержащим порядка 400 тыс. элементов. Фрагмент сеточной модели представлен на рис. 3.
На границах моделируемого пространства установлены следующие условия:
1) линия аэродинамического профиля - условие Wall (непротекания и прилипания
V = V = 0);
x y
2) нижняя грань - условие подвижного экрана со скоростью обтекания Ух,
Vy = 0 ;
y
3) входная грань - заданы величина и направление скорости обтекания Ух,
Vy = 0 ;
y
4) выходная грань - условие Outlet (равенство нулю избыточного давления, воздух может только вытекать через эту грань);
5) верхняя грань - условие Opening (равенство нулю избыточного давления, допускается как вход, так и выход воздуха).
Размеры моделируемого пространства включают 54 длины хорды профиля в направлении оси X и 6 длин хорды в направлении оси Y.
Рис. 3. Фрагмент расчетной области профиля
Математическое моделирование показывает, что выбранные размеры расчетной области, значительно превышающие размерения профиля, и сформулированные выше граничные условия обеспечивают отсутствие влияния внешних границ на течение вблизи профиля.
Моделирование проведено с использованием программного комплекса ANSYS CFX для числа Рейнольдса Re = 2.5-106.
3. Результаты и их обсуждение
В ходе серии вычислительных экспериментов получены зависимости координаты центра давления _0 , координаты фокуса по высоте _рк и аэродинамического качества
K от коэффициента подъемной силы cy на экранной высоте h = 0.15 (рис. 4). Результаты демонстрируют смещение координат центра давления и фокуса по высоте аэродинамических профилей с каплевидным носком к задней кромке на 5-10 % длины САХ и увеличение аэродинамического качества на 10-15 % при различных значениях c по сравнению с профилем типа CLARK.
Q.6 09 1 11 1.Э 1.3 п
ч
Рис. 4. Результаты математического моделирования экранной аэродинамики профилей (1 - CLARK; 2 - Dropnaze; 3 - Dropnaze-M)
Полученные данные объясняются формированием вихря с поперечной осью и положительной циркуляцией в районе сопряжения каплевидного носка и прямолинейной нагнетающей части. Интенсивность этого вихря растет с приближением профиля к экрану, вследствие чего кормовые фрагменты оказываются в зоне дополнительных положительных скосов потока, индуцируемых поперечным вихрем. Это ведет к перераспределению давления на нагнетающей части контура профиля и смещению фокуса по высоте к задней кромке. Увеличение аэродинамического качества связано со снижением составляющей сопротивления от сил давления.
Заключение
1. С использованием технологий CFD разработаны новые семейства профилей для скоростных судов, использующих экранный эффект.
2. В сравнении с традиционными профилями типа CLARK разработанные семейства профилей характеризуются более кормовым расположением как центра давления, так и фокуса по высоте, а также несколько более высокими значениями аэродинамического качества.
3. Разработанные семейства профилей позволяют рационально обеспечить продольную устойчивость на режиме экранного полета АСВП с АР и экранопланов с кормовой центровкой.
Список литературы:
[1] Иродов Р.Д. Критерий продольной устойчивости экраноплана при полете с постоянной скоростью вблизи экрана // Ученые записки ЦАГИ. Т. 1. - 1970. - № 4. - С. 63-72.
[2] Остославский И.В. Аэродинамика самолета. - М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1957. - 560 с.
[3] Экраноплан с подкрыльевыми килями // Патент России № 151105. 2015. Бюл. № 8. / Дербенев С.Г., Кальясов П.С., Февральских А.В. [и др.].
[4] Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей: В 2-х томах. Т. 2. - Л.: Мир, 1991. - 504 с.
[5] Menter F.R. Zonal two équation k-ю turbulence models for aerodynamic flows. AIAA Paper 932906, 1993.
AERODINAMICAL PROFILE OF AIRFOIL FOR HIGH-SPEED GROUND EFFECT VEHICLES WITH THE STERN CENTER OF GRAVITY
E.M. Gramuzov, A. V. Fevralskikh
Keywords: high-speed ground effect vehicle, airfoil, CFD (computationalfluid dynamic)
Using computational fluid dynamic the profile families for airfoils of high-speed ground effect vehicles with relative stern center of gravity have been formed. Formed airfoils characterized by the more stern location of aerodynamic center for flight altitude as the airfoils named CLARK used in ground effect vehicles with the bow center of gravity. The researched airfoils usage in the high-speed ground effect vehicles with relative stern center of gravity design gives a chance for rational provision of the vehicle longitydinal flying stability.
Статья поступила в редакцию 05.07.2016 г.
УДК 629.5.035-233.1-233.21:534.011.001.24
Г.А. Кушнер, аспирант ФГБОУВПО «АГТУ» В.А. Мамонтов, д.т.н., доцент ФГБОУ ВПО «АГТУ»
A.А. Халявкин, к.т.н. ФГБОУ ВПО «АГТУ»
B.В. Шахов, старший преподаватель ФГБОУ ВПО «АГТУ» 414025, г. Астрахань, ул. Савушкина, 16
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОПЕРЕЧНЫХ КОЛЕБАНИЙ ГРЕБНОГО ВАЛА С УЧЕТОМ ВРАЩЕНИЯ
Ключевые слова: судовой валопровод, гребной вал, поперечные колебания.
Работа посвящена повышению надежности и долговечности системы валопровода судна. В работе предложена новая методика расчета поперечных колебаний гребного вала судна. В расчетной схеме учтено вращение вала вокруг продольной оси без учета статической деформации системы. Составлено и решено дифференциальное уравнение изгибных колебаний. Разработанный алгоритм можно применять для расчета колебаний валопроводов более сложной структуры.
Введение
Проектирование судового валопровода невозможно без расчета поперечных коле-
