CC BY
114
УДК 629.122
С. С. Метелица
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХОДКОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ КАТАМАРАНОВ С ВОЗДУШНОЙ КАВЕРНОЙ
В связи с ростом скорости морских и речных пассажирских перевозок возникает необходимость в поиске новых путей снижения гидродинамического сопротивления движению судов. Показано одно из возможных решений этой проблемы - применение воздушной каверны на днище высокоскоростных судов. Эксперимент проводился с буксируемой моделью катамарана (ранее исследования проводились исключительно с однокорпусными судами). В процессе испытаний была доказана возможность эффективного применения воздушной каверны на корпусах большого удлинения - ЫБ > 10. Изучен вопрос о влиянии величины горизонтального клиренса на величину гидродинамического сопротивления. Особое внимание уделено физическим процессам, которые возникают при движении катамарана с различной скоростью и при изменении величины горизонтального клиренса. Отмечается, что общим принципом, определяющим характер влияния горизонтального клиренса, является стимулирование процессов, связанных с развитием режима глиссирования, при уменьшении клиренса ввиду увеличения значений давления в жидкости, окружающей корпуса судна. Исследовалось влияние коэффициентов статической нагрузки и положения центра тяжести по длине на величину гидродинамического сопротивления при значениях чисел Фруда по водоизмещению Бгд < 3,0. Анализ полученных графических зависимостей позволяет говорить о возможности снижения гидродинамического сопротивления за счет применения воздушной каверны на величину до 25 % при скорости Бгд = 2,5.
Ключевые слова: воздушная каверна, гидродинамическое сопротивление, высокоскоростной катамаран, горизонтальный клиренс.
Введение
Быстроходные суда (суда на подводных крыльях (СПК), глиссеры, суда с малой площадью ватерлинии, суда на воздушной подушке (СВП), экранопланы) - важный показатель мирового технического прогресса. В условиях стремительно развивающихся технологий сокращение времени морских перевозок является одной из важнейших задач современного судостроения.
Способом повышения скорости судов длительное время являлось улучшение формы их обводов (например, использование бульбов в носовой оконечности, уменьшение угла входа носовых ватерлиний), а также совершенствование энергетической установки. Кардинального снижения сопротивления удалось достичь за счет применения гидроаэродинамической разгрузки, приводящей к выходу либо всего корпуса, либо его части из воды. Разгрузка может достигаться за счет использования подводных крыльев (СПК), воздушной подушки (СВП), воздушных крыльев (экранопланы) и глиссирования корпуса (глиссирующие суда). Перечисленные выше суда получили общее название - суда с динамическими принципами поддержания (СДПП). Вследствие выхода корпуса СДПП из воды уменьшаются волновое сопротивление и сопротивление трения. При этом волновое сопротивление в крейсерском режиме практически исчезает. При выходе на крейсерский режим волновое сопротивление может быть существенным и определяющим для выбора энергетической установки скоростного судна.
В настоящее время одним из перспективных путей развития СДПП является применение динамических принципов поддержания на многокорпусных судах (ранее исследования проводились исключительно с однокорпусными судами). Особенностью скоростных многокорпусных судов, сочетающих гидростатическое и гидродинамическое поддержание, является многообразие применяемых при их создании технических решений в части принципиальных проектной, конструктивной и гидродинамической компоновок и их возможных сочетаний.
Одним из возможных направлений создания высокоскоростных многокорпусных судов, позволяющих добиться существенного снижения сопротивления воды движению, является применение воздушной каверны [1].
Наличие на днище судна воздушной прослойки, подчиняющейся закономерностям развитой кавитации, т. е. искусственной каверны, позволяет изолировать от трения о воду его уча-
сток, покрытый каверной, что приводит к снижению сопротивления трения [2]. Для снижения полного сопротивления судна необходимо создать на его днище такую каверну, которая обеспечила бы снижение составляющей трения, существенно превышающее возможное увеличение остаточного сопротивления, вызываемое наличием каверны.
Ранее исследования по применению воздушной каверны на днище проводились исключительно с однокорпусными судами [3]. Многочисленные эксперименты и создание опытных образцов скоростных судов подтвердили эффективность применения воздушных каверн для снижения гидродинамического сопротивления. Так, для глиссирующих катеров со скоростями хода V
Бг -- > 3,0 (V - скорость судна, м/с; Б - массовое водоизмещение судна, т;
снижения гидродинамического сопротивления на величину до 30 %. С учетом работы нагнетателей для поддержания избыточного давления в каверне это позволяет снизить значение мощности силовой установки до 12 % [4].
Постановка задач
Применение воздушной каверны на высокоскоростных катамаранах открывает перспективу снижения гидродинамического сопротивления не только за счет уменьшения сопротивления трения, но и за счет уменьшения волнового сопротивления благодаря благоприятной интерференции волновых систем корпусов катамарана.
Вследствие этого перед началом модельного эксперимента был сформулирован ряд основных задач, в ходе решения которых необходимо было определить:
— принципиальную возможность эффективного использования искусственной каверны на судах с большим удлинением корпуса Ь/Б;
— влияние величины горизонтального клиренса с на величину гидродинамического сопротивления;
— влияние статической нагрузки и положения центра тяжести по длине на величину гидродинамического сопротивления.
Методика проведения модельного эксперимента
Модельные испытания рассматриваемых буксируемых моделей проводились в опыто-вом бассейне ОАО «Центральное конструкторское бюро по судам на подводных крыльях им. Р. Е. Алексеева», имеющем следующие характеристики:
Длина Ь...........................................................................................................................................74,5 м
Ширина В.........................................................................................................................................4,0 м
Максимальная скорость буксировочной тележки может достигать 11 м/с.
Одной из особенностей бассейна является наличие специального автоматизированного измерительного комплекса, обеспечивающего измерения параметров движения моделей с воздушной каверной на днище в условиях спокойной и взволнованной поверхности воды, изучение колебательных процессов при неустановившихся режимах движения и физических явлений, происходящих в воздушной каверне, и т. п. В состав автоматизированного измерительного комплекса входят датчики замеров регистрируемых параметров, первичные преобразователи, устанавливаемые на моделях и буксировочной тележке, а также автоматизированная система измерений «МОДЕРН», состоящая из блока автоматики «КАМАК» и компьютера со встроенной платой согласования, расположенной на пульте управления.
Система выполнена на базе современной вычислительной компьютерной техники и новых отечественных технологий. Использовался пакет прикладных программ MultiPet, работающих в операционной системе Windows при использовании драйверов wsgld; wsg32d; hPool; hFlood; Grader собственной разработки, а также пакетов стандартных программ Microsoft Excel, Microsoft Word и Corel.
рв = 1 - плотность воды, т/м3; g = 9,81 - ускорение свободного падения, м/с2) удалось достичь
Глубина T.
0,7-0,9 м
Система позволяет одновременно по 16 каналам проводить измерения, сбор, регистрацию параметров модельных испытаний в реальном масштабе времени, их длительное хранение, экспресс-обработку с построением графических зависимостей параметров, замеряемых в ходе эксперимента, а также выполнять окончательную обработку результатов и получать машинописный текст.
Во время испытаний проводилось также визуальное наблюдение за колебательными процессами и брызгообразованием, происходящими при движении модели, с использованием видеосистемы, созданной на базе виброустойчивой видеокамеры, и установленного на буксировочной тележке видеоконтрольного устройства.
Технологическая последовательность экспериментальных работ в опытовом бассейне по отработке гидродинамических компоновок многокорпусных судов с воздушной каверной на днище состояла из следующих основных этапов.
1. Разработка теоретических и рабочих чертежей буксируемой модели с воздушной каверной на днище и ее изготовление.
Основной задачей на данном этапе является правильный выбор водоизмещающего судна, близкого по своим характеристикам к требованиям технического задания на проект, и возможности более рационального размещения камеры для воздушной каверны.
2. Наладочные испытания буксируемой модели на спокойной воде.
Из ряда исследований [5-7] известно, что каверна имеет предельную длину, зависящую от скорости движения V и расхода подаваемого воздуха Q. Вследствие этого, кроме стандартных калибровок основных параметров движения модели, на данной стадии испытаний определяется один из главных элементов судна с воздушной каверной на днище - расход воздуха на создание воздушной каверны. Для этого на предполагаемой расчетной скорости движения модели V исследуется в широком диапазоне количество расходуемого воздуха и оценивается его влияние на величину сопротивления: момент, когда количество расходуемого воздуха не оказывает влияния на величину сопротивления, является началом зоны автомодельности, а количество расходуемого воздуха - оптимальным, рекомендуемым для использования на проектируемом судне. Количество воздуха для натурного судна рассчитывается по формуле
QW4 = m5'2 ■ Q ,
где Q = 3600nD2 Jp; m - масштаб модели; Q - расход воздуха, м3/ч.
3. Основная программа испытаний буксируемой модели.
Задачей данного этапа является определение гидродинамических характеристик: сопротивления, угла ходового дифферента, всплытия в зависимости от скорости движения, а также исследование всех колебательных процессов, мореходности, качки, устойчивости глиссирования. Важная составляющая этой части испытаний - оценка смоченной поверхности судна при различных режимах движения, функционирование воздушной каверны, контактные датчики измерительного комплекса, установленные на своде камеры воздушной каверны и по бортам модели, с достаточной степенью точности определяют границы смоченной поверхности. Смоченная поверхность свода камеры воздушной каверны по своему физическому состоянию разделяется на 3 зоны [6]:
— I зона - собственно воздушная каверна, где свод камеры находится в воздухе; основная зона, обеспечивающая эффективность воздушной каверны за счет уменьшения смоченной поверхности и, как следствие, существенного снижения сопротивления трения;
— II зона - зона пульсации воздушно-водяной эмульсии; резервная зона, обеспечивающая пусть незначительную, но дополнительную, порой крайне необходимую скорость;
— III зона - зона смоченной поверхности, где днище находится в контакте с водой.
Программа испытаний
Испытания проводились с буксируемой моделью катамарана на воздушной каверне. Проекция «Корпус» теоретического чертежа изолированного корпуса буксируемой модели представлена на рис. 1.
Буксируемая модель изолированного корпуса имела следующие основные характеристики:
Длина по конструктивной ватерлинии (КВЛ) L..........................................................................................2,76 м
Ширина B.......................................................................................................................................0,276 м
Коэффициент полноты КВЛ а.................................................................................................................0,472
Предварительным этапом испытаний было нахождение величины оптимального расхода воздуха, при котором не происходит дальнейшего снижения сопротивления. В данном случае оптимальным оказался расход, равный () = 12,4 м3/ч.
Рис. 1. Проекция «Корпус» буксируемой модели изолированного корпуса катамарана
на воздушной каверне
Основной задачей было выявление зависимости величины гидродинамического сопротивления от горизонтального клиренса. Предварительно был определен оптимальный расход воздуха для создания каверны. Такая процедура была проведена при одном значении горизонтального клиренса. Программа испытаний представлена в таблице, где V — скорость модели, м/с;
- аппликата центра тяжести, м; СВ - коэффициент, учитывающий статическую нагрузку, вычисляется по формуле
Св = В3 '
ст
где Б - объемное водоизмещение, м3; В - ширина наибольшая, м.
Программа испытаний
Условия испытаний Св % V, м/с с № рисунка
Определение влияния горизонтального клиренса 0,51
1,40 40,3 1-5 0,57 2, 3, 4, 5, 6
0,65
Горизонтальный клиренс с был выражен в безразмерном виде:
- 2Вк
с = ■
В0
где Вк - ширина изолированного корпуса, м; В0 - общая ширина катамарана, м.
Завершающим этапом были сравнительные испытания катамарана на воздушной каверне и высокоскоростного катамарана с обводами, спроектированными для переходного режима. Значения коэффициентов статической нагрузки СВ, горизонтального клиренса с и положения центра тяжести были идентичными и равнялись СВ = 1,40, х8 = 40,3 %, с = 0,57.
Результаты испытаний
С взаимодействием корпусов связаны наиболее интересные особенности гидродинамики катамаранов. Результаты исследований позволяют установить основные причины взаимовлияния корпусов быстроходных катамаранов, дать его количественную оценку и практические рекомендации по выбору формы обводов корпусов, величины горизонтального клиренса, оценке сопротивления движению.
Физической основой взаимовлияния корпусов катамарана является изменение поля давлений и скоростей в окружающей корпуса жидкости по сравнению с полем одиночного корпуса.
Для катамаранов с воздушной каверной, так же как и для глиссирующих катамаранов, в первом поддиапазоне переходных чисел Фруда (й"д = 0,9-2,1) характерен интенсивный рост угла дифферента при практическом отсутствии всплытия миделевого сечения, во втором поддиапазоне (Бгд = 2,1-3,0) начинается подъем из воды миделевого сечения и уменьшение общей смоченной площади корпуса при замедленном дальнейшем росте угла ходового дифферента. В указанных переходных поддиапазонах, характеризуемых тем или другим изменением посадки катамарана, влияние горизонтального клиренса на посадку и сопротивление движению катамаранов имеет свои особенности и принципиально различается при соответствующих числах Фруда.
Общим принципом, определяющим характер влияния горизонтального клиренса, является стимулирование процессов, связанных с развитием режима глиссирования, при уменьшении клиренса ввиду увеличения значений давления в окружающей корпуса жидкости. В первом поддиапазоне чисел Фруда (йд = 0,9-2,1), в котором волновое сопротивление глиссирующего катамарана достигает максимальных значений, имеет место наиболее сильное влияние горизонтального клиренса. Во втором поддиапазоне (Бгд = 2,1-3,0) эффект влияния горизонтального клиренса несколько снижается, хотя и продолжает иметь достаточно выраженный характер.
Основным же выводом стало доказательство эффективного применения воздушной каверны на судах с большими удлинениями корпусов ЫБ, каковыми являются катамараны. Так, при скорости хода й"д = 1,5 выигрыш в сопротивлении по сравнению со «своим» «традиционным» аналогом составил 5 = 12,9 % на скорости Ргд = 2,0 5 = 18,8 %, а при Ргд = 2,5 - 5 = 24,8 %.
Результаты испытаний приведены на рис. 2-7.
Рис. 2. Зависимость обратного гидродинамического качества R/D от скорости FrD при различных значениях относительного горизонтального клиренса c
• c = 0,63 о c = 0,57 Д c = 0,51
Рис. 3. Зависимость угла ходового дифферента ф от скорости Бгд при различных значениях относительного горизонтального клиренса с
Рис. 4. Зависимость осадки на миделе Тм от скорости Бгд при различных значениях относительного горизонтального клиренса с
• с = 0,63 о с = 0,57 Л с = 0,51
Рис. 6. Зависимость коэффициента остаточного сопротивления ^ост от скорости Бгд при различных значениях относительного горизонтального клиренса с
♦ Модель - глиссер ■ Модель - СВК
Рис. 7. Сравнительный график гидродинамического сопротивления для высокоскоростного катамарана и катамарана на воздушной каверне
Очевидно, что полученные графические зависимости позволяют не только производить оценку буксировочного сопротивления катамарана на воздушной каверне с заданными главными размерениями и водоизмещением, но и решать в первом приближении обратную задачу - по заданным водоизмещению, скорости и мощности выбирать оптимальное значение горизонтального клиренса.
Заключение
Результаты испытаний позволили ответить на вопрос о возможности эффективного применения искусственной каверны для снижения гидродинамического сопротивления катамаранов, эксплуатируемых в переходном режиме движения при скорости хода в диапазоне й"д = 1,0-3,0. Так, при скорости Бгд = 2,5 возможно снижение гидродинамического сопротивления за счет применения воздушной каверны на величину до 25 %.
Полученные графические зависимости позволяют:
— производить оценку буксировочного сопротивления катамарана на воздушной каверне с заданными главными размерениями и водоизмещением;
— решать в первом приближении обратную задачу - по заданным водоизмещению, скорости и мощности выбирать оптимальное значение горизонтального клиренса.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Бутузов А. А. Об искусственном кавитационном течении за тонким клином, помещенным на нижнюю поверхность горизонтальной стенки / А. А. Бутузов // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. 1967. №2 2. С. 54-61.
2. Бутузов А. А. Применение искусственной каверны для снижения гидродинамического сопротивления глиссирующего судна / А. А. Бутузов // Вопросы судостроения. Сер.: Проектирование судов. 1975. Вып. 8. С. 3-19.
3. Бутузов А. А. Некоторые результаты исследований по выбору эффективной профилировки днища полуглиссирующих и глиссирующих судов с газовыми кавернами / А. А. Бутузов, А. В. Сверчков, С. А. Чалов // XII науч.-техн. конф. по проектированию скоростных судов, посвящ. 80-летию со дня рождения Р. Е. Алексеева: тез. докл. Нижний Новгород, 1996.
4. Пашин В. М. Гидродинамика и проектирование судов на воздушной каверне / В. М. Пашин, А. Н. Иванов, В. Г. Калюжный, А. В. Сверчков, А. Г. Ляховицкий, Г. А. Павлов // VI Междунар. конф. по судостроению, судоходству, оборудованию морских платформ и обеспечивающих их работу плавсредств. Морская техника для освоения океана и шельфа (Нева-2001), Санкт-Петербург, 24-27 сент. 2001 г. СПб., 2001. С. 127-129.
5. Бутузов А. А. Быстроходные суда на воздушной каверне / А. А. Бутузов, А. В. Сверчков, А. В. Пустошный, С. А. Чалов // Тез. докл. науч.-техн. конф. «Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидродинамики» (XXXIX Крыловские чтения). СПб., 1999. С. 126-127.
6. Сверчков А. В. Применение искусственных каверн для снижения гидродинамического сопротивления быстроходных судов / А. В. Сверчков, С. А. Чалов // Сб. тез. V Междунар. конф. по судостроению и судоходству, деятельности портов и освоению океана и шельфа (Нева"99). СПб., 1999. С. 52-53.
7. Бутузов А. А. Натурные испытания макета катера с воздушной каверной / А. А. Бутузов, А. Н. Васин, А. Л. Дроздов, А. Н. Иванов, В. Г. Калюжный, Н. И. Матвеев, В. Е. Рузанов // Вопросы судостроения. Сер.: Проектирование судов. 1981. Вып. 28.
Статья поступила в редакцию 16.06.2015, в окончательном варианте - 29.07.2015
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Метелица Сергей Сергеевич - Россия, 603950, Нижний Новгород; Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева; аспирант кафедры «Аэрогидродинамика, прочность машин и сопротивление материалов»; meteserg@yandex.ru.
S. S. Metelitsa
EXPERIMENTAL RESEARCH OF PROPULSION HIGH-SPEED CATAMARANS WITH AN AIR CAVITY
Abstract. In connection with the growth rate of the sea and river passenger transport there is a need to find new ways of reducing the hydrodynamic resistance to the movement of ships. This article demonstrates one possible solution to this problem - the use of air cavity on the bottom of high-speed vessels. It should be noted that during the extended period of work on the use of air cavity on the bottom were done solely single-hulled ships. In the present study, the experiment was conducted with a towed catamaran model. During the process of testing, the possibility of effective application of air cavities in hulls with high-elongation LB > 10 was experimentally proved. The question of the impact of the magnitude of horizontal clearance on the magnitude of the hydrodynamic resistance was studied. Special attention was paid to the physical processes that occur when the motion of a catamaran at different speeds and when there is a change of the value of horizontal clearance. It was noticed that the general principle that determines the nature of the influence of horizontal clearance, is to stimulate the processes associated with the development of the planing mode, with a decrease of clearance due to the increase in pressure in the surrounding hull fluid. The influence of the coefficients of the static load and the position of the center of gravity along the length on the magnitude of the hydrody-namic resistance at the values of the Froude numbers in displacement FrD < 3.0 is examined. The analysis of the obtained graphical dependences allows to speak about the possibility of reducing the hydrodynamic resistance due to the application of air cavities by up to 25 % at a speed FrD = 2.5.
Key words: air cavity, hydrodynamic resistance, high-speed catamaran, horizontal clearance.
REFERENCES
1. Butuzov A. A. Ob iskusstvennom kavitatsionnom techenii za tonkim klinom, pomeshchennym na nizh-niuiu poverkhnost' gorizontal'noi stenki [On artificial cavitation flow for thin wedge, located at the lower surface of the horizontal wall]. Izvestiia AN SSSR. Mekhanika zhidkosti i gaza, 1967, no. 2, pp. 54-61.
2. Butuzov A. A. Primenenie iskusstvennoi kaverny dlia snizheniia gidrodinamicheskogo soprotivleniia glissiruiushchego sudna [Application of the artificial cavern to reduce hydrodynamic resistance of the planing boat]. Voprosy sudostroeniia. Seriia: Proektirovanie sudov, 1975, iss. 8, pp. 3-19.
3. Butuzov A. A., Sverchkov A. V., Chalov S. A. Nekotorye rezul'taty issledovanii po vyboru effektivnoi profilirovki dnishcha poluglissiruiushchikh i glissiruiushchikh sudov s gazovymi kavernami [Some results of the studies on choosing effective profiling of the bottom of the semi-planing and planning boats with gas caverns]. XII nauchno-tekhnicheskaia konferentsiia po proektirovaniiu skorostnykh sudov, posviashchennaia 80-letiiu so dnia rozhdeniia R. E. Alekseeva. Tezisy dokladov. Nizhny Novgorod, 1996.
4. Pashin V. M., Ivanov A. N., Kaliuzhnyi V. G., Sverchkov A. V., Liakhovitskii A. G., Pavlov G. A. Gidrodinamika i proektirovanie sudov na vozdushnoi kaverne [Hydrodynamiccs and designing of the vessels with air cavity]. VI Mezhdunarodnaia konferentsiia po sudostroeniiu, sudokhodstvu, oborudovaniiu morskikh platform i obespechivaiushchikh ikh rabotu plavstredstv, morskaia tekhnika dlia osvoeniia okeana i shel'fa (Ne-va-2001), Sankt-Peterburg, 24-27 sentiabria 2001 g. Saint-Petersburg, 2001. P. 127-129.
5. Butuzov A. A., Pustoshnyi A. V., Chalov S. A. Bystrokhodnye suda na vozdushnoi kaverne [High-speed vessels with air cavity]. Tezisy dokladov nauchno-tekhnicheskoi konferentsii «Problemy morekhodnykh kachestv sudov korabel'noi gidrodinamiki» (XXXIX Krylovskie chteniia). Saint-Petersburg, 1999. P. 126-127.
6. Sverchkov A. V., Chalov S. A. Primenenie iskusstvennykh kavern dlia snizheniia gidrodinamicheskogo soprotivleniia bystrokhodnykh sudov [Application of the artificial caverns to reduce hydrodynamic resistance of high-speed vessels]. Sbornik tezisov V Mezhdunarodnoi konferentsii po sudostroeniiu i sudokhodstvu, deiatel'nostiportov i osvoeniiu okeana i shel'fa (Neva^99). Saint-Petersburg, 1999. P. 52-53.
7. Butuzov A. A., Vasin A. N., Drozdov A. L., Ivanov A. N., Kaliuzhnyi V. G., Matveev N. I., Ruzanov V. E. Naturnye ispytaniia maketa katera s vozdushnoi kavernoi [Field testing of the layout of the boat with an air cavity]. Voprosy sudostroeniia. Seriia: Proektirovanie sudov, 1981, iss. 28.
The article submitted to the editors 16.06.2015, in the final version - 29.07.2015
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Metelitsa Sergey Sergeevich - Russia, 603950, Nizhniy Novgorod; Nizhniy Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseev; Assistant of the Department "Flow Mechanics, Strength of Machines and Resistance of Materials"; meteserg@yandex.ru.
