CC BY
1УДК 004.94:639.2.081.1
А.А. Недоступ, А.О. Ражев, П.В. Насенков, Е.И. Сергеев
Калининградский государственный технический университет, Калининград, 236022 e-mail: nedostup@klgtu.ru
ФИЗИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАЛОВЫХ ДОСОК
В статье приводятся результаты исследований в области физического и компьютерного моделирования траловых досок, твердотелых конструкций. Физическое и компьютерное моделирование траловых досок обеспечивают совместные исследования гидродинамики траловых досок. Наилучшими гидродинамическими характеристиками траловых досок являются: максимальное значение коэффициента распорной силы cy, минимальное значение коэффициента сопротивления траловой доски cx, максимальное значение гидродинамического качества k, высокая статическая и динамическая устойчивости, а также прочность. Важным средством для верификации результатов компьютерного моделирования является верификация полученных данных с помощью физических моделей траловых досок и проведение экспериментальных исследований с ними в гидроканале.
Ключевые слова: моделирование, траловые доски, гидродинамика, сопротивление, модели, гидроканал, эксперименты.
A.A. Nedostup, A.O. Raghev, P.V. Nasenkov, E.I. Sergeev
Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, 236022 e-mail: nedostup@klgtu.ru
PHYSICAL AND COMPUTER SIMULATION OF TRAWL DOORS
The article presents the results of research in the field of physical and computer modeling of trawl doors, solid structures. Physical and computer modeling of trawl doors are provided by joint studies of the hydrodynamics of trawl doors. The best hydrodynamic characteristics of trawl doors are: the maximum value of the spreading force coefficient cy, the minimum value of the drag coefficient of the trawl door cx, the maximum value of hydro-dynamic quality k, high static and dynamic stability, and strength. An important tool for verifying the results of computer modeling is the verification of the obtained data using physical models of trawl doors and conducting experimental studies with them in a flume tank.
Key words: modeling, trawl doors, hydrodynamics, resistance, models, hydraulic channel, experiments.
Гидромеханика ставит вопрос: «Задача только тогда считается решенной, когда скорости, действующие силы и другие характеристики движения определены в каждой точке и для каждого момента времени» [1]. Для анализа движения траловых досок (рис. 1) и определения их положения в водной среде, а также для оценки устойчивости необходимо учитывать гидродинамические силы и моменты, возникающие в результате взаимодействия устройства с окружающей средой при различных скоростях и направлениях движения. Определение этих параметров является важной задачей в области гидромеханики траловых устройств. Это включает в себя анализ лобового сопротивления, распорных сил и гидродинамических моментов, воздействующих на траловую доску [2, 3].
Проблема расчета прочности и устойчивости распорных траловых досок является еще более сложной и трудной задачей гидродинамики. Расчет прочности и устойчивости распорных траловых досок представляет собой сложную задачу в области гидродинамики. Для успешного выполнения таких расчетов необходимо учитывать распределение гидродинамических сил по поверхности доски при различных движениях. Важно отметить, что эти силы характеризуются неравномерным распределением, что может привести к возникновению значительных локальных нагрузок, особенно при высоких скоростях движения трала [4-7].
Рис. 1. Траловые доски разноглубинного трала
Существует несколько методов определения гидродинамических характеристик траловых досок.
Первый метод называется динамометрическим. Он включает в себя то, что модель подключается к динамометру и запускается в экспериментальной установке. Этот метод позволяет непосредственно и наиболее быстро определять гидродинамические силы и моменты и поэтому применяется чаще других методов. Недостаток в том, что стержни (стальные полосы или проволоки), к которым обычно крепятся модели, не только создают дополнительное сопротивление, которое передается на динамометр, но и в некоторой степени искажают поток, изменяя силы и моменты, действующие на каждую модель. Влияние опорной системы на модель всегда необходимо учитывать с помощью дополнительных экспериментов. На рис. 2 представлена схема экспериментальной установки, используемой для определения гидродинамического коэффициента траловой доски.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки для определения гидродинамических коэффициентов траловых досок (1 - ножи; 2 - первичный преобразователь для измерения силы натяжения; 3 - модель траловой доски; 4 - тензометрическая аппаратура; 5 - блок сопряжения с ПЭВМ; 6 - принтер; 7 - вертушка)
Второй метод называется методом импульсов. В этом методе непосредственно измеряются лишь скорости и давления в окружающей тело среде, а силы и моменты, действующие на тело, вычисляются затем по теореме импульсов. Данный метод в определении гидродинамических характеристик траловых досок на порядок дороже динамометрического. Это обстоятельство связано с применением в исследованиях лазерной аппаратуры.
В ходе исследований было решено исследовать траловые доски в гидроканале ООО «Фише-ринг Сервис» динамометрическим методом.
Возникла задача создать модели разноглубинных траловых досок, которые позволят исследовать вышеперечисленные зависимости. Для исследования гидродинамических характеристик траловых досок возможно воспользоваться теорией подобия [8]. Причем физическое моделирование должно моделировать динамические процессы, которые протекают с траловыми досками в процессе их эксплуатации.
На основании натурной траловой доски 8 м2 пр. 2490 НПО промрыболовства был разработан эскиз универсальной модели траловой доски (рис. 3). Затем разработана сама конструкция моделей траловой доски с навесными предкрылками в количестве двух пар и изменяющимся поперечным углом укр, который характеризует вид крыла спереди.
Рис. 3. Эскиз модели траловой доски
Наличие навесных предкрылков позволяет использовать доску в трех различных вариантах -без предкрылков, с одними и с двумя предкрылками, что делает предложенную модель разноплановой и универсальной. Модели экспериментальных траловых досок изготовлены с учетом масштаба линейных размеров С = 0,2. Модель траловой доски, изготовленная из листовой стали Ст. 3 с толщиной стенки 3,0 мм, изображена на рис. 4. Линейный масштаб С1 был выбран с учетом максимально возможных нагрузок на трехкомпонентный динамометр.
Рис. 4. Модель траловой доски с двумя предкрылками укр = 180о
Трехкомпонентный динамометр позволяет производить измерения в следующих диапазонах:
- сила лобового сопротивления до 300 Н;
- распорная сила до 300 Н;
- продольный гидродинамический момент до 150 Нм.
Точность измерения указанных сил и момента составляет 3,0%. Испытания модели доски проводились в диапазоне:
- углов атаки доски а от 0 до 50° с шагом изменения угла атаки Да = 5°;
- поперечного угла укр от 180° до 120° с шагом изменения угла атаки Дукр = 20°.
Скорость потока при испытаниях задавалась 1,0 м/с для обеспечения числа Рейнольдса
Ие = 5 • 105.
На первом этапе испытаний в гидроканале модель траловой доски без предкрылков закреплялась на трехкомпонентном динамометре. При значении поперечного угла укр = 180° определяли силу лобового сопротивления Ях, распорную силу Яу и продольный момент М2, изменяя углы атаки.
Далее при испытаниях изменялся поперечный угол укр между плоскостями и также определялись соответствующие силы и момент при разных углах атаки. На втором этапе к модели траловой доски с поперечным углом укр равным 180° между плоскостями крепились первые предкрылки. И по аналогии с первым этапом проводились соответствующие замеры (изменялись а и укр). На третьем этапе испытаний закреплялись вторые предкрылки. И также проводились замеры. Таким образом, в гидроканале было проведено 12 опытов.
На основании снятых показаний были сделаны расчеты сил лобового сопротивления Ях, распорной силы Яу модели разноглубинной траловой доски, момента М2, соответствующих гидродинамических коэффициентов (сх и су) и качества доски к.
Коэффициент распорной силы траловой доски:
- - ^ (1)
ру2 Р
где р - плотность воды;
V - скорость потока воды; Р - площадь траловой доски.
Коэффициент силы сопротивления траловой доски:
ру2 Р
сх . (2)
Коэффициент продольного момента:
2М
ст = -МЪ-, (3)
ру РЬ
где Ь - хорда траловой доски.
Гидродинамическое качество траловой доски:
с
к = ^ . (4)
с
Используя разработанное авторами программное обеспечение для расчета гидродинамических коэффициентов траловой доски, было осуществлено ее компьютерное моделирование. Расчет основан на дифференциальных уравнениях в частных производных Навье - Стокса (5), дополненных уравнением неразрывности и вводит понятие искусственной сжимаемости среды (6):
ГГд2V д2V д2V V ( д2уу д2 уу д2V.
ду ду ду ду
--Ь V--+ V--Ь V-= V
дí дх ду дг
Г Ф.+дЕ]+.дРк
р ^ дх ду дг
-+-
дх2 ду
- + -
дг2
1 +
-+-
дх2 ду
+
(д2V д2V д2V. ^
+
+
дх2 су2 дг2
др дух ду дуг _ а—+—- + —-+—- = 0, д1 дх ду дг
дг2
л Л )" +
(5)
(6)
где v - вектор скорости в узле расчетной сетки;
Ух, V - коэффициенты разложения v по ортогональному базису с базисными векторами \,
ь k;
V - кинематическая вязкость воды; р - давление (относительное) в узле расчетной сетки; а - коэффициент искусственной сжимаемости среды; { - время.
Полученные конечные разности расщеплялись по базисным векторам с получением 12п более простых уравнений, где п - количество узлов расчетной сетки. Далее полученные уравнения приводились к трехдиагональной системе линейных алгебраических уравнений с введением нелинейных коэффициентов Ух, уу, \г и решались методом прогонки с последующей коррекцией нелинейных коэффициентов во внешнем цикле каждого временного слоя.
Результатом расчета являлось поле давлений на поверхности траловой доски, по которому вычислялись силы гидродинамического сопротивления:
(К > К > К) = Ц РД« ^ рдпД5,
(7)
где 8 - поверхность траловой доски; 5 - площадь поверхности;
Д5 - площадь поверхности, ограниченная соседними узлами расчетной сетки; п - вектор нормали к участку поверхности.
Гидродинамические коэффициенты вычислялись согласно (1) - (3).
На рис. 5 изображены результаты компьютерного моделирования траловых досок.
а
Рис. 5. Компьютерное моделирование траловой доски щкр = 180° (поле давлений)
Физическое и компьютерное моделирование траловых досок обеспечивают совместные исследования гидродинамики траловых досок. Наилучшими гидродинамическими характеристиками траловых досок являются: максимальное значение коэффициента распорной силы cy, минимальное значение коэффициента сопротивления траловой доски cx, максимальное значение гидродинамического качества к, высокая статическая и динамическая устойчивости, а также прочность. Важным средством для верификации результатов компьютерного моделирования является верификация полученных данных с помощью физических моделей траловых досок и проведение экспериментальных исследований с ними в гидроканале. Разница между расчетными значениями гидродинамического сопротивления и гидродинамического коэффициента и экспериментальными значениями не превышает 8%, что соответствует условиям расчета орудий лова.
Исследование выполнено в рамках выполнения государственного задания по теме «Разработка физических, математических и предсказательных моделей процессов эксплуатации донного и разноглубинного траловых комплексов».
Литература
1. Федявский К.К., Войткунский Я.И., Фадеев Ю.И. Гидромеханика. - Л.: Судостроение, 1968.- С. 565.
2. Фридман А.Л. Теория и проектирование орудий промышленного рыболовства. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 327 с.
3. Розенштейн М.М., Недоступ А.А. Механика орудий рыболовства. - М.: Моркнига, 2011. - 528 с.
4. Карпенко В.П., Фридман А.Л. Устройства раскрытия рыболовных тралов. - М.: Пищевая промышленность, 1980. - С. 248.
5. Недоступ А.А., Ражев А.О. Математическая модель взаимодействия распорной траловой доски с водной средой // Морские интеллектуальные технологии. - 2017. - Т. 1, № 3(37). -С.154-157.
6. Недоступ А.А., Ражев А.О. Программное обеспечение для исследования гидродинамики распорных траловых досок // Морские интеллектуальные технологии. - 2017. - Т. 1, № 3(37). -С. 168-173.
7. Недоступ А.А., Ражев А.О. Математическое описание распорной траловой доски для задач численного моделирования динамики разноглубинных траловых систем // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Рыбное хозяйство. - Астрахань: АГТУ, 2017. - № 3. - С. 58-64.
8. Недоступ А.А. Физическое моделирование гидродинамических процессов движения орудий рыболовства // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. Томск. - 2012. - № 3(19). - С. 55-67.
