CC BY-NC
34
ТЕОРИЯ КОРАБЛЯ И СТРОИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА
Б01: 10.24937/2542-2324-2020-1-391-11-28 УДК 629.5.015+532.528
М.В. Галушина1, А.В. Сверчков1, И.А. Чичерин1, Д.В. Фомичёв1, Л.Г. Щемелинин1, Л. Кок2
1 ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
2 Кауа1рп^еШ Б.г.1., Триест, Италия
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДНА С ИСКУССТВЕННОЙ КАВЕРНОЙ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО ОГРАНИЧЕННОМУ ФАРВАТЕРУ
Объект и цель научной работы. Объектом исследования является судно-контейнеровоз внутреннего плавания с увеличенным коэффициентом общей полноты. Главные размерения корпуса судна удовлетворяют требованиям эксплуатации на западноевропейских внутренних водных путях. Цель работы состоит в экспериментальной проверке эффективности применения искусственной каверны для снижения гидродинамического сопротивления в различных эксплуатационных условиях, а также в определении влияния каверны на характеристики маневренности и управляемости. Материалы и методы. Численное моделирование по оптимизации корпуса судна. Экспериментальные данные модельных испытаний, полученные в опытовых бассейнах ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Основные результаты. В результате исследовательских работ получены новые научные данные по эффективности применения искусственной каверны на транспортном судне смешанного река-море плавания при его движении на глубокой воде, на открытом мелководье и в мелководном канале. Исследовано влияние каверны на маневренные характеристики судна как на глубокой воде, так и на мелководье.
Заключение. Показана перспективность применения искусственных каверн на судах смешанного река-море плавания, предназначенных для эксплуатации на западноевропейских внутренних водных путях. Рекомендованная профилировка днища обеспечивает снижение буксировочного сопротивления на 14-20 % по сравнению с базовым судном, имеющим гладкие обводы днища. По целому ряду маневренных характеристик судно с каверной превосходит базовое судно. Ключевые слова: судно смешанного река-море плавания, искусственная каверна, численные методы, модельные испытания, предельное мелководье, мелководный канал. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
NAVAL ARCHITECTURE
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-1-391-11-28 UDC 629.5.015+532.528
M. Galushina1, A. Sverchkov1, I. Chicherin1, D. Fomichev1, L. Schemelinin1, L. Cok2
1 Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
2 Navalprogetti S.r.l., Trieste, Italy
HYDRODYNAMIC PARAMETERS OF AIR-CAVITY SHIP IN A NARROW FAIRWAY
Object and purpose of research. This paper discusses an inland-navigation container ship with increased block coefficient. Main hull dimensions of this ship are compliant with the requirements of Western European inland waterways. The purpose of this study is to experimentally validate the efficiency of air cavity in hydrodynamic resistance mitigation in different operational conditions, as well as to determine its effect upon ship maneuvrability.
Для цитирования: Галушина М.В., Сверчков А.В., Чичерин И.А., Фомичёв Д.В., Щемелинин Л.Г., Кок Л. Гидродинамические характеристики судна с искусственной каверной при движении по ограниченному фарватеру. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020; 1(391): 11-28.
For citations: Galushina M., Sverchkov A., Chicherin I., Fomichev D., Schemelinin L., Cok L. Hydrodynamic parameters of air-cavity ship in a narrow fairway. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020; 1(391): 11-28 (in Russian).
Materials and methods. Numerical simulation intended to optimize hull lines. Experimental data were obtained in KSRC test tanks.
Main results. This research yielded new data on air cavity efficiency for a mixed-navigation (river/sea) carrier ship in deep water, open shallow water and restricted shallow-water channel. This paper also investigates the effect of air cavity upon ship maneuverability in both deep and shallow water.
Conclusion. The study shows that air cavities are a promising solution for mixed (river/sea) navigation vessels operating in inland waterways of the Western Europe. Recommended bottom profile reduces towing resistance by 14-20 % as compared to the basic ship with smooth hull lines. In terms of maneuverability, air-cavity ship is superior to the basic one in a number of aspects. Keywords: mixed (river/sea) navigation vessel, artificial cavity, numerical methods, model tests, extremely shallow water, shallow channel.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Introduction
Анализ современных тенденций в проектировании судов внутреннего и смешанного река-море плавания показывает устойчивое стремление как российских, так и зарубежных проектантов к увеличению общей полноты корпусов судов с целью повышения их грузовместимости и к упрощению обводов для повышения технологичности изготовления. Как следствие, увеличение полноты корпуса судна при сохранении его скорости неизбежно ведет к росту гидродинамического сопротивления, главным образом за счет волновой составляющей [1], а значит, и к возрастанию эксплуатационных расходов. Для сохранения экономической привлекательности эксплуатации таких судов судовладельцы вынуждены снижать скорость перевозок до 8,5-10 уз вместо 11-12 уз, как это было ранее, пока сверхполные суда не получили широкого распространения.
В этих условиях каждая новая исследовательская работа, направленная на получение экспериментальных данных о применении на судне внутреннего плавания средств энергосбережения, представляет большой научный и практический интерес, особенно в связи с тенденцией к существенному сокращению объема модельных испытаний российских проектируемых судов, а в ряде случаев -к полному отказу от них с целью экономии средств на проектные работы.
В настоящей статье представлены результаты всесторонних расчетных и модельных исследований, выполненных в Крыловском государственном научном центре (КГНЦ) применительно к судну-контейнеровозу внутреннего плавания с увеличенной полнотой корпуса, на котором экспериментально проверялась эффективность применения искусственной каверны в различных эксплуатационных условиях. Подробно особенности применения искусственных каверн на транспортных судах описаны в [2].
В рамках этой работы была выполнена численная оптимизация корпуса судна по CFD, подобрана профилировка днища для создания искусственной каверны, проведены обширные сопоставительные исследования гидродинамического сопротивления моделей судна с каверной и без нее в условиях глубокой воды, мелководья с различной относительной глубиной, а также в условиях узкого мелководного канала при различных значениях его глубины. Исследования проводились методом модельного эксперимента в опытовых бассейнах КГНЦ и численного моделирования на ЭВМ. Наряду с исследованием ходовых качеств судна были выполнены сопоставительные маневренные испытания, причем не только в условиях глубокой воды, но и на предельном мелководье.
Можно отметить, что систематические данные по влиянию мелководья, в особенности мелководного канала, на эффективность применения воздушной каверны в КГНЦ были получены впервые, так же как и экспериментальные данные по влиянию каверны на маневренные характеристики судна на глубокой воде и на мелководье.
Каждое из проведенных расчетных и экспериментальных исследований, причем судна как с каверной, так и без каверны, могло бы стать темой отдельной публикации. В данной статье основной упор сделан на исследование влияния каверны на гидродинамические характеристики судна в различных условиях его эксплуатации.
Главные параметры исследуемого судна
Main parameters of the ship under investigation
В качестве объекта исследований в описываемой работе была выбрана модель судна, предназначенного для контейнерных перевозок по западноевропейским внутренним водным путям. Проект судна разрабатывался итальянской компанией Navalprogetti S.r.l. в рамках исследовательского
Таблица 1. Главные размерения корпуса судна без каверны и его буксировочной модели Table 1. Main dimensions of full-scale ship and its model: no cavity
Условие загрузки Натурное судно Модель
Балласт в реке В грузу в реке Балласт в реке В грузу в реке
Длина максимальная, L, м 110,0 7,333
Ширина максимальная, B, м 11,4 0,760
Осадка, T, м 2,5 2,8 0,167 0,187
Длина по ватерлинии, LWL, м 109,50 109,80 7,300 7,320
Объемное водоизмещение, м3 2783,3 3152,2 0,8247 0,9340
Площадь смоченной поверхности, м2 1692,15 1764,7 7,521 7,843
Коэффициент общей полноты 0,892 0,900 0,892 0,900
Расчетная скорость на глубокой воде (Ей) 10,0 уз (0,157) 1,33 м/с
Расчетная скорость на мелководье и в канале (Ей) 5,0 уз (0,078) 0,66 м/с
проекта ACTIVE (Air Cavity Technology for Inland Vessels), финансируемого Европейским фондом регионального развития. Судно разрабатывалось с учетом ограничений, накладываемых условиями эксплуатации на судоходных реках Италии и на западноевропейской водной системе Рейн -Майн - Дунай: длина судна не более 120 м, ширина не более 11,45 м, допускаемая осадка не более 2,80 м.
Основные геометрические характеристики корпуса судна без каверны и его буксировочной модели, изготовленной в масштабе 1:15, представлены в табл. 1. Здесь же указаны проектные скорости и соответствующие им числа Фруда
Fn = V ЫgLWL ,
рассчитанные по длине корпуса по ватерлинии LWL.
Данный корпус судна отличается большим удлинением L/B, равным 9,65. Следует отметить, что относительное удлинение корпусов российских судов смешанного река-море плавания класса «Волго-Дон макс», у которых довольно хорошо изучены возможности создания на днище искусственных каверн [3], не превышает 8,3. Относительная ширина корпуса В/Т у исследуемого судна, напротив, меньше, чем у российских судов: 4,07 вместо 4,70. Указанные соотношения главных размерений приводят к необходимости создания узкой и длинной каверны, непривычной для отечественной практики проектирования. Поэтому разработанные ранее рекомендации по созданию ка-
верны требовали всесторонней проверки для данного случая.
Условия эксплуатации судна предполагают 95 % его ходового времени использовать на внутренних водных путях, остальное время -в морской прибрежной зоне. Заданные водоизмещения соответствовали балласту в реке, полной нагрузке в реке и полной нагрузке в море. При этом осадка в море отличалась от осадки в реке только за счет увеличения плотности морской воды. При выходе в море осадка судна уменьшалась с 2,80 до 2,738 м.
В качестве движительно-рулевого комплекса на судне планировалось установить два крыльча-тых движителя. Крыльчатый движитель является одним из лучших вариантов движителя для судна с каверной, поскольку не только обеспечивает хорошие маневренные качества, но и не боится попадания воздуха, уносимого из каверны. Более того, даже выход из воды верхней части лопастей практически не влияет на его пропульсивные качества. Это особенно важно для судна с каверной, поскольку в балластном переходе исчезает необходимость принимать дополнительный балласт, чтобы придавать судну дифферент на корму, как это приходится делать, чтобы обеспечить требуемое заглубление гребных винтов. Для повышения маневренных характеристик судно дополнительно оборудовано носовым подруливающим устройством туннельного типа с защитными решетками.
Численный анализ волнового сопротивления исходного корпуса, оптимизация корпуса по CFD
Numerical analysis of wave resistance for the initial hull and CFD optimization of hull lines
При оптимизации корпуса жесткие ограничения, накладываемые на грузовместимость судна при фиксированных габаритных размерах корпуса, позволяли вносить только небольшие изменения в геометрию оконечностей. Ввиду сложности решаемой задачи оптимизация выполнялась для судна без каверны, в предположении, что разработанные мероприятия будут не менее эффективными и при наличии на днище каверны. Расчеты каждого варианта проводились в два последовательных этапа:
сначала проходил расчет потенциального обтекания корпуса судна с учетом волнообразования по программе Ship Wave [4-6], а затем - расчет вязкого обтекания корпуса судна с использованием пакета OpenFOAM [7, 8], позволяющего прогнозировать такие эффекты, как разрушение подпорной волны и формирование застойной зоны за глубоко погруженным транцем при малой скорости движения.
На исходном варианте корпуса, разработанном компанией Navalprogetti S.r.l., требования гидродинамики были принесены в жертву требованиям технологичности изготовления корпуса. Особенностью исходного варианта корпуса являются полные носовые обводы с максимальным углом входа ватерлинии, значительное заглубление транца и «ломаные» скулы (рис. 1, вар. 1). Все эти особенности ведут к росту гидродинамического сопротивления.
а)
(Metres)
ПГГК I INF ДГ 4ЯПП mm FRDM R I
6.3 5.6 4.9 4.2 3.5 2.8 2.1 1.4 0.7
(Wet
(Metres)
0.7 1.4 2.1 2.8 3.5 4.2 4.9 5.6
0 IV 1-"f I ■ d=Li-----Пт ^ .Л £
piopiooiopioo^'iooinoiopiopiop r-~-in l/i^« iri
(Metfes)
Рис. 1. Исследованные варианты корпуса судна. Проекция «Корпус»:
а) вариант 1 (исходный);
б) вариант 2;
в) вариант 3
Fig. 1. Investigated variants of hull lines. Body plan:
a) Variant 1 (basic hull);
b) Variant 2;
c) Variant 3
Таблица 2. Результаты расчетов по CFD Table 2. CFD calculation results
Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3
Cjv-Ю3 5,02 3,78 4,12
На глубокой воде. Скорость натурного судна 10 уз (Би = 0,159) СруЮ3 2,02 0,82 1,14
CF103 3,00 2,96 2,98
Сг103 2,13 1,74 2,34
CJV'103 20,46 20,94 20,22
В канале (Н/Т = 1,2). Скорость натурного судна 5 уз (Би = 0,0795) Cpv'103 13,36 14,13 13,45
Cf103 7,10 6,81 6,77
Сг103 4,07 2,38 3,90
Можно утверждать, что исходный вариант корпуса не был оптимален с точки зрения гидродинамики.
Без сильных ухудшений технологичности обводов корпуса были внесены изменения, направленные на снижение сопротивления - заострены носовые ветви ватерлиний, сделана закругленная скула, заглубление транца приведено в соответствие со стандартными рекомендациями [9] (рис. 1, вар. 2). С целью оценки влияния этих изменений в программе ShipWave были выполнены расчеты коэффициента волнового сопротивления (СЦ) для нового варианта корпуса на глубокой воде.
Безусловно, внесенные изменения должны были отразиться не только на волновом сопротивлении, но и на вязкостной составляющей, поэтому были выполнены расчеты вязкого сопротивления без учета свободной поверхности. Были определены значения коэффициента сопротивления трения (О и коэффициента вязкого сопротивления давления (Сру), а следовательно, коэффициента полного вязкого сопротивления (Сту). Расчеты выполнялись
на глубокой воде при скорости VS, соответствующей 10 уз натурного судна, и в канале при относительной глубине воды H/T = 1,2 (Н - глубина воды, Т - осадка судна) и скорости, соответствующей 5 уз натурного судна (табл. 2).
Как видно из расчетов (табл. 2), предложенные изменения корпуса (вар. 2) дают на глубокой воде существенное снижение сопротивления. Но следует отметить, что согласно результатам расчетов вариант 2 на скоростях выше 5 уз касается кормой дна канала. Это связано со значительным уменьшением объемов в кормовой оконечности относительно исходного варианта. Поэтому в окончательном варианте корпуса (вар. 3) было реализовано промежуточное заглубление транца.
Непривычно высокие значения коэффициентов сопротивления, полученные при численном моделировании движения в канале, связаны с ускоренным потоком в зазоре между корпусом судна и стенками канала, а также со сложным вихревым течением в кормовой оконечности (рис. 2).
Рис. 2. Линии тока в кормовой оконечности судна в диаметральной плоскости:
а) вариант 1 (исходный);
б) вариант 2;
в) вариант 3
Fig. 2. Flow profile under the aft of the ship (at CL):
a) Variant 1 (basic hull);
b) Variant 2;
c) Variant 3
1 1
о эксперимент - расчет по ShipWave
M Г
—1 / 1
/
/
1 1
1
1
1 /
1
1
1
/ I
1
/ /•
/
/
/ —
у
о ** о г/
У-гг о СЛ
0 Fn 0, 05 0, 10 0, 15 0,
Cr-103 4,0
Y, град. 0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
эксперимент
------расчет по ShipWave
• расчет по OpenFOAM
0 Fn 0,05
I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I ' I 1
0 1 2 3 4 5 6 7
1 I 1 I 1 I 1 I 1
9 10 11 Vs,y3
AT, м 0
о эксперимент
---расчет по ShipWave
• расчет по OpenFOAM
4
0 Fn 0,05
0,20
0 1 2 3 4 5 6 7
9 10 11 Vs,уз
I ' I ' I 1 I 1 I 1 I ' I 1 I ' I ' I 1 I 1 I 1 I '
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Vs, уз
Рис. 3. Сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными Fig. 3. Numerical simulation results vs test data
Вариант 3 проигрывает варианту 2 по величине волнового и вязкостного сопротивления на глубокой воде, однако расчеты не прогнозируют для него касания дна канала. С учетом того, что судно должно безопасно эксплуатироваться в канале, причем в условиях экстремально малого просвета под днищем (20 % от осадки) и заполненности сечения канала (30 % поперечной площади канала занимает корпус), для экспериментальных исследований был выбран вариант 3.
На рис. 3 приведено сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными, полученными в глубоководном опытовом бассейне КГНЦ. Расчетная кривая остаточного сопротивления Ск получена обычным путем на основе полного сопротивления, которое в данном расчете найдено как сумма волнового сопротивления (расчет в программе SЫpWave) и полного вязкостного сопротивления на «доволновой» скорости при
числе Фруда Би = 0,0795 (расчет по программе р1еБ0ЛМ). Здесь же нанесена расчетная точка, полученная в программе ^егЭуМБоат из пакета ОреиБОЛМ, позволяющей моделировать вязкое обтекание корпуса с учетом свободной поверхности. Для учета ходовой посадки был разработан программный код, обеспечивающий расчет всплытия и дифферента в квазистационарной постановке. На двух других графиках рис. 3 приведены зависимости ходового дифферента ^ (положительное значение при дифференте на корму) и просадки судна АТ на миделе от скорости и числа Фруда.
У судов с полными носовыми обводами в носу формируется разрушающаяся волна. Расчет с учетом вязкости жидкости позволяет в определенной степени смоделировать этот процесс (рис. 4), в отличие от потенциальных методов. В целом, для расчета волнового сопротивления судов с полными обводами и глубоко погруженным транцем необхо-
димо использовать методы, в которых учитывается вязкость. Но для определения ходовой посадки достаточно более простых и экономных нелинейных панельных методов.
В настоящее время имеется очень ограниченный набор данных о характере обтекания корпуса судна в мелководном канале [9]. Для прояснения физики процессов, приводящих к качественным изменениям условий обтекания модели в условиях мелководного канала по сравнению с глубокой водой, было выполнено численное моделирование вязкого обтекания корпуса в канале с учетом влияния свободной поверхности. Расчеты выполнялись для случая фиксированной посадки корпуса. Тем не менее даже в усеченной постановке задачи результаты дают достаточно информации для анализа. Расчеты выполнялись для числа Фруда Би = 0,0795 (соответствует скорости 5 уз натурного судна). В результате была получена величина коэффициента остаточного сопротивления Ся = 45,76*10-3, что значительно лучше согласуется с экспериментом (Ся = 59,6*10"3), чем данные панельного метода, хотя и занижает сопротивление в связи с отсутствием в расчетах учета ходовой посадки.
Полученные по СББ результаты дают более глубокое понимание физических процессов, происходящих при движении судна в условиях ограниченного фарватера. При движении в канале перед судном формируется возвышение свободной поверхности - носовая подпорная волна, которая распространяется далеко вперед (рис. 5, см. вклейку). Вниз по потоку вдоль корпуса уровень свободной поверхности постепенно уменьшается к корме. Непосредственно в районе подъема кормовых ба-токсов образуется крутая кормовая волна. За кормой формируются кормовые поперечные волны, однако средний уровень воды за кормой ниже невозмущенного положения, т.е. судно толкает перед собой массу воды, а за кормой наблюдается разряжение - эффект «поршня». Физически данный процесс нестационарный, и периодически перед судном образуется одинарная волна «солитон», движущаяся быстрее судна и уносящая избыток жидкости [10]. В стационарной постановке такой эффект не моделируется. В кормовой оконечности судна формируется сложное вихревое течение, которое также нестационарное и приводит к формированию дорожки Кармана за транцем судна.
При профилировке днища судна с искусственной каверной в качестве исходных данных используется распределение давления по днищу корпуса. На рис. 6 (см. вклейку) приведено распределение
давления по днищу корпуса вдоль диаметральной плоскости на глубокой воде и в канале, полученное различными расчетными методами.
Как видно из рис. 6, независимо от выбора метода расчета распределение коэффициента давления на глубокой воде вдоль большей части корпуса получается одинаковым, только в кормовой части днища и на килевой коробке учет вязкости сглаживает пики на кривой. На транце в расчетах по панельному методу давление не восстанавливается в той мере, что и в расчетах по ЯЛ^-методам, т.е. завышается сопротивление - это и наблюдалось в данных расчетах по панельному методу.
Распределение давления по днищу на судне, движущемуся в канале, сильно различается в зависимости от метода расчета. В расчетах при движении судна в канале вдоль всего днища формируется зона пониженного давления, что связано с ускорением потока в зазоре у дна канала. Учет вязкости позволяет моделировать формирование пограничного слоя на корпусе и дне канала; за счет толщины вытеснения поток вне пограничного слоя ускоряется и разряжение усиливается. Все это ведет к уве-
Рис. 4. Моделирование разрушения носовой волны Т = 2,8 м, \/s = 10 уз (Fn = 0,159) (надводный борт модели увеличен по сравнению с натурным судном):
a) расчет по ShipWave; б) расчет по OpenFOAM; в)эксперимент
Fig. 4. Simulation of bow wave disintegration. Т = 2.8 m, \/s =10 kts (Fn = 0.159), model freeboardtaller than in full scale: a) calculation in ShipWave;
b) calculation in OpenFOAM; c) experiment
Рис. 7. Сечение миделя судна с рецессом при его стоянке в доке
Fig. 7. Midship section of the ship with bottom cavity installed on docking blocks
личению просадки судна в канале по сравнению с условиями глубокой воды. Совместный учет вязкости и влияния свободной поверхности дает большее разряжение на днище, повторяя особенности свободной поверхности вдоль корпуса. Сильное разряжение в кормовой оконечности приводит к дифференту на корму.
Буксировочные испытания на глубокой воде
Towing tests in deep water
Для проведения буксировочных испытаний была изготовлена модель корпуса судна, основные характеристики которой приведены в табл. 1. При выборе носовых и кормовых обводов корпуса модели были учтены все рекомендации, полученные в результате выполненных расчетов.
Для получения исходной информации о величине буксировочного сопротивления вначале были проведены испытания модели базового судна, име-
ющего гладкие обводы днища. Модель прошла испытания при трех водоизмещениях, соответствующих полной нагрузке в море, полной нагрузке в реке и балласту в статическом положении на ровный киль в диапазоне скоростей, соответствующих скоростям натурного судна от 2,3 до 12,4 уз (числа Фруда от 0,036 до 0,195). Испытания проводились в глубоководном опытовом бассейне КГНЦ.
После завершения программы испытаний модели базового судна в соответствии с численным исследованием распределения давления по днищу судна были разработаны теоретические чертежи корпуса судна с днищевым рецессом. Сечение миделя судна с рецессом и загруженными контейнерами схематично изображено на рис. 7.
Воздух в каверну подавался в равных объемах в носовой части каждой продольной секции ре-цесса. Величина расхода была назначена по опыту проведения подобных испытаний и составила 1 л/с (по 0,5 л/с в каждую продольную секцию).
Как показали предварительные испытания, существенным фактором для снижения сопротивления является корректный выбор длины рецесса и его расположения на корпусе. Каверна должна располагаться в более равномерном поле гидродинамических давлений, даже если для этого необходимо сократить длину рецесса, как в носовой, так и в кормовой частях. Это позволяет уменьшить амплитуду волнового профиля каверны и расширить диапазон скоростей, при которых она сохраняет устойчивость.
Основные размерения принятого варианта рецесса приведены в табл. 3. В случае полного отсут-
Таблица 3. Основные размерения рецесса в днище Table 3. Bottom recess: main dimensions
Натурное судно Модель
Длина, м 72,68 4,845
Ширина, м 9,75 0,650
Глубина, м 0,40 0,027
Площадь, м2 708,6 (40,2 %) 3,149
м 0,02
0
Рис. 8. Профиль волны в днищевом рецессе (нос расположен справа)
Fig. 8. Wave profile in bottom recess (looking aft)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 № шпангоута
Таблица 4. Параметры поперечных козырьков для днищевого рецесса Table 4. Parameters of bottom recess vizors
№ поперечного козырька Отстояние задней кромки козырька от редана, м Расстояние между задними кромками соседних козырьков, м Длина козырька, м Высота козырька, м
1 4,96 - 1,2 0,12
2 18,46 13,50 1,2 0,12
3 33,76 15,30 1,2 0,12
4 49,06 15,30 1,2 0,12
5 61,51 12,45 1,2 0,12
ствия воздуха в днищевом рецессе при сохранении водоизмещения статическая осадка судна увеличивалась на 0,260 м.
Профиль волны, измеренный электромеханическим датчиком на скорости, соответствующей 10 уз, приведен на рис. 8.
По результатам замеров было выбрано количество и расположение козырьков по длине рецесса. На рис. 8 козырьки изображены в виде черных треугольников. Абсцисса задних кромок и длина козырьков определялись из условия их размещения по касательной к обратным склонам волнового профиля каверны при заданном значении высоты козырьков (отстоянии задней кромки от днища рецесса). Параметры поперечных козырьков в масштабе натурного судна приведены в табл. 4. Все козырьки имеют прямоугольную форму в плане и размещаются перпендикулярно диаметральной плоскости судна. Модель с установленными козырьками показана на рис. 9.
Модель с днищевым рецессом испытывалась при тех же трех водоизмещениях, что и модель базового судна. Дополнительно при полной нагрузке в реке были проведены буксировочные испытания при четырех значениях статического угла дифферента, соответствующих разнице осадок носом и кормой ±0,20 и ±0,40 м (в масштабе натурного судна), а также при значениях статического угла крена 1 и 2 градуса. Скорости буксировки модели были выбраны в том же диапазоне скоростей хода
натурного контейнеровоза, что и для базового судна, от 2,3 до 12,5 уз. Днище модели, сфотографированное из-под воды на скорости, соответствующей 5 уз, показано на рис. 10, где отчетливо видны волны на поверхности каверны.
Как показали испытания на глубокой тихой воде, подобранные размеры рецесса при любом варианте загрузки судна обеспечивают создание и сохранение каверны во всем расчетном диапазоне
Рис. 9. Модель с днищевым рецессом Fig. 9. Photo of the model with bottom recess
скоростей движения при допустимых значениях начального крена и дифферента. При этом каверна покрывает практически всю площадь рецесса.
Величина снижения буксировочного сопротивления, пересчитанная на натурное судно с помощью методики, изложенной в [11], для трех значений нагрузки при статическом положении корпуса на ровный киль без крена приведена в табл. 5.
Отсутствие статического крена и дифферента является оптимальной посадкой судна с каверной. Наличие статического крена до 2 градусов на скорости 5 уз не приводит к изменению сопротивления судна, но на скорости 10 уз крен начинает оказывать негативное воздействие на величину эффекта от применения каверны. Статический дифферент в пределах разницы осадок носом и кормой до ±0,40 м хотя и не приводит к разрушению единой
каверны, но является причиной некоторого роста сопротивления.
Также по результатам буксировочных испытаний модели с воздушной каверной на глубокой воде можно сделать вывод о том, что использование устройства без подачи воздуха приводит к значительному увеличению буксировочного сопротивления - это говорит о недопустимости эксплуатации судна в таком режиме. На случай выхода из строя воздуходувки для подачи воздуха в каверну необходимо иметь на борту резервную воздуходувку. С другой стороны, рост сопротивления позволяет уменьшить выбег судна в случае экстренного торможения, для чего нужно предусмотреть возможность быстрого стравливания воздуха из-под днища.
Испытания на мелководье
Shallow-water tests
Движение исследуемого судна в условиях мелководья является одним из основных режимов его эксплуатации. Для определения влияния относительной глубины воды H/T на величину сопротивления и ходовую посадку модели в мелководном опыто-вом бассейне КГНЦ был выполнен комплекс буксировочных испытаний в условиях мелководья при четырех выбранных значениях относительной глубины воды: H/T = 1,2; 1,4; 1,6; 1,8. По их результатам найдены зависимости для величин буксировочного сопротивления RT, угла ходового дифферента и относительного изменения осадки на миделе.
Если при испытаниях модели на глубокой воде определяющим является измерение буксировочного сопротивления, а всплытие и дифферент играют второстепенную роль, то при испытаниях на мелководье и тем более в мелководном канале просадка модели и ее ходовой дифферент являются не менее важными параметрами, поскольку от них зависит величина зазора kV между корпусом и дном водоема. Именно величина зазора определяет безопасные режимы плавания судна и ограничивает максимальную безопасную скорость его движения.
Испытания модели на мелководье проводились при одном водоизмещении - в грузу в реке. Минимальная скорость буксировки соответствовала 2,25 уз (Fn = 0,036). Максимальная скорость определялась в ходе испытаний для каждого значения Н/Т и ограничивалась либо условиями безопасности проведения испытаний (наличием контакта модели с дном бассейна), либо исходя из предельной величины буксировочного сопротивления. При испытаниях модели с каверной расход подаваемого
Таблица 5. Снижение буксировочного сопротивления судна с каверной в процентах по отношению к сопротивлению базового судна
Table 5. Towing resistance gain offered by the air cavity as percentage of basic ship resistance
Ско- ART, %
рость, Уз Балласт В грузу в реке В грузу в море
5 20,1 17,0 18,5
6 20,5 17,0 18,1
7 20,6 18,1 18,8
8 18,7 17,4 17,9
9 16,6 15,0 15,9
10 15,2 14,1 15,1
11 14,4 12,4 13,3
Рис. 10. Днище модели на скорости 5 уз. Нос модели расположен справа вверху
Fig. 10. Underwater photo of model bottom (looking aft). Speed 5 knots full-scale
воздуха был принят таким же, как при испытаниях модели на глубокой воде 1 л/с (по 0,5 л/с в каждую продольную секцию каверны).
Результаты буксировочных испытаний моделей в условиях мелководья, пересчитанные на натурные условия, представлены на рис. 11 (см. вклейку) в виде зависимости величины буксировочного сопротивления RT от скорости судна VS. Для сравнения на этом графике приведены результаты пересчета сопротивления на глубокой воде. Видно, что каверна снижает буксировочное сопротивление в диапазоне от минимальной до некоторой скорости (обозначим ее VS0 - скорость равного сопротивления или скорость нулевого эффекта), значение которой зависит от глубины воды. При увеличении скорости выше VS0 сопротивление судна с каверной становится больше, чем сопротивление базового судна.
Основные результаты по эффективности применения каверны на контейнеровозе в условиях открытого мелководья приведены в табл. 6, где снижение сопротивления судна ART дается в процентах относительно сопротивления базового судна с исходным корпусом в диапазоне скоростей 310 уз. Знак «минус» означает увеличение сопротивления. В нижней строке таблицы указана скорость судна VS0, при которой каверна перестает снижать буксировочное сопротивление.
При относительной глубине Н/Т = 1,2 эффект от применения каверны практически отсутствует, при скорости выше 5,5 уз сопротивление судна с каверной больше сопротивления базового судна. Следует отметить, что согласно спецификации расчетная эксплуатационная скорость судна в условиях предельного мелководья не должна превышать 5 уз.
По итогам испытаний на мелководье можно заключить, что и для судна с каверной, и для судна без нее характерен рост сопротивления с уменьшением глубины воды. Кроме того, уменьшение глубины приводит к увеличению дифферента на нос и увеличению осадки на миделе, которые возрастают вместе со скоростью. Наличие каверны не оказывает существенного влияния на величину ходового дифферента и просадку судна. Контакт корпуса с дном водоема возможен в носовой оконечности судна. В условиях предельного мелководья эффект снижения буксировочного сопротивления судна в результате применения каверны с уменьшением глубины воды постепенно падает.
Для сравнения величин минимального относительного ходового зазора между корпусом и дном бассейна, полученных в процессе модельных испытаний, на рис. 12 представлены графики зависимо-
Таблица 6. Снижение сопротивления судна ART от применения каверны при движении на мелководье
Table 6. Resistance gain ART offered by the air cavity: shallow water
Vs, уз ■ ART, %
H/T = 1,8 H/T = 1,6 H/T = 1,4
3 16,1 7,4 4,2
4 16,6 9,6 6,0
5 16,8 10,9 7,0
6 16,0 9,8 5,9
7 14,7 8,3 3,3
8 13,0 4,9 -1,5
9 7,6 -6,2 -
10 -9,2 - -
Vso, уз 9,7 8,7 8,0
стей kV = /(Fn) для базового судна и судна с воздушной каверной в условиях мелководья. Как видно из рисунка, на мелководье при всех рассмотренных значениях H/T ходовой зазор судна с воздушной каверной при малых скоростях несколько больше, чем у базового, и только когда скорость начинает значительно превышать спецификацион-ную, он становится меньше.
kV
0,8
0,6
0,4
0,2
—
АД . ViL
■ ~ S N 4 m *4 э
vi чд
2 4 6
Базовое судно Судно с каверной
10 VS, уз
—о- -—О- -
--V--
H/T = 1,8 H/T = 1,6 H/T = 1,4 H/T = 1,2
Рис. 12. Зависимости относительного ходового зазора базового судна и судна с воздушной каверной от скорости в условиях мелководья
Fig. 12. Relative running bottom clearance of the basic ship and the air-cavity ship versus speed. Shallow water
Ввиду особенностей измерения ходового дифферента и изменения осадки модели на ходу, в процессе которых показания датчиков усредняются за заданный промежуток времени, критичной с точки зрения опасности контакта корпуса с дном водоема следует считать величину относительного зазора kV < 0,05. В масштабе натурного судна эта величина соответствует 0,14 м.
Испытания
в мелководном канале
Tests in shallow channel
Для проведения буксировочных испытаний моделей в мелководном канале на дне мелководного опытового бассейна КГНЦ был установлен макет канала с наклонными стенками. Ширина макета у основания составляла 1,67 м (25 м в масштабе натуры), наклон стенок канала - 53°, общая длина -100 м (1500 м в масштабе натуры). На рис. 13 показан макет канала перед испытаниями при отсутствии воды в чаше бассейна.
Буксировочные испытания моделей в мелководном канале проводились при тех же значениях осадок и относительной глубины воды, что и в описанных выше испытаниях моделей в условиях открытого мелководья: H/T = 1,2; 1,4; 1,6; 1,8. В случае модели с каверной расход подаваемого воздуха составлял 1 л/с. Измерялись буксировочное сопротивление, угол ходового дифферента и относительное изменение осадки на миделе.
Зависимости величины буксировочного сопротивления RT базового судна и судна с каверной от скорости VS, пересчитанные на натурные условия
для мелководного канала, представлены на рис. 14 (см. вклейку); здесь же для сравнения приведены результаты пересчета сопротивления натурного судна на глубокой воде. Из графика видно, что буксировочное сопротивление моделей в мелководном канале существенно возросло по сравнению с аналогичными зависимостями, полученными при испытаниях на открытом мелководье. Диапазон скоростей эффективного применения каверны значительно сузился. Справедливости ради следует отметить, что верхний предел достижимой скорости также стал значительно ниже. Кроме того, качественно изменился ходовой дифферент моделей, которые в условиях канала стали диффе-рентоваться на корму, в то время как на открытом мелководье они дифферентовались на нос. Изменился и характер зависимостей для относительного увеличения осадки на миделе: в условиях канала влияние относительной глубины воды выражено сильнее. Такой эффект прогнозировался при численном моделировании по анализу распределения давления по днищу судна в условиях мелководного канала (рис. 6)
В табл. 7 сведены основные результаты по эффективности применения каверны на контейнеровозе в мелководном канале. Снижение сопротивления судна АЯТ с каверной дается в процентах относительно сопротивления базового судна в диапазоне скоростей 3-6 уз. В нижней строке таблицы указана скорость судна У$0, при которой каверна перестает снижать буксировочное сопротивление.
Как видно из представленных результатов, при движении в мелководном канале эффект снижения буксировочного сопротивления модели в результате применения каверны хотя и значительно выше, чем на открытом мелководье и на глубокой воде, но проявляется в более узком диапазоне скоростей буксировки модели. Причем с уменьшением глубины воды величина эффекта падает, а верхняя граница этого диапазона перемещается в сторону меньших скоростей.
Результаты модельных испытаний подтвердили прогнозы численного моделирования о качественном изменении характера обтекания судна в условиях мелководного канала по сравнению с глубокой водой и условиями открытого мелководья. В процессе буксировочных испытаний в мелководном канале наблюдались следующие эффекты. ■ При увеличении скорости движения моделей
до значений, соответствующих числу Фруда
по глубине Би Н = V / = 0,5 и выше, вбли-
Рис. 13. Общий вид макета канала перед испытаниями
Fig. 13. General view of the channel prior to tests
зи кормового транца формируется поперечная волна с разрушающейся вершиной (рис. 15, см. вклейку).
■ В следе за моделью наблюдается вихревая дорожка Кармана. При уменьшении глубины канала интенсивность вихрей увеличивается (рис. 16, см. вклейку), и в условиях предельного мелководья с относительной глубиной HIT = 1,2 вихри вызывают рывки кормы модели в поперечном направлении и бортовую раскачку модели.
■ При увеличении скорости движения моделей в условиях канала с предельным мелководьем был отмечен контакт кормовой оконечности корпуса модели с дном бассейна. На модели базового судна это произошло при относительной глубине HIT = 1,2 и скорости движения VM > 0,65 м/с, соответствующей скорости натурного судна VS > 4,9 уз. На модели с воздушной каверной контакт с дном был зафиксирован при HIT = 1,2 и VM > 0,6 м/с (скорость натурного судна VS > 4,5 уз), а также при HIT = 1,4 и VM > 0,85 м/с (скорость натурного судна VS > 6,4 уз).
■ В канале достижимая скорость снижается как минимум в 1,5 раза по сравнению с движением на открытом мелководье.
На рис. 17 для условий мелководного канала представлен график зависимостей величин минимального относительного ходового зазора между корпусом и дном бассейна kV = /(Fn) для базового судна и судна с воздушной каверной. В условиях движения в мелководном канале клиренсы базового судна и судна с воздушной каверной практически совпадают.
Маневренные испытания
Maneuvrability tests
Все маневренные испытания транспортных судов с каверной, которые были выполнены в КГНЦ к моменту начала настоящей работы, не ставили своей задачей получение сопоставительных экспериментальных данных по влиянию искусственной каверны на характеристики управляемости и маневренности. Их основной целью являлась формальная проверка того, удовлетворяют ли эти характеристики требованиям IMO (Международной морской организации) [12]. Поскольку испытания базовых судов (с гладким днищем) не проводились, то единственной дополнительной информацией, которую можно было получить в ходе маневренных
Таблица 7. Снижение сопротивления судна ART в мелководном канале
Table 7. Resistance gain ART of air-cavity ship in shallow channel
Vs, уз ARt, %
H/T = 1,8 H/T = 1,6 H/T = 1,4 H/T = 1,2
3,0 27,6 22,3 18,1 18,9
3,5 30,2 25,3 21,9 18,1
4,0 33,9 28,2 13,4 6,4
4,5 34,6 27,6 -7,0 -21,7
5,0 29,6 21,2 -17,6 -
5,5 13,4 0,1 - -
6,0 -4,0 -11,9 - -
Vso, уз 5,9 5,5 4,4 4,1
испытаний судна с каверной, было то, как изменяется поведение модели в случае прекращения подачи воздуха [13].
В отличие от всех предыдущих исследований главной целью модельных испытаний исследуемого контейнеровоза в маневренно-мореходном бассейне стало сопоставление характеристик управляемости и маневренности базового судна и судна с искус-
кг 0,8 0,6 0,4 0,2
0 2 4 6 VS, уз
Базовое судно Судно с каверной
-■--—□— H/T = 1,8
—•— —О- — H/T = 1,6
—*— --Д-- H/T = 1,4
—*— --Ч-- H/T = 1,2
Рис. 17. Зависимости относительного клиренса базового судна и судна с воздушной каверной от скорости при движении в условиях мелководного канала
Fig. 17. Relative clearance of the basic ship and air-cavity ship versus speed. Shallow-water channel
ственной каверной на переднем и заднем ходу как на глубокой воде, так и на мелководье при относительной глубине воды Н/Т = 1,4.
Для проведения маневренных испытаний была специально изготовлена автономная радиоуправляемая модель судна в масштабе 1:20. Длина модели составляла 5,5 м, ширина - 0,57 м, осадка в варианте базового судна - 0,14 м, водоизмещение - 0,394 м3. В днище модели был сделан рецесс, идентичный по своей компоновке и расположению рецессу на модели, использовавшейся при буксировочных испытаниях. Для испытаний модели в варианте базового судна рецесс закрывался плоским пенопластовым вкладышем. При подготовке модели к испытаниям были обеспечены соответствующие натурному судну посадка модели, начальная поперечная метацен-
трическая высота и момент инерции массы модели относительно вертикальной оси.
Движительно-рулевой комплекс судна включал два крыльчатых движителя и одно носовое подруливающее устройство (НПУ), обеспечивающее максимальный упор 2,69 Н, соответствующий 21,5 кН в масштабе натуры. Кормовая часть модели с установленными крыльчатыми движителями показана на рис. 18.
Скорость полного переднего хода на глубокой воде была назначена Ум = 1,15, на мелководье Ум = 0,57 м/с (10 и 5 уз соответственно, в масштабе натурного судна). Скорость заднего хода на глубокой воде - Ум = 0,7, на мелководье - Ум = 0,35 м/с (6 и 3 уз соответственно, в масштабе натурного судна). Воздух в каверну накачивался компрессором, расположенным внутри модели. Места подачи воздуха были размещены в обеих продольных секциях вблизи поперечного редана. Из-за уменьшения размеров модели расход воздуха был снижен до
0.4 л/с (по 0,2 л/с в каждую продольную секцию). Программа исследований была одинаковой для
базового судна и судна с каверной и включала следующие модельные испытания:
■ испытания по определению параметров установившейся циркуляции на переднем и заднем ходу на глубокой воде (при одной посадке, одной скорости переднего и одной скорости заднего хода);
■ испытания в соответствии с правилами 1МО на глубокой воде по определению поворотливости, начальной поворотливости, маневра «зигзаг» 10°/10° и 20°/20°;
■ оценка управляемости судна на глубокой воде с использованием НПУ и крыльчатых движителей при швартовке: определение скорости разворота судна на месте и скорости движения лагом;
■ испытания по определению параметров установившейся циркуляции на мелководье, на переднем и заднем ходу (при одной посадке, одной скорости переднего и заднего хода).
Модель с каверной, сфотографированная во время маневренных испытаний при движении передним ходом на мелководье, показана на рис. 19.
Результаты маневренных испытаний позволили сделать следующие основные выводы.
1. При движении передним ходом со скоростью 10 уз на глубокой воде базовое судно и судно с каверной устойчивы при прямолинейном движении. Диаметр установившейся циркуляции базового судна при угле поворота вектора
Рис. 19. Маневренные испытания модели с каверной на мелководье
Fig. 19. Shallow-water maneuvrability tests of the model with air cavity
Рис. 18. Кормовая часть модели с установленными крыльчатыми движителями
Fig. 18. Model stern with installed cyclorotors
X,m
б)
Y, m
Рис. 20. Испытания на поворотливость на скорости хода 10 уз, при перекладке движителей на 35° правого борта: а) базовое судно; б) судно с каверной
Fig. 20. Turning circle diagrams: speed 10 kts, propulsor turning angle 35° starboard: a) basic ship; b) air-cavity ship
тяги 5 = 35° составляет 1,60 длины корпуса, у судна с каверной диаметр установившейся циркуляции уменьшается до 1,06 длины корпуса. Крен на установившейся циркуляции у базового судна не превышает 1,5°, у судна с каверной не превышает 2°. Увеличение крена у судна с каверной обусловлено не наличием каверны, а значительно меньшим радиусом циркуляции. При углах поворота вектора тяги меньше 35° диаметр установившейся циркуляции у судна с каверной также значительно меньше, чем у базового судна. Траектории движения судна при выполнении маневра приведены на рис. 20.
2. При движении задним ходом со скоростью 6 уз на глубокой воде у обоих судов диаметр установившейся циркуляции при угле поворота вектора тяги 5 = 35° примерно одинаков и составляет около 1,6 длины корпуса, а крен не превышает 1,0°. Однако базовое судно при входе в циркуляцию одного борта не может быть выведено из нее перекладкой движителей на 35° противоположного борта. Для выхода из циркуляции ему необходима помощь НПУ. Судно с каверной, напротив, выводится из циркуляции
только перекладкой движителей на 35° противоположного борта без помощи НПУ.
3. Результаты испытаний маневра «зигзаг» 10°I10° и 20°I20° на глубокой воде для базового судна и судна с каверной показывают, что углы за-рыскивания с большим запасом удовлетворяют нормам IMO.
4. Скорость движения лагом и скорость поворота на месте базового судна и судна с каверной на глубокой воде одинаковы. Скорость движения лагом составляет для модели VM = 0,152 м!с и VS = 1,32 уз для натурного судна. Скорость поворота на месте равняется 6,5° в секунду для модели и 1,4° в секунду для натурного судна.
5. Диаметр установившейся циркуляции при движении передним ходом со скоростью 5 уз на мелкой воде (HIT = 1,4) при 5 = 35° составляет около 1,75 длины корпуса для базового судна и 1,78 для судна с днищевой каверной. Крен судна на установившейся циркуляции не превышает 1°. Судно устойчиво при прямолинейном движении. При 5 < 35° диаметр установившейся циркуляции у судна с каверной существенно меньше, чем у базового судна.
6. При движении задним ходом со скоростью 3 уз на мелкой воде оба судна обладают устойчивостью прямолинейного движения. Диаметр установившейся циркуляции при угле поворота вектора тяги 5 = 35° составляет около 6,9 длины корпуса для базового судна и 4,7 для судна с каверной. Крен судна на установившейся циркуляции не превышает 1°. Сопоставление результатов испытаний судна с каверной и без нее на переднем ходу при движении на глубокой воде и на мелководье представлено на рис. 21 (см. вклейку) в виде зависимости относительного диаметра установившейся циркуляции D базового судна и судна с каверной от угла перекладки движителей 5.
По результатам выполненных исследований можно утверждать, что все определенные в результате испытаний маневренные характеристики базового судна и судна с каверной удовлетворяют требованиям IMO. При этом по целому ряду характеристик судно с каверной превосходит базовое судно.
Заключение
Conclusion
На основании результатов расчетов, выполненных с использованием программных комплексов Ship-Wave и OpenFOAM, выбран вариант формы обводов корпуса, оптимальный с точки зрения движения судна на глубокой воде и в мелководном канале, а также спроектирована оптимальная геометрия днищевой выемки. Согласно результатам расчетов оптимизация обводов корпуса позволит снизить сопротивление судна при движении на глубокой воде со скоростью 10 уз на 18 %.
В результате всесторонних экспериментальных исследований рассмотрено влияние искусственной каверны на ходовые и маневренные характеристики судна, предназначенного для осуществления контейнерных перевозок по внутренним водным путям Западной Европы. Рекомендованная профилировка днища обеспечивает в диапазоне эксплуатационных скоростей снижение буксировочного сопротивления при движении судна на глубокой воде на 1420 % по сравнению с базовым судном, имеющим гладкие обводы корпуса после оптимизации.
В ограниченном диапазоне скоростей эффект снижения буксировочного сопротивления в результате применения воздушной каверны сохраняется при движении как на мелководье, так и в условиях мелководного канала. С уменьшением глубины
воды эффективность воздушной каверны падает и практически отсутствует в условиях предельного мелководья при Н/Т = 1,2. При движении в мелководном канале данный эффект наблюдается в существенно более узком диапазоне скоростей буксировки модели, но этот диапазон практически соответствует эксплуатационным скоростям хода.
Все определенные в результате испытаний маневренные характеристики базового судна и судна с каверной удовлетворяют требованиям 1МО. При этом по целому ряду наиболее важных характеристик судно с каверной превосходит базовое судно.
Библиографический список
1. Сверчков А.В., Щемелинин Л.Г. Гидродинамические аспекты повышения полноты обводов судов смешанного река-море плавания // Труды Крылов-ского государственного научного центра. 2017. Вып. 1(379). С. 26-35.
2. Сверчков А.В. Исследования в области применения искусственных каверн для снижения гидродинамического сопротивления судов // Академик А.Н. Крылов. К 150-летию со дня рождения: сборник статей. Санкт-Петербург: Крыловский гос. научный центр, 2013. С. 65-82.
3. Горбачев Ю.Н., Буянов А.С., Сверчков А.В. Перспективный способ совершенствования конструкции судов внутреннего и смешанного река-море плавания // Речной транспорт (XXI век). 2014. № 6. С. 28-34.
4. Клубничкин А.М., Тимошин Ю.С., Чичерин И.А. Расчет нелинейных корабельных волн панельным методом // Проблемы практического прогнозирования сопротивления воды движению судов. Сборник статей к 100-летию со дня рождения И.В. Гирса. Санкт-Петербург: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2002. С. 32-59.
5. Chicherin I., GalushinaM. The abilities of SHIPWAVE software for investigation of wave tasks of hydrodynamics // Proc. of 10th International Conference on Hydrodynamics (ICHD 2012). St. Petersburg: Krylov Shipbuilding Research Institute, 2012. P. 32-33.
6. Chicherin I., Pustoshny A. A Study on the estimation of ship wave interaction with the sloping banks of the channel // Journal of Shipping and Ocean Engineering. 2012. Vol. 2, № 3. P. 165-174.
7. The Open Source CFD Toolbox [Electronic resource]: User Guide / OpenCFD, Ltd. // Open-FOAM: [official website]. URL: https://www.openfoam.com/ documentation/user-guide/ (ac-cessed 20.12.2019).
8. Jasak H. Error analysis and estimation for the finite volume method with applications to fluid flows: Thesis ... Doctor of Philosophy / H. Jasak; [Imperial College, Univ. of London]. London, 1996. 394 p.
1^0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Рис. 5. Вид волновой поверхности при движении в канале Н/Т = 1,2. l/s = 5 уз. Hw, м - возвышение свободной поверхности относительно невозмущенного положения для натуры вдоль диаметральной плоскости
Fig. 5. View of wave surface. Movement in channel. H/T = 1.2. l/s = 5 kts.
H,„ - full-scale elevation, m, of the free surface above undisturbed level at centerline
CP 0,8 0,6-0,4-0,2 0-1 -0,2 -0,4
Ср-2-(р-роУ(рГ^ без учета вязкости
-по программе 5Ыр\\'ауе, свободная посадка
по 11А№ методу с учетам вязкости
---с учетом свободной поверхности, фиксированная посадка
— . — дублированный корпус
т
"Г
0 2 4 6 8 10 12 14 № шпангоута
С, 2 0
-1 -2 -3 -4 -5
Ср = 2(р-р0)/(рУ2) без учета вязкости -по программе БЫрШауе, свободная посадка по ЯАЫБ методу с учетом вязкости --— с учетом свободной поверхности, фиксированная посад — • — дублированный корпус <а у
А / 1 м— /
гг -- /
_
г»
' 1
1 ' /
\ ,
0
8 10 12 14 № шпангоута
а) 6)
Рис. 6. Распределение давления по днищу корпуса вдоль диаметральной плоскости: а) на глубокой воде, l/s = 10 уз, Т = 2,8 м; б) в канале Н/Т = 1,2, Vs = 5 уз; Т = 2,8 м. Носовая оконечность расположена справа
Fig. 6. Pressures on hull bottom (from stern to bow, along CL):
a) deep water, Vs = 10 kt, T = 2.8 m; b) channel, H/T = 1.2, l/s = 5 kt; T= 2.8 m. Bow is on the right
RT, kH
200 -
Рис. 11. Зависимости буксировочного сопротивления RT базового судна и судна с воздушной каверной от скорости l/s при различной относительной глубине воды Н/Т
Fig. 11. Towing resistance RT of basic ship and air-cavity ship vs speed l/s at different H/T
Ks, уз
3 4 5 6 7 Vs, уз
Рис. 14. Зависимости буксировочного сопротивления RT базового судна и судна с каверной от скорости l/s при различной относительной глубине воды Н/Т в канале
Fig. 14. Towing resistance RT vs speed l/s of the basic ship and air-cavity ship in the channel at different H/T ratios
Рис. 15. Поперечная волна вблизи транца при движении модели в канале
Fig. 15. Transverse wave near model transom
Рис. 16. Вихревая дорожка Кармана за моделью, движущейся по каналу
Fig. 16. Von Karman street in the model wake
Рис. 21. Зависимость относительного диаметра установившейся циркуляции базового судна и судна с каверной от угла перекладки движителей на глубокой воде и на мелководье при движении передним ходом
Fig. 21. Basic ship and air-cavity ship: relative diameter of steady turning circle versus propulsor deflection angle in shallow and deep water. Ahead running
--базовое судно, мелкая вода
-----базовое судно, глубокая вода
--судно с днищевой каверной, мелкая вода
-----судно с днищевой каверной, глубокаявода
9. Справочник по теории корабля: В 3 т. Т. 1. Гидромеханика. Сопротивление движению судов. Судовые движители / [Я.И. Войткунский и др.]. Ленинград: Судостроение, 1985. 764 с.
10. AlamM.-R., Mei C.C. Ships advancing near the critical speed in shallow channel with a ran-domly uneven bed // Journal of Fluid Mechanics. 2008. Vol. 616. P. 397-417. DOI: https://doi.org/10.1017/S0022112008004035/.
11. Сверчков А. В., Горбачев Ю.Н. Пересчет с модели на натуру результатов испытаний водоизмещающих судов с единой воздушной каверной на днище // Труды Крыловского государственного научного центра. 2015. Вып. 90(374). С. 87-102.
12. Стандарты маневренных качеств судов: резолюция MSC.137(76): [утв. 5 дек. 2002 г.] // Сборник № 21 резолюций ИМО. Санкт-Петербург: ЦНИИМФ, 2003. С. 32-47.
13. АфанасовЕ.Н. Экспериментальное исследование управляемости крупнотоннажного танкера с днищевой воздушной каверной // Конференция молодых ученых и специали-стов: тезисы докладов. Санкт-Петербург: Крыловский гос. научный центр, 2015.
References
1. А. Sverchkov, L. Shchemelinin. Hydrodynamic aspects of hull fullness for sea/river vessels // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017. Issue 1(379). P. 26-35 (in Russian).
2. A. Sverchkov. Application of artificial cavities for hydrodynamic resistance mitigation of ships // To the 150th Anniversary of Academician A. Krylov. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2013. P. 65-82 (in Russian).
3. Yu. Gorbachev, A. Buyanov, A. Sverchkov. A promising way of improving designs of inland and mixed (river-sea) navigation vessels // River transport (XXIst century). 2014. No. 6. P. 28-34 (in Russian).
4. A. Klubnichkin, Yu. Timoshin, I. Chicherin. Panel-based calculation of non-linear ship waves // In: Challenges in practical resistance predictions for ships. Compendium of papers to commemorate the 100th anniversary of I. Girs. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2002. P. 32-59 (in Russian).
5. I. Chicherin, M. Galushina. The abilities of SHIPWAVE software for investigation of wave tasks of hydrodynamics // Proc. of 10th International Conference on Hydrodynamics (ICHD 2012). St. Petersburg: Krylov Shipbuilding Research Institute, 2012. P. 32-33.
6. I. Chicherin, A. Pustoshny. A Study on the estimation of ship wave interaction with the sloping banks of the channel // Journal of Shipping and Ocean Engineering. 2012. Vol. 2, № 3. P. 165-174.
7. The Open Source CFD Toolbox [Electronic resource]: User Guide / OpenCFD, Ltd. // Open-FOAM: [official website]. URL: https://www.openfoam.com/ documentation/user-guide/ (ac-cessed 20.12.2019).
8. H. Jasak. Error analysis and estimation for the finite volume method with applications to fluid flows: Thesis ... Doctor of Philosophy / H. Jasak; [Imperial College, Univ. of London]. London, 1996. 394 p.
9. Ship Theory. Reference book. In 3 vol. Under editorship of Ya. Voitkunsky. Vol. 1. Hydromechanics. Ship resistance. Marine propulsors. Leningrad: Sudostroyeniye, 1985. 764 p. (in Russian).
10. M.-R. Alam, C.C. Mei. Ships advancing near the critical speed in shallow channel with a ran-domly uneven bed // Journal of Fluid Mechanics. 2008. Vol. 616. P. 397-417. DOI: https://doi.org/10.1017/S0022112008004035/.
11. A. Sverchkov, Yu. Gorbachev. Extrapolation of model test data for displacement ship with single air cavity at the bottom. // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2015. Issue 90(374). P. 87-102 (in Russian).
12. Resolution MSC.137(76). Standards for Ship Maneu-vrability. Compendium of IMO Resolutions No. 21. St. Petersburg: TsNIIMF, 2003. P. 32-47. (Russian translation).
13. Ye. Afanasov. Experimental maneuverability study of a large tanker with bottom air cavity // Conference of young scientists and experts. Theses of papers. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2015 (in Russian).
Сведения об авторах
Галушина Маргарита Валерьевна, старший научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7 (921) 742-17-92. E-mail: [email protected].
Сверчков Андрей Владимирович, к.т.н., начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7 (812) 748-63-26. E-mail: [email protected]. Чичерин Игорь Африканович, к.т.н., начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7 (911) 211-86-48. E-mail: [email protected].
Фомичёв Дмитрий Владимирович, заместитель начальника лаборатории - начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7 (812) 415-45-27. E-mail: [email protected].
Щемелинин Леонид Георгиевич, старший научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7 (921) 415-49-52. E-mail: [email protected].
Лорис Кок, президент компании Navalprogetti S.r.l. Адрес: 21, Via dei Papaveri, Trieste, Italy, 34151. Тел.: +39 040-21-29-18. E-mail: [email protected].
About the authors
Margarita V. Galushina, Senior Researcher, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (921) 742-17-92. E-mail: [email protected].
Andrey V. Sverchkov, Cand. Sci. (Tech.), Head of Sector, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye
sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 748-63-26. E-mail: [email protected]. Igor A. Chicherin, Cand. Sci. (Tech.), Head of Sector, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (911) 211-86-48. E-mail: [email protected].
Dmitry V. Fomichev, Deputy Head of Laboratory - Head of Sector, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-45-27. E-mail: [email protected]. Leonid G. Shemelinin, Senior Researcher, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (921) 415-49-52. E-mail: [email protected].
Loris Cok, President of Navalprogetti S.r.l. Address: 21, Via dei Papaveri, Trieste, Italy, poste code 34151. Tel.: +39 040-21-29-18. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 23.10.19 Принята в печать / Accepted: 12.03.20 © Коллектив авторов, 2020
