CC BY
10УДК 532.59: 629.12
К ВОПРОСУ РАЗМЕЩЕНИЯ ВОЛНОДВИЖИТЕЛЕЙ НА СУДНЕ
В. Г. Чикаренко1
Предлагается краткий исторический обзор создания экологически чистых движителей, установленных на судах и использующих энергию волн. Особое внимание уделяется вопросу расположения волнодвижителей. Приводятся экспериментальные данные (графики) модельных испытаний по размещению волнодвижителей на судне с целью увеличения эффективности их работы.
Ключевые слова: волнодвижитель, гидроканал, парус.
The article gives a brief historical review of how to create eco-friendly drives that are installed on the ships and use the energy of waves. A special attention is given to the question of location of these wave-drives on the ships. Experimental data (diagrams) of model tests to fix these wave-drives in a proper location for more efficient operation are discussed.
Key words: wave-drives, hydraulic channel, sail.
Введение. В 1719 г. Петр I учредил в Санкт-Петербурге Морскую академию.
22 января 1724 г. Петром I была учреждена Петербургская академия наук.
В 1725 г. Даниил и Николай Бернулли приняли приглашение только что организованной в Петербурге академии наук, а в 1726 г. по рекомендации братьев Бернулли в академию был приглашен Леонард Эйлер. В 1749 г. по специальному поручению академии Эйлер подготовил к печати фундаментальный труд по теории кораблестроения и кораблевождения "Морская наука", что послужило толчком к научному изучению вопросов мореходности кораблей.
В 1799 г. отец и сын Жерары из Парижа получили первый патент на изобретение, позволяющее использовать энергию морских волн. Это и стало началом создания устройств, использующих энергию волн.
Морская качка всегда была нежелательным явлением, но использовалась только энергия ветра. Вместе с тем среднее состояние морей и океанов — это 3-4-балльное волнение [1], а так как плотность жидкости примерно в 800 раз больше плотности воздуха, то нецелесообразно создавать устройства больших габаритов подобно парусам. Необходимость изучения мореходных качеств корабля до его постройки привела В. Фруда в 1871 г. к созданию опытового бассейна в Англии. В 1894 г. подобный бассейн был построен в Петербурге. Забегая вперед, отметим, что опытовый бассейн (гидроканал) в 1959 г. был построен в Институте механики МГУ им. М.В. Ломоносова, на котором сотрудники лаборатории нестационарной гидродинамики проводят исследования различных устройств, использующих энергию волн.
Гидроканал оборудован волнопродуктором [2]. В 1895 г. академиком А.Н. Крыловым была создана классическая теория килевой качки судна.
В дальнейшем работы адмирала С.О. Макарова, предложившего применять носовые рули для уменьшения качки корабля, ускорили процесс создания движителей, использующих энергию волн.
В 1936 г. профессор Г.Е. Павленко предложил использовать подводные крылья не только для уменьшения амплитуды качки, но и для увеличения скорости судна [3].
В это же время работы М.А. Лаврентьева, Л.И. Седова и др. в ЦАГИ по исследованию крыльевых профилей дали новый толчок к их применению в качестве волнодвижителей. Далее следует отметить работы Ю.Л. Якимова, Ю.Ф. Сенькина, Г.А. Константинова по совершенствованию эффективности работы устройств, использующих энергию волн [4-9]. Исследования в этом направлении продолжаются и в настоящее время.
1. Взаимодействие волны с волнодвижителем. Мощность морских волн, т.е. их энергию, проходящую через ширину судна B в единицу времени при движении судна против волны, можно оценить выражением
N = pga2B(Vc+Vp)/2 [кг • м2 -с"3 = Дж/с = Вт],
где p — плотность воды; g — ускорение свободного падения; a — амплитуда волны; Vc, Vp — скорость судна и волны соответственно.
1 Чикаренко Валерий Георгиевич — вед. инженер НИИ механики МГУ, e-mail: chikbll2Qmail.ru.
Рис. 1 Рис. 2
Остается решить техническую задачу создать устройства, реализующие энергию морских волн. Эти устройства называют волновыми движителями. Они создают дополнительную тягу в помощь главному движителю, снижают напряженность работы главного двигателя при волнении, увеличивая тем самым его моторрееуре; позволяют экономить топливо и уменьшают амплитуду качки, улучшая условия обитания экипажа. В штормовых условиях при выходе из строя главного двигателя волновые движители так же, как и плавучий якорь, уменьшают скорость дрейфа судна, что дает запас времени для ремонта главного двигателя или вызова спасательного судна.
На поверхности морей и океанов волна, порожденная ветром, распространяется далее за счет силы тяжести. То же самое происходит и с волнами от волнопродуктора в гидроканале. Такие волны называют гравитационными, частицы жидкости в них совершают движения но круговым орбитам.
Радиусы орбит, пропорциональные амплитуде волны, уменьшаются согласно зависимости
КН = Е0е-2пН/\
где Я0 — радиус орбит частиц жидкости у свободной поверхности, Н — глубина жидкости, Л — длина волны. По мере удаления иод свободную поверхность скорость вращения частиц экспоненциально уменьшается.
Свою энергию волны передают кораблю, вследствие качки которого происходит взаимодействие потока жидкости с волнодвижителями.
При движении носовой оконечности судна вниз (рис. 1) на парусе образуется пузо. Поток над выпуклой частью паруса оказывается ускоренным, а под ней подторможенным. Давление на нижней поверхности паруса будет больше, чем на верхней, и возникающую гидродинамическую силу Е можно разложить на две составляющие: силу ГЧ, уменьшающую амплитуду качки, и силу Т тяговую силу. При изменении фазы волны на противоположную судно будет иметь дифферент на корму, выпуклая часть паруса будет направлена вниз, сила N также будет направлена вниз, а положение силы Т не изменится и она по-прежнему будет двигать корабль.
2. Размещение волнодвижителей на судне. На гидроканале Института механики МГУ были проведены исследования волнодвижителей, установленных на модели судна, с целью определения наиболее эффективного места их размещения. В качестве волнодвижителей использовались паруса. Следует отметить, что механизмы возникновения тяговой силы на парусе и крыле аналогичны. Исследования проводились на модели судна "К. Циолковский", выполненной в масштабе 1:100 и оборудованной подводными парусами (рис. 2). Габариты модели судна: длина 1050 мм, ширина 95 мм, высота 70 мм. Результаты исследований представлены на графиках (рис. 3). По оси
ординат отложены скорости модели V [м/с], по оси абсцисс — частота волн Г [Гц], задаваемая преобразователем, и соответственно частота f [Гц] волн, генерируемых волнопродуктором. Кривая 1 соответствует носовому размещению парусов, кривая 2 кормовому размещению парусов, причем паруса в носовой и кормой части модели находились на одинаковом расстоянии 45 см от миделя модели. На кривой 3 показана зависимость скорости модели от частоты волн при смещении парусов на 10 см ближе к миделю, на кривой 4 зависимость скорости модели без парусов (дрейф модели на волнении). Во всех экспериментах модель располагалась против волн.
Как видно из графиков рис. 3, максимальную скорость модель показала при носовом размещении парусов (кривая 1). Максимальное число Фруда Рг = V/у/д1 составило 0,05.
При кормовом размещении парусов волна, проходящая вдоль корабля, уменьшается и тяговая сила Т также уменьшается (кривая 3).
На модели без волнодвижителей (кривая 4) никакой тяговой силы не возникает и модель дрейфует на волнении.
Заключение. 1. Проведенные исследования по вопросу размещения волнодвижителей на судне указали на то, что движители, использующие энергию волн, целесообразно размещать в носовой оконечности корабля, где волна еще не гасит свою энергию при обтекании последних).
2. Выполненные модельные эксперименты позволили оборудовать реальное маломерное судно парусами, расположенными в районе носовой оконечности корабля, и провести натурные эксперименты на Черном море (рис. 4).
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 16 08 00807.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Казанский К.В. Штормование судов. М.: Транспорт, 1968.
2. Чикаренко В.Г. Волнодвижители. М.: Спутник, 2015.
3. Павленко Г.Е. Использование энергии качки для движения судов // Судостроение. 1936. № 6. 394 401.
4. Седов Л.И. Плоские задачи гидродинамики и аэродинамики. М.: Наука, 1980.
5. Сенькин Ю.Ф., Якимов Ю.Л. Волнодвижительная установка судна. Патент № 2147677. М., 1999.
6. Константинов Г. А., Якимов Ю.Л. Расчет тяги движителя судна, использующего энергию морских волн // Изв. РАН. Механ. жидкости и газа. 1995. № 3. 139 143.
7. Бойко А.В., Прокофьев В.В., Чикаренко В.Г. Плавучий якорь. Патент № 2326018. М., 2008.
8. Сенькин Ю.Ф. Волновой движитель судна. Патент № 2183176. М., 2002.
9. Чикаренко В.Г., Якимов Ю.Л. К штормовому якорю // Морской флот. 1999. № 4. 9.
Поступила в редакцию 29.11.2017
УДК 533
ЧИСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ДЛЯ СЛУЧАЯ УСКОРЕНИЯ ТЕЛА ВРАЩЕНИЯ
И. К. Ермолаев1, A.A. Чулков2
Уменьшение аэродинамического сопротивления тел вращения при сверхзвуковых скоростях за счет создания донной тяги является важной частью исследований аэромеханики. В рамках указанной проблемы проводится численный эксперимент на модели с отделя-
1 Ермолаев Игорь Константинович канд. техн. паук, пауч. сотр. НИИЯФ МГУ, e-mail:ermolaevl9Öyandex.ru.
1 Чулков Александр Анатольевич пауч. сотр. НИИ механики МГУ, c-mail:s2000_7Ömail.ru.
Рис. 4
