CC BY
11HYDRO-ECOLOGICAL RESEARCH OF THE GORKY AND CHEBOKSARY RESERVOIRS SITES AND THEIR TRIBUTARIES IN SUMMER OF 2017
M. V. Smirnova (Igonina), E. Yu. Cheban, E. V. Volodchenko, E.Yu. Berdnikova, E.S. Solina
Keywords: Gorky reservoir, Cheboksary reservoir, hydrochemical parameters, tributaries, pollution, chemical analysis, blue-green algae.
The results of hydro-ecological studies in the lake area of the Gorky reservoir and on the site of the Cheboksary reservoir and their tributaries are сonsidered. The influence of r. Sanakhta and r. Trotsa on the content of organic substances in the value of BOD5 in the water of the Gorky reservoir, and the r. Kerzhenets into the Cheboksary reservoir was observed. The water of r. Kudma is heavily diluted with the Volga flow, which enter at the mouth of r. Kudma opposite Kadnitsy. That is why its influence on the Cheboksary reservoir is not noticeable. It has been defined that the removal of impurities from tributaries to the reservoir strongly depends on the flow velocity at the mouth of tributaries and in the reservoir. The preliminary results of the study on two different high-speed mode sections of the Gorky and Cheboksary reservoirs, showed that the influence of tributaries is most noticeable at low velocities in the reservoir.
Статья поступила в редакцию 30.10.2017 г.
УДК 532.5
Е.Ю. Чебан, доцент, к.т.н. ФГБОУВО «ВГУВТ» Н.Е. Зотова, студентка ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОПТИМИЗАЦИЯ ФОРМЫ КОРПУСА КАТЕРА НА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ
Ключевые слова: вычислительная гидродинамика, оптимизация формы корпуса, корабельные волны, волновое сопротивление, модели турбулентности, расчетная сетка
Выполнена проработка формы корпуса катера на солнечных батареях, с целью обеспечения минимального сопротивления. На основе использования численных методов программного комплекса NUMECAFmeMarme™ исследовано сопротивление катера с двумя вариантами поплавков. Разработаны рекомендации по их форме с учетом скоростей движения катера.
1. Введение
В 2015 году студенческим конструкторским бюро ФГБОУ ВО «ВГУВТ» (СКБ) был спроектирован катер на солнечных батареях для студенческих соревнований «Солнечная регата». За основу катера была выбрана конструкция «трехточечный глиссер» (рис.1). Известно, что такая конструкция позволяет достигать высоких скоростей, однако имеет неудовлетворительные мореходные качества [1,2]. При буксировочных испытаниях выяснилось, что разработанная конструкция катера также имеет существенные недостатки, в частности волнообразование от носовых поплавков на
скоростях около 15 км/ч существенно увеличивало сопротивление катера из-за ударов воды в основной корпус (рис. 1). Это объясняется, в первую очередь, тем, что режим устойчивого глиссирования наблюдается при числах Фруда от 3 до 5, в то время как для разработанного катера числа Фруда находятся в диапазоне 0,7-1, т.е. глиссирования происходить не будет. В этом случае глиссирующий корпус будет приводить к увеличению сопротивления и, соответственно, к повышению мощности двигателя. Для судна на солнечных батареях это приведет к снижению запаса хода ввиду ограниченной емкости аккумуляторов и мощности солнечных батарей. Решением данной проблемы может быть смена формы поплавков на соответствующую скоростным режимам эксплуатации катера. Кроме того, было замечено, что кормовые оконечности поплавков не омываются водой, что делает невозможным размещение в них гребных винтов, как это предполагалось на начальном этапе проектирования.
Рис. 1. Катер на солнечных батареях с установленными глиссирующими поплавками
Таким образом, целью данной работы являлся выбор формы поплавков, обеспечивающих минимальное сопротивление катера на солнечных батареях.
Для этого было предложено заменить глиссирующие поплавки на водоизмещаю-щие, с кормовой частью, обеспечивающей минимальное волнообразование и плавный сход потока воды для нормальной работы гребного винта. В ходе исследования были решены следующие задачи:
- определено буксировочное сопротивление двух вариантов катера с разными типами поплавков;
- выбран вариант с минимальным сопротивлением;
- разработаны рекомендации по размещению движительно-рулевого комплекса;
2. Методика численного моделирования
Использование для оптимизации формы корпуса поплавков натурных или модельных испытаний связано с существенными материальными затратами. Альтернативным способом может быть использование программных комплексов вычислительной гидродинамики (CFD) для прогнозирования гидродинамических характеристик (ГДХ) судов в ходе их проектирования [3-5]. В выполненной работе использовался программный комплекс NUMECA/FmeMarme1M, предназначенный для решения задач корабельной гидродинамики, таких, как определение сопротивления движению судов, маневренных качеств судов и работы движителей.
В соответствии с [6,7] процесс численного моделирования осуществляется в четыре стадии: разработка и импорт твердотельной геометрии, построение расчетной сетки, задание параметров численного расчета, анализ результатов.
Твердотельная геометрия катера с различными вариантами поплавков (рис. 2) была разработана и предоставлена СКБ. Моделирование выполнялось для катера в натурную величину для исключения влияния масштабных эффектов.
б)
Рис. 2. Твердотельная геометрия катера. а) с глиссирующими поплавками; б) с водоизмещающими поплавками
Размеры расчетного домена выбирались на основании [6,7], размещение граничных условий на гранях домена показано на рис. 3 и в таблице 1.
Построение расчетной сетки выполнялось в модуле ИБХРКБ881М. Использовалась неструктурированная сетка, начальный размер составил (х:у^): 10:5:6 ячеек. Было выполнено измельчение сетки для получения более точного решения: корпус, транец и свободная поверхность - 8 уровень измельчения, кривые по корпусам - 7-8. Разрешение пограничного слоя составило - 28-35 при заданном параметре у+=1 [6,7], т.к. режим движения водоизмещающий и существенное значение будут иметь силы трения. Кроме того, были дополнительно измельчены области в районе волнового следа от поплавков для получения информации об интерференции потоков. Общее количество ячеек составило: для глиссирующего поплавка - 7 300 637, для водоизме-щающего поплавка - 7 400 000. Вид расчетной сетки показан на рис. 4.
Рис. 3. Схема расчетного домена и расположение граничных условий
Таблица 1
Граничные условия на гранях расчетного домена
Грани Тип граничного условия
Верх и дно (Top and bottom) «Prescribed pressure» > «Updated hydrostatic pressure»
Выход-вход-боковая грань (Outlet, Side, Inlet) «Far field» (velocity components equal to zero)
Плоскость симметрии (Mirror) «mirror» (symmetry)
Корпус катера all solids - «Wall function»
Палуба «Slip» (zero shear stress)
Рис. 4. Общий вид расчетной сетки
Таблица 2
Параметры расчета
Параметр Значение
1. Длина [м] 5
2. Осадка [м] 0.2
3. Скорость [м/с] 1-5 с шагом 0,5
4. Количество степеней свободы 1 - движение вперед
5. Постановка стационарная задача
6. Схема дискретизации по времени: 2 порядка назад
Параметр Значение
7. Модель турбулентности ^ю SST модель турбулентности с пристеночными функциями
8. Разгонный участок [с] 2-5
9. Параметры среды: вода (15°): - молекулярная вязкость: 1.138 (Па-с) х 10-3 - плотность: 999.1026 кг/м3 воздух (20°): - молекулярная вязкость: 1.85 (Н- с/м2) x 10-5 - плотность: 1.2 кг/м3
3. Анализ результатов
Для обработки результатов использовался модуль СРУ1е^м, позволяющий визуализировать поток с помощью построения изоповерхностей, линий тока и т.д.
В результате выполнения работы было выяснено, что изменение формы поплавков существенным образом влияет на поток в кормовой части катера. В частности, при одной и той же скорости высота волны (рис. 5) от глиссирующего поплавка существенно выше, чем от водоизмещающего. При этом кормовая часть основного корпуса с установленным глиссирующим поплавком, при скорости 5 м/с попадает на подошву волн (рис. 6). В этом случае волны от поплавка не будут оказывать существенного влияния по сопротивление основного корпуса.
ЩМЕСА
0Л
у 03-
02-
а)
б)
Рис. 5. Волновая поверхность при движении катера со скоростью 5 м/с: а) глиссирующие поплавки; б) водоизмещающие поплавки
а)
б)
Рис. 6. Волновая поверхность при движении катера со скоростью 5 м/с
В то же время, с учетом рисунка 7 можно сказать, что водоизмещающий поплавок способствует интерференции потоков в кормовой части, о чем свидетельствуют линии тока и форма волновой поверхности. В этом случае может происходить увеличение сопротивления при скоростях около 5 м/с, в то же время как было замечено, при меньших скоростях такой интерференции не происходит. Рекомендацией могло бы быть увеличение длины корпусов поплавков и изменение формы их кормовой оконечности.
б)
Рис. 7. Волновая поверхность и линии тока при скорости 5 м/с: а) глиссирующие поплавки; б) водоизмещающие поплавки
Анализ гидродинамических давлений, распределенных по поверхности корпуса катера, показывает (рис. 8), что область повышенного давления в носовой части глиссирующего поплавка (рис. 8а) существенно больше, и значение давления также гораздо больше, чем для водоизмещающего (рис. 8б) при той же скорости. В этом случае следует ожидать повышенного сопротивления, что можно наблюдать на рис. 9, где показаны кривые буксировочного сопротивления катера с двумя разными типами поплавков. Из рисунка 9 видно, что сопротивление катера с водоизмещающими поплавками существенно ниже, чем для глиссирующего во всем диапазоне скоростей.
б)
Рис. 8. Распределение гидродинамического давления по поверхности корпуса катера: а) глиссирующие поплавки; б) водоизмещающие поплавки
4. Заключение
В работе выполнено исследование гидродинамики катера на солнечных батареях численными методами с использованием программного комплекса корабельной гидродинамики NUMECAFineMarine™ В ходе численного моделирования разработана твердотельная геометрия двух вариантов катера с глиссирующими и водоизмещаю-щими поплавками, построена расчетная область и неструктурированная сетка с учетом режимов движения катера, заданы параметры численного расчета. Выполнено сравнительное моделирование движения катера с двумя типами поплавков и определено сопротивление. Результаты моделирования позволяют утверждать, что использование водоизмещающих поплавков позволит снизить общее сопротивление катера более чем в два раза с 760Н до 420Н при скорости 5 м/с и обеспечить необходимую эффективность работы движителей.
Список литературы:
[1] Ваганов А.М. Проектирование скоростных судов. - Л.: Изд-во «Судостроение», 1978. -280 с.
[2] Мартынов А.И. Глиссеры. - М.: Речиздат, 1940. - 382с.
[3] Visonneau M., Queutey P., Deng Gan Bo, Wackers J., Guilmineau E., Leroyer A., Mallol B. Computation of Free-Surface Viscous Flows around Self-Propelled Ships with the Help of Sliding Grids, COMPIT-2012, 2012.
[4] Roux Y., Wackers J., Dorez L. Slamming computation on the multihull Groupama 3, Innovsail 2010.
[5] Mizine I., Karafiath G., Queutey P., Visonneau M. Interference Phenomenon in Design of Trimaran Ship, FAST 2009, 2009
[6] Theoretical Manual ISIS-CFD v3.1 Equipe Modélisation Numérique, Laboratoire de Mécanique des Fluides, CNRS-UMR 6598, Ecole Centrale de Nantes, B.P. 92101, 44321 Nantes Cedex 3, France.
[7] User Manual FINE™/Marine v3.1, Documentation v3.1a NUMECA International, 187-189, Chaussee de la Hulpe 1170 Brussels, Belgium.
OPTIMIZATION OF SOLAR BOAT HULL BY COMPUTER FLUID DYNAMICS METHODS
E. Yu. Cheban, N.E. Zotova
Key words: computer fluid dynamics (CFD), ship hull optimization, ship waves, wave resistance, turbulence models, calculation grid
The study of the hull shape of solar boat has been made to ensure the minimum resistance. The numerical methods of NUMECA/FineMarineTM software complex have been used to study the resistance of the boat with two floats. Recommendations on their shape considering boat speed have been made.
Статья поступила в редакцию 11.10.2017 г.
УДК 574.583(470,341)
Г.В. Шурганова, д.б.н., профессор ФГАОУВО «ННГУ им. Н.И. Лобачевского» В.С. Жихарев, магистрант ФГАОУ ВО «ННГУ им. Н.И. Лобачевского» Д.Е. Гаврилко, аспирант ФГАОУ ВО «ННГУ им. Н.И. Лобачевского» Д.О. Голубева, магистрант ФГАОУ ВО «ННГУ им. Н.И. Лобачевского» Т.В. Золотарёва, аспирант ФГАОУ ВО «ННГУ им. Н.И. Лобачевского» Д.С. Ручкин, студент ФГАОУ ВО «ННГУ им. Н.И. Лобачевского» 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23
ОСОБЕННОСТИ ВИДОВОЙ СТРУКТУРЫ И ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗМЕЩЕНИЯ СООБЩЕСТВ ЗООПЛАНКТОНА ВЕРХНЕГО БЪЕФА НИЖЕГОРОДСКОЙ ГЭС, ЗОНЫ РЕЧНОЙ ГИДРАВЛИКИ ЧЕБОКСАРСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩАИ УСТЬЕВОЙ ОБЛАСТИ РЕКИ ОКИ1
Ключевые слова: зоопланктон, видовая структура, пространственное размещение, планктонное сообщество, виды-вселенцы, Чебоксарское водохранилище, Горьковское водохранилище
1 Работа выполнена при частичной поддержке Русского географического общества (грант «Экспедиция Плавучий университет Волжского бассейна» №04/2017-Р) и РФФИ (грант №15-44-02219_поволжье_а)
