CC BY
138. Hauke G. Simple stabilizing matrices for the computation of compressible flows in primitive variables // Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 2001. 190. 6881-6893.
9. Флетчер К. Численные методы на основе метода Галеркина. М.: Мир, 1988.
10. Brooks A.N., Hughes T.J.R. Streamline upwind/Petrov-Galerkin formulations for convection dominated flows with particular emphasis on the incompressible Navier-Stokes equations // Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 1982. 32. 199-259.
11. Do T.T., Chen L, Tu J.Y. Numerical simulations of flows over a forced oscillating cylinder // 16th Australasian Fluid Mech. Conf. (AFMC). Crown Plaza, Gold Coast, Australia, 2007. 573-579.
12. Tanida Y, Okajima A., Watanabe Y. Stability of a circular cylinder oscillating in uniform flow or in a wake //J. Fluid Mech. 1973. 61. 769-784.
13. Williamson C.H.K. Vortex dynamics in the cylinder wake // Annu. Rev. Fluid. Mech. 1996. 28. 477-539.
14. Karman T. von, Rubach H. L. Uber den Mechanismus des Fliissigkeits- und Luft-widerstands // Phys. Zeit. 1912. 13. 49-59.
15. Mittal S, Kumar B. Flow past a rotating cylinder //J. Fluid Mech. 2003. 476. 303-334.
16. Taneda S. Visual observations of the flow past a circular cylinder performing a rotatory oscillation //J. Phys. Soc. Jap. 1978. 45. 1038.
Поступила в редакцию 30.09.2011
УДК 532.59: 629.12
СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПРЯМОУГОЛЬНОГО И ТРЕУГОЛЬНОГО ПОДВОДНЫХ ПАРУСОВ
В. Г. Чикаренко1
В статье рассматриваются некоторые экологически чистые устройства, установленные на моделях судов, использующие энергию волн. Описана работа волнопродуктора в гидроканале Института механики МГУ. Проведено сравнение эффективности работы прямоугольного и треугольного парусов.
Ключевые слова: гидроканал, волнопродуктор, подводный парус.
Certain pollution-free sea wave converters installed on ship models are considered. The operation of the wave generator used in the hydraulic channel of Moscow University Institute of Mechanics is described. The performance evaluation of rectangular and triangular submarine sails is discussed.
Key words: hydraulic channel, wave generator, submarine sail.
Одной из проблем, которые стоят перед современной наукой и техникой, является проблема источников энергии. Только за одни сутки на земле сжигается столько топлива органического происхождения, сколько природа может синтезировать за 1000 лет. Вместе с тем поверхность земли на 2/3 представлена морями и океанами, энергия волнения которых значительно превосходит запасы энергии полезных ископаемых. Среднее состояние морей и океанов — это состояние, при котором волнение составляет 3-4 балла. Тысячи кораблей с экипажами на борту бороздят моря и океаны, сжигают для этого органическое топливо, не замечая, что у них под ногами колоссальное количество энергии. Со времен парусного флота из двух сил, действующих на судно — силы давления ветра, улавливаемого парусами, и силы волнения моря, — приоритет получила первая. Остался незамеченным тот факт, что энергия морских волн значительно превосходит энергию ветра, так как плотность воды в 800 раз больше плотности воздуха. Потеря скорости хода у судов при волнении достигает 50%, и удвоение скорости потребует троекратного увеличения мощности главного двигателя, а между тем мощность N морских волн, т.е. их энергию, отдаваемую судну в единицу времени при ходе против волны, можно оценить выражением [1]
,, 2 Ус + К д
N = рда ---В,
1 Чикаренко Валерий Георгиевич — вед. инж. Института механики МГУ, e-mail: chikb112@mail.ru.
где р — плотность воды, д — ускорение силы тяжести, а — амплитуда волны, В — ширина судна, Ус, Ув — скорости судна и волны соответственно.
Следовательно, использование энергии волн является перспективным направлением получения высоких скоростей хода судна при волнении. Остается лишь решить техническую задачу получения энергии из морских волн. Для этого можно использовать различные технические устройства.
В настоящее время сотрудниками лаборатории нестационарной гидродинамики Института механики МГУ проводятся испытания различных экологически чистых устройств, установленных на моделях судов и использующих энергию волн. Это новое направление в судостроении все больше привлекает к себе внимание. Перед осуществлением экспериментов при реальном волнении на судах необходимо провести модельные испытания в каналах и опытовых бассейнах с целью определения оптимальных размеров волнодвижителей, их скоростных и тяговых характеристик. Для проведения экспериментальных исследований с моделями судов, оборудованных движителями, использующими энергию волн, в гидроканале Института механики МГУ установлен волнопродуктор.
Волнопродуктор (рис. 1), смонтированный в гидроканале сечением 1,5 м х 1,5 ми длиной рабочего участка 48 м, состоит из волнообразователя 1, представляющего собой клиновидное тело с углом 20°, шириной 1480 мм и высотой 600 мм, закрепленного на подвижных направляющих, которые с помощью роликов перемещаются по неподвижной платформе.
Работа волнообразователя основана на принципе возвратно-поступательного движения клиновидного тела, создающего волны с различной заданной амплитудой и частотой. Ход волнообразователя можно менять от 100 до 300 мм, что соответствует среднему диапазону волн в морях и океанах при моделировании их в гидроканале.
Волнопродуктор приводится в действие трехфазным асинхронным двигателем мощностью 2,2 кВт с числом оборотов 1440 об/м через понижающий редуктор и механический преобразователь вращательного движения в возвратно-поступательное. Управление двигателем (изменение числа оборотов) осуществляется устройством электронного преобразователя частоты IS-5-RUS. Последний успешно решает проблему регулирования частоты вращения асинхронного двигателя в широких пределах без существенной потери мощности. Волна, созданная волнообразователем 1 (рис. 1), проходит створ смотровых окон 2, через которые производится видеосъемка профиля волны и исследование работы волнодвижителей, установленных на моделях судов. Пройдя рабочий участок, волна гасится волногасителями 3.
Видеосъемка через смотровые окна и сверху осуществляется цифровой видеокамерой SONY DCR-T RV 900E. Данные видеосъемки обрабатываются на компьютере Pentium-4-1,8 ГГц с помощью программы VIRTUAL DUB, позволяющей вести отчет по номерам кадров в режиме реального времени с точностью до 1 с.
Свою энергию волны передают кораблю, в результате качки которого происходит взаимодействие потока жидкости с волнодвижителями.
Волны, набегающие на корабль, вынуждают его совершать колебания (рис. 2). На свободной поверхности воды возникают волновые эффекты. Сложность задачи становится очевидной при наблюдении за движением судна в штормовых условиях. Как показано на рис. 2, судно при волнении может перемещать-
39 м
Рис. 1. Схема размещения волнопродуктора в гидроканале
Рис. 2. Положение корабля при волнении
ся с шестью степенями свободы: £1, £2, £з — продольные, поперечные и вертикальные колебания; £4, £5, £б — бортовая, килевая качка и рыскание. Итак, уравнения свободных колебаний судна [2] имеют вид: для бортовой качки
(Зх + Дж)£4 + БГ£4 = 0,
для килевой качки
(Зу + Ду)£5 + ОЯ£5 = 0,
для вертикальной качки
(Б/д + Дг)£з + 5ГВл £з = 0,
где £4, £5 — углы дифферента и крена; г — поперечная метацентрическая высота; Я — продольная метацен-трическая высота; Б — водоизмещение судна; (<1Х + Дх) — суммарный момент инерции массы судна и присоединенной массы воды относительно центральной продольной оси; (,1у + Ду) — суммарный момент инерции массы судна и присоединенной массы воды относительно центральной поперечной оси; Дг — присоединенная масса воды при вертикальной качке корабля; 5ГВл — площадь грузовой ватерлинии.
При набегании на судно волна деформируется носовой частью (при движении судна против волны), и по мере продвижения к корме ее энергия уменьшается. Именно поэтому волновые движители размещают в носовой части на расстоянии от 1 до 10% от длины судна. В экспериментах взаимодействие корабля, оснащенного волнодвижителями, с гравитационной волной происходит в канале конечной глубины Н < Л (Л — длина волны). Мелководье приводит к более сильному падению давления на днище судна, чем на глубокой воде. Полное определение вида волновой поверхности жидкости при движении в ней погруженного тела является чрезвычайно сложной задачей, и именно поэтому идут на ряд упрощений.
Рассматривается качка судна на регулярном волнении. Жидкость является невязкой, гравитационной, несжимаемой. Элементарная волна является двумерной, синусоидальной, с круговой частотой и = 2п/ТВ (Тв — период волны) и фазовой скоростью Ув.
В качестве устройств, использующих энергию волн, на судах могут применяться жесткие крылья и подводный парус (рис. 3) [2-10].
Так как плотность воды в 800 раз больше плотности воздуха, нет необходимости в большой площади парусов и для использования волны достаточно иметь подводный парус площадью 5П ~ 10% 5гвл. При движении носовой оконечности судна вниз 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 ^ можно разложить на две составляющие: силу N, уменьшающую амплитуду качки, и тяговую силу Т (рис. 3).
При изменении фазы волны на противоположную выпуклая часть паруса будет направлена вниз, сила N также будет направ-Рис. 4. Модель научн°-исследовательског° судна лена вниз, а положение силы Т не изменится
"Академик К°р°лев", оборудованного подводными тару^ми и она по-прежнему будет двигать корабль. На рис. 4, 5 представлена модель судна, оборудованного парусами-волнодвижителями.
Целью проведения экспериментальных исследований с подводными парусами являлось сравнение эффективности работы прямоугольного и треугольного парусов (рис. 5).
Рис. 3. Схема работы подводного паруса
Рис. 5. Модель судна "Академик Королев", оборудованного треугольными (а) и прямоугольными (б) парусами
Паруса работали в равных условиях на одних и тех же режимах при глубине воды в канале Н = 70 см и ходе волно-продуктора А = 27 см. Однако площадь треугольного паруса составляла 50% от площади прямоугольного паруса. Тем не менее, как видно из рис. 6, использование треугольного паруса оказалось более эффективным. Модель, оборудованная треугольным парусом, имеет большую скорость. Максимальное число Фруда, полученное в экспериментах, составило = 0,013. Большая эффективность треугольного паруса объясняется следующим. В отличие от жесткого крыла, где горизонтальная составляющая Т (тяговая сила) направлена всегда в сторону движения корабля, при взаимодействии паруса с волной тяговая сила Т в кормовой части паруса будет иметь отрицательное направление (рис. 3). Следовательно, если площадь кормовой части паруса сделать меньше, скорость корабля возрастет, что и подтвердилось установкой на модели треугольного паруса даже с существенно меньшей площадью.
V, м/с 0,06
0,04
0,02
/
V
1 1 \ 2 \ 1 1 1 \ г \
30 32 34 36 38 40\ 42 44\ F,Tu
(0,67) (0,77) (0,НХ\ V 1,0)
-
-0,02
Рис. 6. Зависимость скорости модели V от задаваемой частоты волн Г на преобразователе при треугольном (кривая 1) и прямоугольном (кривая 2) подводном парусе, в скобках указана частота волнопродуктора
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Благовещенский С.Н. Качка корабля. Л.: Судпромгиз, 1954.
2. Бойко А.В., Прокофьев В.В., Чикаренко В.Г. Плавучий якорь. Патент № 2326018, 2008 г.
3. Ерошин В.А., Самсонов В.А. Судовой волнодвижитель. Патент № 2347714, 2009 г.
4. Константинов Г.А., Якимов Ю.Л. Расчет тяги движения судна, использующего энергию морских волн // Изв. РАН. 1995. № 3. 139-143.
5. Ньюмен Дж. Морская гидродинамика. Л.: Судостроение, 1985.
6. Павленко Г.Е. Использование энергии качки на волнении для движения судов // Тр. Ленинград. ин-та инженеров водного транспорта. № 6. Л.: Судостроение, 1936. 394-401.
7. Седов Л.И. Плоские задачи гидродинамики и аэродинамики. М.: Наука, 1980.
8. Чикаренко В.Г. Носовая оконечность корабля — волнодвижитель. М.: Спутник, 2004.
9. Чикаренко В.Г. Методика проведения экспериментальных исследований с моделями судов, оборудованных вол-нодвижителями. М.: Спутник, 2009.
10. Эпштейн Л.А. Методы теории размерности и подобия. М.: Судостроение, 1970.
Поступила в редакцию 01.06.2011
