CC BY-NC
19
DOI: 10.24937/2542-2324-2022-3-401 -28-38 УДК 629.5.03+532.5:519.6
A.B. Кузнецова , А.Е. Таранов
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
ВАЛИДАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ В ПАКЕТЕ ПРОГРАММ «ЛОГОС»
Объект и цель научной работы. Объектами исследования являются модели гребных винтов и рабочего колеса водомета. Цель работы - валидация нового расчетного модуля отечественного программного комплекса инженерного анализа «ЛОГОС» и технологии его использования для прогнозирования гидродинамических характеристик (ГДХ) судовых движителей на основе сравнения с данными экспериментальных исследований и эталонных расчетов в зарубежном коммерческом программном обеспечении.
Материалы и методы. Для определения ГДХ судовых движителей используются методы вычислительной гидродинамики. Характеристики течения вязкой жидкости находятся из решения методом контрольного объема нестационарных уравнений Рейнольдса (RANS), замкнутых двухпараметрической полуэмпирической моделью турбулентности. Для валидации результатов численного моделирования в программном комплексе «ЛОГОС» применяются данные экспериментальных исследований и эталонных расчетов, выполненных в Крыловском центре.
Основные результаты. Валидация нового расчетного модуля программного комплекса «ЛОГОС», выполненная на основе сравнения с результатами экспериментальных исследований и эталонных расчетов, демонстрирует высокую точность современного отечественного программного обеспечения в области вычислительной гидродинамики при решении задач определения гидродинамических характеристик гребных винтов.
Заключение. В работе показано, что определение ГДХ моделей судовых движителей в однородном потоке вязкой жидкости может быть выполнено с использованием отечественного программного комплекса «ЛОГОС». Точность прогнозирования ГДХ гребных винтов при этом не уступает ведущим зарубежным программным продуктам и подтверждается результатами экспериментальных исследований, выполненных в глубоководном опытовом бассейне Крыловского центра. Вместе с тем требуется дальнейшее развитие пакета программ «ЛОГОС» для корректного решения более сложных задач, связанных с судовыми движителями.
Ключевые слова: численное моделирование, расчетная сетка, ЛОГОС, валидация, гребной винт. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2022-3-401 -28-38 UDC 629.5.03+532.5:519.6
A.V. Kuznetsova , A.E. Taranov
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
VALIDATION OF PREDICTION TECHNOLOGY
OF SHIP PROPULSION HYDRODYNAMIC PERFORMANCE
IN LOGOS SOFTWARE PACKAGE
Object and purpose of research. The objects of research are models of propeller and impeller of a water jet. The purpose of the work is to validate the new calculation module LOGOS of domestic software complex for engineering analysis
Для цитирования: Кузнецова А.В., Таранов А.Е. Валидация технологии прогнозирования гидродинамических характеристик судовых движителей в пакете программ «ЛОГОС». Труды Крыловского государственного научного центра. 2022; 3(401): 28-38.
For citations: Kuznetsova A.V., Taranov A.E. Validation of prediction technology of ship propulsion hydrodynamic performance in LOGOS software package. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2022; 3(401): 28-38 (in Russian).
and the technology for its use in predicting the hydrodynamic performance of ship propulsion based on comparison with experimental research data and reference calculations in foreign commercial software.
Materials and methods. Methods of computational fluid dynamics are used to determine the hydrodynamic performance of ship propulsion systems. The characteristics of the viscous fluid flow are obtained from the solution of non-stationary Reynolds equations (RANS (Reynolds averaged Navier-Stokes equations)) by control volume method. The Reynolds equations are closed by a two-parameter semi-empirical turbulence model. To validate the results of numerical modeling in the LOGOS software package, data from experimental studies and reference calculations performed at the Krylov Center are used. Main results. Validation of the new calculation module of LOGOS software complex, performed on the basis of comparison with the results of experimental studies and reference calculations, demonstrates the high accuracy of modern domestic software in the field of computational fluid dynamics in solving problems of determining the hydrodynamic performance of propellers.
Conclusion. The paper shows that the determination of hydrodynamic performance of ship propulsion models in a uniform viscous fluid flow can be performed using the domestic software package LOGOS. The accuracy of predicting the hydrodynamic performance of propellers in the meantime compares favourably to leading foreign software products and is confirmed by the results of experimental studies carried out in the deepwater towing tank of Krylov Center. At the same time, further development of the LOGOS software package is required for the correct solution of more complex tasks related to ship propulsion.
Keywords: numerical modeling, computational grid, LOGOS, validation, propeller. The authors declare no conflicts of interest.
Введение
Introduction
Постоянный прогресс в развитии программного обеспечения, реализующего методы вычислительной гидродинамики, способствует все более широкому и глубокому проникновению численного моделирования в практику научно-исследовательских и проектных работ.
Решение типичных для судостроения задач (обтекание тел потоком жидкости, моделирование вращения движителей, динамика тел на водной поверхности с учетом ветро-волновых нагрузок, моделирование процессов тепломассопереноса, кавитации и т.д.) требует применения точных физико-математических моделей и численных алгоритмов, специализированных сеточных генераторов, а также современных средств распараллеливания и постобработки.
Одним из пакетов программ, который удовлетворяет данным требованиям, является «ЛОГОС» [1] - российский программный комплекс, предназначенный для моделирования сопряженных трехмерных задач конвективного тепломассопереноса, аэродинамики, гидродинамики и прочности на высокопараллельных ЭВМ. «ЛОГОС» успешно прошел валидацию и показал хорошие результаты на серии различных индустриальных задач [2], включая задачи со свободной поверхностью [3]. В состав пакета входит пре-постпроцессор, предназначенный для импорта и обработки трехмерных компьютерных моделей, генерации поверхностных и объемных сеток, имеющий визуальную среду для под-
готовки расчетной модели и интерактивную систему инженерной визуализации.
В настоящей статье рассматривается валидация пакета программ «ЛОГОС», включая недавно разработанный специалистами Федерального ядерного центра (РФЯЦ-ВНИИЭФ) и Крыловского центра программный модуль «ЛОГОС-Судостроение» [4], при прогнозировании гидродинамических характеристик (ГДХ) судовых движителей. Численное моделирование работы судовых движителей выполняется в соответствии с технологией, разработанной в Крыловском центре.
Объекты исследования
Objects of research
В качестве объектов исследования в работе рассматриваются три модели гребных винтов (ГВ) различной формы (A, B и С), характерные для быстроходных надводных судов и отличающиеся дисковым отношением (от 0,6 до 1,16).
Экспериментальные данные для винтов A и С получены в Крыловском центре. В качестве модели B взят международный тестовый винт KP505, разработанный Южно-Корейским научно-исследовательским институтом кораблестроения и океанической инженерии (Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering, KRISO) [5]. Данные для гребного винта B представлены в 2015 г. на симпозиуме Workshop on CFD in Ship Hydrodynamics в Токио, Япония [6]. Форма рассмотренных моделей гребных винтов показана на рис. 1, а их геометрические характеристики приведены в табл. 1.
Рис. 1. Вид в плане исследованных моделей гребных винтов A, B и C (слева направо)
Fig. 1. Plan view of the studied propeller models A, B and C (from left to right)
Таблица 1. Геометрические характеристики моделей гребных винтов
Table 1. Geometric performance of propeller models
Модель A Модель B Модель C
Диаметр модели D, мм 228 250 200
Число лопастей Z 5 5 5
Шаговое отношение PID 0,9 0,95 1,25
Дисковое отношение AEIA0 0,6 0,8 1,16
Угол саблевидности, град. 33 32 30
Кроме моделей гребных винтов, в настоящей работе рассматривается модель водометного движителя насосного типа (ВДНТ) с коротким водоводом [7], представленная на рис. 2.
Рис. 2. Общий вид водометного движителя насосного типа с коротким водоводом
Fig. 2. General view of a pump jet with a short water duct
Постановка задачи определения гидродинамических характеристик судового движителя
Statement of the problem for determining the hydrodynamic performance of the ship's propulsion
Для определения гидродинамических характеристик судовых движителей используется коммерческий пакет вычислительной гидродинамики «ЛОГОС» версии 5.3.20, включающий модуль «ЛОГОС-Судостроение». В соответствии с разработанной специалистами Крыловского центра технологией прогнозирования ГДХ судовых движителей в пакете программ «ЛОГОС» задача обтекания движителя потоком вязкой жидкости решается в нестационарной постановке со схемами второго порядка для дискретизации по пространству и времени.
В качестве модели турбулентности использована k-œ SST модель Ментера [8] в сочетании с моделью ламинарно-турбулентного перехода Ментера - Лэнгтри [9]. В расчетах принята плотность воды р = 1000 кг/м3, динамическая вязкость д = 1,141-10-3 Па/с. В качестве схемы дискретизации для конвективных потоков выбрана проти-вопоточная схема второго порядка LUD, для остальных слагаемых использована противопо-точная схема первого порядка UD.
Построение гексаэдральных расчетных сеток выполнено с помощью встроенного в пакет «ЛОГОС» генератора сеток - также в соответствии с разработанной технологией прогнозирования ГДХ судовых движителей. Для этого расчетная область делится на два региона: внешний и внутренний (рис. 3). Вращающийся внутренний регион представляет собой цилиндрическую область вокруг движителя, стационарный внешний регион - цилиндрическую область с валом. Для модели ВДНТ вращающийся внутренний регион представляет
Рис. 3. Расчетная область
Fig. 3. Design area
«ЛОГОС»
Стационарный регион
Вращающийся регион
собой цилиндрическую область вокруг рабочего колеса, радиусом равным цилиндрической вставке в насадке водометного движителя (рис. 4), включая внутреннюю поверхность насадки ВД. Построение расчетных сеток выполняется отдельно для каждого
региона. Размерности полученных расчетных сеток представлены в табл. 2. Сгущение расчетной сетки строилось на кромках лопастей (рис. 5-6), вблизи поверхности движителя и в области концевых вихрей за движителем, как показано на рис. 7.
Таблица 2. Размерность расчетной сетки Table 2. Dimension of the design grid
Модели гребного Модель винта водометного
движителя насосного типа
В
С
Размерность сетки, млн ячеек
3,9
10,3 14,2
25,3
Вращающийся регион
Рис. 4. Внутренний вращающийся регион расчетной области для модели водометного движителя насосного типа
Fig. 4. Internal rotating area of the design area for the pump jet model
Рис. 5. Расчетная сетка на гребном винте Fig. 5. Calculation grid on the propeller
Рис. 6. Расчетная сетка на водометном движителе Fig. 6. Calculation grid on the water-jet
татами эксперимента и результатами эталонного расчета, выполненного с использованием программного обеспечения 81аг-ССМ+ [10, 11]. Полученные результаты приведены в табл. 3-5 и на рис. 8-10.
Как видно из анализа результатов, пакет программ «ЛОГОС» обеспечивает высокую точность определения гидродинамических характеристик моделей гребных винтов (~3-5 %) на большей части кривых действия, незначительно (на 0,5-1 %) уступая ПО 81аг-ССМ+. По мере приближения к поступи нулевого упора погрешности определения ГДХ гребных винтов возрастают в обоих программных комплексах, что связано со стремлением измеряемых и рассчитываемых величин ГДХ к нулю.
В табл. 3-5 использованы следующие обозначения: п - частота вращения модели; J - поступь гребного винта, J = где V - скорость набе-
гающего потока; KT - коэффициент упора винта, Кт = T/(pn2D4); Кд - коэффициент момента винта, Кд = Q/(pn2D5); КПД - коэффициент полезного действия винта, п = J/(2п) ■ Кт /Кд.
Таблица 3. Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований модели гребного винта А
Table 3. Results of numerical modeling and experimental studies of propeller model A
Экспериментальные данные
n, об/с 20
J 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,671 0,7 0,8 0,9
KT 0,4384 0,3970 0,3531 0,3078 0,2616 0,2143 0,1792 0,1647 0,1113 0,0515
10KQ 0,5450 0,5061 0,4656 0,4232 0,3780 0,3290 0,2906 0,2741 0,2118 0,1390
КПД 0,1280 0,2497 0,3621 0,4631 0,5508 0,6221 0,6591 0,6694 0,6695 0,5312
Данные эталонного расчета в ПО Star-CCM+
KT 0,4501 0,4037 0,3561 0,3078 0,2600 0,2126 0,1767 0,1611 0,1065 0,0434
10Kq 0,5557 0,5130 0,4684 0,4224 0,3754 0,3259 0,2865 0,2687 0,2038 0,1268
КПД 0,1289 0,2505 0,3631 0,4641 0,5514 0,6232 0,6592 0,6683 0,6655 0,4903
AKT 2,7 % 1,7 % 0,8 % 0,0 % -0,6 % -0,8 % -1,4 % -2,2 % -4,3 % -15,7 %
M0KQ 2,0 % 1,4 % 0,6 % -0,2 % -0,7 % -0,9 % -1,4 % -2,0 % -3,8 % -8,8 %
ДКПД 0,1 % 0,1 % 0,1 % 0,1 % 0,1 % 0,1 % 0,0 % -0,1 % -0,4 % -4,1 %
Данные расчета в ПО «ЛОГОС»
KT 0,4381 0,3977 0,3537 0,3075 0,2599 0,2123 0,1759 0,1609 0,1061 0,0454
10Kq 0,5489 0,5107 0,4690 0,4242 0,3753 0,3244 0,2829 0,2656 0,2013 0,1284
КПД 0,1271 0,2480 0,3603 0,4618 0,5515 0,6255 0,6644 0,6754 0,6716 0,5062
ДХТ -0,1 % 0,2 % 0,2 % -0,1 % -0,6 % -0,9 % -1,8 % -2,3 % -4,7 % -11,8 %
0,7 % 0,9 % 0,7 % 0,2 % -0,7 % -1,4 % -2,6 % -3,1 % -5,0 % -7,6 %
ДКПД -0,1 % -0,2 % -0,2 % -0,1 % 0,1 % 0,3 % 0,5 % 0,6 % 0,2 % -2,5 %
Рис. 7. Сгущение расчетной сетки вблизи гребного винта
Fig. 7. Thickening of the calculation grid near the propeller
Результаты валидации для моделей гребных винтов
Validation results for propeller models
Для трех исследованных моделей гребных винтов проведено сравнение полученных ГДХ с резуль-
Таблица 4. Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований модели гребного винта В Table 4. Results of numerical modeling and experimental studies of propeller model B
Экспериментальные данные
n, об/с 20
J 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
KT 0,4279 0,3785 0,3287 0,2786 0,2282 0,1774 0,1263 0,0748
10KQ 0,6134 0,5522 0,4904 0,4277 0,3642 0,3000 0,2350 0,1693
КПД 0,2220 0,3272 0,4268 0,5184 0,5982 0,6587 0,6841 0,6331
Данные эталонного расчета в ПО Star-CCM+
Kt 0,4421 0,3916 0,3394 0,2837 0,2299 0,1755 0,1219 0,0671
10Ke 0,6177 0,5649 0,4938 0,4359 0,3651 0,2988 0,2286 0,1533
КПД 0,2278 0,3310 0,4375 0,5179 0,6015 0,6544 0,6790 0,6263
AKT 3,3 % 3,5 % 3,3 % 1,8 % 0,7 % -1,1 % -3,5 % -10,3 %
AWKQ 0,7 % 2,3 % 0,7 % 1,9 % 0,2 % -0,4 % -2,7 % -9,5 %
ДКПД 0,6 % 0,4 % 1,1 % 0,0 % 0,3 % -0,4 % -0,5 % -0,7 %
Данные расчета в ПО «ЛОГОС»
KT 0,4061 0,3669 0,3222 0,2732 0,2228 0,1710 0,1203 0,0663
10Ke 0,5781 0,5308 0,4763 0,4168 0,3550 0,2896 0,2211 0,1443
КПД 0,2237 0,3302 0,4308 0,5219 0,5998 0,6583 0,6959 0,6583
ДХТ -5,1 % -3,1 % -2,0 % -1,9 % -2,4 % -3,6 % -4,75 % -11,4 %
M0KQ -5,8 % -3,9 % -2,9% -2,5 % -2,5 % -3,5 % -5,93 % -14,8 %
ДКПД 0,2 % 0,3 % 0,4 % 0,4 % 0,2 % 0,0 % 1,73 % 2,5 %
Таблица 5. Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований модели гребного винта С
Table 5. Results of numerical modeling and experimental studies of propeller model C
Экспериментальные данные
n, об/с 30
J 0,402 0,63 0,712 0,816 0,926 1,017 1,106 1,153 1,210
KT 0,467 0,342 0,303 0,253 0,201 0,158 0,11 0,075 0,0363
10KQ 0,782 0,634 0,591 0,523 0,459 0,393 0,314 0,258 0,197
КПД 0,382 0,541 0,582 0,629 0,644 0,65 0,619 0,532 0,355
Данные эталонного расчета в ПО Star-CCM+
KT 0,48 0,3521 0,31 0,2559 0,2016 0,1541 0,1007 0,0678 0,0248
10Ke 0,802 0,6577 0,6029 0,5314 0,4538 0,3803 0,2984 0,2487 0,1813
КПД 0,383 0,537 0,584 0,626 0,655 0,656 0,595 0,500 0,263
ДХт 2,8 % 3,0 % 2,3 % 1,1 % 0,3 % -2,5 % -8,5 % -9,6 % -31,7 %
M0Ke 2,6 % 3,7 % 2,0 % 1,6 % -1,1 % -3,2 % -5,0 % -3,6 % -8,0 %
ДКПД 0,1 % -0,4 % 0,2 % -0,3 % 1,1 % 0,6 % -2,4 % -3,2 % -9,2 %
Данные расчета в ПО «ЛОГОС»
KT 0,4629 0,3541 0,3142 0,2657 0,2130 0,1646 0,1101 0,0793 0,0380
10Ke 0,7871 0,6512 0,6026 0,5400 0,4664 0,3935 0,3081 0,2613 0,2000
КПД 0,3765 0,5459 0,5926 0,6395 0,6734 0,6774 0,6302 0,5573 0,3656
ДХт -0,9 % 3,5 % 3,7 % 5,0 % 6,0 % 4,2 % 0,1 % 5,7 % 4,7 %
moKq 0,7 % 2,7 % 2,0 % 3,3 % 1,6 % 0,1 % -1,9 % 1,3 % 1,5 %
ДКПД -0,6 % 0,5 % 1,1 % 1,1 % 2,9 % 2,7 % 1,1 % 2,5 % 1,1 %
Погрешности:
AKt = (KT CFD - KTEXP)/KTEXP, AKQ = (KQ CFD - KQ EXP)/KQ EXP;
АКПД = КПДсдо - КПДехр.
На рис. 11 на основе визуализации д-критерия показаны вихревые структуры за гребными винтами, полученные в результате расчета в программном модуле «ЛОГОС-Судостроение».
Кт, 10KQ, КПД 0,7
Рис. 8. Кривые действия модели A в условиях «свободной воды»
Fig. 8. Performance curves of model A in open water conditions
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
---Kf (Exp)
О Kj (ЛОГОС) ♦ KT (Star-CCM+)
----10% (Exp) -
□ 10% (ЛОГОС) ■ 10% (Star-CCM+)
- КПД (Exp)
О КПД (ЛОГОС) • КПД (Star-CCM+)
Кт, 10Kg, КПД 0,7
0,5
0,4
0,3
0,2
ОД 0
L
V к.
► г * k
< ► / K. — _
i
s "v. ^ T
Рис. 9. Кривые действия модели гребного винта модели В в условиях «свободной воды»
Fig. 9. Performance curves of the propeller model of model B in open water conditions
0,2 0,3 Kr, 10KQ, КПД
0,4 0,5 0,6 0,7
0,8
---KT (Exp)
О Кт (ЛОГОС) ♦ £r(Star-CCM+)
----10% (Exp) -
□ 10% (ЛОГОС) ■ 10% (Star-CCM+)
КПД (Exp) КПД (ЛОГОС) КПД (Star-CCM+)
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2
ОД 0
u 4
0
вч
гх 'В.. ч
i> s. ¡1
4
V
л
Рис. 10. Кривые действия модели гребного винта модели С в условиях «свободной воды»
Fig. 10. Performance curves of the propeller model of model C in open water conditions
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 J
---KT (Exp) ----10% (Exp) - КПД (Exp)
О Кт (ЛОГОС) □ 10% (ЛОГОС) О КПД (ЛОГОС) ♦ £r(Star-CCM+) ■ 10% (Star-CCM+) • КПД (Star-CCM+)
Модель А Модель В Модель С
Рис. 11. Вихревые структуры за гребными винтами (Q = 103 1/с2) Fig. 11. Vortex structures behind the propellers (Q = 103 1/s2)
Таблица 6. Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований модели водометного движителя насосного типа
Table 6. Results of numerical modeling and experimental studies of water-jet model
Экспериментальные данные
n, об/с 15
J 0,8 1,0 1,2 1,5 1,8
KT 0,875 0,832 0,788 0,698 0,584
10Ke 2,134 2,042 1,936 1,731 1,431
КПД 0,522 0,649 0,777 0,963 1,168
Данные эталонного расчета в ПО Star-CCM+
KT 0,888 0,843 0,797 0,714 0,607
10Ke 2,176 2,070 1,970 1,784 1,533
КПД 0,520 0,6 0,773 0,955 1,134
ДХТ 1,5 % 1,2 % 1,2 % 2,2 % 3,9 %
M0Ke 1,9 % 1,4 % 1,8 % 3,0 % 7,1 %
ДКПД -0,4 % -0,2 % -0,5 % -0,8 % -2,9 %
Данные расчета в ПО «ЛОГОС»
KT 0,816 0,797 0,780 0,739 0,652
10Ke 2,274 2,213 2,160 2,042 1,820
КПД 0,457 0,573 0,690 0,864 1,026
ДХТ -6,7 % -4,3 % -1,0 % 5,8 % 11,7 %
M0KQ 6,6 % 8,4 % 11,6 % 17,9 % 27,1 %
ДКПД -12,5 % -11,7 % -11,2 % -10,3 % -12,2 %
Данные расчета в ПО «ЛОГОС» c расчетной сеткой из Star-CCM+
KT 0,962 0,909 0,859 0,772 0,659
10Ke 2,285 2,154 2,037 1,842 1,579
КПД 0,536 0,672 0,805 1,001 1,195
ДХТ 10,0 % 9,3 % 9,1 % 10,6 % 12,9 %
M0Ke 7,1 % 5,5 % 5,2 % 6,4 % 10,3 %
ДКПД 2,7 % 3,6 % 3,7 % 4,0 2,3 %
Результаты
валидации для модели водометного движителя насосного типа
Validation results for pump jet model
Решение задачи по определению гидродинамических характеристик модели ВДНТ показало, что потребности пакета программ «ЛОГОС» к вычислительным ресурсам при построении расчетной сетки очевидно превышают аналогичные требования ПО Star-CCM+.
Построение в пакете программ «ЛОГОС» расчетной сетки для ВДНТ с параметрами, обеспечивающими достаточную точность решения, на вычислительной технике Крыловского центра оказалось технически невозможным. Размерность расчетной сетки, максимально соответствующей требованиям технологии, которую удалось построить в данном пакете, составила 25,3 млн ячеек. Поэтому для ВДНТ выполнено также сравнение решателя пакета программ «ЛОГОС» с эталонными результатами ПО Star-CCM+ при использовании расчетной сетки, сгенерированной в ПО Star-CCM+ и импортированной в ПО «ЛОГОС». Размерность расчетной сетки, построенной в ПО Star-CCM+ по соответствующей методике Крыловского центра, составляет 46,8 млн ячеек.
Проведено сравнение полученных ГДХ с результатами эксперимента и результатами эталонного расчета, выполненного с использованием ПО Star-CCM+ [12]. Полученные результаты приведены в табл. 6 и на рис. 12.
Как видно из результатов расчета (табл. 6 и рис. 12), для данной задачи и при полученной в ПО «ЛОГОС» расчетной сетке программный модуль «ЛОГОС-Судостроение» сильно завышает момент рабочего колеса водометного движителя -максимальная погрешность составляет 27 %.
Использование решателя «ЛОГОС» на расчетной сетке, построенной средствами ПО Star-CCM+, позволяет значительно уменьшить погрешность определения ГДХ ВДНТ. Тем не менее погрешность определения ГДХ ВДНТ (~10 % по упору и ~7 % по моменту) при использовании решателя «ЛОГОС» несколько выше, чем аналогичная погрешность ПО Star-CCM+ (табл. 6).
Заключение
Conclusion
В работе показано, что при использовании квалифицированным персоналом валидированных технологий численного моделирования можно с помощью отечественного пакета программ «ЛОГОС» выполнять прогнозирование гидродинамических характеристик гребных винтов с точностью, не уступающей ведущим зарубежным программным продуктам.
Полученный результат стал возможен благодаря успешному сотрудничеству ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» и ФГУП «Крыловский государственный научный центр» в процессе разработки и валида-ции программного модуля «ЛОГОС-Судостроение». Требуется дальнейшее развитие пакета программ «ЛОГОС» для корректного решения более сложных задач, связанных с судовыми движителями.
Кт, 10KQ, КПД 2,5
---£г(Ехр)
♦ Кт (Star-CCM+) О Кт (ЛОГОС)
Кт (ЛОГОС + Star-CCM mesh)
1----10Хд(Ехр)
* ■ 1 OKq (Star-CCM+) □ IOKq (ЛОГОС)
10% (ЛОГОС + Star-CCM mesh)
- КПД (Exp)
• КПД (Star-CCM+) О КПД (ЛОГОС)
КПД (ЛОГОС + Star-CCM mesh)
0,8 0,9
Рис. 12. Кривые действия модели водометного движителя насосного типа в условиях «свободной воды» Fig. 12. Performance curves of the water-jet model in open water conditions
Список использованной литературы
1. Investigation of supercomputer capabilities for the scalable numerical simulation of computational fluid dynamics problems in industrial applications / Kozelkov A.S., Kurulin V.V., Lashkin S.V. [et al.] // Computational mathematics and mathematical physics. 2016. Vol. 56, № 8. P. 1506-1516. DOI: 10.1134/S0965542516080091.
2. Mathematical simulation of hydrogen-oxygen combustion in rocket engines using LOGOS code / Betelin V.B., Shagaliev R.M., Aksenov S.V. [et al.] // Acta Astronautica. 2014. Vol. 96. P. 53-64. DOI: 10.1016/j.actaastro.2013.11.008.
3. Kozelkov A.S. The Numerical technique for the landslide tsunami simulations based on Navier-Stokes equations // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2016. Vol. 58, № 7. P. 1192-1210. DOI: 10.1134/ S0021894417070057.
4. Валидация пакета программ «ЛОГОС» для решения задач судостроительной отрасли / Козелков А.С., Ку-рулин В.В., Таранов А.Е. [и др.] // Суперкомпьютерные дни в России: труды международной конференции. Москва : МАКС Пресс, 2021. С. 62-73.
5. Paik K.-J. Numerical study on the hydrodynamic characteristics of a propeller operating beneath a free surface // International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. 2017. Vol. 9, № 6. P. 655-667. DOI: 10.1016/j.ijnaoe.2017.02.006.
6. URL: http://www.nmri.go.jp/institutes/fluid_performance_ evaluation/cfd_rd/cfdws15/file/Geometry_IGES_files/ kcs/KP505.zip (дата обращения: 20.03.2022).
7. Легконагруженный водометный движитель : пат. 2537351 Рос. Федерация / С.А. Александров, Г.И. Каневский, С.В. Капранцев, А.В. Пустошный. № 2013121166/11; заявл. 07.05.2013; опубл. 10.01.2015, Бюл. № 1. 8 с.
8. MenterF.R. Two equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal. 1994. Vol. 32, № 8. P. 1598-1605. DOI: 10.2514/3.12149.
9. Correlation-based transition model using local variables. Part 1: Model Formulation / Menter F.R., Langtry R.B., Likki S.R. [et al.] // Journal of Turbomachinery. 2006. Vol. 128, № 3. P. 413-422. DOI: 10.1115/1.2184352.
10. TaranovA., LobachevM.Influence of the laminarturbulent transition on the accuracy of the propeller characteristics prediction in the model scale // 2015 International Conference on Mechanics - Seventh Polyakhov's Reading : [Proceedings]. Piscataway : IEEE, 2015. P. 243-246. DOI: 10.1109/Polyakhov.2015.7106783.
11. Таранов А.Е. Определение локальных и интегральных гидродинамических характеристик контейнеровоза в цифровом бассейне // Труды Крыловского государственного научного центра. 2019.
Вып. 3(389). С. 73-82. DOI: 10.24937/2542-2324-20193-389-73-82.
12. Лобачев М.П., Рудниченко А.А. Расчетное определение начала кавитации рабочего колеса водометного движителя насосного типа // Труды Кры-ловского государственного научного центра. 2019. Вып. 3(389). С. 63-72. DOI: 10.24937/2542-2324-20193-389-63-72.
References
1. Investigation of supercomputer capabilities for the scalable numerical simulation of computational fluid dynamics problems in industrial applications / A.S. Kozelkov, V. V. Kurulin, S. V. Lashkin [et al.] // Computational mathematics and mathematical physics. 2016. Vol. 56, No. 8. P. 1506-1516. DOI: 10.1134/S0965542516080091.
2. Mathematical simulation of hydrogen-oxygen combustion in rocket engines using LOGOS code / V.B. Betelin, R.M. Shagaliev, S.V. Aksenov [et al.] // Acta Astronautica. 2014. Vol. 96. P. 53-64. DOI: 10.1016/j.actaastro.2013.11.008.
3. Kozelkov A.S. The Numerical technique for the landslide tsunami simulations based on Navier-Stokes equations // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2016. Vol. 58, No. 7. P. 1192-1210. DOI: 10.1134/ S0021894417070057.
4. Validation of the LOGOS software package for solving the problems of the shipbuilding industry / A.S. Kozelkov, V. V. Kurulin, A.E. Taranov [et al.] // Supercomputer days in Russia: Proceedings of the International conference. Moscow : MAKS Press, 2021. P. 62-73 (in Russian).
5. Paik K.-J. Numerical study on the hydrodynamic characteristics of a propeller operating beneath a free surface // International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. 2017. Vol. 9, No. 6. P. 655-667. DOI: 10.1016/j.ijnaoe.2017.02.006.
6. URL: http://www.nmri.go.jp/institutes/fluid_performance_ evaluation/cfd_rd/cfdws15/file/Geometry_IGES_files/ kcs/KP505.zip (Accessed: 20.03.2022) (in Russian).
7. Lightly loaded water jet : pat. 2537351 Ros. Federation / S.A. Alexandrov, G.I. Kanevsky, S. V. Kazantsev, A. V. Pus-toshny. No. 2013121166/11; application 07.05.2013; publ. 10.01.2015, Bul. No. 1. 8 p. (in Russian).
8. Menter F.R. Two equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal. 1994. Vol. 32, No. 8. P. 1598-1605. DOI: 10.2514/3.12149.
9. Correlation-based transition model using local variables. Part 1: Model Formulation / F.R. Menter, R.B. Langtry, S.R. Likki [et al.] // Journal of Turbomachinery. 2006. Vol. 128, No. 3. P. 413-422. DOI: 10.1115/1.2184352.
10. Taranov A., Lobachev M. Influence of the laminarturbulent transition on the accuracy of the propeller
characteristics prediction in the model scale // 2015 International Conference on Mechanics - Seventh Polyakhov's Reading : [Proceedings]. Piscataway : IEEE, 2015. P. 243-246. DOI: 10.1109/Polyakhov. 2015.7106783.
11. Taranov A.E. Determination of local and integral hydro-dynamic characteristics of a container ship in a digital basin // Transactions of Krylov State Research Centre. 2019. Vol. 3(389). P. 73-82. DOI: 10.24937/2542-23242019-3-389-73-82 (in Russian).
12. LobachevM.P., Rudnichenko A.A. Estimated determination of pump jet impeller cavitation inception // Transactions of Krylov State Research Centre. 2019. Vol. 3(389). P. 63-72. DOI: 10.24937/2542-2324-20193-389-63-72 (in Russian).
Сведения об авторах
Таранов Андрей Евгеньевич, к.т.н., начальник отделения математического моделирования и суперкомпьютерных технологий ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург,
Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 748-63-19. E-mail: AE_Taranov@ksrc.ru. https://orcid.org/0000-0002-1325-3838. Кузнецова Анна Владимировна, инженер 1-й категории отдела математического моделирования ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 748-63-19. E-mail: a_kuznetsova@ksrc.ru. https://orcid.org/0000-0002-0256-9423.
About the authors
Andrey Ye. Taranov, Cand. Sci. (Eng), Head of Mathematical Modeling and Supercomputer Technologies Department, Krylov State Research Centre. Address: 44, Mos-kovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 748-63-19. E-mail: AE_Taranov@ksrc.ru. https://orcid.org/0000-0002-1325-3838. Anna V. Kuznecova, 1st Category Engineer of Mathematical Modeling and Supercomputer Technologies Department, Krylov State Research Centre. Address: 44, Mos-kovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 748-63-19. E-mail: a_kuznetsova@ksrc.ru. https://orcid.org/0000-0002-0256-9423.
Поступила / Received: 08.02.22 Принята в печать / Accepted: 27.06.22 © Кузнецова А.В., Таранов А.Е., 2022
