CC BY
79
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
УДК 629.5.035.5
Ю. М. КОРОЛЬ1*, О. Н. КОРНЕЛЮК2
1 Каф. «Гидромеханика и гидротехника», Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, пр-т Героев Сталинграда, 9, Николаев, Украина, 54025, тел. +38 (066) 188 21 34, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0001-6588-7798
2Каф. «Информационные технологии и физико-математические дисциплины», Херсонский филиал, Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, пр-т Ушакова, 44, Херсон, Украина, 73000, тел. +38 (050) 503 42 30 , эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-2444-1340
ВЛИЯНИЕ ЛОПАСТНЫХ И ПРОФИЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НА ГИДРОДИНАМИЧЕСКУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ
Цель. Для обоснования экспериментальных методов необходимо: 1) сформировать 3D-модели исследуемых гребных винтов; 2) изучить влияние профилировки лопасти гребного винта на его гидродинамические характеристики; 3) разработать методику задания оптимальных параметров проекта для моделирования работы гребного винта в свободной воде, которые в дальнейшем можно было бы рекомендовать при моделировании подобных задач в CFD-пакете Flow Vision. Методика. Разработана технология проектирования гребных винтов новых серий. Впервые предложена методика постановки проекта в среде CFD-пакета Flow Vision для исследования работы гребного винта в свободной воде. Результаты. На примере решения практической задачи по исследованию влияния профилировки лопасти на эффективность гребного винта обоснована целесообразность разработки предложенной методики постановки проекта для расчёта гребных винтов в CFD-пакете Flow Vision. Применение данной методики позволяет получить достоверные значения гидродинамических характеристик винта для построения кривых действия, а также сократить расчётное время. Такой подход дает возможность оптимизировать процесс проектирования гребных винтов. Научная новизна. Путём проведения многочисленных экспериментов и на основании анализа полученных результатов было установлено, что именно профилировка гребного винта в большей степени влияет на его гидродинамические характеристики. Выбор и расчёт гребного винта для проектируемого судна происходит на ранних стадиях проектирования. Поэтому обоснование выбора той или иной геометрии винта является задачей актуальной. Предложена и обоснована методика задания параметров проекта для проведения численных экспериментов при изучении работы гребных винтов в свободной воде. Таким образом, можно проектировать не только серийные винты, но и винты новых серий, максимально сокращая расходы на проведение исследований наряду с достоверностью получаемых результатов расчёта. Практическая значимость. Авторами установлено, что влияние профилировки лопасти гребного винта на его гидродинамические характеристики больше, чем влияние других общих и лопастных характеристик. Разработанная методика постановки проекта для расчёта гребных винтов в CFD-пакете Flow Vision может быть использована при проектировании винтов как новых серий, так и уже существующих, а также в случае оптимизации формы гребного винта с целью обеспечения наибольшего коэффициента полезного действия (КПД). Применение методики позволит сократить время на проведение численного эксперимента за счёт сходимости решения через сравнительно небольшой отрезок времени.
Ключевые слова: численный эксперимент; профилировка лопасти гребного винта; CFD-пакет; несерийный гребной винт; 3D-модель гребного винта; высокая эффективность; гидродинамика
Введение
Одним из критериев эффективности гребного винта является значение его коэффициента полезного действия. Ввиду того, что до 60 % эксплуатационных затрат на морские перевозки приходится на топливо, следует отметить актуальность совершенствования формы гребных винтов как одного из направлений обеспечения 10.15802^2017/109589
экономии дорогостоящего топлива во время эксплуатации судов.
При проектировании высокоэффективных гребных винтов необходимо учитывать влияние их геометрии и формы поверхности на гидродинамические характеристики [8, 10, 11]. По результатам исследований, описываемых в данной статье, и с учётом разработанной ме-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
тодики задания параметров проекта в CFD-пакете для моделирования работы гребных винтов в свободной воде, следует отметить, что основополагающим фактором, влияющим на гидродинамику винта, остаётся профилировка лопасти проектируемого гребного винта.
Цель
Целью данных исследований является обоснование при помощи теоретических и экспериментальных методов связи между лопастными и профильными характеристиками гребного винта на его гидродинамическими характеристиками. Для достижения цели в исследовании предусмотрено разработать методику постановки проекта в среде CFD-пакета Flow Vision для исследования работы гребного винта в свободной воде, изучить адекватность этой методики путём проведения численных экспериментов с винтами различной профилировки и оценки достоверности полученных результатов с помощью верификации.
Методика
На сегодняшний день основным способом получения оптимального решения задач проектирования судов и судовых движетелей, в частности, является многовариантное проектирование, которое возможно только с использованием компьютерных технологий, что позволяет сократить количество модельных экспериментов в опытовых бассейнах [9]. В публикации [5] описана разработанная авторами схема проектирования эффективных гребных винтов. В рамках проектирования винтов по такой схеме проведены исследования влияния профилировки лопасти на коэффициент полезного действия гребного винта. Суть исследования состоит в построении кривых действия исследуемых гребных винтов путём проведения численных экспериментов и сравнения их данных между собой. Такой путь позволяет сделать выводы об их эффективности.
Таким образом, задача была разбита на следующие этапы:
I этап. Выбор геометрических характеристик исследуемых винтов
К общим геометрическим параметрам относятся: диаметр гребного винта, шаговое отно-
шение, дисковое отношение, угол откидывания лопасти, число лопастей и другое. В качестве общих параметров для исследования гидродинамических характеристик гребного винта выбраны значения, указанные на рис. 1 (это строки 1-11).
Рис.1. Исходные данные для программы-генератора поверхности гребных винтов GSP3D, описанной в [4]
Fig. 1. The initial data for the program-generator of the surface of propellers GSP3D, described in [4]
Следует отметить, что в качестве базового выбран четырёхлопастной гребной винт правого вращения с саблевидным типом контура. II этап. Выбор профилировки лопастей Лопастные параметры детально характеризуют форму лопасти винта и их, в свою очередь, можно разделить на две группы. К первой группе относятся параметры, определяющие форму контура лопасти и характеристики винтовой поверхности. А именно: bin(r) - закон изменения безразмерной ординаты входящей кромки спрямленной лопасти вдоль радиуса; Cb (r) - закон изменения безразмерной длины
хорды профиля вдоль радиуса; Pd (F) - закон изменения шагового отношения вдоль радиуса лопасти, а:
К (r) = CbmK (FX cb (r) = CbmCb (ГX
P P - 2r
—(r) =-cPd (r), r = — , D D D
где r - текущий радиус, cbm - максимальная ширина (длина хорды) лопасти, -j^ - конструктивное шаговое отношение. Ко второй группе относятся параметры, определяющие форму профиля лопасти.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету з^зничного транспорту, 2017, № 4 (70)
Лопасть винта имеет на каждом радиусе профильные сечения различной толщины, длины хорды и других профильных характеристик, в дальнейшем называемых профилировкой. Другими словами, речь идёт о параметрах, определяющих форму профиля лопасти. Количество, сущность и значения этих параметров зависят от типа профиля. Также известно, что чем больше средняя линия профиля отклоняется от нуля, тем винт становится более саблевидным.
При одинаковых общих геометрических параметрах исследовались винты с профилями (рис. 3):
- профиль серии «В»;
- саблевидный профиль, близкий к профилю серии В;
- КАСА6556ХХ;
- КАСА6633ХХ.
На рис. 2 представлены профили винтов, сформированных с помощью авторской программы БойОеп, которая позволяет с минимальным количеством исходных данных формировать профили различных серий гребных винтов.
У fr
t-
а - а
3
г
1
серия В
о
?
3
б - b
Рис. 2. Профили гребных винтов:
а - серии NACA6556XX, NACA6633XX; б - серия «В»
Fig. 2. Profiles of propellers:
a - series NACA6556XX, NACA6633XX; b-series B
III этап. Подготовка данных для построения поверхности моделей гребных винтов
Таким образом, путём изменения перед запуском программы GSP3D [4] номера профиля (строка 12 на рис. 1) были сформированы массивы координат поверхности гребных винтов для построения их 3D-моделей. Закон изменения максимальной толщины профиля вдоль радиуса для всех моделей винтов оставался одинаковым. Это связано с обеспечением прочности лопастей гребного винта.
IV этап. Создание 3Б-моделей гребных винтов
Далее в CAD SolidWorks [1] на основе данных, подготовленных на этапе III, построены 3D-модели винтов, представленные на рис. 3.
а - a
б - b
г - d
Рис. 3. 3Б-модели винтов Fig. 3. 3D models of screws
Наука та прогрес транспорту. Вкннк Дншропетровського нащонального ушверситету зашзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
V этап. Расчёт гребных винтов в CFD-пакете Flow Vision
В CFD-пакете Flow Vision существует несколько способов задания расчётной области: 1) вставкой поверхности винта в бокс при помощи фильтра подвижного тела; 2) заданием бокса с вырезом внутри в форме поверхности винта; 3) использованием внешнего бокса со скользящей поверхностью [6, 7].
Отличные результаты были получены путём задания расчётной области третьим способом. При использовании внешнего бокса со скользящей поверхностью расчётная область в формате STL состоит из трёх областей, для двух из которых - рабочих, задаются граничные условия согласно рис. 4.
Результаты расчёта формируются в слое «Характеристики и давление» в виде файла с расширением *^1о, в котором содержатся значения сил и моментов, действующих на гребной винт при заданных значениях частоты п и скорости ир на входе. Далее рассчитываются
Т
безразмерные характеристики Кт — —2—4 ,
рп В
О Кт 3 р
—и ^р . На рис. 5 пред-
рп В КО 2к
KQ =
ставлены результаты таких расчётов для винта серии «В» - сплошные линии соответствуют модельному эксперименту, результаты которого опубликованы в [3], точки - численному эксперименту, приведенному в CFD-пакете Flow Vision.
Рис. 4. Бокс с использованием граничного условия.
Скользящая поверхность
Fig. 4. Box using the boundary condition.
Sliding surface
В результате многочисленных экспериментов, опубликованных авторами ранее в [2, 3], при постанове проекта было принято решение задать следующие параметры:
- модель «Несжимаемая жидкость» с k - s моделью турбулентности;
- локально измельчённую расчётную сетку 100/50/50;
- расчётный шаг по времени A=0,001;
- слои визуализации: векторы по скорости: заливку по давлению, характеристики по давлению;
- скорость потока воды в зависимости от поступания J исследуемого гребного винта: 1 м/с, 4 м/с, 5 м/с;
- скорость вращения гребного винта (5 об/с);
- уровень адаптации сетки по поверхности у гребного винта - 2.
1 "-bJr-l ад
к — ч \ Eta Р
юк 1 \
\
4 ^Kt ---
/ /
/ V \ 1
У V К
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3
Рис. 5. Кривые действия гребного винта с профилем серии «В» (физический и численных экспериментов)
Fig. 5. Propeller action curves with profile «В» (physical and numerical experiments)
Результаты
В процессе верификации результатов численных экспериментов, проведённых в ходе исследования, использованы результаты модельных экспериментов, опубликованные ранее для гребных винтов серии «В». Абсолютно подобная 3D-модель такого винта была рассчитана в CFD-пакете Flow Vision. На рис. 5 сплош-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету зашзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
ные линии соответствуют модельному эксперименту, точки - численному эксперименту, приведённому в CFD-пакете Flow Vision. Отсюда следует, что результаты численных экспериментов достоверные. Дальнейшие исследования проходили по двум направлениям:
А. Разработка методики постановки проекта для расчёта гребных винтов в CFD-пакете Flow Vision. Дело в том, что каждый CFD-пакет требует верификации и предварительного его освоения в силу его сложности. При задании одинаковой сетки для винтов с различной профилировкой наблюдалось снижение КПД при шаге больше 0,9. Разработанная методика позволяет максимально сократить время проведения численного эксперимента за счёт сходимости результатов уже на 200 итерации (рис. 6). Это достигнуто за счёт исследования влияния размерности сетки расчётной области и, как следствие, уменьшения количества расчётных ячеек до 300 000. Кроме того, экспериментально установлено влияние расчётного шага на результаты. Рекомендуется при шагах винта больше 0,95 увеличивать сетку на 20 % вдоль осей X, Y, Z соответственно. При этом расчётный шаг задаётся не как фиксированный, а путём задания числа Куранта, равного 0,5.
Рис. 6. Результат применения разработанной методики постановки проекта в CFD-пакете Flow Vision
Fig. 6. The result of the developed methods application of the project in CFD package Flow Vision
Производительность выполненных расчётов в CFD-пакете Flow Vision представлена в табл. 1.
Производительность
Productivity
Таблица 1
Table 1
Параметр J < 0,95 J >= 0,95
Время 1-й итерации 1,74 минуты 1,98 минуты
Количество расчётных ячеек 300 000 400 000
Сходимость расчёта/ Время расчёта в среднем на 120 итераций / 209 минут в среднем на 350 итераций / 691 минута
Б. Проведение численных экспериментов с винтами различной профилировки. Результаты расчёта представлены на рис. 7 в виде кривых действия гребных винтов. Исследования доказали влияние профилировки на гидродинамические характеристики винтов. Придание саб-левидности профилю, близкому к серии «В», не привело к увеличению КПД гребного винта.
0.8 -В.
КПП [npepwib W-: :'-\>
1 I I [
<ГД (гч>0филь МАСА6БН5<Х)
Z.
Рис. 7. Анализ результатов расчёта:
точки в виде квадратов - профиль NACA6633XX, точки в виде кружков - профиль NACA6556XX, точки в виде ромбов - профиль саблевидный, близкий к серии «В»
Fig. 7. Analysis of calculation results:
points in the form of squares - profile NACA6633XX, points in the form of circles - profile NACA6556XX, points in the form of rhombuses - the profile is saber-like, close to series «В»
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
Результаты, полученные при исследовании винтов с другими профилями, говорят об их преимуществе в сравнении с профилем серии «В». КПД гребного винта серии NACA6556 при шаге 0,9 наибольший - на 2,7 % больше, чем у винта серии «В». В свою очередь КПД винта серии NACA6633 имеет максимальный КПД, на 0,7 % меньший, чем у серии NACA6556, однако при этом шаг его составляет 0,8. Этот шаг более приближен к реальным режимам работы гребного винта.
Научная новизна и практическая значимость
Путём проведения многочисленных экспериментов и на основании анализа полученных результатов было установлено, что именно профилировка гребного винта в большей степени влияет на его гидродинамические характеристики. Выбор и расчёт гребного винта для проектируемого судна происходит на ранних стадиях проектирования. Поэтому обоснование выбора той или иной геометрии винта является задачей актуальной. Разработанная методика постановки проекта для расчёта гребных винтов в CFD-пакете Flow Vision может быть использована при проектировании винтов как новых серий, так и уже существующих, а также в случае оптимизации формы гребного винта с целью обеспечения наибольшего КПД. Применение методики позволит сократить время на проведение численного эксперимента за счёт
получения решения через сравнительно небольшой отрезок времени.
Выводы
1. Очевидно, что гидродинамические характеристики гребных винтов, а именно: коэффи-
( p Л
циент упора KT I ^, JP I и коэффициент мо-
( P Л
мента Kq I —, JP I - явно зависят от шагового
P т »P
отношения — и относительного шага JP =-
D P nD
и неявно зависят от профилировки лопастей.
2. Установлено влияние профилировки лопастей на указанные характеристики KT, Kq .
3. Очевидно, что, действуя подобным образом, можно подбирать как тип профиля, так и зависимость его характеристик от радиуса лопасти, которые будут способствовать повышению КПД гребных винтов на расчетных режимах их работы.
4. Известны более двадцати серий гребных винтов, на основании которых проектируются новые. Однако, в эксплуатации, КПД гребных винтов, как правило, достигает не более 65 %. Таким образом, разработанная схема проектирования гребных винтов новых серий [5], а также разработанная методика постановки проекта для расчёта гребных винтов в CFD-пакете Flow Vision являются актуальными и имеют практическое значение.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Алямовский, А. А. Solid Works 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А. А. Алямовский. - Санкт-Петербург : БХВ-Петербург, 2008. - 1040 с.
2. Гидродинамический анализ судна в программном комплексе Flow Vision [Электронный ресурс] / А. А. Аксенов, В. В. Шмелев, А. В. Печенюк, Б. Н. Станков, В. Г. Пасечник // Rational Enterprise Management. -2007. - № 3. - С. 64-67.
3. Корнелюк, О. Н. Расчёт гидродинамических характеристик гребного винта при работе в свободной воде в CFD-пакете Flow Vision / О. Н. Корнелюк // Зб. наук. пр. / Нац. ун-т кораблебудування iм. аврала Макарова. - Микола1в, 2016. - № 2. - С. 34-39. doi: 10.15589/jnn20160205.
4. Король, Ю. М. Автоматизированная генерация данных для построения твердотельных моделей гребных винтов / Ю. М. Король, О. Н. Рудько // Зб. наук. пр. / Нац. ун-т кораблебудування iм. адмiрала Макарова. - Миколав, 2008. - № 1. - С. 56-61.
5. Новый метод проектирования высокоэффективных гребных винтов [Электронный ресурс] / Ю. М. Король, О. Н. Корнелюк // Инновации в судостроении и океанотехнике : материалы V междунар. науч.-техн. конф. - Николаев, 2014. - Режим доступа: http:// portal.fke.utm.my/libraryfke/files/541_sazilahbintisalleh2010.pdf. - Загл. с экрана. - Проверено : 02.07.2017.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
6. Применение системы инженерного анализа FlowVision для решения прикладных задач гидродинамики судна [Электронный ресурс] / Б. Н. Станков, А. В. Печенюк // САПР и графика. - 2006. - № 11. - С. 5056. - Режим доступа: http://sapr.ru/article/16904. - Загл. с экрана. - Проверено: 04.07.2017.
7. Чижиумов, С. Д. Основы гидродинамики : учеб. пособие / С. Д. Чижиумов. - Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2007. - 106 с.
8. Application of Dynamic Mesh in Analysis of Propeller Hydrodynamic Characteristics / F. L. Wu, Y. L. Peng, Z. G. Zhang, G. D. Wang // Applied Mechanics and Materials. - 2012. - Vol. 212-213. - P. 1112-1118. doi: 10.4028/www. scientific. net/amm.212-213.1112.
9. Bulten, N. Optimum propeller design leads to higher ship efficiency [Электронный ресурс] / N.Bulten // Wartsila Technical Journal. - 2014. - 23 Oct. - Режим доступа: https://www.wartsila.com/twentyfour7/in-detail/optimum-propeller-design-leads-to-higher-ship-efficiency. - Загл. с экрана. - Проверено: 04.07.2017.
10. Ou, L. J. Influence Analysis of Blade Fracture on Hydrodynamic Performance of Ducted Propellers Based on CFD / L. J. Ou, D. Y. Li, W. Zhang // Applied Mechanics and Materials. - 2013. - Vol. 300-301. - P. 10711076. doi: 10.4028/www.scientific.net/amm.300-301.1071.
11. The Hydrodynamic Analysis of Propeller Based on ANSYS-CFX / D. Z. Wang, D. Wang, L. Mei, W. C. Shi // Advanced Materials Research. - 2013. - Vol. 694-697. - P. 673-677. doi: 10.4028/www.scientific.net/amr.694-697.673.
Ю. М. КОРОЛЬ1*, О. М. КОРНЕЛЮК2
1 Каф. «Пдромеханжа та пдротехшка», Нацюнальний ушверситет кораблебудування iKcm адтрала Макарова, пр-т Герогв Сталшграда, 9, Миколагв, Украша, 54025, тел. +38 (066) 188 21 34, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0001-6588-7798
2Каф. «1нформацшш технологи та фiзико-математичнi дисциплши», Херсонський фЫал, Нацюнальний утверситет кораблебудування iменi адтрала Макарова, пр-т Ушакова, 44, Херсон, Украша, 73000, тел. +38 (050) 503 42 30, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-2444-1340
ВПЛИВ ЛОПАТЕВИХ ТА ПРОФ1ЛЬНИХ ХАРАКТЕРИСТИК НА Г1ДРОДИНАМ1ЧНУ ЕФЕКТИВН1СТЬ ГРЕБНИХ ГВИНТ1В
Мета. Для обгрунтування експериментальних методiв необхщно: 1) сформувати 3D-моделi дослвджува-них гребних гвинпв; 2) вивчити вплив профiлювання лопап гребного гвинта на його гiдродинамiчнi характеристики; 3) розробити методику завдання оптимальних параметрiв проекту для моделювання роботи гребного гвинта у вшьнш вод^ яш в подальшому можна було б рекомендувати при моделюванш подiбних за-вдань в CFD-пакеп Flow Vision. Методика. Розроблено технолопю проектування гребних гвинтiв нових серш. Вперше запропонована методика постановки проекту в середовищi CFD-пакета Flow Vision для до-слiдження роботи гребного гвинта у в№нш водг Результати. На прикладi вирiшення практичного завдання по дослщженню впливу профшювання лопатi на ефективнiсть гребного гвинта обгрунтовано доцiльнiсть розробки запропоновано! методики постановки проекту для розрахунку гребних гвинпв в CFD-пакетi Flow Vision. Застосування дано! методики дозволяе отримати достовiрнi значення гiдродинамiчних характеристик гвинта для побудови кривих ди, а також скоротити розрахунковий час. Такий пiдхiд дае можливiсть оптимь зувати процес проектування гребних гвинтiв. Наукова новизна. Шляхом проведення численних експери-ментiв та на пiдставi аналiзу отриманих результатiв було встановлено, що саме профiлювання гребного гвинта в бшьшш мiрi впливае на його гiдродинамiчнi характеристики. Вибiр та розрахунок гребного гвинта для судна, що проектуеться, вiдбуваеться на раншх стадiях проектування. Тому обгрунтування вибору пе! чи iншоi геометри гвинта е завданням актуальним. Запропоновано та обгрунтовано методику завдання параме-трiв проекту для проведення чисельних експерименпв при вивченнi роботи гребних гвинпв у вiльнiй водi. Таким чином можна проектувати не тiльки сершш гвинти, а й гвинти нових серш, максимально скорочуючи витрати на проведення дослвджень, отримуючи при цьому достовiрнi результати розрахунку. Практична значимкть. Авторами встановлено, що вплив профшювання лопап гребного гвинта на його гiдродинамiчнi характеристики бiльше, нiж вплив шших загальних i лопатевих характеристик. Розроблена методика постановки проекту для розрахунку гребних гвинпв у CFD-пакеп Flow Vision може бути викорис-тана при проектуванш гвинпв як нових серш, так i вже юнуючих, а також у разi оптимiзацii форми гребного гвинта з метою забезпечення найбiльшого коефiцiенту корисно! дii (ККД). Застосування методики дозволить
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
скоротити час на проведения чисельного експерименту за рахунок зб1жност1 ршення через пор1вняно невеликий в1др1зок часу.
Ключовi слова: чисельний експеримент; профшювання лопап гребного гвинта; CFD-пакет; несершний гребний гвинт; 3D-модель гребного гвинта; висока ефектившсть; пдродинашка
Y. M. KOROL1*, O. M. KORNELYUK2
1 Dep. «Hydromechanics and Hydraulic Engineering», Admiral Makarov National University of Shipbuilding, Geroyev Stalingrada Av., 9, Nikolayev, Ukraine, 54025, tel. +38 (066) 188 21 34, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-6588-7798
2Dep «Information Technologies and Physical and Mathematical Disciplines», Kherson Branch, Admiral Makarov National University of Shipbuilding, Ushakov Av., 44, Kherson, Ukraine, 73000, tel. +38 (050) 503 42 30, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-2444-1340
INFLUENCE OF BLADE AND PROFILE CHARACTERISTICS ON HYDRODYNAMIC EFFICIENCY OF MARINE PROPELLERS
Purpose. The study involves: 1) formation of 3D propeller models under study; 2) studying of the effect of profiling the blade of the propeller on its hydrodynamic characteristics; 3) development of a methodology for specifying optimal project parameters for modeling the operation of a propeller in free water, which in the future could be recommended when simulating similar tasks in the CFD package Flow Vision. Methodology. The technology of design of propellers of new series was developed. For the first time, the project methodology was proposed in the CFD package Flow Vision for studying the operation of a propeller in free water. Findings. On the example of solving a practical problem for studying the influence of blade profiling on the efficiency of a propeller, the expediency of developing the proposed methodology for setting a propeller design in the CFD package Flow Vision is justified. The using of this technique makes it possible to obtain reliable values of the propeller hydrodynamic characteristics for constructing its action curves, and also to reduce the estimated time. This approach makes it possible to optimize the process of designing propellers. Originality. Through numerous experiments and based on the analysis of the obtained results, it was found that the profiling of the propeller mainly affects its hydrodynamic characteristics. The choice and calculation of the propeller for the projected vessel occurs in the early stages of design. Therefore, the rationale for choosing one or another geometry of the marine propeller is a topical task. A method for specifying project parameters for conducting numerical experiments in studying the operation of propellers in free water was proposed and justified. Thus, it is possible to design not only the serial screws, but also the new series propellers, minimizing the costs of carrying out the research along with the reliability of the resulting calculation results. Practical value. Authors established that the influence of the propeller blade profiling on its hydrodynamic characteristics is greater than the influence of its other general and blade characteristics. The developed design methodology for the calculation of propellers in the CFD package Flow Vision can be used to design the marine propellers of both new series and existing ones, and also in the case of optimizing the shape of the propeller to ensure the greatest efficiency. The application of the technique will allow reducing the time for conducting a numerical experiment due to the convergence of the solution in a relatively short time.
Keywords: numerical experiment; profiling blade propeller; CFD package; non-serial propeller; 3D model of the marine propeller; high efficiency; hydrodynamic
REFERENCES
1. Alyamovskiy, A. A. (2008). Solid Works 2007/2008. Kompyuternoye modelirovaniye v inzhenernoy praktike. St. Petersburg: BHV-Peterburg.
2. Aksenov, A. A., Shmelev, V. V., Pechenyuk, A. V., Stankov, B. N. & Pasechnik, V. G. (2007). Gidrodi-namicheskiy analiz sudna v programmnom komplekse Flow Vision. Rational Enterprise Management, 3, 6467.
3. Kornelyuk, O. N. (2016). Calculation of the hydrodynamic characteristics of the screw propeller when working in the free water in CFD-package Flow Vision. Collection of Scientific Publications NUS, 2, 34-39. doi:10.15589/jnn20160205
4. Korol, Y. M., & Rudko, O. N. (2008). Avtomatizirovannaya generatsiya dannykh dlya postroyeniya tverdotel-nykh modeley grebnykh vintov. Collection of Scientific Publications NUS, 1, 56-61.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
5. Korol, Y. M., & Kornelyuk, O. N. (2014). Novyy metod proyektirovaniya vysokoeffektivnykh grebnykh vintov. Proceedings of the V International Conference on «Innovatsii v sudostroenii i okeanotekhnike», October 08-10, 2014, Nikolaev. Retrieved from https://www.usenix.org/system/files/conference/woot17/woot17-paper-bock.pdf
6. Stankov, B. N., & Pechenyuk, A. V. (2006). Primeneniye sistemy inzhenernogo analiza FlowVision dlya resheniya prikladnykh zadach gidrodinamiki sudna. SAPR i grafika, 11, 50-56. Retrieved from http://sapr.ru/article/16904
7. Chizhiumov, S. D. (2007). Osnovy gidrodinamiki [tutorial]. Komsomolsk-on-Amur: Komsomolsk-na-Amure State Technical University.
8. Wu, F. L., Peng, Y. L., Zhang, Z. G., & Wang, G. D. (2012). Application of Dynamic Mesh in Analysis of Propeller Hydrodynamic Characteristics. Applied Mechanics and Materials, 212-213, 1112-1118. doi:10.4028/www.scientific.net/amm.212-213.1112
9. Bulten, N. (2014, October 23). Optimum propeller design leads to higher ship efficiency. Wartsila Technical Journal. Retrieved from https://www.wartsila.com/twentyfour7/in-detail/optimum-propeller-design-leads-to-higher-ship-efficiency
10. Ou, L. J., Li, D. Y., & Zhang, W. (2013). Influence Analysis of Blade Fracture on Hydrodynamic Performance of Ducted Propellers Based on CFD. Applied Mechanics and Materials, 300-301, 1071-1076. doi:10.4028/www.scientific.net/amm.300-301.1071
11. Wang, D. Z., Wang, D., Mei, L., & Shi, W. C. (2013). The Hydrodynamic Analysis of Propeller Based on ANSYS-CFX. Advanced Materials Research, 694-697, 673-677. doi:10.4028/www.scientific.net/amr.694-697.673
Статья рекомендована к публикации д.т.н., проф. А. В. Щедролосевым (Украина); к.физ.-
мат.н., доц. Н. Л. Дон (Украина)
Поступила в редколлегию: 17.03.2017
Принята к печати: 14.06.2017
