CC BY
22[15] CHizhevskiy A.L. Rukovodstvo po primeneniyu ionizirovannogo vozdukha v promyshlennosti, sel'skom khozyaystve i v meditsine. Metodicheskie ukazaniya pri pol'zovanii aroionifikatsionnymi ustanovkami «Soyuzsantekhniki». Moskva, Gosplanizdat, 1959g. (Povtomo polnost'yu opublikovano v ZHRFM, 1991, № 2, str. 23-60).
[16] SanPiN 2.2.4.1294-03 «Gigiena truda. Fizicheskie faktory proizvodstvennoy sredy. Gigieniches-kie trebovaniya k aeroionnomu sostavu vozdukha proizvodstvennykh i obshchestvennykh pomesh-cheniy». Sanitarno-epidemiologicheskie pravila i normativy. Minzdrav Rossii. Moskva 2003 - 5s.
Статья поступила в редакцию 30.01.2019 г.
УДК 629.5.035.5
Д.И. Осовский, к.т.н., доцент кафедры судовых энергетических установок ФГБОУВО «КГМТУ», e-mail: [email protected] А.С. Шаратов, инженер-механик 1 кат. учебно-научной лаборатории «Машинный зал кафедры СЭУ», ФГБОУ ВО «КГМТУ», e-mail: [email protected] ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет» 298309, Республика Крым, г. Керчь, ул. Орджоникидзе, 82
ВЛИЯНИЕ ОГРАНИЧЕННОГО ПРОСТРАНСТВА НА РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ГРЕБНОГО ВИНТА С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ СТРУЙНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВОДЫ НА ЛОПАСТИ
Ключевые слова: гребной винт, щелевая насадка, струйное воздействие, экспериментальное исследование, вычислительная гидродинамика, коэффициент, ограниченное пространство
Тепловая и механическая напряженность главного двигателя, работающего на гребной винт фиксированного шага, завит от изменяющихся условий эксплуатации. Ограничение влияния внешних условий эксплуатации на главный двигатель может быть достигнуто путем подачи дополнительной воды на лопасти гребного винта. Целенаправленное изменение параметров воды, подаваемой через лопастные щелевые насадки, обеспечивает изменение гидродинамических параметров гребного винта, а также тепловой и механической напряженности главного двигателя. Возможность проведения экспериментального исследования гребных винтов, со струйным воздействием воды, при эксплуатации главной энергетической установки ограничена условиями эксплуатации судна. Для подтверждения теоретических данных актуально экспериментальное исследование гребных винтов в гидродинамических трубах, а также численное моделирование процессов в комплексах вычислительной гидродинамики. При исследовании гребного винта со струйным воздействием жидкости в гидродинамической трубе, по сравнению с теоретическими данными установлена постоянная погрешность эксперимента. Наличие постоянной погрешности при экспериментальном исследовании, учитываемой поправочным коэффициентом обусловлено влиянием ограниченного пространства гидродинамической трубы. Известные коэффициенты, характеризующие работу гребных винтов в стесненном пространстве, не в полной мере учитывают особенности работы гребного винта со струйным воздействием. С целью определения поправочного коэффициента проведено численное моделирование моделей экспериментального стенда и исследуемого гребного винта в комплексе вычислительной гидродинамики. По результатам расчётного исследования получена зависимость поправочного коэффициента, учитывающего влияние стесненного пространства на результаты экспериментального исследования гребного винта, оснащенного щелевой насадкой дополнительного струйного воздействия. При использовании комплекса вычислительной гидродинамики определено влияние расчетной области
на достоверность получаемых результатов и доверительный интервал полученных значений коэффициента. Полученные результаты могут использоваться для уточнения размеров расчетной области при численном исследовании и выбора оптимальных размеров гидродинамических труб при эксперименте. В дальнейшем, представляет интерес исследований гребных винтов путем параллельного моделирования процессов в гидродинамической трубе и ее 3Б копии в комплексе вычислительной гидродинамики.
Введение
Работа главного двигателя на винт фиксированного шага характеризуется зависимостью тепловой и механической напряженности главного двигателя от условий эксплуатации судна. Гидрометеорологические факторы и состояние элементов пропуль-сивного комплекса оказывает существенное влияние на режим работы гребного винта, определяющего в свою очередь теплонагруженность главного двигателя. Анализ влияния гидродинамических характеристик гребного винта на режимы работы главного двигателя (ГД) может быть выполнен двумя путями: экспериментальным исследованием [1] и численным моделированием [2].
Экспериментальное исследование работы главного двигателя на винт фиксированного шага в эксплуатационных условиях имеет ряд ограничений. Возможности проведения экспериментов на судах, находящихся в эксплуатации, ограниченны и связаны с конкретными условиями эксплуатации судна. Некоторые режимы работы главной энергетической установки, необходимые для экспериментального исследования могут быть недопустимы или опасны в рамках технической эксплуатации судна. Качественно возможно лишь накопление технических данных. При сборе данных, характеризующих режим работы главной энергетической установки (ГЭУ), проявляется погрешность, связанная с переменным воздействием на судно внешних факторов (условий эксплуатации). При этом повторяемость экспериментов может быть достигнута только при благоприятных условиях, при которых двигатель будет работать в пределах одной винтовой характеристики [3].
Зависимость теплонагруженности главного двигателя от гидродинамических параметров гребного винта фиксированного шага, оборудованного щелевой насадкой дополнительного струйного воздействия, в соответствии с требованиями по обеспечению повторяемости экспериментов может быть определена путем модельных исследований в экспериментальных установках.
Особенностью экспериментального исследования гидродинамических комплексов в замкнутых трубах является постоянное отличие характеристик гребных винтов по сравнению с натурными испытаниями, что учитывается введением поправочных коэффициентов к результатам экспериментальных исследований.
При проведении модельных исследований гребных винтов в гидродинамических трубах важно сохранение подобия моделей, а также учет влияния сопоставимости размеров исследуемого объема жидкости и модели. Ограничения по размерам экспериментальных стендов, влияние ограниченного исследуемого пространства и стеснения потока должны быть учтены при проведении эксперимента [4].
Размещение гребного винта в экспериментальном стенде - гидродинамической трубе приводит к снижению концевых потерь лопастной системы, выравниванию неоднородности внешнего потока скоростей. Суммарное снижение потерь приводит к повышенной эффективности гребного винта в гидродинамической трубе по сравнению с реальными эксплуатационными значениями открытого винта в безграничном потоке.
Экспериментальные исследования гребных винтов в установках типа «гидродинамическая труба» имеют также ряд дополнительных ограничений [5]. Проведение значительного числа экспериментов связано со значительными затратами времени и ресурсов, требует изготовления моделей гребных винтов, определяя трудоемкость и ресурсоемкость исследования.
Альтернативным вариантом эксперимента является применение методов численного моделирования. Имеется большое количество подтверждённых и хорошо зарекомендовавших себя методов численного моделирования [6]-[9], дающих результаты, сопоставимые с экспериментальными исследованиями. Представляется возможным заменить часть экспериментальных исследований в гидродинамических трубах численным методом моделирования явлений в программном комплексе FlowVision [10].
Особенно актуальным является использование численного моделирования при исследовании дополнительного струйного воздействия воды, подаваемой на лопасти гребного винта с целью целенаправленного управления теплонагруженностью главного двигателя.
Значительное увеличение вычислительных ресурсов позволяет эффективно использовать численное моделирование физических процессов для исследования взаимодействия гребных винтов с обтекающей их водой. Моделирование выполняется при помощи специальных программ вычислительной гидродинамики, наиболее распространенными из которых являются ANSYS CFX [11], FLUENT [12], FLOW SIMULATION SOLIDWORKS [13], FLOWVISION. Применение пакетов численного моделирования дает высокую точность при расчетах вязких течений. Одним из актуальных вопросов, связанным с применением вычислительной гидродинамики, является ограничение расчетного пространства с целью минимизации расчетного времени.
При исследовании гребных винтов, ограничение исследуемой области оказывает влияние на картину обтекания гребного винта и вносит погрешность в результаты расчета. Необходима точная оценка вносимой погрешности с целью подтверждения достоверности численного и экспериментального моделирования. Сложность оценки погрешности проведенных экспериментов, для гребных винтов оборудованных щелевой насадкой дополнительного струйного воздействия, связана с отсутствием систематических эксплуатационных исследований влияния подачи дополнительной воды к лопастям.
Влияние эффекта ограниченного (стесненного) пространства на работу гребного винта установлено в начале 20 века [14]. Вопрос учета влияния стеснённого пространства на результаты экспериментального исследования, рассмотрен в материалах [15].
При этом малое внимание уделяется оценке погрешности, связанной с ограничением пространства в зоне действия гребного винта, при экспериментальных исследованиях в гидродинамической трубе.
Малая освещенность данного вопроса связана с особым подходом при проектировании гребных винтов, заключающимся в систематических экспериментальных исследованиях серийных винтов в эксплуатации [16]. На основании экспериментальных исследований составлялись диаграммы [17], позволяющие определить гидродинамические характеристики конкретных винтов и влияние стесненного пространства на их параметры. Данный метод имеет хорошие показатели при значительных финансовых и временных затратах.
Учет влияния ограниченного пространства при несистематических исследованиях выполняется с помощью ввода поправочного коэффициента.
Величина поправочного коэффициента зависит от объекта моделирования, его свойств и характера влияния стеснённого пространства на режим обтекания исследуемого объекта. Использование известных поправочных коэффициентов [18] для гребного винта с изменяемыми гидродинамическими параметрами и пониженными потерями невозможно, так как не учитывается комплексное изменение потерь энергии, и приводит к росту погрешности эксперимента. Необходимо сопоставление результатов численных и экспериментальных исследований гребного винта, с дополнительным струйным воздействием воды на лопасти, с целью определения достоверных значений поправочного коэффициента.
Цель работы: проанализировать условия проведения эксперимента и оценить влияние стесненного пространства на результаты численного моделирования и экспе-
риментального исследования режимов работы гребного винта, оборудованного щелевой насадкой дополнительного струйного воздействия воды, подаваемой на лопасти. Для уточнения результатов экспериментального исследования введен поправочный коэффициент, использование которого позволяет повысить точность, а также снизить трудоемкость и ресурсоемкость проводимых исследований.
Материалы и методы
Экспериментальное исследование режимов работы гребного винта выполнено с целью оценки теплонагруженности двигателя в составе главной энергетической установки (ГЭУ).
На рис. 1 показана структурная схема моделируемой ГЭУ, которая предназначена для преобразования энергии топлива в движение судна. В соответствии с положением органа управления И главный двигатель, используя энергию топлива Qн и воздух (О2+), вырабатывает с коэффициентом полезного действия (КПД) пе необходимое для вращения гребного винта количество механической (вращательной) энергии ЕР [19].
Главная передача преобразует с КПД пп энергию ГД в энергию необходимого качества (энергию, обеспечивающую эффективное выполнение движителем его функций) Ргк, которая через валопровод передается с КПД валопровода пв движителю. Последний преобразует энергию Рв в упор У с пропульсивным коэффициентом ппр, который через валопровод и упорный подшипник в составе экспериментального стенда передается на корпус.
В экспериментальном стенде, структурная схема которого показана на рис. 1, корпус судна заменен на фундаментную раму экспериментальной установки, а энергия затрачивается на преодоление гидродинамического момента сопротивления гребного винта, находящегося в гидродинамической трубе. Упор через упорный подшипник, передается на фундаментную раму экспериментальной установки. Потери в ва-лолинии имитируются дейдвудным устройством гидродинамической трубы.
Рис. 1. Структурная схема моделируемого главного энергетического комплекса: И - положение топливной рейки; Qн - энергия топлива; О2+ - воздух;
Пе - коэффициент полезного действия (КПД) двигателя; ГД - главный двигатель;
ГП - главная передача; ЕР - механическая энергия; пп - КПД главной передачи;
Ргк - вращательная энергия передачи; пв - КПД валопровода; Рв - энергия подводимая к движителю; Д -движитель; ппр - пропульсивный КПД;
У - Упор; В - валопровод
В экспериментальном стенде моделируется главная энергетическая установка судна, состоящая из высокооборотного главного двигателя марки 6МУБ26, оснащенного генератором постоянного тока и гребного винта фиксированного шага В-3-55 диаметром 0,5 м., оборудованного щелевой насадкой струйной подачи дополнительной воды на лопасти.
На рис. 2 показаны основные элементы и общий вид гидродинамической трубы при проведении эксперимента по исследованию гребного винта, оборудованного щелевой насадкой дополнительного струйного воздействия воды, подаваемой на лопа-
сти. Экспериментальный стенд состоит из замкнутой трубы диаметром 0,58 м для обеспечения циркуляции воды по контуру, привода гребного вала, набора характерных и экспериментальных гребных винтов, оборудования для подачи жидкости к щелевой насадке, оборудования фиксирующего проведение эксперимента, оборудования для снятия показателей работы гребного винта в потоке жидкости.
Набегающий поток воды позволяет имитировать заглубление гребного винта, путем создания дополнительного подпора. Расстояние от места установки модели до поворота потока обеспечивает равномерное натекание потока. Приводной двигатель гребного винта оборудован контрольно-измерительными приборами, позволяющими контролировать режим работы двигателя, действующие на него нагрузки со стороны гребного винта.
Для измерения скоростного напора используются манометры, установленные до и после исследуемого винта. Для подачи дополнительной воды через щелевые насадки лопастей гребного винта используется гидрофор. Параметры подаваемой воды измеряются контрольно -измерительными приборами (КИП), находящимися на выходном фланце гидрофора.
б
Рис. 2. Основные элемента (а) и общий вид (б) гидродинамической трубы для проведения экспериментального исследования по дополнительному струйному воздействию воды, подаваемой через щелевые насадки лопастей гребного винта: 1 - гидродинамическая труба; 2 - смотровые окна; 3 - валопровод; 4- гидрофор; 5 - электродвигатель постоянного тока; 6 - гребной винт;
7 - трубопровод подвода сжатого воздуха к гидрофору; 8 - трубопроводы подвода воды к гидрофору и к трубе; 9 - трубопровод слива воды с гидродинамической трубы; 10 - щит управления электродвигателем; 11 - фланец соединительный гидродинамической трубы; 12 - опорные фундаменты для установки трубы; 13 - манометр давления жидкости; 14 - манометр давления жидкости в трубе до гребного винта; 15 - редукционный клапан давления воздуха гидрофора;
16 - фильтр тонкой очистки для воды, поступающей в гидрофор
На рис. 3 показаны результаты экспериментального исследования гребного винта, оборудованного щелевой насадкой струйного воздействия, в зависимости от параметров подаваемой среды.
Анализ рис. 3 позволяет говорить о наличии постоянного расхождения (постоянной погрешности) в результатах расчета гребного винта, оборудованного щелевой насадкой, по вихревой теории и экспериментальным исследованиям. Подобная разница в параметрах наблюдалась при сравнении результатов экспериментальных исследований гребного винта, до его модернизации [21], с расчетными данными по вихревой теории. Это обусловлено тем, что расчет гребного винта по вихревой теории не
учитывает влияния стесненного пространства экспериментального стенда. Стандартная поправка к влиянию стесненного пространства, используемая для гребных винтов [18] не учитывает влияние на поток дополнительного струйного воздействия воды, подаваемой на лопасти гребного винта.
Для учета влияния стесненного пространства экспериментального стенда на результаты исследования проведено численное моделирование обтекания гребного винта водой, в программном комплексе «FlowVisюn» [22].
АК1 1,1 1,08 1,06 1,04 1,02 1,0
Рис. 3. Зависимость прироста относительного упора гребного винта ДКЬ оборудованного щелевой насадкой дополнительного струйного воздействия, от давления подаваемой воды: точки - результаты экспериментальных и теоретических исследований; линии - аппроксимирующие кривые: 1 - экспериментальное исследование при давлении вылива 0,4 МПа;
2 - расчет по вихревой теории при давлении вылива 0,4 МПа; 3 -экспериментальное исследование при давлении вылива 0,3 МПа; 2 - расчет по вихревой теории при давлении вылива 0,3 МПа
Результаты
1. Численное моделирование работы гребного винта в безграничном пространстве
Используемое для численного моделирования программное обеспечение «FlowVision» представляет собой программный комплекс вычислительной аэро- и гидродинамики [23].
FlowVision используется для моделирования потока воды, взаимодействующего с гребным винтом, и позволяет рассчитать гидродинамические параметры методом конечных объемов. Целенаправленное изменение параметров подаваемой воды на винт и щелевую насадку лопасти гребного винта позволяет реализовать различные варианты обтекания и моделировать поле возможных режимов работы ГД.
Моделирование процесса обтекания гребного винта, оборудованного щелевой насадкой струйной подачи дополнительной воды на лопасти, выполнено в программе FlowVision 2.56 [24] и состояло из следующих этапов:
1. В пакете твердотельного моделирования созданы элементы, позволяющие моделировать бесконечное пространство (параллелепипед) воды, обтекающей гребной винт, лопасти которого оборудованы щелевой насадкой дополнительного струйного воздействия. Размеры параллелепипеда (4*4*4 диаметра гребного винта) выбраны в соответствии с рекомендациями [23], обеспечивающими исключение влияния ограниченности исследуемого объема воды на картину обтекания.
2. При помощи инструмента «фильтр» модель гребного винта помещалась в расчетную область (бокс). Для гребного винта задавался угол набегания потока, частота вращения, а также параметры дополнительно подаваемой воды через щелевую насадку лопасти.
3. На основе созданного параллелепипеда (бокса) в пакете FlowVision создан проект по исследованию работы гребного винта в потоке несжимаемой жидкости. Основные параметры метода, использованные для моделируемых объектов: анизотропная стенка для гребного винта и к-е модель турбулентности [25] для жидкости.
Граничные условия потока:
- на входе в бокс - «вход»; вектор скорости воды, направленный по нормали от грани бокса перед винтом; матрица скоростей потока воды, в каждой ячейке которой задана осевая скорость потока, набегающего на гребной винт;
- на выходе - «свободный выход»; нулевой градиент давления воды на границе, противоположной входу; параметры на границе равны значениям в близлежащих ячейках расчетной области;
- на стенках бокса «симметрия»; для симметрии использовано условие непротекании потока по параметрам скорости, для остальных параметров используется условие равенства значений переменных в симметричных границах;
- для винта - «стенка»; на границе области задается условие прилипания, т.е. обращение в ноль тангенциальной скорости потока воды;
- для выливаемой среды - «вход» с заданной по нормали скоростью на грани щелевой насадки, перпендикулярной засасывающей поверхности лопасти; матрица скоростей воды, в каждой ячейке которой задана скорость потока, направленная по нормали от поверхности истечения.
4. Расчет выполнялся для различных скоростей набегающего потока, угловой скорости вращения гребного винта и параметров подаваемой воды. Критерием сходимости служили величины выводимых программой невязок (110-6), а также динамика изменения параметров гидродинамических сил характеризующая достижение установившегося режима.
На рис. 4 показано векторное поле скоростей, полученное при обтекании гребного винта с подачей дополнительной жидкости через щелевой аппарат на входной кромке подсасывающей поверхности лопасти. Результаты численного моделирования работы гребного винта при различных угловых скоростях вращения и фиксированных параметрах подаваемой воды показаны ниже на рис. 7.
Анализ градиента векторного поля скорости (рис. 4), вызванного воздействием гребного винта на поток, позволяет говорить о возможности сохранения достоверности результатов моделирования при ограничении расчетной области, при условии определения (в пределах) доверительного интервала.
С целью учета влияния ограниченного пространства на результаты моделирования, а также определения доверительного интервала рассчитываемых параметров, в программном комплексе FlowVision смоделирован экспериментальный стенд - виртуальная гидродинамическая труба.
Рис. 4. Векторное поле скоростей исследуемого гребного винта, с лопастной щелевой насадкой дополнительного струйного воздействия воды, в разрезе расчетной области (а) и среднем сечении (б): 1 - граница значительного изменения градиента скорости потока;
2 - расположение щелевой насадки
2. Численное моделирование работы гребного винта в виртуальной гидродинамической трубе
Для численного исследования предварительно была создана 3Б-модель гидродинамической трубы с геометрическими размерами, соответствующими реальному экспериментальному стенду (см. табл. 1). Виртуальная гидродинамическая труба использована для численного исследования взаимодействия гребного винта, оборудованного щелевой насадкой дополнительного струйного воздействия с потоком несжимаемой жидкости в условиях экспериментального стенда. Дублирование экспериментального исследования численным моделированием, имеющим схожие особенности течения несжимаемой жидкости, позволяет учесть взаимное влияние винта и трубы, что повышает достоверность определяемых параметров и характеристик.
На результаты численного моделирования гребного винта в виртуальной гидродинамической трубе оказывают влияния два фактора - ограничение расчетной области и стесненное пространство. Ограничение расчетной области вносит искажения в картину обтекания гребного винта, приводя к росту погрешности численного моделирования. Стеснение пространства (обусловленное близостью стенки трубы) в зоне действия гребного винта, оборудованного щелевой насадкой дополнительного струйного воздействия воды на лопасти приводит к дополнительному снижению концевых потерь, что дает постоянную погрешность эксперимента. В связи с этим численное исследование процесса взаимодействия потока жидкости и гребного винта, лопасти которого оборудованы щелевыми насадками, выполнено в два этапа.
Таблица 1
Основные характеристики экспериментального стенда
Показатель Размерность Значение
Длина габаритная, L м 4
Ширина, В м 2,5
Диаметр , D м 0,58
Максимальный объем воды, V м3 10,4
Расход воды при скорости 1м/с, V м3/мин 12
На рис. 5 показана 3Б-модель разработанной экспериментальной установки в программном комплексе «FlowVisюn».
Рис. 5. 3Б-модель экспериментального стенда в программном комплексе FLOWVISЮN: 1 - «вход» потока на гребной винт;
2 - сечение «свободный выход»
На первом этапе, для оценки влияния стесненного пространства на результаты численного моделирования гребного винта, оборудованного щелевой насадкой выполнена серия численных исследований.
Для 3Б-модели гидродинамической трубы (рис. 5) при исследовании дополнительного снижения концевых потерь энергии на гребном винте, оборудованном щелевой насадкой использованы следующие граничные условия:
- на стенках трубы - «стенка»; на границе области задается условие непротекания, т.е. обращение в ноль нормали составляющей скорости потока воды (нулевой нормальной скорости);
- для винта - «стенка»; на границе области задается условие прилипания, т.е. обращение в ноль тангенциальной скорости потока воды; для динамики гребного винта задаются параметры подводимой механической энергии, эквивалентные реальному гидродинамическому стенду;
- для выливаемой среды - «вход» с заданной по нормали скоростью на грани щелевой насадки, перпендикулярной засасывающей поверхности лопасти; матрица скоростей воды, в каждой ячейке которой задана скорость потока, направленная по нормали от поверхности истечения.
- Результаты численного моделирования использованы для определения поправочного коэффициента влияния стесненного пространства гидродинамической трубы на результаты моделирования. Для учета введенного поправочного коэффициента используются следующие выражения:
Кп =
а =
К (гидродинамическая труба) К (свободная вода)
а(стесненного пространства) а(исследуемого гребноговвнта
где К2 - коэффициент гидродинамического момента гребного винта.
Результаты численного моделирования, выраженные в виде зависимости коэффициента стесненного пространства Ксп от характерного размера а , показаны на рис. 6 жирной линией.
На втором этапе, для оценки влияния размеров расчетной области на достоверность картины обтекания гребного винта и погрешность полученных данных выполнена серия численных исследований. При моделировании в ПО FlowVision использовался участок 1-2 (см. рис. 5) виртуальной гидродинамической трубы, при этом граничные условия соответствовали условиям моделирования безграничного пространства:
- на плоскости, перпендикулярной стенке трубы, перед гребным винтом (рис. 5, сечение 1) - «вход» с заданной скоростью по нормали от поверхности;
- на плоскости, перпендикулярной стенке трубы, за гребным винтом (рис. 5, сечение 2) - «свободный выход»;
- на стенке трубы «симметрия»;
- для винта - «стенка»;
- для выливаемой среды - «вход» с заданной по нормали скоростью.
Диаметр участка трубы, путем масштабирования расчетной области, изменялся в пределах 1,04-3,0 диаметров моделируемого винта (что соответствует реальным геометрическим размерам 0,52-1,5 м.).
Результаты численного моделирования, выраженные в виде доверительного интервала коэффициента стесненного пространства, показаны на рис. 6 в виде штрих-пунктирных линий.
^ \
\ \ \
\ \ \
ч \
\ \ ч > ч \
1-0 1 (относительный диаметр трубы) "" С <1В11Н1
Рис. 6. Зависимость величины поправочного коэффициента Ксп, от характерного размера стесненного пространства ё : сплошная линия - величина поправочного коэффициента; штрих-пунктирная линия - доверительный интервал численного моделирования
Анализ рис. 6 позволяет оценить влияние размера расчетной области на показатели работы гребного винта, оборудованного щелевой насадкой дополнительного струйного воздействия на поток. При численном расчете гребного винта, оборудованного щелевой насадкой, для формирования большого объема расчетных данных допускается ограничение расчетного пространства в размерах 1,5 - 2 диаметра гребного винта.
Проанализируем результаты экспериментального исследования гидродинамических характеристик гребного винта, оборудованного щелевой насадкой дополнительного струйного воздействия для подтверждения полученного поправочного коэффициента.
3. Влияние ограниченного пространства на работу гребного винта с дополнительным струйным воздействием жидкости на засасывающую поверхность лопасти
Экспериментальное исследование гребного винта, оборудованного щелевой насадкой дополнительного струйного воздействия воды, выполнено при различных величинах относительной поступи гребного винта Хр, которая зависит от частоты вращения и скорости набегающего потока. Учет избыточного давления вылива и расхода среды выполнен через коэффициент импульса струи Сц [26].
На рис. 7 показаны гидродинамические характеристики гребного винта, оборудованного щелевой насадкой, при давлении подаваемой воды 0,3 МПа. Параметры щелевой насадки и расход подаваемой среды учитываются коэффициентом импульса струи Сц = 2,8.
у / 1» " ч ^ N >
у / г Л ч \ \\
,/У г / / / \\ V
f \ \ \\
/ / Л
б)
Рис. 7. Коэффициент момента гребного винта (а) и КПД гребного винта (б), лопасти которого оборудованы щелевой насадкой струйной подачи дополнительной воды на лопасти: пунктирная линия - теоретическая характеристики винта - прототипа; сплошная линия - расчетные результаты щелевая насадка включена с Сц=2,8 в условиях стеснённого пространства; штрихпунктирная линия - расчетные результаты щелевая насадка включена с Сц=2,8 при отсутствии стесненного пространства; точки - данные полученные в реальной и виртуальной гидродинамической трубе, щелевая насадка включена с Сц=2,8
На рис. 7 видно, что стеснённое пространство увеличивает эффективность гребного винта по сравнению с неограниченным пространством. Совпадение результатов численного моделирования с экспериментальным исследованием, при вводе поправочного коэффициента, который для экспериментального стенда имеет значение Ксп = 1,11, подтверждает достоверность полученных результатов.
Заключение
В результате выполненного анализа, установлена постоянная погрешность результатов экспериментального исследования относительно результатов расчета гребного винта, оборудованного щелевой насадкой дополнительного струйного воздействия по вихревой теории. Для верификации полученных результатов и анализа причин постоянной погрешности проведено численное моделирование и расчет гребного винта, оборудованного щелевой насадкой в программном комплексе FlowVision. Ограничение расчетной области и переход от безграничного исследуемого пространства к стесненному позволил:
1. Рассчитать поправочный коэффициент Ксп (см. рис. 6), учитывающий влияния стесненного пространства на результаты численного исследования гребного винта, оборудованного щелевой насадкой дополнительного струйного воздействия несжимаемой жидкости на поток, обтекающий гребной винт.
2. Определить влияние размеров расчетной области на результаты моделирования, путем установления доверительного интервала полученного коэффициента (см. рис. 6);
Результаты, полученные при расчете гребного винта с щелевой насадкой подачи дополнительной воды в программном комплексе FlowVision, с допустимой погрешностью подтверждаются теоретическими данными моделирования с использованием вихревой теории и экспериментально полученными данными, при проведении экспериментов в гидродинамической трубе [26].
На основании полученных данных, путем сравнения результатов численного и экспериментального исследования произведена оценка влияния стеснённого пространства гидродинамической трубы на результаты эксперимента. Для гидродинамической трубы (см. табл. 1) и моделируемого гребного винта диаметром 0,5 м. значение Ксп = 1,11.
Подобие результатов моделирования гребного винта при экспериментальном и численном исследовании позволяет говорить о возможности сохранения точности и достоверности полученных данных, для экспериментальных исследований в эксплуатационных условиях.
Дополнительно установлено, что метод численного моделирования, в условиях ограничения расчетной области может быть использован для первоначального моделирования процессов, протекающих при изменении параметров подаваемой среды, скорости набегающего потока с целью накопления большого массива расчетных данных и оптимизации щелевой насадки.
Полученные результаты, характеризующие влияние стесненного пространства на режим работы гребного винта и гидродинамические характеристики, будут использованы для уточнения параметров воздействия на тепловую и механическую напряженность главного двигателя.
Список литературы:
[1] Нгуен К.Д. Теоретический и экспериментальный анализ тепловых выбросов с отработавшими газами судовых дизелей / Вестник АГТУ. Серия: Морская техника и технология. 2012. №1. С. 117-122.
[2] Bugeja S., Rasu M.G. Development of dispersion model of a two-stroke engine outboard plume / WSEAS Transactions on Fluid Mechanics. 2017. vol. 12. Art. 1. Pp. 1-6.
[3] Солодов В.С., Юдин Ю.И. Применение методов планирования активного эксперимента для идентификации судового комплекса / Вестн. МГТУ, Тр. Мурман. гос. техн. ун-та. 2006. Т. 9. №2. С. 187-190.
[4] Русецкий A.A., Хомяков А.А. Методы обеспечения однородности поля скорости и снижения интенсивности турбулентности потока в установках с обращенным движением / Морской Весник. №1(5). 2003. С. 126-130.
[5] Васильев A.B. Влияние формы трубы на кавитационные характеристики крыльевого профиля / Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып. 4(288), 1997. C.8-14
[6] Gourdain N., Jardin T., Serre R., Prothin S., Moschetta J.M. Application of a lattice Boltzmann method to some challenges related to micro-air vehicles / International Journal of Micro Air Vehicles. 2018. 10 (3). Pp. 285-299. DOI: 10.1177/1756829318794174.
[7] Shin K.W., Andersen P. CFD analysis of cloud cavitation on three tip-modified propellers with systematically varied tip geometry / Journal of Physics: Conference Series. 2015. vol.656. Pp. 12-39. DOI: 10.1088/1742- 6596/656/1/012139.
[8] Sun Yu., Yumin S., Xiaoxiang W., Haizhou H. Experimental and numerical analyses of the hydro-dynamic performance of propeller boss cap fins in a propeller-rudder system / Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 2016. vol.10. Pp.145-149. DOI:10.1080/19942060.2015.1121838.
[9] Nouri N.M., Mohammadi S., Zarezadeh M. Optimization of a marine contra-rotating propellers set / Ocean Engineering. 2018. Vol.167. Pp. 397-404.
[10] Король Ю.М., Корнелюк О.Н. Влияние лопастных и профильных характеристик на гидродинамическую эффективность гребных винтов / Наука и прогресс транспорта. Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта. 2017. №4(70). С. 80-88.
[11] Nakisa M., Behrouzi F., Maimun A., Samad R., Ahmed Y.M. Numerical study on propeller performance for a vessel in restricted water / Procedia Engineering. 2017. vol. 194. Pp. 128-135. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.08.126.
[12] Paik K.J., Park H.G., Seo J. RANS simulation of cavitation and hull pressure fluctuation for marine propeller operating behind-hull condition / International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. 2013. Vol. 5(4). Pp. 502-512. DOI: 10.2478/IJNAOE-2013-0149.
[13] Othman M.N.K., Razlan, Z.M., Hazry, D., Wan, K., Shahriman, A.B., Yaacob, S., Ahmed, S.F., Hussain, A.T. Internal air flow analysis of a bladeless micro aerial vehicle hemisphere body using computational fluid dynamic / AIP Conference Proceedings. 2014. vol.1635. Pp. 182-186. DOI: 10.1063/1.4903581.
[14] Осовский Д.И., Шаратов А.С. Моделирование струйно-механизированной винтовой насадки по вихревой теории / Водный транспорт. 2012. №1(13). С. 129-136.
[15] Жамалов Р. Р., Королев, Е. В., Котин, А. И. Аэродинамические трубы как инструмент исследования / Вестник НГИЭИ. 2012. №12. С. 54-62.
[16] Басин А. М., Степанюк А. М. Руководство по расчету и проектированию гребных винтов судов внутреннего плавания - Л: «Транспорт». 1977. 269с.
[17] Шостак В.П., Гершаник В.И., Кот В.П., Бондаренко Н.С. Проектирование пропульсивной установки судов с прямой передачей мощности на винт / под ред. В.П. Шостака. - Николаев: УГМТУ. 2003. 500с.
[18] Go J.S., Yoon H.S, Jung J.H. Effects of a duct before a propeller on propulsion performance / Ocean Engineering. Vol. 136. 2017. Pp. 54-66. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2017.03.012.
[19] Баёв А.С. Судовые энергетические установки, их проектирование и эксплуатация: монография - М.: РАЕ, 2017. 435с.
[20] Шаратов А.С. Струйное воздействие на динамику гребного винта / Вюник двигунобуду-вання. 2010. вып.№2(23). С. 82-85.
[21] Осовский Д.И., Шаратов А.С. Управление гидродинамическими характеристиками гребных винтов / Рыбное хозяйство Украины. 2007. №3 (50). С. 25-28.
[22] Сертификация FlowVision. Url:http://www.tesis.com.ru/software/flowvision/ (дата обращения 08.04.2018).
[23] Король Ю. М. FLOWVISION в учебном процессе и компьютерных исследованиях / Зб. наук.праць НУК. - Микола!в: НУК. 2010. № 5 (434). С. 19-26.
[24] FlowVision, версия 2.54 / Руководство пользователя. М.: ООО ТЕСИС, 2008. - 284 с.
[25] Аксенов А. А., Жлуктов С. В., Калашников С. В., Митин А.Л. К вопросу применения модели турбулентности k-s FlowVision для исследования обтекания профиля крыла при малых числах Рейнольдса / Инженерные системы - 2017. Труды Международного форума. 2017. С. 82-89.
[26] Осовский Д. И., Шаратов А. С. Исследование гидродинамических характеристик гребного винта, оборудованного струйной механизацией в гидродинамической трубе / Рыбное хозяйство Украины: научно-производственный журнал. 2007. №6. С. 37-38.
THE INFLUENCE OF LIMITED SPACE ON RESULTS OF A COMPUTATIONAL AND PILOT STUDY OF THE PROPELLER WITH ADDITIONAL JET IMPACT OF WATER ON BLADES
D.I. Osovskii, Ph.D. in Engineering Sciences, Associate Professor at the Department of ship power plant Kerch State Maritime Technological University
A.S. Sharatov, mechanical engineer of 1 category educational and scientific laboratory
«Engine room Sh.P.P» Kerch State Maritime Technological University
Kerch State Maritime Technological University
298309, Republic of Crimea, Kerch, Ordzhonikidze str. 82
Keywords: propeller, slot nozzle, jet impact, experimental study, computational hydrodynamics, coefficient, limited space
Thermal and mechanical tension of the main engine working for marine propeller of the fixed step depends on the changing service conditions. Restriction of influence of external service conditions on the main engine can be achieved by supply of additional water on the blade of the propeller. Purposeful change ofparameters of the water pumped through bladed slot-hole nozzles provides change of hydrodynamic parameters of the propeller that provides change of thermal and mechanical tension of the main engine. The possibility of carrying out a pilot study of propeller with jet influence of water, at operation of the main propulsion plant is limited to vessel trial conditions. To confirm the theoretical data an experimental study of propellers in hydrodynamic pipes as well as numerical simulation of processes in computational hydrodynamics complexes is important. At a research of the propeller with jet, influence of water in a hydrodynamic pipe the constant error of an experiment comparatively with theoretical data is established. There is a presence of a constant error in the experimental study, which is taken into account by the correction factor due to the influence of the limited space of the hydrodynamic pipe. The known correction factors describing the work of the propellers do not fully take into account the peculiarities of work of the propeller with a jet effect. In order to determine the correction factor, a numerical simulation of the models of the experimental test bench and the propeller screw under study was carried out in the computational complex dynamics According to the results of the design study, the dependence of the correction factor was obtained which takes into account the influence of the constrained space on the results of an experimental study of the propeller equipped with a slotted nozzle for additional jet action.
When using the computational hydrodynamics complex, the influence of the computational domain on the reliability of the results obtained and the confidence interval of the obtained coefficient values are determined. The results obtained can be used to clarify the size of the computational domain in a numerical study and the choice of the optimal size of hydrody-namic tubes in the experiment. In future, it is of interest to research propellers by parallel modeling ofprocesses in a hydrodynamic pipe and its 3D copy in the computational fluid dynamics complex.
References
[1] Nguyen, C.D. «Theoretical and experimental analysis pf thermal pollutants with exhaust gases of marine diesel engines.» Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine Engineering and Technologies 2012, vol.1, p. 117.
[2] Bugeja, S., Rasu, M.G. «Development of dispersion model of a two-stroke engine outboard plum.» WSEAS Transactions on Fluid Mechanics, (12)2017, Art. 1, p. 1.
[3] Solodov, V.S., IUdin, IU.I. «Primenenie metodov planirovaniya aktivnogo ehksperimenta dlya identifikacii sudovogo kompleksa.» Vestnik MGTU: Trudy Murmanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2006, vol. 9, no. 2, p. 187.
[4] Ruseckij, A.A., Homyakov, A.A. «Metody obespecheniya odnorodnosti polya skorosti i snizheniya intensivnosti turbulentnosti potoka v ustanovkah s obrashchennym dvizheniem.» Morskoy Vestnik, 2003, vol.1(5), p. 126.
[5] Vasilev A.V. «Vliyanie formy truby na kavitacionnye harakteristiki kryl'evogo profilya.» Trudy CNII im. akad. A.N. Krylova, 1997, vol. 4(288), p.8
[6] Gourdain, N., Jardin, T., Serre, R., Prothin, S., Moschetta, J.M. «Application of a lattice Boltz-mann method to some challenges related to micro-air vehicles. » International Journal of Micro Air Vehicles. 2018. 10 (3). p. 285. DOI: 10.1177/1756829318794174.
[7] Shin, K.W., Andersen, P. «CFD analysis of cloud cavitation on three tip-modified propellers with systematically varied tip geometry.» Journal of Physics: Conference Series. 2015. vol. 656. p. 12. DOI: 10.1088/1742- 6596/656/1/012139.
[8] Sun, Yu., Yumin, S., Xiaoxiang, W., Haizhou, H. «Experimental and numerical analyses of the hydrodynamic performance of propeller boss cap fins in a propeller-rudder system.» Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 2016. vol.10. p.145. DOI:10.1080/19942060.2015.1121838.
[9] Nouri, N.M., Mohammadi, S., Zarezadeh, M. «Optimization of a marine contra-rotating propellers set.» Ocean Engineering. 2018. Vol.167. p. 397.
[10] Korol, Y.M., Kornelyuk O.N. «Influence of blade and profile characteristics on hydrodynamic efficiency of marine propeller.» Nauka i progress transporta. Vestnik Dnepropetrovskogo nacional'nogo universiteta zheleznodorozhnogo transporta. 2017. vol. 4(70). p. 80.
[11] Nakisa, M., Behrouzi, F., Maimun, A., Samad, R., Ahmed, Y.M. «Numerical study on propeller performance for a vessel in restricted water.» Procedia Engineering. 2017. vol. 194. p. 128. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.08.126.
[12] Paik, K.J., Park, H.G., Seo, J. «RANS simulation of cavitation and hull pressure fluctuation for marine propeller operating behind-hull condition. » International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. 2013. Vol. 5(4). p. 502. DOI: 10.2478/IJNAOE-2013-0149.
[13] Othman, M.N.K., Razlan, Z.M., Hazry, D., Wan, K., Shahriman, A.B., Yaacob, S., Ahmed, S.F., Hussain, A.T. «Internal air flow analysis of a bladeless micro aerial vehicle hemisphere body using computational fluid dynamic.» AIP Conference Proceedings. 2014. vol.1635. p. 182. DOI: 10.1063/1.4903581.
[14] Osovskii, D.I., Sharatov A.S. «Modeling jet surface mechanization rowing screw under the vertical theory.» Vodnyj transport. 2012. vol. 1(13). p.129.
[15] ZGamalov, R.R., Korolev, E.V., Kotin, A.I. «Windpipes - a research tool» Vestnik NGIEHI. 2012. vol. 12. p. 54.
[16] Basin, A. M., Stepaniuk, A. M. Rukovodstvo po raschetu i proektirovaniyu grebnyh vintov sudov vnutrennego plavaniya, Leningrad. «Transport». 1977. 269 p.
[17] Shostak, V.P., Gershanik, V.I., Kot, V.P., Bondarenko, N.S. Designing a marine propulsive unit, Nikolaev. UGMTU. 2003. 500 p.
[18] Go, J.S., Yoon, H.S, Jung J.H. «Effects of a duct before a propeller on propulsion performance.» Ocean Engineering. 2017. vol. 136. p. 54. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2017.03.012.
[19] Bayov, A.S. Cudovye ehnergeticheskie ustanovki, ih proektirovanie i ehkspluataciya: monografiya, Мoskow. РАЕ. 2017. 435 p.
[20] Sharatov, A.S. «Jet influence on dynamics rowing screw.» Vestnik dvigatelestroeniya. 2010. vol. 2(23). p. 82.
[21] Osovskii, D.I., Sharatov A.S. «Upravlenie gidrodinamicheskimi harakteristikami grebnyh vintov.» Rybnoe hozyajstvo Ukrainy. 2007. Vol. 3(50). p. 25.
[22] Certification FlowVision, Available at: http://www.tesis.com.ru/software/flowvision/ (accessed 08 April 2018).
[23] Korol, Y.M. «FLOWVISION v uchebnom processe i kompyuternyh issledovaniyah.» Zb. nauk.prac' NUK. Mikolaiv. NUK. 2010. vol. 5(434). p. 19.
[24] FlowVision, version 2.54 Manual. Мoskov, ООО TESIS. 2008. 284 p.
[25] Aksenov, A. A., ZHluktov, S. V., Kalashnikov, S. V., Mitin, A.L. «K voprosu primeneniya modeli turbulentnosti k-s FlowVision dlya issledovaniya obtekaniya profilya kryla pri malyh chislah Rejnol'dsa.» Inzhenernye sistemy - 2017. Trudy Mezhdunarodnogo foruma. 2017. p. 82.
[26] Osovskii, D.I., Sharatov, A.S. «Issledovanie gidrodinamicheskikh kharakteristik grebnogo vinta, oborudovannogo struinoi mekhanizatsiei v gidrodinamicheskoi trube.» Rybnoe khozyaistvo Ukrainy: nauchnoproizvodstvennyi zhurnal. (2007). vol. 6 p. 37.
Статья поступила в редакцию 18.12.2018 г.
