CC BY
19
УДК 532:639.2
ЗАВИСИМОСТЬ ПОКАЗАТЕЛЯ РАСПОРНОЙ СИЛЫ РАЗНОГЛУБИННЫХ ТРАЛОВЫХ РАСПОРНЫХ ДОСОК ОТ ТОЛЩИНЫ ПРОФИЛЯ
В. А. Пелешенко, М. М. Розенштейн
DEPENDENCE OF THE METRIC PUSH-IN FORCE OF THE MIDWATER TRAWL BOARDS ON THE PROFILE THICKNESS
V. A. Peleshenko, M. M. Rozenshtein
В статье изучено влияние относительной толщины профиля траловых распорных досок на их гидродинамические характеристики. По результатам исследований были разработаны модели траловых распорных досок различных конструкций. При помощи методов вычислительной гидродинамики проведено 25 200 экспериментальных циклов. Вычислены и проанализированы показатели поверхностных давлений, линии тока жидкости, коэффициенты распорной силы и гидродинамического качества при обтекании траловых досок с различными показателями относительной толщины профиля. На основании полученных данных разработана формула, позволяющая вычислить значения максимальных показателей гидродинамических коэффициентов распорной силы при заданных значениях относительной толщины профиля. Получены эмпирические зависимости гидродинамического качества от толщины профиля и коэффициента распорной силы от показателей гидродинамического качества. Разработаны практические рекомендации по величине относительной толщины профиля траловых распорных досок. Выявлен интервал рациональных значений толщины профиля от 0,09 до 0,25. Было доказано, что относительная толщина профиля 0,09 характеризуется наилучшими показателями гидродинамического качества, а относительная толщина профиля 0,25 обладает наилучшими показателями распорной силы. Баланс соотношения коэффициента гидродинамической распорной силы и гидродинамического качества достигается при толщине профиля, равной 0,14. Результаты проведённого исследования позволяют на ранних этапах проектирования вычислять гидродинамические характеристики без проведения трудоёмких и длительных модельных экспериментов. Это даёт проектировщику возможность осуществить выбор геометрических параметров профиля траловых распорных досок, обеспечивающий заданные гидродинамические показатели, необходимые для успешного функционирования системы тралового комплекса.
траловая доска, толщина профиля, гидродинамическое качество, распорная сила
The article considers the influence of the relative profile thickness of the trawl boards on their hydrodynamic characteristics. During the experiments, models have been
developed of the trawl boards in various designs. Using the methods of computational fluid dynamics, 25200 experimental cycles have been held. Calculated and analyzed are the indicators of surface pressure, flow line of fluid, coefficients of otter force and hydrodynamic quality in the flow of trawl boards with different relative thickness of the profile. On the basis of the data obtained, formulas have been developed that make it possible to calculate the maximum values of the hydrodynamic coefficients of the otter force of the trawl boards at given indexes of the relative thickness of the profile, as well as the hydrodynamic quality of the trawl boards for given values of the relative thickness of the profile, and the maximum coefficients of the hydrodynamic otter force for given hydrodynamic quality of the trawl boards. We have developed practical recommendations on the value of the relative thickness of the profile of the trawl boards. The interval of rational values of the profile thickness from 0,09 to 0,25 is discovered. It has been found that the relative profile thickness of 0.09 is characterized by the best hydrodynamic performance, and the relative profile thickness of 0.25 has the best exponential strength. The balance of the relationship between the hydrodynamic otter force coefficient and hydrodynamic quality is achieved with a profile thickness equal to 0.14. The results of the research allow us at the early stages of design to calculate hydrodynamic characteristics of trawl boards without the need for laborious and lengthy model experiments. This gives the designer an opportunity to choose geometric parameters of the trawl boards profile, which provides the required hydrodynamic parameters necessary for successful operation of the trawl complex system.
trawl boards, profile thickness, hydrodynamic quality, push-in force
ВВЕДЕНИЕ
Первые траловые доски появились в конце XIX в. и представляли собой плоские деревянные щиты, коэффициент гидродинамического качества которых не превышал 1,1, а коэффициент распорной силы - 1,2. Постепенно, на основе многолетнего опыта эксплуатации конструкция траловых досок претерпела улучшения. Так, в 50-х гг. Э. М. Ракуновым [1] было замечено, что применение сегментальных профилей существенно повышает гидродинамические показатели траловых досок. Разработанная им одноимённая модель траловой доски обладала гидродинамическим коэффициентом распорной силы 1,73 и гидродинамическим качеством 1,5, намного превысив соответствующие характеристики траловых досок с плоским профилем. В настоящее время конструкция всех производимых траловых распорных досок основана на применении сегментальных профилей. Однако, несмотря на труды российских и зарубежных учёных [2-5], до сих пор отсутствует методика, позволяющая определить гидродинамические коэффициенты траловых досок в зависимости от их геометрических характеристик.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Одной из важнейших геометрических характеристик траловых досок с сегментальным профилем является толщина профиля, представленная на рис. 1, и обозначенная Вп, отражающая максимальное значение ординаты внешней кромки профиля.
Рис. 1. Траловая доска с сегментальным профилем Fig. 1. Trawl board with segmental profile
Определение рациональных значений толщины профиля траловых распорных досок является необходимым условием для повышения их итоговых гидродинамических показателей. Величина толщины профиля влияет на такие важнейшие характеристики, как: коэффициент распорной силы; гидродинамическое качество; диапазон рабочих углов атаки; показатели жёсткости профиля и др.
В данной работе рассматривается влияние толщины профиля траловых досок на гидродинамический коэффициент распорной силы, который является целевым показателем работы траловых досок и отражает способность траловых досок формировать распорную силу и обеспечивать тем самым раскрытие устья трала. Также в работе исследована зависимость гидродинамического качества траловых досок от толщины профиля, которая показывает эффективность использования досок в системе тралового комплекса и характеризует соотношение их полезного результата - усилия по обеспечению раскрытия трала - к величине затраченных судном ресурсов на преодоление их сопротивления. При проектировании траловых досок конструкторы, как правило, стараются найти баланс между данными показателями в соответствии с конкретным техническим заданием, обусловленным характеристиками траловой системы.
Для унификации последующих расчётов введём параметр B, который является относительной толщиной профиля траловый доски и выражается отношением толщины профиля Bп траловой доски к длине хорды профиля траловой доски Lп (см. рис.1). В ходе научного исследования было подготовлено шесть моделей траловых досок с относительной толщиной профиля 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0, 5. Каждая модель прошла 14 серий испытаний в диапазоне углов атаки
от 0 до 50° с общим шагом 5° и шагом 1° на максимальных значениях распорной силы с целью определения экстремумов. Моделирование проводилось методом вычислительной гидродинамики CFD с использованием аппаратно-программных комплексов с параллельным вычислением на основе решения уравнений Эйлера и Навье Стокса [6-8]. Для минимизации погрешности моделирование проводилось с трёхсоткратным повторением в среде безграничной жидкости, с учётом сжимаемости жидкости, изменений давлений и вязкости в толще жидкости, турбулентных течений, включая рассеивания турбулентной энергии в жидкости и изменения характеристики жидкости в условиях турбулентности, моделирования плёночных обтеканий вблизи стенок с расчётом напряжений сдвига поверхности, а также с учётом кавитации и сопутствующих изменений течения жидкости. Суммарное количество экспериментальных циклов составляет 25 200.
На основе экспериментальных данных была составлена диаграмма, изображенная на рис. 2, на которой представлена зависимость гидродинамических коэффициентов распорной силы траловых распорных досок с различной относительной величиной толщины профиля на различных углах атаки. Как видно из диаграммы, при относительной толщине профиля траловых досок 0; 0,1; 0,2 наблюдается рост показателей распорной силы с её экстремумом в диапазоне показателей относительной толщины профиля между значениями 0,2; 0,3 c последующим ухудшением гидродинамических характеристик на интервале значений при относительной толщине 0,4; 0,5.
Рис. 2. Диаграмма гидродинамических коэффициентов распорной силы траловых досок разноглубинного трала от углов атаки и относительной толщины профиля Fig. 2. Diagram of hydrodynamic coefficients of the otter force of midwater trawl boards from the angles of attack and relative thickness of the profile
На рис. 3 приведён график зависимости максимальных показателей гидродинамических коэффициентов распорной силы траловых распорных досок от величины относительной толщины профиля.
О ОД 0,2 0,3 0,4 0,5
Рис. 3. График зависимости максимальных показателей гидродинамических коэффициентов распорной силы траловых распорных досок Fig. 3. Graph of the maximum values of hydrodynamic force coefficients of the trawl
boards
При аппроксимации получена формула:
Cy = 27,083^4 - 18,287^3 - 6ДШ^2 + 4,3224^+ 1,3208, (1)
которая позволяет с коэффициентом достоверности 0,99 определить максимальные показатели гидродинамических коэффициентов распорной силы траловых распорных досок при заданных значениях относительной толщины профиля.
На рис. 4 показан график зависимости гидродинамического качества распорной силы от величины относительной толщины профиля.
При аппроксимации экспериментальных значений гидродинамического качества траловых распорных досок при различных величинах относительного удлинения получим:
K = -170,21^ + 212,53^3 - 89,249^2 + 11,152^ + 1,6727. (2)
Формула (2) позволяет с коэффициентом достоверности 0,99 определить показатели гидродинамического качества траловых распорных досок при заданных значениях относительной толщины профиля.
К
Рис. 4. График зависимости гидродинамического качества траловых распорных досок от величины относительной толщины профиля Fig. 4. Graph of the hydrodynamic quality of the trawl boards from the relative
thickness of the profile
Согласно графику зависимости коэффициента гидродинамической распорной силы от относительной толщины профиля и графику зависимости гидродинамического качества от относительной толщины профиля, максимальный показатель распорной силы достигается при значении относительной толщины профиля 0,25, а максимальный показатель гидродинамического качества - при 0,09. Высокие показатели коэффициента распорной силы при относительной толщине профиля 0,2 обусловлены величиной и характером распределения давления с внутренней и внешней стороны профиля траловой доски.
На рис. 5 - эпюра давлений при различной величине относительной толщины профиля, на которой видно, что при плоском профиле зона повышенного давления с внутренней стороны профиля очень мала и постепенно возрастает с увеличением относительной толщины профиля. Однако вместе с ростом зоны повышенного давления при относительной толщине профиля свыше 0,2 начинается смещение центра давлений к оконечности профиля, что приводит к падению распорной силы и росту лобового сопротивления.
Static Pressure - Pa В = О
-1- 3000
- 2500
в = од
В = 0,2
2000 1500 1000 500 О
-500
:В = 0,3 в = 0,4 В = 0,5
- -2000
II 'Л ) п
-4000 /
Рис. 5. Эпюра давлений при различной величине относительной толщины
профиля
Fig. 5. Pressure diagram at different relative thickness of the profile
На рис. 6 представлено обтекание траловых распорных досок с различной величиной относительной толщины. В интервале относительной толщины профиля от 0 до 0,1 происходит падение величины турбулентных течений, образуемых за профилем траловой доски. При увеличении значений относительной толщины профиля с 0,1 до 0,5 наблюдается увеличение турбулентного шлейфа. Исходя из представленных линий тока видно, что наиболее удобообтекаемым является профиль с величиной относительной толщины 0,1, который обладает самым коротким турбулентным шлейфом и объёмом сопутствующих присоединённых масс жидкости, что объясняет максимальные показатели гидродинамического качества траловых досок при соответствующем значении относительной толщины.
Рис. 6. Обтекание траловых распорных досок с различной величиной относительной толщины профиля Fig. 6. Flow-around of trawl doors with different relative thickness of the profile
На рис. 7 показан график зависимости максимальных коэффициентов гидродинамической распорной силы от гидродинамического качества траловых распорных досок.
При аппроксимации экспериментальных данных получена формула:
Cymax = 0,0502-K3 - 1,0394-K2 + 2,994-K - 0,4, (3)
которая с коэффициентом достоверности 0,99 позволяет определить максимальные коэффициенты гидродинамической распорной силы при заданных значениях гидродинамического качества траловых распорных досок.
Сутах
1,9
I i
1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00
Рис. 7. График зависимости максимальных коэффициентов гидродинамической распорной силы от гидродинамического качества траловых распорных досок Fig. 7. Dependence diagram of the maximum coefficients of the hydrodynamic otter force on the hydrodynamic qualities of the trawl boards
На рис. 8. показан графический способ определения толщины профиля траловой доски. Он предполагает выбор такого значения толщины профиля, при котором коэффициенты распорной силы и гидродинамического качества численно равны.
:од4 в
о -1-
О 0,03 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
Рис. 8. Графоаналитический способ определения толщины профиля Fig. 8. Graphic-analytical method for determination of profile thickness
Следует отметить, что при проектировании траловых досок конструктору придётся искать компромиссное решение при выборе относительной толщины профиля траловой доски в интервале между максимальным показателем гидродинамического качества при значении относительной толщины профиля 0,09 и максимальным коэффициентом распорной силы при значении относительной толщины профиля 0,25, опираясь на формулы 1-3 и данные технического задания. Если рассматривать толщину профиля траловой доски как баланс между гидродинамическим качеством и коэффициентом распорной силы, то в общем виде решением является пересечение графиков зависимости относительных значений показателей гидродинамического качества и коэффициентов распорной силы от относительной толщины профиля, изображенных на рис. 8. Пересечение вышеизложенных функций соответствует величине относительной толщины профиля, равного 0,14.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в ходе исследования были разработаны формулы, позволяющие вычислить максимальные значения показателей гидродинамических коэффициентов распорной силы при заданных показателях относительной толщины профиля, а также гидродинамические качества траловых распорных досок при заданных показателях относительной толщины профиля. Выявлен интервал рациональных значений толщины профиля от 0,09 до 0,25 и показатель толщины профиля, равный 0,14, являющийся балансом соотношения коэффициента гидродинамической распорной силы и гидродинамического качества. Результаты проведённого исследования позволяют на ранних этапах проектирования вычислять гидродинамические характеристики траловых распорных досок без проведения трудоёмких и длительных модельных экспериментов. Они также дают проектировщику возможность осуществить выбор геометрических параметров профиля, обеспечивающий заданные гидродинамические показатели, необходимые для успешного функционирования системы тралового комплекса.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Рыкунов, Э. М. Сравнительная характеристика сферических досок и техника работы с ними на траулерах средней мощности / Э. М. Рыкунов. -Владивосток: ЦБТИ «Дальрыба», 1970. - 28 с.
2. Пелешенко, В. А. Метод автоматизированного расчёта балансировочного угла атаки распорных досок разноглубинного трала / В. А. Пелешенко // Рыбное хозяйство. - 2015. - № 5. - С. 90-92.
3. Карпенко, В. П. Исследование гидродинамических характеристик распорных траловых устройств / В. П. Карпенко // Труды ЦНИИТЭИРХ. Промышленное рыболовство. - Москва, 1973. - Т. 2. - 102 c.
4. Stengel H, Fridman A. L. Fischfang-Gerate.Theorie und Entwerfen von Fanggeraten der Hochseefischerei. Berlin: VEB Verlage Technik. 332 s.
5. Stengel H. Theori e und Entwerfen von Fischfanggeraten: Lehrbriefe fur das Hochschulfernstudium No 4 // Rostock, 1983. - 64 s.
6. Владимирова, Н. А. Применение уравнений Эйлера для моделирования вихревых течений / Н. А. Владимирова, В. С. Сакович // Ученые записки ЦАГИ. -1999. - № 1-2. - С. 18-39.
7. Деги, Д. В. Численное решение уравнений Навье Стокса на компьютерах с параллельной архитектурой / Д. В. Деги, А. В. Старченко // Вестник Томского гос. университета. Математика и механика. - 2012. - № 2 (18). - С. 88-98.
8. Платонов, Д. В. Сравнительный анализ CFD-пакетов SigmaFlow и ANSYS Fluent на примере решения ламинарных тестовых задач / Д. В. Платонов, А. В. Минаков, А. А. Дектерев, Е. Б. Харламов // Вестник Томского ГУ. Математика и механика. - 2013. - № 1 (21). - С. 84-94.
REFERENCES
1. Rykunov E. M. Sravnitel'naya kharakteristika sfericheskikh dosok i tekhnika raboty s nimi na traulerakh sredney moshchnosti [Comparative characteristics of spherical boards and their operating techniques on trawlers of average power]. Vladivostok, TsBTI «ВаТгуЬа», 1970, 28 p.
2. Peleshenko V. A. Metod avtomatizirovannogo rascheta balansirovochnogo ugla ataki raspornykh dosok raznoglubinnogo trala [Method of automated calculation of the balancing angle of attack of midwater trawl boards]. Rybnoe khozyaystvo, 2015, no. 5, pp. 90-92.
3. Karpenko V. P. Issledovanie gidrodinamicheskikh kharakteristik raspornykh tralovykh ustroystv [Study of hydrodynamic characteristics of trawl devices]. Tr. TsNIITEIRKh. Promyshlennoe rybolovstvo, Moscow, 1973, vol. 2, 102 p.
4. Stengel H., Fridman A. L. Fischfang-Gerate. Theorie und Entwerfen von Fanggeraten der Hochseefischerei Berlin: VEB Verlage Technik. 332 p.
5. Stengel H. Theorie und Entwerfen von Fischfanggeraten: Lehrbriefe fur das Hochschulfernstudium, no 4. Rostock, 1983, 64 p.
6. Vladimirova N. A., Sakovich V. S. Primenenie uravneniy Eylera dlya modelirovaniya vikhrevykh techeniy [Application of the Euler equations for simulation of vortex flows]. Uchenye zapiski TsAGI, 1999, no. 1-2, pp. 18-39.
7. Degi D. V., Starchenko A. V. Chislennoe reshenie uravneniy Nav'e Stoksa na komp'yuterakh s parallel'noy arkhitekturoy [Numerical solution of the Navier Stokes equations on computers with parallel architecture]. Vestnik Tomskogo gos. universiteta, Matematika i mekhanika, 2012, no. 2 (18), pp. 88-98.
8. Platonov D. V., Minakov A. V., Dekterev A. A., Kharlamov E. B. Sravnitel'nyy analiz CFD-paketov SigmaFlow i ANSYS Fluent na primere resheniya laminarnykh testovykh zadach [Comparative analysis of CFD SigmaFlow packages and ANSYS Fluent on the example of solving laminar test problems]. Vestnik Tomskogo gos. universiteta, Matematika i mekhanika, 2013, no. 1 (21), pp. 84-94.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Пелешенко Виталий Алексеевич - Калининградский государственный технический университет; соискатель; E-mail: vitaliy.peleshenko@yandex.ru
Peleshenko Vitaliy Alekseevich - Kaliningrad State Technical University; applicant;
E-mail: vitaliy.peleshenko@yandex.ru
Розенштейн Михаил Михайлович - Калининградский государственный технический университет; доктор технических наук, профессор кафедры промышленного рыболовства; E-mail: rozenshtein@klgtu.ru
Rozenshtein MikhailMikhailovich - Kaliningrad State Technical University; Doctor of technical sciences, Professor at the Department of industrial fisheries;
E-mail: rozenshtein@klgtu.ru
