Transcript
36 КОРАБЛЕБУДУВАННЯ УДК Т 41 В.Ф. Тимошенко, доц., канд. техн. наук; Ле Куок Ван, аспирант Национальный университет кораблестроения, г. Николаев РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ И БУКСИРОВОЧНОЙ МОЩНОСТИ ГЛИССИРУЮЩИХ СУДОВ Рассмотрены применяемые методы расчета сопротивления и мощности для наиболее характерных типов глиссирующих судов. Выполнены расчет сопротивления и оптимизация положения центра тяжести для типичного корпуса глиссирующего судна с использованием возможностей программного комплекса FREE!ship Plus. Розглянуто застосовувані методи розрахунку опору й потужності для найбільш характерних типів глісувальних суден. Виконано розрахунок та оптимізацію положення центра ваги для типового корпусу глісувального судна з використанням можливостей програмного комплексу FREE!ship Plus. The analysis of the applied methods for resistance and power calculation is carried out for the most characteristic types of planing boat. The capabilities of the complex software FREE!ship Plus, also technology perform resistance's calculations and position's optimization of center gravitiy for the typical type planing's hull are described. Ключевые слова: глиссирующие суда, расчет ходкости, инженерные методы вычисления, FREE!ship Plus, центр тяжести. Постановка проблемы. На первоначальных этапах проектирования, когда необходимо оперативно оценить ходкость различных вариантов проекта глиссирующих судов (ГС) для выбора наиболее удовлетворяющих заданию, используются приближенные способы, которые базируются на результатах систематических испытаний плоских, килеватых пластин, а также моделей глиссирующих судов. Анализ инженерных методов вычисления сопротивления для ГС позволяет сделать следующие выводы: 1) полное сопротивление есть функция, зависящая от многих параметров, характеризующих форму корпуса судна, от угла ходового дифферента и скорости движения; 2) некоторые алгоритмы расчета необходимо модифицировать для удобного программирования и импортирования в программный комплекс FREE!ship Plus, после чего их использование становится намного удобнее, а возможности метода расчета значительно расширяются. Цель статьи расчет сопротивления и буксировочной мощности и оптимизация параметров глиссирующих судов с использованием программного комплекса FREE!ship Plus. Изложение основного материала. В задачу гидродинамического расчета входит определение полного сопротивления, осадки, угла атаки и длины смоченной поверхности на различных скоростях движения при заданном водоизмещении, центровке и ширине судна. В результате расчета строятся кривые зависимости этих В.Ф. Тимошенко, Ле Куок Ван В.Ф. Тимошенко, Ле Куок Ван 37 величин от скорости, которые в совокупности составляют гидродинамический паспорт проектируемого судна. Гидродинамический расчет, позволяя решить конкретную задачу, одновременно может служить и аналитическим средством обоснования выбора главных размерений и формы корпуса проектируемого судна. Он основан на использовании многочисленных графиков, ряда дополнительных зависимостей, которые были получены в результате испытаний плоских, килеватых пластин, а также серий моделей катеров в бассейнах. Для ГС в настоящее время широко используются следующие методы определения сопротивления движению: методы Седова Перельмутра (1944), Клемента Поупа (1961), Клемента Блаунта (1963), Д. Савитского (1964), М. Бунькова (1971) и Мерсиера Савитского (1973). Особенность каждого метода, а также их диапазоны применения подробно изложены в [1 3, 5, 6]. Для удобного использования, экономии времени на расчет и исключения возможной ошибки при расчете все эти методы были запрограммированы на языке Compaq Visual Fortran Professional и Delphi 7 авторами данной статьи и импортированы в программный комплекс FREE!ship Plus. Характеристики, а также главные возможности FREE!ship Plus достаточно подробно описаны в [4]. Далее возможности этого комплекса будут использованы для расчетов и оптимизации параметров некоторых характерных типов ГС. Для плоскокилеватых ГС, у которых теоретический чертеж имеет вид, показанный на рис. 1, расчет сопротивления и мощности можно выполнить в среде FREE!ship Plus с помощью методов Седова Перельмутра, Бунькова, Савитского, а также Мерсиера Савитского. Последовательность расчета сопротивления и мощности глиссера следующая. На основании имеющегося теоретического чертежа построим трехмерную модель. Ее можно построить либо в самой программе FREE!ship Plus, либо в других 3D программах, например Maxsurf, MultiSurf, FastShip, SolidWorks, Rhino Marine, AVEVA Marine, Foran, Autoship и т. д., затем Рис. 1. Теоретический чертеж плоскокилеватого глиссирующего судна 38 КОРАБЛЕБУДУВАННЯ импортировать эту модель в FREE!ship Plus для дальнейшего расчета посредством файла.vrml. Для экономии времени, а также избежания ошибки при построении и импортировании модели в FREE!ship Plus необходимо учитывать некоторые особенности этой программы* ). После построения модели для выполнения расчета нужно выбрать функцию вычисления в меню пользователя и дальше в подменю функцию вычисления сопротивления и мощности для глиссеров. Для круглоскулых обводов ГС серии де Гроота и Нордстрема (рис. 2) расчет сопротивления и буксировочной мощности можно выполнять только методом Савитского: другие методы вычисления дают большие погрешности, поскольку они основаны на материалах испытаний плоских, плоскокилеватых пластин и серий моделей судов, сильно отличающихся от формы корпуса судов этой серии. Необходимо отметить, что при Fr 2,5, когда преобладают гидростатические силы поддержания, оптимальной по сопротивлению на тихой воде является эта форма корпуса глиссирующего судна. На значение силы полного сопротивления глиссирующего судна влияет множество величин, характерных для такой формы его корпуса, в первую Рис. 2. Проекция корпуса глиссирующего судна серии де Гроота и Нордстрема очередь форма шпангоутов, коэффициент статической нагрузки, положение центра тяжести, относительная длина, угол килеватости на миделе и на транце, сужение кормовой оконечности и т. д. Определение оптимальных соотношений параметров, характеризующих форму обводов и главные элементы теоретического чертежа, а также центровку глиссирующего судна в зависимости от режима движения представляет собой очень трудоемкую и сложную задачу. Для конкретного проекта ГС с заданными размерениями, движущегося с заданной скоростью, один из немногих эффективных путей воздействия на полное сопротивление и, таким образом, нахождение минимального его значения является выбор оптимального положения центра тяжести (ЦТ). Известно, что носовое расположение центровки затрудняет выход на режим глиссирования, при этом возникает опасность появления дельфинирования. При излишне кормовом расположении центровки судно глиссирует неустойчиво и проявляется рикошетирование очень опасное явление при движении глиссирующих судов. Из анализа существующих материалов по сопротивлению ГС, а также из практики проектирования x gопт и эксплуатации известно, что оптимальные значения относительной центровки с точки зрения минимального сопротивления и обеспечения надлежащей продольной устойчивости движения находятся в пределах 0,35 0,50 в зависимости от числа Фруда по водоизмещению. Проводятся расчет сопротивления и мощности ГС, а также оптимизация положения его ЦТ по длине в программном комплексе FREE!ship Plus. Задача решается * ) Режим доступа: В.Ф. Тимошенко, Ле Куок Ван 39 для самого типичного корпуса глиссирующего судна с V-образными обводами. Исследуемый объект является проектом MKV-Patrol boat (V-образный патрульный катер), теоретический чертеж которого представлен на рис. 3. Этот катер (рис. 4) был спроектирован и построен Американской морской компанией (United States Marine, Incorporated). Основные параметры проекта: длина максимальная 27 м; длина по ватерлинии 24 м; ширина наибольшая 5,4 м; угол килеватости на миделе 16 ; коэффициент общей полноты 0,572; осадка 1,5 м; объемное водоизмещение 118 м 3 ; максимальная скорость движения 50 уз. Рис. 3. Теоретический чертеж патрульного катера проекта MKV Рис. 4. Патрульный катер проекта MKV в эксплуатации Трехмерная модель судна на основании его теоретического чертежа была построена в программе FastShip, затем импортирована в FREE!ship Plus через файл.vrml (рис. 5). Для этого катера было исследовано влияние центровки на полное сопротивление и выработаны рекомендации по выбору оптимального положения ЦТ по длине судна при различных скоростях его движения. Практически все методы в FREE!ship 40 КОРАБЛЕБУДУВАННЯ Рис. 5. Трехмерная модель катера в FREE!ship Plus Plus могут определять сопротивление и мощность этого типа глиссера, и они дадут близкие результаты, что свидетельствует о достоверности результатов расчета (рис. 6). Из графиков видно, что метод Седова Перельмутра дает завышенные, по сравнению с двумя остальными методами, результаты в диапазоне уз. R t, кн Р, квт v s, уз а Рис. 6. Результаты расчета в FREE!ship Plus: v s, уз б а полного сопротивления, б буксировочной мощности; 1 метод Савитского; 2 метод Бунькова; 3 метод Седова Перельмутра (с учетом сопротивления выступающих частей, аэродинамического сопротивления, а также влияния реданов) Проанализировав результаты расчетов по трем методам, для дальнейшего исследования в диапазоне скоростей от 25 до 50 уз выбираем метод Савитского, так как он может оценивать границы устойчивого глиссирования. Для каждой скорости был построен график зависимости полного сопротивления от положения центра тяжести (рис. 7). Из графиков видно, что чем ближе ЦТ к миделю, тем меньше полное сопротивление. По результатам расчета данным методом удалось установить границу устойчивого глиссирования: при v s 24 уз и X g 11,3 м ( Х g 0,47) судно может дельфинировать. Эту особенность необходимо R t, кн учитывать при эксплуатации данного 200 8,4 10,2 10,8 11,4 катера. 9,0 9,6 X g = Зона неустойчивого глиссирования Граница устойчивого глиссирования v s, уз Рис. 7. Зависимость полного сопротивления от положения центра тяжести (измерено от транца) В.Ф. Тимошенко, Ле Куок Ван 41 Вывод. Выполненные расчет сопротивления и буксировочной мощности и оптимизация ЦТ с помощью программного комплекса FREE!ship Plus показали, что этот программный комплекс, в сочетании с его бесплатностью, является великолепным инструментом, позволяющим рассчитывать ходкость ГС, получить результаты приемлемой точности и во многих случаях избежать дорогостоящих модельных испытаний. В заключение необходимо отметить следующую тенденцию развития корпусов ГС. За последнее время различные компании во всем мире пытаются найти более совершенные формы корпуса ГС, обладающих высокими гидродинамическими качествами и мореходностью, например тримарана, кафедрала, саней Фокса и т. д. Расчет сопротивления их весьма затруднен из-за отсутствия необходимых серийных экспериментальных данных и теоретических исследований. Поэтому в настоящий момент FREE!ship Plus не обеспечивает достаточную достоверность расчетов сопротивления и мощности таких типов глиссеров. Кроме модельного эксперимента, имеется возможность определять сопротивление глиссера методами вычислительной гидродинамики (CFD), например в FlowVision. Эти исследования выходят за рамки данной статьи и будут рассмотрены в последующих публикациях. Список используемой литературы 1. Буньков, М. М. Исследование сопротивления глиссирующих корпусов [Текст] / М. М. Буньков // Катера и яхты (48). С Егоров, И. Т. Ходкость и мореходность глиссирующих судов [Текст] / И. Т. Егоров, М. М. Буньков, Ю. М. Садовников. Л. : Судостроение, с. 3. Мордвинов, В. Г. Справочник по малотоннажному судостроению [Текст] / В. Г. Мордвинов. Л. : Судостроение, с. 4. Тимошенко, В. Ф. Использование комплекса FlowVision и программы FREE!ship Plus для моделирования гидродинамики судов и подводных аппаратов, инновации в судостроении и океанотехнике [Текст] / В. Ф. Тимошенко. Николаев : НУК, Clement, E. P. Resistance tests of a systematic series of planing hull forms [Text] / E. P. Clement, D. L. Blaunt // Transaction of the Society of Naval Architects and Marine engineers Vol. 71. P Clement, E. P. Graphs for predicting the resistance of large stepless planing hulls at high speeds [Text] / E. P. Clement, J. D. Pope // David Taylor model Basin. 7. Savitsky, D. Hydrodynamic design of planing hull [Text] / D. Savitsky // Marine Technology Vol. 1, nr. 1. P Надійшла до редколегії Статтю рекомендує до друку член редколегії ЗНП НУК д-р техн. наук, проф. В.О. Нєкрасов
