СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................5
ГЛАВА 1. АМФИБИЙНЫЕ СУДА НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ С ГИБКИМ ОГРАЖДЕНИЕМ БАЛЛОНЕТНОГОТИПА.....................................................................12
1.1 Основные элементы АГДК АСВП с ГО баллонетного типа. Проблемы их проектирования 15
1.2. АСВП с классическим ГО и ГО баллонетного типа.................................18
1.3. Методы отработки АГДК АСВП....................................................21
1.4. О сочетании вычислительного и физического экспериментов при отработке компоновки и элементов компоновок судов.......................................................25
1.5. Цели работы...................................................................27
ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКИ И ВЫБОР СХЕМЫ РЕШЕНИЯ ПРОЕКТНЫХ ЗАДАЧ АЭРОГИДРОДИНАМИКИ АМФИБИЙНЫХ СУДОВ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ................................................29
2.1. Физическая постановка........................................................ 30
2.1.1. Движительный комплекс АСВП................................................30
2.1.2. Нагнетательный комплекс АСВП..............................................31
2.1.3. Несущий комплекс АСВП с ГО баллонетного типа..............................32
2.2. Математическая посгановка и схема решения задач...............................34
2.2.1. Численная реализация решения уравнений....................................36
2.2.2. Построение модели для численных расчетов..................................41
2.2.3. Методы расщепления многомерных задач, схема направленных против потока разностей и метод SIMPLE для связывания скоростей и давлений на разнесенных сетках 50
2.2.4. Задача аэродинамики ДРК АСВП; математическая посгановка и схема решения...65
2.2.5. Задача расчета нагнетательного комплекса АСВП; математическая постановка и схема решения......................................................................70
2.2.6. Поиск деформированной формы скега.........................................73
2.2.7. Задача расчета несущего комплекса АСВП; математическая постановка и схема решения .............................................................................77
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ КОМПОНОВКИ АМФИБИЙНОГО СУДНА НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ....................................84
3.1. Результаты вычислительных экспериментов по моделированию движительного комплекса АСВП.............................................................................84
3.1.1. Нестационарные аэродинамические нагрузки на лопасть винта.................88
3.1.2. Частотный анализ лопасти маршевого винта..................................89
3.2. Результаты вычислительных экспериментов по моделированию нагнетательного комплекса АСВП....................:........................................................93
3.2.1. Экспериментальное определение характеристик нагнетательного комплекса.....97
2
3.2.2. Моделирование нагнетательного комплекса с осевыми вентиляторами. Работа нагнеателей в режиме помпажа..........................................................101
3.3. Результаты вычислительных экспериментов по моделированию несущего комплекса АСВП с ГО баллонечного типа..................................................................106
3.3.1. Моделирование режимов с малыми углами дифферента. О механизме залипания АСВП ..................................................................................109
3.3.2. Об адекватности вычислительного эксперимента результатам натурных испытаний АСВП. Конструктивные решения.................................................... 111
3.4. Технические рекомендации по проектированию АСВП....................................115
3.4.1. Тяга на кольцевом насадке......................................................116
3.4.2. Взаимное влияние двух ДРК......................................................120
3.4.3. Влияние заклинки скег на качество судна........................................122
3.4.4. Обдув носовой части судна; эффект Коанда.......................................124
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ, ВЫВОДЫ, ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................128
Список литературы.........................................................................131
Публикации по теме диссертации............................................................135
Перечень принятых сокращений
АСВП - амфибийное судно на воздушной подушке
АГДК - аэрогидродинамический комплекс
ГО - гибкое ограждение
ВП - воздушная подушка
П11У — противопомиажное устройство
ВВЕДЕНИЕ
Освоение регионов Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока невозможно без развития транспортной инфраструктуры, составным элементом которой является водный транспорт. В настоящее время существующий скоростной флот в стране морально и физически устарел, и для его развития даже в тех немногочисленных местах, где есть перспективы его развития, промышленности необходимо предложить новые эффективные суда.
В материалах заседания Морской Коллегии при Правительстве РФ от 12 сентября 2006г. отмечается необходимость, приоритетного развития амфибийных транспортных средств. Особо отмечается направление амфибийных судов на воздушной подушке (АСВГІ). Они способны
ч
органично вписаться в действующую транспортную систему севера и северо-востока России за счет частичного переключения на себя задач малотоннажного флота и грузопассажирского транспорта.
Из всех задач, предусмотренных «Транспортной стратегией РФ до 2030 года» [в, с помощью АСВП может быть выполнена социальная задача приближения жителей отдаленных районов к крупным центрам. Наиболее целесообразным при решении указанной социальной задачи выглядит применение АСВП для пассажирских перевозок на реках Сибири. Себестоимость перевозок на АСВП ниже, чем на судах на подводиых крыльях на 90-120% и, чем на судах на воздушной подушке с жесткими скегами на 65-80%. Преимущества АСВП в этом случае определяются большей в 2 раза провозной способностью за счет увеличения периода навигации [2].
АСВП конкурируют не только с водным транспортом, а главным образом с железнодорожным, автомобильным и авиационным транспортом. Прямые транспортные затраты (по себестоимости перевозок) только для Якутии (Республика Саха) составляют 52% стоимости всего валового
5
продукта республики, тогда как в целом по России транспортные затраты не превышают 4% стоимости валового продукта [1].
В европейских регионах, в крупных городах с развитой транспортной сетью ЛСВП, в первую очередь, целесообразно и экономически оправданно использовать для перевозки пассажиров и высокотарифицированных или дорогостоящих грузов, таких как дорогостюящее оборудование, срочные и скоропортящиеся грузы и т.д. Грузы, перевозимые на АСВП в этих регионах, должны по возможности покрывать эксплуатационные расходы [1].
Опыт использования АСВП показывает, что при их эксплуатации сокращаются капитальные затраты на постройку причальных сооружений и мест межнавигационного отстоя, отсутствуют расходы на дноуглубительные, путевые и обстановочные работы. Амфибийные качества позволяют АСВП успешно конкурировать с наземным транспортом за счет сокращения протяженности маршрута, а также с воздушным транспортом за счет более низких эксплуатационных расходов. Основные характеристики пассажирских АСВП приведены в таблицах 1.1 (легкие АСВП) и 1.2 (тяжелые АСВП) [2-5].
Наименование основных характеристик АСВП Зарубежные АСВП Отечественные АСВП
«СЬг^у 6132Ь» (США) «НоуегА уег 580» (Австра лия) СВП «ОпГГоп 500 ТО» (Велико британи Я) СВП «Марс 700» СВП «Г епард » СВП «Хивус» пр.А8
Водоизмещение полное, т 1,2 1,6 2,5 1,95 1,9 2,25
Длина, м 6,42 6,34 8,04 7,92 6,9 7,55
Ширина, м 2,97 2,85 3,92 3,2 3,15 3,3
6
Мощность силовой установки, л.с. 120 120 168 140 140 140 /
Удельная мощность, л.с./т. 100 75 67,2 72 74 62
Полезная нагрузка, т. 0,6 0,7 0,47 0,7 0,37 0,8
Коэффициент утилизации 0,5 0,44 0,19 0,36 0,19 0,35
Пассажировмест им ость, чел 5 5 7 6 4 9
Макс. скорость, км/час 55 55 55 65 70 90
Расход топлива, кг/пасс. *км 0,056 0,052 0,09 0,042 0,13 0,045
Таблица 1.1. Основные характеристики легких АСВГ1.
Наименование основных характеристик АСВП Зарубежные АСВП Отечественные АСВП
1800ТО (Велико британи я) ВНТ 130 (Велико британи я) АР. 1-88 (Велико британи я) АСВП «Ирбис» АСВП «Рысь» АСВП «Хивус» пр.А48
Водоизмещение полное, т 20 50 40 11 11 18
Длина, м 21,3 29,7 24,4 17 14 19
Ширина, м 11 15 11 6,2 5,6 8
Мощность силовой 2000 3400 1800 346 408 840
7
установки, л.с.
Удельная мощность, л.с./т. 100 68 45 31 37 47
Полезная нагрузка, т. 9 20 11,4 2,4 1,7 5
Коэффициент утилизации 0,45 0,4 0,29 0,22 0,15 0,28
Пассажировмест имость, чел 80 130 100 32 17 48
Макс.скорость, км/час 80 83 92 60 60 90
Расход топлива, кг/пасс.* км 0,04 0,063 0,033 0,03 0,08 0,036
Таблица 1.2. Основные характеристики тяжелых АСВП.
Современный рынок амфибийного транспорта ощущает потребность в болсс экономичных как легких, так и тяжелых АСВП водоизмещением 10 -50 т.
Принципиальным моментом развития АСВП является формирование методической базы, позволяющей принимать обоснованные конструктивные решения при проектировании специфических элементов АСВП (гибкое ограждение (ГО), движительно-рулевой и несущий комплексы). Разработка методической базы связана с необходимостью решения ряда наукоемких задач по моделированию процессов, реализующихся при движении АСВП. Конечной целыо решения этих задач является повышение степени совершенства аэрогидродинамической компоновки АСВП, которая напрямую связана с экономической эффективностью.
Существующие подходы к отработке аэрогидродинамического комплекса (АГДК) АСВП ориентированы на проведение модельных р физических экспериментов [14-16, 20, 21, 40] и не используют возможностей
вычислительного эксперимента, базирующегося на прямом решении уравнений вязкой жидкости.
Целыо настоящей диссертационной работы является развитие методической базы для отработки компоновки АСВП через создание элемента этой базы, ориентированного на технологии вычислительного эксперимента, выбор основных проектных задач аэрогидродинамики АСВП, построение алгоритмов решения этих задач с использованием суперкомпыотерного моделирования, анализ аэродинамических нагрузок и верификация результатов вычислительных экспериментов по результатам физических экспериментов.
Методы исследования и решений. Вычислительный эксперимент реализован на базе пакета гидрогазодинамики Апзуэ СїїХ, языка программирования Гогігап, пакета вычислительной механики Аляуз.
Научная новизна работы заключается в применении вычислительного эксперимента, базирующегося на современных пакетах вычислительной механики, для отработки АГДК АСВП с ГО баллонетного типа. По результатам вычислительных экспериментов дан ряд рекомендаций по проектированию АСВГІ с ГО баллонетного типа. На основе рекомендаций создан ряд оригинальных разработок, реализованных фирмой «СК Аэроход».
Практическая значимость и реализация результатов работы. Получен ряд качественно новых проектных решений, часть из которых внедрена в производство проектантом и производителем АСВП «СК Аэроход» и позволила поднять ходовые и эксплуатационные характеристики АСВП проектов А5, А8, А32, А48. В частности, реализация рекомендации, полученных по результатам вычислительных экспериментов, позволила увеличить скоростные качества для пассажирских АСВП этих проектов на 20%, поднять стартовые характеристики, снизить километровый расход топлива на 10% Повышен ресурс маршевых винтов и ГО.
Достоверность результатов, полученных путем вычислительного эксперимента, подтверждена серией стендовых, а так же натурных швартовых и ходовых испытаний АСВП проектов А5, А8, А32, А48.
На защиту выносятся:
- результаты работы по выбору расчетных схем для проведения вычислительного эксперимента, ориентированного на проектирование движительного, нагнетательного и несущего комплексов АСВП с ГО баллонетного типа,
- результаты работы по верификации результатов, полученных по выбранным расчетным схемам, серией натурных испытаний.
- рекомендации по проектированию АСВП с ГО баллонетного типа, полученные на базе результатов расчетов, стендовых, натурных швартовых и ходовых испытаний.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на всероссийских конференциях и семинарах и отмечены дипломами за лучшие выступления:
1. Конференция «Лобачевские чтения - 2007», г. Казань, Диплом за лучшее выступление
2. Конференция молодых ученых, Татинец 2008г.
3. Конференция «Лобачевские чтения - 2008», г. Казань, Диплом за лучшее выступление.
4. Итоговая научная конференция учебно-научного инновационного комплекса. Н.Новгород, 27-30 ноября, 2007г.
5. Семинар «решения АпБув для судостроения и строительства морских сооружений» ЗАО ЕМТ Р, Санкт-Петербург 2009.
6. Четвертая Всероссийская молодежная научно-инновационная школа «Математика и математическое моделирование», г. Саров 2010, Диплом за второе место.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, из которых 5 статей, в том числе 4 - из перечня ВАК.
10
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем составляет 137 стр., включая 59 рисунков, 5 таблиц, библиографию, содержащую 76 наименований.
Первая глава посвящена обзору современных АСВП с ГО баллонетного типа и методов отработки их АГДК. Предлагается использовать вычислительный эксперимент при проектировании АСВП.
Во второй главе проводятся схемы решения чрех основных задач аэрогидродинамики АСВП.
В третьей главе практические результаты, полученные в ходе вычислительных эксперимен тов.
В заключении сформулированы основные результаты исследований, представленных в диссертации.
11
- Київ+380960830922