Экспериментальные установки для изучения сопротивления

Существует два принципа моделирования — в прямом и обращенном движении. В первом случае модель, подобно натурному судну, перемещается относительно неподвижной среды, во втором — модель неподвижна, перемещается рабочая среда.

При моделировании сопротивления чаще всего используется первый принцип — прямое движение. Моделирование может проводиться как в опытовых (буксировочных) бассейнах, так и в условиях открытого водоема.

Основное значение в теории корабля имеют опытовые бассейны — бетонированные каналы, заполненные водой. По способу буксировки модели бассейны разделяют на две группы: типа Фрудаи гравитационные. Последние относятся к категории малых — их длина, как правило, не превышает 50 м. Соответственно ограничены и длина моделей — 3+4 м и скорость буксировки — 3+5 м/с.

Перемещается модель с помощью бесконечного троса, натянутого между двумя барабанами. Один из них, ведущий, через систему блоков приводится в движение свободно падающим грузом. Буксировочное усилие, равное сопротивлению модели, задается массой груза, скорость движения замеряется. В силу указанных выше ограничений длины и скорости моделей в бассейнах гравитационного типа далеко не всегда удается получить достоверные данные по сопротивлению.

Рис. 3.6. Схема опытового бассейна.

Размеры бассейнов типа Фруда могут быть весьма внушительными: их длина иногда превышает 1000 м, ширина и глубина достигают соответственно 18 и 8 м. Буксировка модели длиной до 12 м и водоизмещением до 10 т осуществляется с помощью специальной тележки. Последняя, вопреки своему уменьшительному названию, имеет большую массу, помимо экспериментального оборудования и вычислительной техники на ней располагается и группа экспериментаторов. Тележка (1) движется по рельсовым путям, проложенным вдоль бассейна, чаще всего по его бортам (рис. 3.6). Скорость тележки может составлять 10—15 м/с и более. Модель (2) крепится к тележке через динамометр, с помощью которого замеряется сопротивление при заданной скорости.

Многие опытовые бассейны специализированы, т. е. приспособлены для проведения испытаний определенных типов. Так, глубоководные бассейны служат для исследования движения модели в условиях неограниченного водоема. В отличие от них мелководные предназначены для буксировочных испытаний моделей при ограниченной глубине. Мореходные бассейны используются для исследования параметров движения судна в условиях волнения. Существуют специальные бассейны для испытаний моделей быстроходных судов — СДГ1. Скорости буксировки в некоторых из них достигают 50 м/с.

В последнее время начали создавать и кавитационные бассейны; в них давление над свободной поверхностью воды регулируется — снижается за счет откачки воздуха из герметичного помещения. Здесь исследуется влияние кавитации на характеристики несущих элементов (крыльев), стоек, движителей быстроходных судов.

Особое место занимают ледовые бассейны, предназначенные для испытаний моделей ледоколов и судов активного ледового плавания в условиях сплошного ледового покрова.

Крупные бассейны типа Фруда — очень дорогостоящие сооружения. Во всех странах мира их насчитывается немногим более ста. В связи с этим каждый опытовый бассейн, когда это возможно, стремятся приспособить для проведения испытаний нескольких из перечисленных выше типов.

Общий недостаток всех опытовых бассейнов — ограниченная длина рабочего участка, на котором модель движется в установившемся режиме. Как правило, более 2/3 длины бассейна используется для разгона модели до необходимой скорости и для ее торможения. Соответственно ограничено и время, в течение которого можно производить замеры и наблюдения за движением модели.

В этом плане выгодно отличаются испытания моделей с помощью судна-буксировщика на открытом водоеме. Для исключения влияния гидродинамического поля судна модель обычно буксируется впереди него. Время рабочего режима может при этом выдерживаться достаточно большим. Тем не менее такие испытания не имеют широкого распространения — они характеризуются существенно меньшей, чем в лабораторных условиях, точностью замеров; зависят от сезона, погоды и т. д.

Для исследования сопротивления в обращенном движении служат гидродинамические лотки, кавитационные и аэродинамические трубы. В первых двух установках рабочей средой является вода, в последней — воздух. В судостроении аэродинамические трубы находят ограниченное применение: в них продуваются модели надводной части судна некоторых выступающих частей и т. д.

Гидродинамические лотки и кавитационные трубы представляют собой замкнутый контур, в котором циркулирует вода. Принципиальное отличие — в лотках рабочий участок, где располагается модель, имеет свободную поверхность. Здесь могут исследоваться процессы волнообразования, испытываться модели надводных судов.

Кавитационные трубы не имеют свободной поверхности, однако давление в рабочем участке может регулироваться, что позволяет моделировать процессы, связанные с кавитацией.

Наибольшее распространение в теории корабля кавитационные трубы находят при моделировании работы движителей, и в первую очередь гребных винтов.