Постоянное совершенствование средств вычислительной техники и развитие численных методов расширяет круг вопросов, при решении которых наряду с традиционно используемыми экспериментальными методами значительный объем исследований выполняется расчетными методами. Однако очевидный прогресс расчетных методов не дает оснований говорить о вытеснении экспериментальных модельных исследований и полной замене их в каких-то областях расчетом. Существующие тенденции указывают не на снижение роли эксперимента в настоящее время и в будущем, а на изменение подхода при решении различных задач гидромеханики: физический эксперимент используется в более полном взаимодействии с расчетными методами. Можно назвать, по крайней мере, три причины, по которым физические эксперименты на моделях исследуемых объектов и в настоящее время, и в обозримом будущем останутся актуальными, несмотря на широкое развитие расчетных методов исследований [1].
Используемые в математических моделях уравнения либо являются приближенными, либо имеют ограниченную область применимости (ламинарный поток, отсутствие кавитации, дозвуковые значения скоростей и т. д.). Поэтому, при использовании результатов расчета, полученных с использованием тех или иных математических моделей, должны быть определены критерии определения диапазонов изменения параметров, в которых используемые аппроксимации и допущения не приводят к неприемлемым ошибкам. Такие критерии могут быть получены только экспериментально на физических моделях.
Развитие судостроения требует рассмотрения новых конструкционных решений. Для математического описания поведения этих комплексных структур в различных условиях необходимо построить системы уравнений и граничных условий, либо получаемых, либо подтверждаемых по результатам эксперимента.
Разнообразие режимов движения судна и стремление к повышению экономической эффективности эксплуатации судов приводит к необходимости отыскания путей воздействия на условия течения. Последнее требует выполнения углубленных исследований процессов, происходящих при движении тела в потоке. Однако, до тех пор, пока уравнения этих тонких явлений, описывающих процессы воздействия на поток и реакции потока на вносимое возмущение, не получены, их математическое моделирование невозможно.
Представляется, что в процессе дальнейшего развития гидродинамические лаборатории будут уделять все большее внимание решению перечисленных проблем. В этом случае, с одной стороны, развитие компьютерных методов приведет к замене значительного объема стандартных испытаний математическим моделированием. При этом с другой стороны, появление новых технических проблем и необходимость создания новых математических моделей для описания тех процессов, которые пока имеют только экспериментальное описание, приведет к необходимости выполнения комплексных физических исследований с использованием экспериментальных установок [2]. Универсальность и функциональность таких установок — качества, позволяющие проводить экспериментальные исследования с расширяющейся номенклатурой и изменяющимися требованиями к проведению испытаний, являются необходимыми при проектировании новых установок.
С повышением скорости хода судов и созданием достаточно мощных энергетических установок вопросы изучения кавитации движителей стали столь актуальны, что привели на рубеже 19−20 веков к созданию нового типа экспериментальных установок, названных кавитационными трубами. Предназначенные первоначально исключительно для изучения кавитации как явления возникающего на лопастях гребных винтов, установки со временем совершенствовались и использовались для решения все более широкого круга задач, в том числе связанных не только с кавитацией. В связи с этим появился и развивается целый класс экспериментальных установок, включающий в себя разнообразные типы кавитационных и гидродинамических труб, объединенных общим принципом организации эксперимента: в рабочем участке установки создается поток жидкости с регулируемой скоростью и изучаемые объекты испытываются в условиях обращенного движения при переменных значениях скорости и давления. При этом используется принцип обратимости, согласно которому все характеристики гидродинамического поля и силовое воздействие жидкости на помещенное в ней тело должны сохраняться неизменными, если вместо условия движения тела в неподвижной жидкости с постоянной скоростью рассматривать случай обтекания с той же скоростью неподвижного тела однородным встречным потоком.
Кавитационные и гидродинамические трубы различаются между собой по размерам, количественному значению характеристик потока и экспериментальным возможностям, связанным с принципиальными конструктивными решениями. Наибольшей универсальностью обладает безресорберная невинтовая кавитационная труба замкнутого типа с удлиненным рабочим участком, позволяющая при наличии соответствующих компактных приводов, размещаемых внутри рабочего участка, проводить испытания как движителей в изолированном действии, так и работающих за корпусом, а также в равной степени испытания коротких и удлиненных тел в потоке. Скорость потока в рабочем участке такой установки задается импеллерным насосом и регулируется изменением частоты вращения рабочего колеса (импеллера). Давление в рабочем участке регулируется независимо от скорости потока при помощи систем пневматических или гидравлических устройств, создающих вакуум и избыточное давление в замкнутом объеме установки. Отсутствие в конструкции установки ресорберов, способствующих более эффективному растворению пузырьков газа в объеме воды, снижает гидравлические потери и в то же время практически не ограничивает номенклатуру и режимы стандартных испытаний, выполняемых в обеспечение проектирования кораблей и судов. Вертикальная компоновка корпуса трубы, при которой большая часть проточного канала находится под воздействием избыточного гидростатического давления, и в отсутствие ресорберов обеспечивает достаточную растворительную способность установки, исключающую возникновение газовой кавитации при стандартных испытаниях.
Принципиальная общая схема такой кавитационной трубы представлена на рисунке 1. Корпус трубы состоит из следующих конструктивных элементов: рабочий участок, имеющий наименьшее в составе трубы сечение и, соответственно, наибольшие скорости течения, и обратный канал увеличенного по отношению к рабочему участку сечения. Увеличенное поперечное сечение элементов обратного канала позволяет за счет снижения скорости течения и увеличения давления уменьшить величину гидравлических потерь в обратном канале и предотвратить кавитацию самих элементов проточного канала и импеллерного насоса, а также обеспечить растворение выделяющихся в процессе испытаний в рабочем участке воздушных пузырьков за период прохождения жидкостью замкнутого цикла движения. Значительная разница сечений обратного канала и рабочего участка способствует также формированию в рабочем участке потока с низкими уровнями неоднородности и турбулентности. В состав трубы входит также осевой насос, включающий в себя валовую линию и импеллер, который может быть снабжен спрямляющим (направляющим) аппаратом. Импеллерный насос предназначен для подвода от внешнего привода энергии, которая затрачивается на компенсацию необратимых гидралических потерь, составляющих порядка 10−30% кинетической энергии потока в рабочем участке. Рабочий участок составляет основное звено трубы, определяющее в значительной степени и остальные элементы корпуса. Достаточное распространение получили установки, имеющие рабочий участок кругового сечения, однако, это в большинстве своем винтовые трубы для испытания моделей изолированных движителей. Рабочий участок универсальной трубы, где в равной степени можно проводить испытания движителей с макетом корпуса, имеет квадратное или прямоугольное сечение, что обеспечивает наилучшие условия проведения испытаний моделей судов, располагаемых в нем, в то время как в районе импеллера по очевидным причинам сечение обратного канала является круговым. Таким образом, один из участков на пути движения потока от выхода рабочего участка до импеллера должен быть переходным, изменяющим сечение от квадрата или прямоугольника к кругу, также как и на пути движения жидкости от импеллера к входу рабочего участка должен присутствовать второй переходной участок, трансформирующий круговое сечение вновь в квадратное или прямоугольное.
На основании изложенного, в составе обратного канала необходимо рассматривать следующие принципиально необходимые конструктивные элементы. Непосредственно за рабочим участком (1) должен следовать главный диффузор (2), снижающий при сохранении безотрывного обтекания скорость и повышающий давление в такой степени, чтобы исключить возникновение кавитации в следующем за диффузором первом поворотном колене (3). За первым поворотным коленом следует вертикальный участок (4), второе поворотное колено (5), нижний горизонтальный участок перед импеллером (6). Один из участков (4) или (6) является переходным с квадрата (прямоугольника) на круг. При этом, данные участки могут быть также диффузорами, обеспечивая дальнейшее расширение сечения для снижения скорости течения и увеличения давления. Особенностью конструкции второго поворотного колена, как правило, является наличие линии вала, пересекающей поворотные лопатки (либо это может быть в третьем поворотном колене). Далее следует импеллерный участок (7), с установленным в нем импеллером, имеющий в составе спрямляющий (направляющий) аппарат. Выбор диаметра импеллера по условию отдаления кавитации и снижения шума определяет сечение импеллерного участка. Начальная часть импеллерного участка может быть конфузорной, что способствует выравниванию поля скоростей в диске импеллера. Импеллер создает наиболее сильные вихревые возмущения в потоке и часть обратного канала за импеллером должна выполнять функцию погашения этих возмущений. Прежде всего, эту функцию выполняет спрямляющий аппарат, расположенный в импеллерном участке непосредственно за импеллером. Его наличие позволяет как снизить в целом уровень возмущений в потоке, что в конечном итоге проявляется и в рабочем участке, так и утилизировать часть энергии, затрачиваемой на закрутку потока, тем самым, увеличивая КПД импеллерного насоса. За импеллерным участком следует второй нижний горизонтальный участок (8), третье поворотное колено (9), второй вертикальный участок (10). Участки (8) и (10) также как (4) и (6) обеспечивают изменение поперечного сечения (с кругового на квадратное) и дальнейшее расширение потока. Расширение сечения обеспечивает увеличение времени на диссипацию завихренности от работающего импеллера на пути движения до рабочего участка и, хотя и повышает степень неоднородности потока, снижает абсолютную энергию возмущения. Следующее далее четвертое поворотное колено (11), хоннейкомб (12) и стабилизирующий участок (13) имеют неизменное на входе и выходе, наибольшее во всем проточном канале, сечение. Хотя скорость потока в этих секциях минимальна, они расположены непосредственно перед рабочим участком и оказывают наиболее значительное влияние на формирование потока в рабочем участке, поэтому их проектированию уделяется особое внимание. Хонейкомб, или сотовый выпрямитель, осуществляет разрушение крупномасштабных вихрей и диссипацию мелкомасштабных в хонейкомбе и следующем за ним стабилизирующем участке. В конфузоре (14) происходит резкое ускорение и поджатие потока, что также способствует диссипации вихревых структур и достижению низких уровней турбулентности потока в рабочем участке. Поджатие в конфузоре позволяет также снизить неоднородность потока по сечению рабочего участка.
Многоцелевые универсальные экспериментальные установки, к которым относятся кавитационные и гидродинамические трубы, сохраняют свое значение и, по-видимому, сохранят его и в будущем при изучении комплексных гидродинамических проблем, таких, например, как взаимодействие движителя и корпуса судна в широком диапазоне чисел кавитации [3]. Входя в состав судостроительных испытательных центров совместно с опытовыми бассейнами, кавитационные и гидродинамические трубы традиционно используются для изучения задач кавитации изолированных движителей, крыльев и тел в потоке [4], а также ряда других задач, которым уделяется все большее внимание в настоящее время, касающихся шумоизлучения, нестационарных сил и давлений при работе движителей в моделируемом потоке за корпусом [5],[6]. Снижение шума и вибраций за последние годы стало одной из приоритетных целей не только для кораблей ВМФ [7],[8], но и для таких судов, как океанографические и сейсмические суда, а также круизные лайнеры [9],[10]. Круг задач, которые в настоящее время решаются в кавитационных и гидродинамических трубах, и для исследования которых такого рода установки являются уникальным экспериментальным средством, существенно расширился. Расширение номенклатуры проводимых испытаний ставит новые требования к этим установкам (предельно низкие уровни турбулентности потока и фонового шума в рабочем участке, увеличенные для испытаний движителя за макетом корпуса размеры рабочего участка, низкие значения чисел кавитации, соответствующие высоким скоростям движения) и делает актуальной задачу их проектирования. Ведущие судостроительные испытательные центры, такие как бассейн Давида Тейлора СБК8УС в США, Гамбургский бассейн НБУА в Германии, Парижский бассейн во Франции построили и ввели в эксплуатацию в 90-е годы XX века такие установки, несмотря на то, что уже располагают в своем составе целым рядом построенных ранее кавитационных труб различного назначения. На рубеже XXI века их примеру последовал Китайский центр СББИС. Однако, характеристики последней установки оказались существенно хуже. Правильный выбор элементов трубы обеспечивает соответствие установки заданным требованиям, и во многих случаях оправданными являются экспериментальные исследования отдельных элементов установки на крупномасштабных макетах в стадии проектирования [11], [12] и даже постройка полной уменьшенной копии проектируемой установки сравнительно большого масштаба. Однако и такие достаточно затратные методы, используемые при проектировании, не позволяют только на основании модельных испытаний предсказать основные характеристики вновь создаваемой установки, поскольку ряд важных параметров на моделях не может быть воспроизведен в полном соответствии с требованиями натурной установки: это и числа Рейнольдса для всех элементов проточного канала, и масштаб и степень турбулентности, и амплитудно-частотные акустические характеристики, и кавитационные характеристики, которые воспроизводятся лишь с учетом масштабного эффекта. По этой причине достаточно часто авторы для создания новой установки используют наиболее удачные существующие натурные прототипы, например [13]. Однако, как показывает в полной мере указанный пример [13], использование даже очень удачных прототипов, каковыми для Кавитационной трубы СЬСС Китайского научно-исследовательского судостроительного центра СБвЯС послужили большая кавитационная труба НУКАТ Гамбурского центра НБУА и большая кавитационная труба ЬСС Тейлоровского центра в Мемфисе, не гарантирует повторения столь же высоких, как и для прототипов, качеств в новой установке.
Без понимания влияния различных факторов на конечный результат, в отсутствии анализа и систематизации данных по проектированию различных элементов и кавитационной трубы в целом, при недостаточно полной формулировке требований к параметрам потока в рабочем участке и определении приоритетности требований, и, наконец, в отсутствии метода проектирования установки, учитывающего все перечисленные моменты, положительный результат не может быть в полной мере достигнут при создании проекта новой установки.
Существуют лишь обобщенные представления о проектировании элементов установки, детально взаимосвязь отдельных проектных решений и их влияние на параметры потока в рабочем участке" изучены недостаточно, а отдельные аспекты при проектировании не учитываются. В частности, требования к фоновому шуму не прйнимаются в расчет при проектировании. Как следствие, при выборе элементов системы управления турбулентностью потока не учитывается влияние на уровни фонового в рабочем участке. Частота вращения и диаметр импеллера выбираются отличными от оптимальных по кавитационным характеристикам, в результате чего, как правило, кавитация импеллера ограничивает диапазон режимов испытаний установки. Необходимость увеличения размеров рабочего участка входит в противоречие с требованием получения низких чисел кавитации в используемых конструкциях кавитационных труб с симметричной формой конфузорного участка. Таким образом, необходимо рассмотрение нетрадиционных технических решений в отношении основных элементов, оказывающих влияние на характеристики установки: рабочего участка, конфузора, диффузора, поворотных колен, импеллерного насоса и элементов системы управления турбулентностью потока. Такая задача может быть решена на основании комплексного метода гидродинамического проектирования, учитывающего все перечисленные требования и позволяющего осуществлять прогноз выходных параметров и поиск оптимальных решений.
Целью работы являлась разработка метода гидродинамического проектирования, обеспечивающего создание универсальных кавитационных труб для нужд судостроения, отвечающих современным требованиям.
Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи: анализ номенклатуры и условий проведения экспериментальных исследований, проводимых в кавитационных трубах в обеспечение проектирования судов и кораблей, и определение необходимых требований к установкам для проведения испытанийсистематизация и анализ данных по проектированию различных элементов установок, оценка достоверности используемых методов на основе применения к действующим установкам с известными характеристиками и полученных новых экспериментальных данных, разработка новых методов и технических решений, обеспечивающих достижение заданных требованийапробация разработанных положений при рабочем проектировании универсальной кавитационной трубы: определение эффективности разработанных технических решений, достоверности прогнозирования натурных характеристик установки и уточнение разработанных положений по результатам натурных испытаний.
Для решения поставленных задач в работе использованы экспериментальные, аналитические и численные методы решений. Проведены модельные испытания на этапе разработки технического проекта и натурные испытания в процессе эксплуатации построенной установки.
В ходе выполнения работы получены следующие основные результаты: установлена зависимость уровней фонового шума в рабочем участке установки от ее основных параметров, позволяющая определить вклад отдельных гидродинамических источников и осуществлять прогноз ожидаемых уровней на ранней стадии проектирования кавитационной трубыполучены оригинальные технические решения в отношении основных элементов, обеспечивающих спецификационные характеристики установки. В частности, произведен расчет формы конфузорного участка, обеспечивающей наилучшие кавитационные качества при любых абсолютных размерах, не достижимые при традиционно используемых формах. Оптимизированы по кавитационным характеристикам и величине гидравлических потерь параметры диффузорного участка 0С1 и 111. Расчитана конструкция хонейкомба с параметрами, обеспечивающими необходимую редукцию турбулентности потока до 0.1-Ю.2% в рабочем участке при незначительных гидравлических потерях. Определены оптимальные параметры импеллера, диаметр и частота вращения, обеспечивающие наиболее высокие кавитационные качества в сравнении с наилучшими известными прототипами;
— произведена натурная проверка результатов выполненных модельных испытаний и расчетов.
В итоге разработан и апробирован комплексный метод гидродинамического проектирования кавитационных труб насосного типа, обеспечивающий решение всех проектных задач при разработке установки с характеристиками, отвечающими потребностям судостроения на современном этапе (максимальная скорость У0 потока в рабочем участке не менее 15м/с, фоновый шум на скорости У0=6м/с в рабочем участке не более 90дБ в третьоктавной полосе частот, неоднородность потока не более 0.5%, турбулентность 0.1-Ю.2%, минимальное число gho кавитации на оси рабочего участка с высотой сечения 2Ь0не более ——).
ТО.
На базе результатов, полученных в настоящей работе, разрабатывался рабочий проект универсальной кавитационной трубы Индийского испытательного центра, удовлетворяющей заданным требованиям и имеющей высокие спецификационные параметры. Установка введена в эксплуатацию в 2001 году. Натурные испытания установки подтвердили эффективность разработанных решений и достоверность методов прогноза ожидаемых характеристик. Результаты работы также использовались при разработке ряда эскизных проектов по запросам Заказчиков.
Заключение
.
1. В результате выполненной работы создан метод для проектирования универсальных кавитационных труб насосного типа, обладающих низкой шумностью (не более 90 дБ в третьоктавной полосе частот при скорости потока в рабочем участке Уо~6м/с), возможностью достижения чисел кавитации минимальных для выбранных размеров рабочего участка, низкими уровнями турбулентности и неоднородности потока. Разработанные рекомендации позволяют при проектировании новой установки определить все основные параметры расчетным путем при минимальном объеме экспериментальных исследований, необходимых только для проверки характеристик импеллерного насоса. Метод включает в себя:
1.1. Обоснование требований к проектируемой установке на основе анализа номенклатуры проводимых экспериментов, позволяющее осуществить рациональное задание исходных данных на проектирование.
1.2. Общий алгоритм проектирования, определяющий последовательность решения связанных проектных задач и минимизирующий необходимость выполнения последовательных приближений в процессе проектирования.
1.3. Рекомендации по выбору параметров системы управления турбулентностью потока, основанные на применении протестированного по результатам испытаний ряда действующих установок метода расчета, позволяющие при минимальных гидравлических потерях получить требуемые уровни турбулентности потока в рабочем участке 0.1-Ю.2%.
1.4. Метод проектирования конфузора, обеспечивающего достижение минимально возможных чисел кавитации, составляющих на оси рабочего участка величину —определяющуюся только поперечным размером 2по и.
Уо скоростью течения Уо в рабочем участке.
1.5. Рекомендации по выбору параметров диффузора из условий оптимизации по кавитационным характеристикам, величине гидравлических потерь и неоднородности в выходном сечении.
1.6. Рекомендации по выбору оптимальных характеристик импеллера, обеспечивающие наилучшие кавитационные и акустические характеристики установки.
1.7. Определение параметров установки, обеспечивающих необходимую растворительную способность.
1.8. Определение ожидаемых уровней фонового шума при проектировании универсальной кавитационной трубы насосного типа.
2. Метод применен для проектирования установки Индийского испытательного центра. Разработаны технический и рабочий проекты установки Индийского испытательного центра.
3. Исследованы характеристики ряда кавитационных труб, включая спроектированную с использованием разработанных положений кавитационную трубу Индийского испытательного центра. Полученные результаты испытаний спроектированной и введенной в действие установки подтвердили достоверность и эффективность использованных положений и разработанных методов и рекомендаций гидродинамического проектирования кавитационных труб замкнутого типа. Разработанные положения уточнены по результатам натурных испытаний.
