EXPERIMENTAL RESEARCH OF PROPULSION HIGH-SPEED CATAMARANS WITH AN AIR CAVITY
Authors:
1.
Nizhniy Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseev
Type:
Article
Pages:
from 14
to 22
Status:
Published
Received:
20.08.2015
Accepted:
25.08.2015
Published:
25.08.2015
Subject area:
UDK 629.122
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
air cavity, hydrodynamic resistance, high-speed catamaran, horizontal clearance
Abstract (English):
In connection with the growth rate of the sea and river passenger transport there is a need to find new ways of reducing the hydrodynamic resistance to the movement of ships. This article demonstrates one possible solution to this problem - the use of air cavity on the bottom of high-speed vessels. It should be noted that during the extended period of work on the use of air cavity on the bottom were done solely single-hulled ships. In the present study, the experiment was conducted with a towed catamaran model. During the process of testing, the possibility of effective application of air cavities in hulls with high-elongation L / B > 10 was experimentally proved. The question of the impact of the magnitude of horizontal clearance on the magnitude of the hydrodynamic resistance was studied. Special attention was paid to the physical processes that occur when the motion of a catamaran at different speeds and when there is a change of the value of horizontal clearance. It was noticed that the general principle that determines the nature of the influence of horizontal clearance, is to stimulate the processes associated with the development of the planing mode, with a decrease of clearance due to the increase in pressure in the surrounding hull fluid. The influence of the coefficients of the static load and the position of the center of gravity along the length on the magnitude of the hydrodynamic resistance at the values of the Froude numbers in displacement Fr D < 3.0 is examined. The analysis of the obtained graphical dependences allows to speak about the possibility of reducing the hydrodynamic resistance due to the application of air cavities by up to 25 % at a speed Fr D = 2.5.
In connection with the growth rate of the sea and river passenger transport there is a need to find new ways of reducing the hydrodynamic resistance to the movement of ships. This article demonstrates one possible solution to this problem - the use of air cavity on the bottom of high-speed vessels. It should be noted that during the extended period of work on the use of air cavity on the bottom were done solely single-hulled ships. In the present study, the experiment was conducted with a towed catamaran model. During the process of testing, the possibility of effective application of air cavities in hulls with high-elongation L / B > 10 was experimentally proved. The question of the impact of the magnitude of horizontal clearance on the magnitude of the hydrodynamic resistance was studied. Special attention was paid to the physical processes that occur when the motion of a catamaran at different speeds and when there is a change of the value of horizontal clearance. It was noticed that the general principle that determines the nature of the influence of horizontal clearance, is to stimulate the processes associated with the development of the planing mode, with a decrease of clearance due to the increase in pressure in the surrounding hull fluid. The influence of the coefficients of the static load and the position of the center of gravity along the length on the magnitude of the hydrodynamic resistance at the values of the Froude numbers in displacement Fr D < 3.0 is examined. The analysis of the obtained graphical dependences allows to speak about the possibility of reducing the hydrodynamic resistance due to the application of air cavities by up to 25 % at a speed Fr D = 2.5.
Keywords:
air cavity, hydrodynamic resistance, high-speed catamaran, horizontal clearance
air cavity, hydrodynamic resistance, high-speed catamaran, horizontal clearance
Быстроходные суда (суда на подводных крыльях (СПК), глиссеры, суда с малой площадью ватерлинии, суда на воздушной подушке (СВП), экранопланы) - важный показатель мирового технического прогресса. В условиях стремительно развивающихся технологий сокращение времени морских перевозок является одной из важнейших задач современного судостроения. Способом повышения скорости судов длительное время являлось улучшение формы их обводов (например, использование бульбов в носовой оконечности, уменьшение угла входа носовых ватерлиний), а также совершенствование энергетической установки. Кардинального снижения сопротивления удалось достичь за счет применения гидроаэродинамической разгрузки, приводящей к выходу либо всего корпуса, либо его части из воды. Разгрузка может достигаться за счет использования подводных крыльев (СПК), воздушной подушки (СВП), воздушных крыльев (экранопланы) и глиссирования корпуса (глиссирующие суда). Перечисленные выше суда получили общее название - суда с динамическими принципами поддержания (СДПП). Вследствие выхода корпуса СДПП из воды уменьшаются волновое сопротивление и сопротивление трения. При этом волновое сопротивление в крейсерском режиме практически исчезает. При выходе на крейсерский режим волновое сопротивление может быть существенным и определяющим для выбора энергетической установки скоростного судна. В настоящее время одним из перспективных путей развития СДПП является применение динамических принципов поддержания на многокорпусных судах (ранее исследования проводились исключительно с однокорпусными судами). Особенностью скоростных многокорпусных судов, сочетающих гидростатическое и гидродинамическое поддержание, является многообразие применяемых при их создании технических решений в части принципиальных проектной, конструктивной и гидродинамической компоновок и их возможных сочетаний. Одним из возможных направлений создания высокоскоростных многокорпусных судов, позволяющих добиться существенного снижения сопротивления воды движению, является применение воздушной каверны [1]. Наличие на днище судна воздушной прослойки, подчиняющейся закономерностям развитой кавитации, т. е. искусственной каверны, позволяет изолировать от трения о воду его участок, покрытый каверной, что приводит к снижению сопротивления трения [2]. Для снижения полного сопротивления судна необходимо создать на его днище такую каверну, которая обеспечила бы снижение составляющей трения, существенно превышающее возможное увеличение остаточного сопротивления, вызываемое наличием каверны. Ранее исследования по применению воздушной каверны на днище проводились исключительно с однокорпусными судами [3]. Многочисленные эксперименты и создание опытных образцов скоростных судов подтвердили эффективность применения воздушных каверн для снижения гидродинамического сопротивления. Так, для глиссирующих катеров со скоростями хода > 3,0 (V - скорость судна, м/с; D - массовое водоизмещение судна, т; ρв = 1 - плотность воды, т/м3; g = 9,81 - ускорение свободного падения, м/с2) удалось достичь снижения гидродинамического сопротивления на величину до 30 %. С учетом работы нагнетателей для поддержания избыточного давления в каверне это позволяет снизить значение мощности силовой установки до 12 % [4]. Постановка задач Применение воздушной каверны на высокоскоростных катамаранах открывает перспективу снижения гидродинамического сопротивления не только за счет уменьшения сопротивления трения, но и за счет уменьшения волнового сопротивления благодаря благоприятной интерференции волновых систем корпусов катамарана. Вследствие этого перед началом модельного эксперимента был сформулирован ряд основных задач, в ходе решения которых необходимо было определить: - принципиальную возможность эффективного использования искусственной каверны на судах с большим удлинением корпуса L/B; - влияние величины горизонтального клиренса c на величину гидродинамического сопротивления; - влияние статической нагрузки и положения центра тяжести по длине на величину гидродинамического сопротивления. Методика проведения модельного эксперимента Модельные испытания рассматриваемых буксируемых моделей проводились в опытовом бассейне ОАО «Центральное конструкторское бюро по судам на подводных крыльях им. Р. Е. Алексеева», имеющем следующие характеристики: Длина L………………………………………….………………………………………………..…………………………….74,5 м Ширина В……………………………………………………………………...……………………………………………….. 4,0 м Глубина T…………………………………………………………………...……………………………………………... 0,7-0,9 м Максимальная скорость буксировочной тележки может достигать 11 м/с. Одной из особенностей бассейна является наличие специального автоматизированного измерительного комплекса, обеспечивающего измерения параметров движения моделей с воздушной каверной на днище в условиях спокойной и взволнованной поверхности воды, изучение колебательных процессов при неустановившихся режимах движения и физических явлений, происходящих в воздушной каверне, и т. п. В состав автоматизированного измерительного комплекса входят датчики замеров регистрируемых параметров, первичные преобразователи, устанавливаемые на моделях и буксировочной тележке, а также автоматизированная система измерений «МОДЕРН», состоящая из блока автоматики «КАМАК» и компьютера со встроенной платой согласования, расположенной на пульте управления. Система выполнена на базе современной вычислительной компьютерной техники и новых отечественных технологий. Использовался пакет прикладных программ MultiPet, работающих в операционной системе Windows при использовании драйверов wsg1d; wsg32d; hPool; hFlood; Grader собственной разработки, а также пакетов стандартных программ Microsoft Excel, Microsoft Word и Corel. Система позволяет одновременно по 16 каналам проводить измерения, сбор, регистрацию параметров модельных испытаний в реальном масштабе времени, их длительное хранение, экспресс-обработку с построением графических зависимостей параметров, замеряемых в ходе эксперимента, а также выполнять окончательную обработку результатов и получать машинописный текст. Во время испытаний проводилось также визуальное наблюдение за колебательными процессами и брызгообразованием, происходящими при движении модели, с использованием видеосистемы, созданной на базе виброустойчивой видеокамеры, и установленного на буксировочной тележке видеоконтрольного устройства. Технологическая последовательность экспериментальных работ в опытовом бассейне по отработке гидродинамических компоновок многокорпусных судов с воздушной каверной на днище состояла из следующих основных этапов. 1. Разработка теоретических и рабочих чертежей буксируемой модели с воздушной каверной на днище и ее изготовление. Основной задачей на данном этапе является правильный выбор водоизмещающего судна, близкого по своим характеристикам к требованиям технического задания на проект, и возможности более рационального размещения камеры для воздушной каверны. 2. Наладочные испытания буксируемой модели на спокойной воде. Из ряда исследований [5-7] известно, что каверна имеет предельную длину, зависящую от скорости движения V и расхода подаваемого воздуха Q. Вследствие этого, кроме стандартных калибровок основных параметров движения модели, на данной стадии испытаний определяется один из главных элементов судна с воздушной каверной на днище - расход воздуха на создание воздушной каверны. Для этого на предполагаемой расчетной скорости движения модели V исследуется в широком диапазоне количество расходуемого воздуха и оценивается его влияние на величину сопротивления: момент, когда количество расходуемого воздуха не оказывает влияния на величину сопротивления, является началом зоны автомодельности, а количество расходуемого воздуха - оптимальным, рекомендуемым для использования на проектируемом судне. Количество воздуха для натурного судна рассчитывается по формуле , где ; m - масштаб модели; Q - расход воздуха, м3/ч. 3. Основная программа испытаний буксируемой модели. Задачей данного этапа является определение гидродинамических характеристик: сопротивления, угла ходового дифферента, всплытия в зависимости от скорости движения, а также исследование всех колебательных процессов, мореходности, качки, устойчивости глиссирования. Важная составляющая этой части испытаний - оценка смоченной поверхности судна при различных режимах движения, функционирование воздушной каверны, контактные датчики измерительного комплекса, установленные на своде камеры воздушной каверны и по бортам модели, с достаточной степенью точности определяют границы смоченной поверхности. Смоченная поверхность свода камеры воздушной каверны по своему физическому состоянию разделяется на 3 зоны [6]: - I зона - собственно воздушная каверна, где свод камеры находится в воздухе; основная зона, обеспечивающая эффективность воздушной каверны за счет уменьшения смоченной поверхности и, как следствие, существенного снижения сопротивления трения; - II зона - зона пульсации воздушно-водяной эмульсии; резервная зона, обеспечивающая пусть незначительную, но дополнительную, порой крайне необходимую скорость; - III зона - зона смоченной поверхности, где днище находится в контакте с водой. Программа испытаний Испытания проводились с буксируемой моделью катамарана на воздушной каверне. Проекция «Корпус» теоретического чертежа изолированного корпуса буксируемой модели представлена на рис. 1. Буксируемая модель изолированного корпуса имела следующие основные характеристики: Длина по конструктивной ватерлинии (КВЛ) L………………………………………..…………………………………….2,76 м Ширина B…………………………………………………………………………………….………………………………..0,276 м Коэффициент полноты КВЛ α….………………………………………………………………….…………………………...0,472 Предварительным этапом испытаний было нахождение величины оптимального расхода воздуха, при котором не происходит дальнейшего снижения сопротивления. В данном случае оптимальным оказался расход, равный Q = 12,4 м3/ч. . Рис. 1. Проекция «Корпус» буксируемой модели изолированного корпуса катамарана на воздушной каверне Основной задачей было выявление зависимости величины гидродинамического сопротивления от горизонтального клиренса. Предварительно был определен оптимальный расход воздуха для создания каверны. Такая процедура была проведена при одном значении горизонтального клиренса. Программа испытаний представлена в таблице, где V - скорость модели, м/с; хg - аппликата центра тяжести, м; CB - коэффициент, учитывающий статическую нагрузку, вычисляется по формуле где D - объемное водоизмещение, м3; B - ширина наибольшая, м. Программа испытаний Условия испытаний CB хg, % V, м/с № рисунка Определение влияния горизонтального клиренса 1,40 40,3 1-5 0,51 2, 3, 4, 5, 6 0,57 0,65 Горизонтальный клиренс c был выражен в безразмерном виде: , где Bк - ширина изолированного корпуса, м; B0 - общая ширина катамарана, м. Завершающим этапом были сравнительные испытания катамарана на воздушной каверне и высокоскоростного катамарана с обводами, спроектированными для переходного режима. Значения коэффициентов статической нагрузки CB, горизонтального клиренса и положения центра тяжести были идентичными и равнялись CB = 1,40, хg = 40,3 %, . Результаты испытаний С взаимодействием корпусов связаны наиболее интересные особенности гидродинамики катамаранов. Результаты исследований позволяют установить основные причины взаимовлияния корпусов быстроходных катамаранов, дать его количественную оценку и практические рекомендации по выбору формы обводов корпусов, величины горизонтального клиренса, оценке сопротивления движению. Физической основой взаимовлияния корпусов катамарана является изменение поля давлений и скоростей в окружающей корпуса жидкости по сравнению с полем одиночного корпуса. Для катамаранов с воздушной каверной, так же как и для глиссирующих катамаранов, в первом поддиапазоне переходных чисел Фруда (FrD = 0,9-2,1) характерен интенсивный рост угла дифферента при практическом отсутствии всплытия миделевого сечения, во втором поддиапазоне (FrD = 2,1-3,0) начинается подъем из воды миделевого сечения и уменьшение общей смоченной площади корпуса при замедленном дальнейшем росте угла ходового дифферента. В указанных переходных поддиапазонах, характеризуемых тем или другим изменением посадки катамарана, влияние горизонтального клиренса на посадку и сопротивление движению катамаранов имеет свои особенности и принципиально различается при соответствующих числах Фруда. Общим принципом, определяющим характер влияния горизонтального клиренса, является стимулирование процессов, связанных с развитием режима глиссирования, при уменьшении клиренса ввиду увеличения значений давления в окружающей корпуса жидкости. В первом поддиапазоне чисел Фруда (FrD = 0,9-2,1), в котором волновое сопротивление глиссирующего катамарана достигает максимальных значений, имеет место наиболее сильное влияние горизонтального клиренса. Во втором поддиапазоне (FrD = 2,1-3,0) эффект влияния горизонтального клиренса несколько снижается, хотя и продолжает иметь достаточно выраженный характер. Основным же выводом стало доказательство эффективного применения воздушной каверны на судах с большими удлинениями корпусов L/B, каковыми являются катамараны. Так, при скорости хода FrD = 1,5 выигрыш в сопротивлении по сравнению со «своим» «традиционным» аналогом составил δ = 12,9 % на скорости FrD = 2,0 δ = 18,8 %, а при FrD = 2,5 - δ = 24,8 %. Результаты испытаний приведены на рис. 2-7. Рис. 2. Зависимость обратного гидродинамического качества R/D от скорости FrD при различных значениях относительного горизонтального клиренса c Рис. 3. Зависимость угла ходового дифферента φ от скорости FrD при различных значениях относительного горизонтального клиренса c Рис. 4. Зависимость осадки на миделе Tм от скорости FrD при различных значениях относительного горизонтального клиренса c Рис. 5. Зависимость площади смоченной поверхности Ωм от скорости FrD при различных значениях относительного горизонтального клиренса c Рис. 6. Зависимость коэффициента остаточного сопротивления ζост от скорости FrD при различных значениях относительного горизонтального клиренса c Рис. 7. Сравнительный график гидродинамического сопротивления для высокоскоростного катамарана и катамарана на воздушной каверне Очевидно, что полученные графические зависимости позволяют не только производить оценку буксировочного сопротивления катамарана на воздушной каверне с заданными главными размерениями и водоизмещением, но и решать в первом приближении обратную задачу - по заданным водоизмещению, скорости и мощности выбирать оптимальное значение горизонтального клиренса. Заключение Результаты испытаний позволили ответить на вопрос о возможности эффективного применения искусственной каверны для снижения гидродинамического сопротивления катамаранов, эксплуатируемых в переходном режиме движения при скорости хода в диапазоне FrD = 1,0-3,0. Так, при скорости FrD = 2,5 возможно снижение гидродинамического сопротивления за счет применения воздушной каверны на величину до 25 %. Полученные графические зависимости позволяют: - производить оценку буксировочного сопротивления катамарана на воздушной каверне с заданными главными размерениями и водоизмещением; - решать в первом приближении обратную задачу - по заданным водоизмещению, скорости и мощности выбирать оптимальное значение горизонтального клиренса.
1. Butuzov A. A. Ob iskusstvennom kavitacionnom techenii za tonkim klinom, pomeschennym na nizhnyuyu poverhnost' gorizontal'noy stenki / A. A. Butuzov // Izv. AN SSSR. Mehanika zhidkosti i gaza. 1967. № 2. S. 54-61.
2. Butuzov A. A. Primenenie iskusstvennoy kaverny dlya snizheniya gidrodinamicheskogo soprotivleniya glissiruyuschego sudna / A. A. Butuzov // Voprosy sudostroeniya. Ser.: Proektirovanie sudov. 1975. Vyp. 8. S. 3-19.
3. Butuzov A. A. Nekotorye rezul'taty issledovaniy po vyboru effektivnoy profilirovki dnischa poluglissiruyuschih i glissiruyuschih sudov s gazovymi kavernami / A. A. Butuzov, A. V. Sverchkov, S. A. Chalov // XII nauch.-tehn. konf. po proektirovaniyu skorostnyh sudov, posvyasch. 80-letiyu so dnya rozhdeniya R. E. Alekseeva: tez. dokl. Nizhniy Novgorod, 1996.
4. Pashin V. M. Gidrodinamika i proektirovanie sudov na vozdushnoy kaverne / V. M. Pashin, A. N. Ivanov, V. G. Kalyuzhnyy, A. V. Sverchkov, A. G. Lyahovickiy, G. A. Pavlov // VI Mezhdunar. konf. po sudostroeniyu, sudohodstvu, oborudovaniyu morskih platform i obespechivayuschih ih rabotu plavsredstv. Morskaya tehnika dlya osvoeniya okeana i shel'fa (Neva-2001), Sankt-Peterburg, 24-27 sent. 2001 g. SPb., 2001. S. 127-129.
5. Butuzov A. A. Bystrohodnye suda na vozdushnoy kaverne / A. A. Butuzov, A. V. Sverchkov, A. V. Pustoshnyy, S. A. Chalov // Tez. dokl. nauch.-tehn. konf. «Problemy morehodnyh kachestv sudov i korabel'noy gidrodinamiki» (XXXIX Krylovskie chteniya). SPb., 1999. S. 126-127.
6. Sverchkov A. V. Primenenie iskusstvennyh kavern dlya snizheniya gidrodinamicheskogo soprotivleniya bystrohodnyh sudov / A. V. Sverchkov, S. A. Chalov // Sb. tez. V Mezhdunar. konf. po sudostroeniyu i sudohodstvu, deyatel'nosti portov i osvoeniyu okeana i shel'fa (Neva`99). SPb., 1999. S. 52-53.
7. Butuzov A. A. Naturnye ispytaniya maketa katera s vozdushnoy kavernoy / A. A. Butuzov, A. N. Vasin, A. L. Drozdov, A. N. Ivanov, V. G. Kalyuzhnyy, N. I. Matveev, V. E. Ruzanov // Voprosy sudostroeniya. Ser.: Proektirovanie sudov. 1981. Vyp. 28.
