ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ПсковГУ |
||
В проекте предполагается провести развитие проведенных ранее авторами теоретических и экспериментальных исследований сильно нелинейных волновых эффектов, возникающих при взаимодействии ветровых гравитационных волн с плавающим объектом специальной геометрии, позволяющей прямое преобразование энергии волн в импульс поступательного направленного движения судна. Подобные объекты называются в литературе волнодвижителями. Специфическая новизна и преимущество предложенного авторами и исследуемого в проекте варианта волнодвижителя заключается в отсутствии в его конструкции каких-либо подвижных частей, так что преобразование энергии происходит напрямую, минуя, в том числе, промежуточную стадию аккумуляции энергии в виде колебательного движения судна (как это имеет место в классических крыльевых типах волнодвижителей). Упомянутая модель была предложена, построена и испытана в НИИ механики МГУ авторами проекта совместно с В.В.Прокофьевым (патент РФ № 2528449) при поддержке гранта РФФИ 13-08-0043-а. Результаты исследований показали большую перспективность данной схемы в силу ее конструктивной простоты. Например, направление движения судна может регулироваться заглублением пластины, поскольку авторами ранее показано, что при некотором критическом его значении эффект меняет знак - движение против волн сменяется дрейфом по волнам. В предстоящем трехлетнем цикле планируется доведение доказавшей свою состоятельность идеи до практически применимой модели автономного судна с волнодвижителем, развитие построенных авторами теоретических аналитических моделей и их применение для сопряженных задач волнового моделирования, например, создания искусственных уединенных волн в волноканале. Также планируется продолжение экспериментальных исследований оптимальных конфигураций волнодвижителя, в том числе, обоснование конструирования сужающих стенок для увеличения удельной энергонасыщенности волнового фронта над пластиной. Важным вопросом является проверка практической применимости обнаруженного эффекта в хозяйственной деятельности. Одним из перспективных направлений представляется использование автономных плавающих судов малой размерности для буксировки других плавающих объектов, например, льдин и айсбергов, опасных для опор нефтяных платформ, вдаль от этих опор. Задача моделирования процесса буксировки - комплексная, включающая в себя несколько различных теоретических областей. В проекте планируется проведение масштабного численного моделирования с использованием коммерческого пакета на основе бессеточного метода решетки Больцмана. Данный пакет позволяет совместное вычисление взаимодействия плавающих объектов с жидкостью, имеющей свободную поверхность произвольной связности и гладкости, и упругим буксировочным тросом, соединяющим объекты. Вкупе с численным моделированием планируется проведение масштабных лабораторных исследований буксировки. С одной стороны, эти опыты будут проведены с помощью электродвижущейся лабораторной тележки, для определения обтекания буксируемого объекта и его взаимодействия с тросом. С другой стороны, планируется построение связанной модели "волнодвижитель"-айсберг и ее испытание в волновом гидроканале.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Эффективное использование и развитие новых типов судовых движителей, использующих волновую энергетику моря |
Результаты этапа: Проведены испытания в гидроканале Института механики МГУ модели судна – катамарана с прямоточным волновым движителем, принцип работы которого связан с превращением потенциальной энергии в кинетическую при опрокидывании волн. Проведены численные и экспериментальные исследования, которые показали, что эффект движения против волн определяется потерей гидростатической составляющей воздействия волны на пластину, за счет обрушения волн. Впервые применена динамометрическая тележка для возбуждения уединенных волн, возникающих в результате глиссирования плоской пластинки по поверхности воды конечной глубины. Найдено хорошее согласование экспериментальных и численных (пакет X-Flow) исследований и известных аналитических решений в рамках теории мелкой воды. Предложена простая приближенная формула для сопротивления пластинки, которая хорошо согласуется с численными расчетами. Впервые проведены экспериментальные исследования движения подводного судна с крыльевыми волновыми движителями. Получено, что при погружении на глубину порядка 0,1 от длины судна, скорость движения составляет 75% от скорости в надводном положении, что превышает оценки линейной теории. . | ||
2 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Эффективное использование и развитие новых типов судовых движителей, использующих волновую энергетику моря |
Результаты этапа: Теоретически, с использованием вычислительного пакета пакета XFlow™ компании “Next Limit Technologies™” проведены исследование эффективности работы в условиях килевой качки как прямоточного волнодвижителя так и качающегося подпружиненного волнового движителя (ВД). Экспериментально в волновом канале Института механики МГУ проведены сравнительные исследования эффективности работы ВД различных типов. На модели судна - катамарана при примерно одинаковой площадях элементов ВД исследовались прямоточный волнодвижитель, гибкая пластина (плавник), качающаяся пластина с упругими связями. Изучалось влияние на эффективность размещения ВД на корпусе судна. Экспериментально, численно и теоретически рассмотрена плоская задача о глиссировании пластинки с постоянной околокритической скоростью по поверхности тяжелой идеальной несжимаемой жидкости конечной глубины. В гидроканале Института механики МГУ проведены эксперименты с использованием динамометрической тележки. Расчеты проведены в точной постановке при околокритических режимах движения с использованием пакета XFlow. Обнаружено совпадение волновых картин в экспериментах и численных расчетах. Без учета образования струи у переднего края пластины получено приближенное выражение для действующей силы хорошо согласующееся с численными расчетами. Проведены работы по оборудованию динамометрической тележки гидроканала измерительным оборудованием для проведения буксировочных испытаний моделей. По теме «Качение по воде на колесах и гусеницах» экспериментально исследовались условия качения модели автомобиля по поверхности воды. Разработана методика определения зависимости безразмерной «осадки» колес модели от числа Фруда. Получены предварительные результаты, позволяющие описать условия, при которых возможно качение модели по поверхности воды. | ||
3 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Эффективное использование и развитие новых типов судовых движителей, использующих волновую энергетику моря |
Результаты этапа: 1. Численно и экспериментально исследованы условия работы прямоточного волнового движителя в зависимости от параметров волн и волнодвижителя. Численно получена величина силового воздействия волн (распределение давления, сила в зависимости от времени) на наклонную пластину-волнодвижитель в зависимости от параметров волн, угла наклона, длины и заглубления пластины. Исследован механизм возникновения тяги в прямоточном ВД. Показано, что он в основном связан с гидравлическими эффектами. Проведено сравнение расчетов с экспериментом. 2. С помощью вычислительного пакета XFlow™ компании “Next Limit Technologies™” было осуществлено численное моделирование процесса образования волн в канале с помощью клиновидного волнопродуктора и одновременно движение под действием волн судна катамарана с наклонной пластиной. Исследована динамика процесса, получено распределение давления на пластине во всех фазах ее взаимодействия с волнами. С помощью численных расчетов удалось показать, что эффект движения против волн связан с изменением гидростатической составляющей воздействия волны на пластину при обрушении. Иными словами эффект связан с потерей потенциальной энергии волны (или высоты волны) при обрушении, в результате чего за период взаимодействия пластины и волны преимущество получает фаза взаимодействия пластины с впадиной (подошвой) набегающей волны. 3. Исследовано влияние килевой качки на эффективность работы прямоточного ВД, проведено сравнение с эффективностью ВД различных типов. При одинаковых условиях (одинаковая модель судна, диапазон волн, эффективная площадь рабочего органа ВД) проведены исследования ВД - типа гибкая пластина (плавник), качающаяся жесткая пластина и симметричный крыловой профиль с упругими связями, ВД типа подводный парус. Определена эффективность работы этих ВД, а также влияние на эффективность положения ВД на корпусе судна, его заглубления, параметров упругих связей, наличия стабилизирующих кормовых устройств. Показано, что для жесткого качающегося ВД с упругими связями скорость движения судна пропорциональна высоте волн и определяется, в основном, параметрами качки судна. Прямоточный ВД в условиях качки несколько уступает ВД с качающимися элементами по максимальной эффективности, но имеет более широкий диапазон по частотам волн и имеет кардинальное преимущество в отсутствии качки судна. 4. На волновом канале Института механики МГУ были проведены сравнительные испытания модели подводного судна, оснащенной ВД типа "подводное крыло". Максимальная скорость (в зависимости от частоты волн) модели на «перископной» глубине оказалась 0,7 от максимальной скорости той же модели в свободном водоизмещающем положении на поверхности воды. Модельные эксперименты с ВД подводного аппарата находящегося на перископной глубине подтвердили целесообразность использовать их как для получения дополнительной тяги при работе с главными движителями, так и для движения судна, используя только волновые движители. 5. В гидроканале МГУ были проведены экспериментальные исследования движения глиссирующей пластинки, жестко закрепленной на динамометрической тележке. Цель исследований - изучение волнового следа за глиссирующей пластиной, а также волн возбуждаемых перед движущейся пластиной. По линейному распределению скорости жидкости вдоль пластинки и высоте точки торможения потока получено приближенное выражение для действующей силы без учета образования струи у переднего края. Проведены эксперименты и численные расчеты в точной постановке при околокритических режимах движения. Обнаружено согласование волновых картин в экспериментах и численных расчетах. Получено хорошее совпадение приближенных формулы для сопротивления с результатами численных расчетов. Наблюдения показали, что стационарный периодический волновой след возникает вместе с носовой волной неизменной формы, а при отставании кормовых волн возбуждается последовательность волн перед глиссирующей пластинкой. Получено экспериментальное подтверждение известной формулы Рассела для амплитуды уединенной волны, с точностью до малых параметров показано ее совпадение с результатом М.А. Лаврентьева. Проведенные с помощью вычислительного пакета X-Flow вычисления показали хорошее совпадение с результатами экспериментов, проведенных в гидроканале Института механики МГУ. 6. С целью изучения качения объекта по поверхности воды на колесах создана установка по исследованию качения модели автомобиля по поверхности воды, разработана методика получения соотношений между определяющими параметрами, при которых возможно устойчивое качение колеса (колесной системы) по свободной поверхности воды, а также для оценки несущей способности и тяги колеса. В результате проведенных исследований предложены схемы измерения осадки цилиндра при буксировке в гидроканале и колеса при качении по воде самоходной модели, получены зависимости безразмерной осадки от числа Фруда при различных значениях безразмерной массы. Показано, что несущая способность колесной системы при большой скорости качения не зависит от числа Фруда. Найдено примерное положение границы области качения, а также установлены условия, при которых транспортное средство может устойчиво катиться по невозмущенной свободной поверхности воды. В рамках упрощенной модели колеса (колесо с лопастями, обтекание которых рассматривается в квазистационарном двумерном приближении) получено, что максимальная тяга реализуется на стопе при вращающемся колесе, с ростом скорости к.п.д. колеса увеличивается и стремится к 1 при отсутствии проскальзывания, однако сила тяги при этом стремится к 0. При фиксированном проскальзывании максимальная сила тяги в зависимости от осадки колеса имеет место при погружении колеса в воду до уровня оси. 7. Проведено оборудование динамометрической тележки канала измерительной аппаратурой. Отлажены процедуры измерения действующей на модель при буксировке силы и скорости буксировки (до 4 м/с). Проведены измерения коэффициента сопротивления осесимметричных пробных моделей. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".