Поиск

Гидродинамика судна в Shape Maker.

Обновлено: июнь 8


Форма поверхности корпуса судна крайне субъективна. Во всяком случае, мы оцениваем её в категориях нравится - не нравится или красивая - не красивая. Конечно, в реальном процессе проектирования учитывается и оценивается гораздо большее количество параметров, влияющих на поведение судна в море. Один из них, который напрямую влияет на форму корпуса, - это величина гидродинамического сопротивления корпуса судна. Конечно, любой судовладелец заинтересован в максимальной эффективности своего судна. Снижение гидродинамического сопротивления корпуса на 10% обеспечивает значительную экономию топлива. С учетом эксплуатации судна 15-20 лет эта экономия будет колоссальной. Помимо снижения стоимости топлива при эксплуатации судна сокращается также выброс вредных веществ в атмосферу. Таким образом, снижение гидродинамического сопротивления корпуса судна улучшает экологическую ситуацию.


Модельные испытания формы корпуса в опытовом бассейне и по сей день являются наиболее точным методом определения гидродинамических характеристик корпуса. Несмотря на автоматизацию изготовления моделей на станках с ЧПУ, это долгий, трудоемкий и дорогостоящий процесс. Сопротивление движению судна в воде, оптимальные характеристики винта, поведение корпуса на волне, учет ветровой нагрузки, оптимальное расположение килей трюма и многое другое можно получить после проведения модельных испытаний.


Tank testing.
Испытание модели в опытовом бассейне.

При этом методы численного моделирования поведения корпуса в воде постоянно совершенствуются и, возможно, через какое-то время они полностью заменят модельные испытания. ( CFD - Computational fluid dynamic - конечно элементный метод расчета обтекания корпуса судна.) Прогресс в области численных методов моделирования поведения корабля в воде зависит от использования более мощных процессоров и большего объема памяти для более точных расчетов. Сильный импульс использованию численных методов дало развитие облачных вычислений. Наличие на рынке большого количества специализированных центров облачных вычислений позволило сделать эту услугу более доступной, а цены приемлемы не только для крупных конструкторских бюро, но и для небольших компаний. Теперь для получения результата требуется в среднем 1-2 дня расчетов. Вы всегда можете ускорить вычислительный процесс, подключив к расчету дополнительные процессоры.


CFD test for same model as it is shown above.
CFD расчет той же модели, которая была показана выше.

Конечно, точность представления численного моделирования обтекания корпуса зависит не только от используемой мощности компьютера, но и от учета всех аспектов обтекания в вычислительной математической модели. Правильная настройка математической модели требует не только знания физической природы моделируемого процесса, но и некоторых предварительных исследований для установления значений параметров, наиболее точно описывающих модель. Самостоятельно провести подобные расчеты может позволить себе только крупная компания.Большинство конструкторских бюро пользуются услугами специализированных вычислительных фирм CFD.

Fast speed boat CFD results in Shape Maker.
Визуализация результатов расчета CFD в Shape Maker.

Обобщая вышесказанное, можно определить следующие условия использования результатов компьютерных расчетов в процессе проектирования:

- Результаты расчетов могут не совпадать с результатами модельных испытаний, но визуально (изображение волновой поверхности и положение линий тока вокруг коруса судна) совпадают достаточно точно.

- Улучшение результатов расчетов при оптимизации формы корпуса, безусловно, улучшит результаты обтекания реального судна.

- Форма волновой поверхности, расположение линий тока и распределение давлений вокруг корпуса достоверны и являются исходными данными в процессе оптимизации.

- точность расчета во многом зависит от точности моделирования поверхности корпуса корабля. Расчеты проводятся на основе довольно точных расчетных сеток (иногда до нескольких миллионов ячеек), и любой дефект поверхности может существенно изменить картину обтекания корпуса. На мой взгляд, результаты компьютерных расчетов намного информативнее результатов модельных тестов. Например, цветная визуализация составляющей динамического давления очень информативна для исследования потока. Линии обтекания также более информативны. Возможность рассчитать несколько различных вариантов поверхности за довольно короткое время также дает неоспоримые преимущества по сравнению с оптимизацией корпуса в опытовом бассейне, где нужно переделывать модель корпуса.


По сути, оптимизация поверхности судна на компьютере практически ничем не отличается от оптимизации в бассейне. По результатам испытаний вносятся изменения в форму корпуса и испытания повторяются еще раз.Единственная разница в том, что поменять компьютерную модель намного проще и быстрее, чем реальную модель корпуса, используемую для модельных испытаний в бассейне. Расчет также не требует больших временных и финансовых затрат по сравнению с запуском модели в бассейне и обработкой результатов.


Example of presure distribution.
Пример распределения динамического давления вокруг корпуса судна.

В настоящее время Shape Maker не имеет модуля расчета гидродинамики. Для выполнения таких расчетов модель поверхности передается в системы расчета гидродинамики. В этом случае, как правило, дополнительной обработки модели не требуется. Результаты визуализации расчетов можно загрузить в Shape Maker в качестве руководства для последующего изменения формы поверхности. В настоящее время результаты расчетов, выполненных в Open FOAM и Fine Marine Numeca Inc., могут быть загружены в Shaper Maker. Это позволяет значительно ускорить процесс изменения формы поверхности для каждой новой итерации.


Конечно, оптимизация поверхности требует определенных знаний и опыта в этой области, но при этом можно добиться неплохих результатов. Так, для водоизмещающих судов с числом Фруда 0,2-0,3 волновая составляющая сопротивления может достигать 50% и выше. Следовательно, правильный подбор формы бульба и носовой оконечности в целом может дать уменьшение сопротивления порядка 10-15%. Форма кормовой части корабля также вносит значительный вклад в сопротивление. Форма кормы также важна для распределения потока в диске винта. Правильное распределение может значительно улучшить условия работы движителя. Как правило, после получения результатов расчетов на корпусе выделяют области положительной и отрицательной составляющих динамического давления. В области положительного давления возникает вершина волны, в области отрицательного давления - подошва волны. Эти области также влияют на направление линий тока. Задача - минимизировать перепады давления и, соответственно, уменьшить волнообразование.

В идеале линии тока должны равномерно огибать поверхность корпуса, не приближаясь к нему в зонах положительного давления и не отрываясь в зоне отрицательных значений составляющей динамического давления. Это достигается за счет локального изменения формы поверхности. Так, если на поверхности есть область локального уплощения - например, в области притыкания шпангоутов к плоскому борту, возникает область отрицательного давления. В этой области образуется более глубокая впадина волны, которая переходит в вершину вершину волны в кормовее, районе плоского борта. Это увеличивает сопротивление и отрицательно сказывается на обтекании кормовой части корпуса. Визуально это выглядит так - корпус как бы гребет волну в район перехода в плоский борт. Такую волну можно компенсировать за счет лучшего сглаживания формы поверхности в этом районе, а также за счет создания компенсирующей волны с помощью бульбового носа. Распределение динамического давления вокруг корпуса показывает нам наши ошибки, допущенные при проектировании и сглаживании поверхности корпуса.