hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667320010062hydrophysics-8Research ArticleВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОРСКИХ ОБЪЕКТОВ, ОКЕАНА И АТМОСФЕРЫINTERACTION OF MARINE OBJECTS*, OCEAN‏ AND ‏ATMOSPHEREОпределение характеристик водометного движителя и параметров гидродинамического следа за подводным объектом на основе методов вычислительной гидродинамикиDefinition of characteristics of pump-jet and parameters of the hydrodynamic wake behind underwater object on the basis of numerical methods of hydrodynamicsСухоруковА. Л.SukhorukovA. L.

г. Санкт-Петербург

St. Petersburg

su_andr@yahoo.comЧернышевИ. А.ChernyshevI. A.

г. Санкт-Петербург

St. Petersburg

АО Центральное конструкторское бюро морской техники «Рубин»РоссияCentral Design Bureau for Marine Engineering “Rubin”Russian Federation2020281120211315672Copyright © Сухоруков А.Л., Чернышев И.А., 20212021Сухоруков А.Л., Чернышев И.А.Sukhorukov A.L., Chernyshev I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/8

На основе численных методов динамики вязкой жидкости выполнен расчет гидродинамического взаимодействия рабочего колеса, направляющего аппарата и направляющей насадки водометного движителя. Определены параметры гидродинамического следа за корпусом подводной лодки, проведено сопоставление с экспериментальными данными. Результаты этого сопоставления позволяют сделать вывод о корректности применяемой расчетной модели.Разработанная методика позволяет вычислять гидродинамические воздействия на элементы водометного движителя при различных режимах работы рабочего колеса. Возможно моделирование сложных нестационарных режимов движения подводной лодки, проведение которых в процессе испытаний сопряжено со значительными техническими трудностями. К числу таких режимов относят реверс движителя подводной лодки.Показано, что с точки зрения обеспечения параметров скрытности подводной лодки по гидродинамическому следу наиболее предпочтительным является режим установившегося движения подводной лодки. При прочих равных условиях в турбулентном следе с нулевым избыточным импульсом происходит более быстрое затухание вдоль по потоку параметров следа, по сравнению со струей в спутном потоке (режим разгона подводной лодки) или спутном следе за телом (режим торможения подводной лодки).Представленный подход позволяет повысить эффективность проектно-конструкторских работ за счет комплексного многопараметрического анализа влияния различных факторов на гидродинамические характеристики водометного движителя и параметры следности подводной лодки.

In the work, based on numerical methods of viscous fluid dynamics, the hydrodynamic interaction of the impeller, guide vanes and the pump-jet guide nozzle were calculated, in addition, the parameters of the hydrodynamic wake behind the submarine body were determined and compared with experimental data. The results of this comparison allow us to conclude about the correctness of the applied calculation model.The developed method allows calculating the hydrodynamic effects on the elements of the pump-jet propulsion unit under various operating conditions of the impeller. In addition, it is possible to simulate complex unsteady regimes of submarine motion, which, in the process of testing, are associated with considerable technical difficulties. The number of such modes include propulsion reverse of submarine. It is shown that from the point of view of ensuring the parameters of stealth submarine in the hydrodynamic wake, the mode of steady motion of submarine is most preferable. All other things being equal, in a turbulent wake with a zero excess pulse, a faster damping occurs along the wake parameters as compared to a jet in a slug flow (submarine acceleration conditions) or a splatter pattern (submarine braking conditions).The presented approach allows to increase the efficiency of design work due to a comprehensive multiparameter analysis of the influence of various factors on the hydrodynamic characteristics of the pump-jet propulsion unit and the sign parameters of the submarine.

гидродинамические характеристикиводометный движительбезымпульсный гидродинамический следчисленное решение уравнений Навье-Стоксареверс движителяcharacteristics of hydrodynamicpump-jet propulsion unithydrodynamic wake with zero excess pulsenumerical solution of the Navier — Stokes equationspropulsion reverseReferencesANSYS, Inc., Fluent Users Guide Release 19.1. 2018. URL: https://ansys.com/products/fluids/ (дата обращения: 02.2018).ANSYS, Inc., Fluent Users Guide Release 19.1. 2018. URL: https://ansys.com/products/fluids/ (date of access: 02.2018).Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model // Turbulence, Heat and Mass Transfer 4. Begell House, Inc. 2003. 8 p.Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model. Turbulence, Heat and Mass Transfer 4., Begell House, Inc. 2003. 8 p.Самойлович Г.С. Возбуждение колебаний лопаток турбомашин. М.: Машиностроение, 1975. 288 с.Samoilovich G.S. Vibration excitation of turbomachine blades. Moscow, Mashinostroeniye, 1975. 288 p. (in Russian).Коваль К.А., Сухоруков А.Л., Чернышев И.А. Результаты верификации численного метода расчета гидродинамических и гидроакустических характеристик плавникового движителя // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2016. Т. 9, № 4. С. 60–72.Koval K.A., Sukhorukov A.L., Chernyshev I.A. Results of verification of the numerical method for calculation of hydrodynamic and hydroacoustic characteristics of the fin propulsor. Fundamentalnaya i Prikladnaya Gidrofizika. 2016, 9, 4, 60–72 (in Russian).Яковенко В.В. О распределении давления по поверхности профиля, гармонически колеблющегося в поступательном потоке // Труды Ленинградского политехнического института. 1953. № 5. С. 27–35.Yakovenko V.V. About pressure distribution on a surface of the profile harmoniously fluctuating in a translational stream. Trudy Leningradskogo politekhnicheskogo instituta. 1953, 5 (in Russian).Фын Я.Ц. Введение в теорию аэроупругости. М.: Физматлит, 1959. 524 с.Fung Y.C. An introduction to the theory of aeroelasticity. Galcit Aeronautical Series, John Wiley and Sons, New York, 1955. 490 p.Бисплингхофф Р.Л., Эшли Х., Халфмэн Р.Л. Аэроупругость. М.: Изд-во иностранной литературы, 1958. 799 с.Bisplinghoff R.C., Ashley H., Halfman R.L. Aeroelasticity. Addison-Wesley Publishing Company, Cambridge, Mass, 1955.Куликов С.В., Храмкин М.Ф. Водометные движители. Л.: Судостроение, 1980. 312 с.Kulikov S.V., Khramkin M.F. Pump-jets. Leningrad, Sudostroeniye. 1980, 312 p. (in Russian).Каверинский А.Ю., Сухоруков А.Л., Чернышев И.А. Об использовании численных методов динамики вязкой жидкости для определения гидродинамических характеристик водометного движителя // ХХ Юбилейная международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам. Материалы конференции. Изд-во Московского авиационного института, 2017. C. 462–463.Kaverinskii A.Yu., Sukhorukov A.L., Chernyshev I.A. About usage of numerical methods of dynamics of viscous liquid for definition of hydrodynamic parameters of a pump-jet propulsion unit. 20th Anniversary international conference on the computing mechanics and modern application program systems. 2017, 462–463 (in Russian).Борусевич В.О., Бушковский В.А. и др. Устройство для измерения характеристик нестационарных сил, возникающих на модели водометного движителя // Патент RU2487 814 C2. 20.07.2013. Бюл. № 20.Borusevich V.O., Bushkovskij V.A. Device to measure characteristics of unsteady forces originating at drive complex model of pump-jet. Invention RU2487 814 C2, 2011137675/11, 14.09.2011 (in Russian).Щербина Н.Я. О людях и кораблях «золотого периода» атомного кораблестроения // Атомная стратегия. 2017. № 9. С. 22–25.Shcherbina N.Ya. About people and the ships of «the gold period» nuclear-powered shipbuilding. Atomnaya Strategiya. 2017, 9, 22–25 (in Russian).Гиневский А.С. Теория турбулентных струй и следов. М.: Машиностроение, 1969. 400 с.Ginevskii A.S. The theory of turbulent jets and wakes. Moscow, Mashinostroeniye, 1969. 400 p. (in Russian).Гиневский А.С., Уханова Л.Н., Почкина К.А. Турбулентные спутные течения с нулевым избыточным импульсом // Сопротивление движению и мореходность судов, НТО СП. Вып. 89. Л.: изд-во «Судостроение», 1967.Ginevskii A.S., Uhanova L.N., Pochkina K.A. Turbulent cocurrent flow with zero redundancy impulse. Resistance to Movement and Seaworthiness of Courts. Leningrad, Sudostroeniye, 1967, 89 (in Russian).Сабельников В.А. О некоторых особенностях турбулентных течений с нулевым избыточным импульсом // Ученые записки ЦАГИ. 1975. Т. 6, № 4.Sabelnikov V.A. About some features of turbulent flows with zero redundancy impulse. Uchenye Zapiski TsAGI. 1975, 6, 4 (in Russian).Биркгоф Г., Сарантонелло Э. Струи, следы и каверны. М.: Мир, 1964. 468 с.Birkhoff G., Sarantonello E. Jets, Wakes, and Cavities. Moscow, Mir, 1964. 466 p. (in Russian).Naudascher E. Flow in the wake of self-propelled body and related sources of turbulence // J. Fluid Mech. 1965. V. 22, N4. P. 625–656.Naudascher E. Flow in the wake of self-propelled body and related sources of turbulence. J. Fluid Mech. 1965, 22, 4.Алексенко Н.В., Костомаха В.А. Экспериментальное исследование осесимметричного безымпульсного турбулентного струйного течения // ПМТФ. 1987. № 1. С. 65–69.Aleksenko N.V., Kostomaha V.A. Experimental research axisymmetric momentumless turbulent jet flow. Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika. 1987, 1, 65–69 (in Russian).Higuchi H., Kubota T. Axysymmetric wakes behind a slender body including zeromomentum configurations // Phys. Fluids. 1990. V. 2, N9. P. 1615–1623.Higuchi H., Kubota T. Axisymmetric wakes behind a slender body including zeromomentum configurations. Phys. Fluids. 1990, 2, 9, 1615–1623.Воропаева О.Ф. Численное моделирование дальнего безымпульсного осесимметричного турбулентного следа // Вычислительные технологии. 2003. Т. 8, № 2. С. 36–52.Voropaeva O.F. Numerical modelling long-range momentumless axisymmetric turbulent wake. Vychislitelnye Tekhnologii. 2003, 8, 2, 26–52 (in Russian).Finson M.L. Similarity behaviour of momentumless turbulent wakes // J. Fluid Mech. 1975. V. 71. Pt. 3. P. 465–479.Finson M.L. Similarity behaviour of momentumless turbulent wakes. J. Fluid Mech. 1975, 71, 3, 465–479.Костомаха В.А., Леснова Н.В. Турбулентный закрученный след за сферой с полной или частичной компенсацией силы сопротивления // ПМТФ. 1995. № 2. С. 88–98.Kostomaha V.A., Lesnova N.V. Turbulent twirled wake behind sphere with full or partial compensation of resistance force. Prikladnaya Mikhanika i Tekhnicheskaya Fizika. 1995, 2, 88–98 (in Russian).Гаврилов Н.В., Деменков А.Г., Костомаха В.А., Черных Г.Г. Экспериментальное и численное моделирование турбулентного следа за самодвижущимся телом // ПМТФ. 2000. № 4. С. 49–58.Gavrilov N.V., Demenkov A.G., Kostomaha V.A., Chernykh G.G. Experimental and numerical modelling a turbulent wake of self-propelled body. Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika. 2000, 4, 49–58 (in Russian).Reynolds A. Similarity in swirling wakes and jets // J. Fluid Mech. 1962. V. 15, № 2. P. 241–243.Reynolds A. Similarity in swirling wakes and jets. J. Fluid Mech. 1962, 15, 2.Гумилевский А.Г. Исследование безымпульсных закрученных следов на основе двухпараметрической модели турбулентности // Изв. РАН. МЖГ. 1992. № 3. C. 28–41.Gumilevskii A.G. Investigation of momentumless swirled wakes on the basis of a two-parameter turbulence model. Fluid Dyn. 1992, 27, 326–330. DOI: 10.1007/BF01051179Гумилевский А.Г. Нарушение автомодельности в турбулентных осесимметричных следах с закруткой // Изв. РАН. МЖГ. 1993. № 1. C. 52–58.Gumilevskii A.G. Divergence from self-similarity in turbulent swirling axisymmetric wakes. Fluid Dyn. 1993, 28, 30–34. DOI: 10.1007/BF01055661

The authors declare that there are no conflicts of interest present.