Об использовании численных методов динамики вязкой жидкости для определения коэффициентов вращательных производных гидродинамических сил и моментов

В статье рассмотрены методологические аспекты определения коэффициентов вращательных производных гидродинамических сил и моментов подводных объектов. Показано, что механизм «скользящих вычислительных сеток», реализованный во многих расчетных комплексах механики жидкости и газа, позволяет задавать колебания объекта в потоке по углу дифферента и, на основе численного решения осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье—Стокса, определять гидродинамические воздействия на объект. Указаны основные этапы создания расчетной модели для решения подобных задач. Верификация расчетной модели осуществлялась на примере обтекания профиля крыла малого удлинения, совершающего вращательные колебания в потоке. Проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных. Выявлен сдвиг фазы между законом движения крыла и соответствующими гидродинамическими воздействиями. В результате нестационарного расчета обтекания подводного объекта вязкой жидкостью определены поля скоростей и давлений в потоке. Получены соотношения, позволяющие по заданным значениям гидродинамических воздействий определять коэффициенты вращательных производных гидродинамических сил и моментов. Представленный подход позволяет оценить обоснованность гипотезы стационарности при исследовании движения подводного объекта.

1. Гурьев Ю. В., Ткаченко И. В. Компьютерные технологии в корабельной гидродинамике. Монография. СПб.: Изд-во ВУНЦ ВМФ «ВМА», 2010. 326 с.

2. Волков К. Н., Емельянов В. Н. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 368 с.

3. Белов И. А., Исаев С. А. Моделирование турбулентных течений. СПб.: Изд-во БГТУ «Военмех», 2001. 109 c.

4. Снегирев А. Ю. Численное моделирование турбулентных течений. СПб.: Изд-во СПбПУ, 2009. 143 с.

5. Сухоруков А. Л., Каверинский А. Ю. Численное моделирование обтекания корпуса подводной лодки в программной среде «Star-CD» // Сборник трудов второй конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM. М., 2001. С. 23—28.

6. Сухоруков А. Л., Каверинский А. Ю. Опыт использования программного комплекса «Star-CD» при решении некоторых практических задач гидродинамики подводной лодки // Сборник трудов третьей конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM. М., 2002. С. 119—126.

7. Сухоруков А. Л. Использование вычислительных программных комплексов для определения гидродинамических характе- ристик подводных лодок // Труды конференции «Межотраслевая научно-практическая конференция ВОКОР-2006». СПб.: 1 ЦНИИ МО РФ, 2006. С. 45—54.

8. Рождественский В. В. Динамика подводной лодки.Т. 1. Л.: Судостроение, 1970. 352 с.

9. Федяевский К. К. Избранные труды. Л.: Судостроение, 1975. 440 с.

10. Федяевский К. К., Соболев Г. В. Управляемость корабля. Л.: Судпромгиз, 1963. 376 с.

11. Фирсов Г. А. Управляемость корабля. Л.: Изд-во ВМИУ им. Ф. Э. Дзержинского, 1954. 176 с.

12. Bellevre D., Diaz de Tuesta A., Perdon P. Submarine manoeurability assessment using Computational Fluid Dynamic tools // Twenty-Third Symposium on Naval Hydrodynamics, France, 2001.

13. Ray A., Singh S. N., Seshadri V. Evaluation of linear and nonlinear hydrodynamic coefficients of underwater vehicles using CFD // Proc. 28th ASME Conf. On Ocean, Offshore and Arctic Engineering. Honolulu, Hawaii, USA, 2009.

14. Vaz G., Toxopeus S., Holmes S. Calculation of manoeuvring forces on submarines using two viscous-flow solvers // Proc. 29th ASME Conf. On Ocean, Offshore and Arctic Engineering. Shanghai, China, 2010.

15. Каверинский А. Ю., Сухоруков А. Л. О влиянии погрешностей в определении гидродинамических коэффициентов на расчетное значение силового воздействия на подводный аппарат // XXXYI Всероссийская конференция «Управление движением морскими судами и специальными аппаратами», Труды конференции, Северодвинск, 2009. C. 167—173.

16. Белоцерковский С. М. О коэффициентах вращательных производных // Труды ЦАГИ. 1958. Вып. 725.

17. Яковенко В. В. О распределении давления по поверхности профиля, гармонически колеблющегося в поступательном потоке // Труды Ленинградского политехнического института. 1953. № 5.

18. Гурьев Ю. В., Слуцкая М. З., Ткаченко И. В. Гидродинамические проблемы создания компьютерных тренажеров морских объектов и пути их решения // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2008. № 2. С. 29—44.