2 / 9
В связи с задачей освоения Крайнего Севера возник значительный
интерес к построению амфибийных судов, пригодных для движения
по глубокой и мелкой воде, болотам, снегу и льду [1]. При построе-
нии таких судов в качестве движителей значительные преимущества
имеют гребные колеса. Такие движители отличаются высокой тяговой
эффективностью при малых скоростях движения (
v
v
= 10
. . .
20
км/ч),
при больших скоростях тяговый КПД спадает [2].
Однако такой уровень скоростей представляется недостаточным.
Повышение скорости связано не только с ускорением транспорти-
ровки грузов и/или пассажиров, но и со значительным повышением
дальности автономного плавания, экономией горючего, увеличением
полезной нагрузки: при превышении критической скорости судна, со-
ставляющей обычно
v
∗
v
= 25
. . .
35
км/ч, могут значительно снижаться
затраты энергии на взаимодействие с водой.
Последние наши разработки, связанные с задачами, частично опи-
санными в [1], указывают на принципиальную возможность создания
колесных движителей, в которых гидродинамические процессы опти-
мизированы так, что их эффективность остается высокой при скоро-
стях до
v
∗
v
= 40
. . .
50
км/ч.
Однако при повышении скорости возникают новые проблемы.
Гребные колеса, как правило, имеют большие габаритные размеры
[3], что может воздействовать на аэродинамические характеристики
судов. Если для относительно тихоходных судов (
v
∗
v
= 10
. . .
20
км/ч)
взаимодействие с воздухом играет второстепенную роль в общем
сопротивлении движению, то при повышении скорости судна до
v
∗
v
= 40
. . .
50
км/ч, аэродинамическое сопротивление выходит на
первый план и его необходимо учитывать при выборе геометрии
движителя как заметной части обтекаемого воздухом судна. Причем,
как показано далее, недостаточно решать только аэродинамическую
задачу, так как при высоких скоростях может возникать существенное
нелинейное взаимодействие воздушной и водной сред.
В вычислительном эксперименте решалась система уравнений На-
вье – Стокса для динамики воздуха и воды как среды с переменной
плотностью с учетом силы тяжести и моделью турбулентности SST
(вариант (
k
−
ω
)), в приближении изотермичности и малости числа Ма-
ха по сравнению с единицей [4]:
∂
(
r
α
ρ
α
)
∂t
+
∇ ∙
(
r
α
ρ
α
U) = 0;
∂
(
ρ
U)
∂t
+ (U
∙ ∇
)(
ρ
U)
−
μ
eff
ΔU = (
ρ
=
ρ
eff
)g
− ∇
p
0
;
μ
eff
=
μ
+
μ
t
;
p
0
=
p
+
2
3
pk
;
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2015. № 6 51