5 / 11
свободное втекание и истечение воздуха
∇
v
= 0
,
p
=
p
0
, где
v
— ско-
рость среды,
p
— давление на границе,
p
0
— атмосферное давление,
на нижней границе — непротекание
v
n
= 0
(
v
n
— компонент скорости,
нормальный к границе). Начальные условия соответствовали мгновен-
ному появлению движущегося и вращающегося колес в покоящихся
(в земной системе координат) воде и воздухе. Расчеты проводились до
установления квазипериодического движения воды и воздуха (более
оборота колеса).
Применялась подробная квазирегулярная многоблочная расчетная
сетка, причем межлопаточные блоки скользили относительно пери-
ферийного блока, имеющего форму прямоугольника с вырезанным
кругом.
Вычисления проводились с помощью программ ANSYS CFX, для
уравнений переноса использовалась численная схема высокого раз-
решения, для шага по времени — обратный метод Эйлера второго
порядка, для турбулентности — метод первого порядка. В качестве
условия сходимости выбрана относительная среднеквадратическая по-
грешность менее
10
−
4
. Сила
F
вычислялась как интеграл горизонталь-
ных проекций сил давления и поверхностного трения по всей площади
контакта колеса с водой. В качестве параметров воды и воздуха (при
25
◦
С) взяты данные из библиотеки материалов ANSYS. При вычисле-
нии
η
проводилось усреднение по времени для периода лопаток (т.е.
оборота колеса, деленного на число лопаток), чтобы сгладить выбро-
сы, связанные с временн ´ым сдвигом между продольными импульсами
и пиками момента торможения колеса.
Проводились вычислительные эксперименты по математическому
моделированию различных вариантов геометрии неподвижных лопа-
ток при скорости судна от 10 до 45 км/ч и скорости вращения коле-
са, соответствующей максимальной окружной скорости
v
ω
от 10 до
60 км/ч. На приведенных далее примерах диаметр колеса составляет
4 м, скорость судна
v
v
= 45
км/ч,
v
ω
= 60
км/ч.
Вначале был рассмотрен близкий к традиционному (паром
ПКР-25, проекты ледоколов и др. [10]) вариант колеса с ободом и
радиально расположенными лопатками (вариант I).
Результаты вычислений (рис. 1, 2) показали, что при указанной вы-
сокой скорости судна, во-первых, при входе лопатки в воду создается
большое усилие, сильный всплеск, который гонит воду как назад, так
и вперед. Во-вторых, между лопатками при их нахождении под во-
дой создается разрежение, которое формирует течение к колесу, в том
числе сзади, вперед (в земной системе координат). В-третьих, это раз-
режение замедляет слив воды при выходе лопаток, и вода ускоряется
вверх относительно колеса, т.е. вперед (в земной системе координат).
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2016. № 1 105