Объект и цель научной работы. Целью является гибридное (расчетно-экспериментальное) исследование поля скоростей вблизи винта, работающего на швартовном режиме. Рассматриваются физические особенности формирования потока и развитие кавитации на режиме нулевой поступи винта. В качестве объектов исследования выбраны типовые гребные винты ледоколов. Материалы и методы. Экспериментальная часть работы выполнена в глубоководном и кавитационном бассейнах Крыловского государственного научного центра. Для расчетного определения гидродинамических характеристик используются методы вычислительной гидродинамики, базирующиеся на решении методом контрольного объема нестационарных уравнений Рейнольдса, замкнутых двухпараметрической полуэмпирической моделью турбулентности. Основные результаты. Приводятся экспериментальные данные, характеризующие особенности формирования потока вблизи винта, работающего на швартовном режиме. Приведены экспериментально зарегистрированные картины кавитации, соответствующие режимам частичной и развитой кавитации на швартовах. Единственной формой кавитации, зафиксированной на этих режимах, является концевой вихрь. Его развитие при снижении числа кавитации приводит к падению упора, т.е. к наступлению второй стадии кавитации. Экспериментально-расчетным способом показано, что в отличие от работы винта на ходовых режимах, где винт в основном увеличивает скорости потока в струе, натекающей спереди, на швартовном режиме упор винта в значительной степени формируется за счет ускорения жидкости, которая засасывается сбоку от винта, что существенно меняет направление течения вблизи концевых сечений винта. Расчет обтекания винта позволил получить картины формирования потока и кавитации на винте, близкие к экспериментальным данным. Заключение. Совместное использование расчетных и экспериментальных методов исследования позволило детально проанализировать связь между формой кавитации и наступлением второй стадии кавитации. Результаты расчетов продемонстрировали высокую точность численного определения характеристик второй стадии кавитации и картин кавитации. Показано, что применение суперкомпьютерных расчетов позволяет значительно, по сравнению с экспериментом, расширить возможности исследования физических особенностей кавитационных течений на таком сложном непроектном режиме работы гребного винта, как швартовный.
Труды Крыловского государственного научного центра
2020. — Выпуск 3
Содержание:
Объект и цель научной работы. Статья посвящена анализу особенностей кривых действия гребных винтов и их взаимодействия с корпусом корабля с целью выяснения гидродинамических причин этого явления. Материалы и методы. Кривые действия гребных винтов, применяемых на современных боевых кораблях и судах, в «свободной воде» и в потоке за корпусом при малых поступях пересекаются друг с другом, что приводит к появлению отрицательных значений коэффициента попутного потока и положительных - для приращения коэффициента влияния неоднородности ΔiQ. К анализу причин этих особенностей привлечены данные по аэродинамике крыльев и материалы по углам атаки элементов лопастей гребных винтов. Используются расчетно-теоретические подходы. Основные результаты. Показано, что для винтов характерно удлинение лопастей порядка 2-4. Наибольшие углы атаки имеют прикорневые сечения лопасти винта, которые при повышении нагрузки могут обтекаться нелинейно; это усиливается при работе винта в неоднородном потоке за корпусом. Саблевидность лопастей играет вспомогательную роль. Приведены примеры проявления нелинейности кривых действия винтов в других случаях. Заключение. Основной причиной указанных особенностей гидродинамики гребных винтов является нелинейность коэффициента подъемной силы прикорневых элементов их лопастей, которые при повышенных нагрузках обтекаются с отрывом потока из-за нелинейности подъемной силы.
Ключевые слова
Объект и цель научной работы. Рассматриваются расчетные модели судовых корпусных конструкций, сформированные по методу конечных элементов (КЭ) и предназначенные для решения задач поддержки жизненного цикла. Большой порядок разрешающих систем уравнений актуализирует проблему повышения эффективности расчета. Анализируются подходы к решению указанной проблемы. Приводятся примеры расчетного анализа напряженного состояния реального корпуса судна, находящегося в условиях длительной эксплуатации. Материалы и методы. Повышение эффективности расчета конструкции корпуса судна обеспечивается применением метода структуризации. При этом реализуется системный подход к расчетным исследованиям больших механических систем, алгоритмической основой которого служат методы подконструкций (Substructures) и суперэлементов (Super Elements), изложенные в работах Пржеменицкого (Przemienitcki), Аргириса (Argiris), Мейснера (Meissner) и ряда других исследователей. Метод структуризации позволяет эффективно мобилизовать коллективные усилия инженеров. Каждый из них может не только сформировать модель подконструкции, но и осуществить ее анализ и конструирование с учетом смежных подсистем без пересчета системы в целом. Комплексные расчетные исследования прочности и устойчивости выделенных фрагментов выполняются с точными граничными условиями и различными конструктивными схемами. Основные результаты. Получены обобщенные граничные условия для конструктивных отсеков корпуса судна, позволяющие оценить их напряженно- деформированное состояние (НДС) в зависимости от ряда конструктивно-технологических факторов. Дана расчетная прогнозная оценка влияния износов связей на НДС корпуса судна в различные периоды его эксплуатации. Приводится оценка влияния технологических схем ремонта корпуса методом замены на устойчивость конструкции надстройки судна. Заключение. Предложенные подходы обеспечивают полноту, эффективность и комплексность инженерного анализа судового корпуса как большой механической системы. Они позволяют существенно сократить общее расчетное время, уменьшить трудоемкость формирования и анализа расчетных КЭ-моделей судовых корпусов, а также повысить эффективность коллективной работы специалистов, занимающихся проектированием, эксплуатацией и ремонтом судовых корпусных конструкций. Предложенные подходы можно рекомендовать к применению для решения инженерных задач поддержки жизненного цикла объектов морской техники.
Ключевые слова
Объект и цель научной работы. Объектом работы являются отработавшие газы судовых энергетических установок. Цель исследования - выявление зависимости эксплуатационных и функциональных свойств каталитического нейтрализатора от компоновки и режима работы двигателя. Материалы и методы. Рассмотрены особенности использования метода каталитической нейтрализации на основе пористых проницаемых каталитических материалов с целью снижения токсичности отработавших газов. Основные результаты. Было установлено, что противодавление, создаваемое СВС-фильтром, зависит от количества ступеней очистки СВС-фильтра (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) и оборотов коленчатого вала дизеля. Выполнено сравнительное испытание вариантов компоновки каталитического нейтрализатора, обеспечения одно-, двух- и трехступенчатой очистки фильтрующими пористыми проницаемыми СВС-блоками отработавших газов от твердых частиц сажи судовой энергетической установки (СЭУ) по внешней скоростной характеристике дизеля 3Д6 (6Ч 15/18). Заключение. Получены экспериментальные данные, которые дают представление о перспективах применения и возможностях развития конструкций каталитических нейтрализаторов для очистки отработавших газов дизельных СЭУ на основе пористых СВС-материалов.
Ключевые слова
Объект и цель научной работы. Объектом исследования является система электродвижения с вентильно-индукторным гребным электродвигателем. Цель работы - создание компьютерной модели вентильно-индукторного гребного электропривода и исследование гармонического состава напряжения в судовой электроэнергетической системе с таким электроприводом. Материалы и методы. Применена компьютерная модель объекта исследования. Используются методы схемотехнического моделирования электроэнергетических систем и их элементов. Основные результаты. Разработана и проверена на соответствие реальному объекту компьютерная схемотехническая модель вентильно-индукторного гребного электропривода. Определен гармонический состав напряжений и токов в элементах электропривода. Выполнена оценка влияния допущений на расхождения результатов физического и расчетного экспериментов. Рассчитаны значения коэффициента несинусоидальности кривой напряжения на главном распределительном щите в электроэнергетической системе с синхронным генератором и вентильно-индукторным гребным электроприводом соизмеримой мощности. Определены пути улучшения гармонического состава. Заключение. Компьютерная схемотехническая модель вентильно-индукторного гребного электропривода позволяет рассчитать значения параметров переходных и установившихся процессов вентильно-индукторного двигателя. Характер электромагнитных процессов в системе, обмен энергией между фазными обмотками и звеном постоянного тока преобразователя-коммутатора моделируются адекватно реальному объекту. Разработанная модель пригодна для исследования влияния режимов вентильно-индукторного гребного электропривода на качество электроэнергии судовой электроэнергетической системы. Исследованиями подтверждено, что существует возможность улучшения качества электроэнергии в судовой электроэнергетической системе путем оптимизации соотношения длительностей, управляющих ключами фазных модулей импульсов.
Ключевые слова
Объект и цель научной работы. Целью является построение регуляторных диаграмм отгона водотопливных фракций (ВТФ) из отработанного моторного масла (ОММ) в циклонном вакуум-термическом испарителе (ЦВТИ) с активацией данного процесса вакуум-термическим воздействием на сформированное в ЦВТИ тонкопленочное течение ОММ для оценки эффективных параметров процесса регенерации. Материалы и методы. Регуляторные диаграммы построены на основе графического материала двумерных сечений с линиями постоянной эффективности отгона ВТФ гиперповерхностей функций отклика в трехмерном пространстве в натуральных значениях, характеризующих зависимости коэффициентов эффективности удаления водотопливных фракций из ОММ от его температуры и давления вакуума в ЦВТИ. Основные результаты. Регуляторные диаграммы являются частью разработки комплексной математической модели процесса «мягкой» регенерации ОММ по авторской схеме как отдельного, так и совместного удаления воды и легких топливных фракций из ОММ судового дизеля. Регуляторные диаграммы показывают значения температуры ОММ и давления вакуума, обеспечивающие наивысший процент отгона топлива и воды из ОММ для разной производительности ЦВТИ. Заключение. Регуляторные диаграммы необходимы для прогнозирования результата регенерации с восстановлением параметров показателей вязкости и температуры вспышки регенерированного моторного масла значительно выше браковочных, определенных регламентируемыми документами, для повторного использования в двигателе внутреннего сгорания.
Ключевые слова
Объект и цель научной работы. Целью работы является проработка принципиальной технологической схемы и основных конструктивных решений для создания экспериментального образца энергоустановки (ЭУ) на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) ЦНИИ СЭТ мощностью до 5000 Вт на основе теплотехнического анализа отечественных и зарубежных образцов ЭУ ТОТЭ. Материалы и методы. На основе углубленного обзора и математического анализа передового отечественного и зарубежного опыта создания ЭУ ТОТЭ обоснован класс перспективных технологических схем и определены основные подходы в компоновочных и конструктивных решениях при разработке экспериментального образца ЭУ ТОТЭ ЦНИИ СЭТ мощностью до 5000 Вт. Основные результаты. Проведен анализ теплотехнических процессов, конструктивных и технологических решений, реализованных в отечественных и зарубежных ЭУ ТОТЭ, проработана технологическая схема экспериментального образца ЭУ ТОТЭ ЦНИИ СЭТ мощностью до 5000 Вт. Заключение. С помощью разработанных и верифицированных математических моделей выполнен анализ наиболее эффективной ЭУ ТОТЭ BlueGen фирмы Ceramic Fuel Cells Limited (CFCL) и обоснованы пути дальнейшего совершенствования перспективных семейств тепловых схем ЭУ на базе планарных ТОТЭ. Исследовано влияние прериформинга, анодной и катодной рециркуляции и вольт-амперных характеристик батареи как на термодинамическую эффективность, так и на массогабаритные характеристики. Отработаны алгоритмы регулирования установки, продемонстрирована эффективность наиболее сложных и длительных из них с рядом ограничений режимов ввода и вывода из действия. Изложены принятые обоснованные принципы создания ряда ЭУ ТОТЭ ЦНИИ СЭТ мощностью от 500 до 5000 Вт.
Ключевые слова
Объект и цель научной работы. Объектом исследования является проблема классификации кораблей по их изображениям в видимом, инфракрасном и радиолокационном диапазонах. Цель статьи - оценка возможности использования для классификации основных современных алгоритмов и подходов, применяемых для решения задач компьютерного зрения. Материалы и методы. Проанализирована эволюция компьютеров и программного обеспечения, позволяющая использовать машинное зрение и самообучающиеся компьютерные сети для распознавания кораблей по их изображениям. Изложены основные подходы развития корабельных радиолокационных систем в различных странах. Отражены два подхода при создании моделей классификаторов с использованием «готовых» сетей, обученных для классификации изображений. Основные результаты. На основе анализа развития сверточных нейронных сетей выявлены основные тенденции развития машинного зрения. Отмечены наиболее перспективные методы их использования для классификации изображений кораблей. Разработаны две модели классификаторов оптических портретов кораблей и судов. Для них получены количественные оценки достигнутых точностей распознавания. Заключение. Представленные материалы позволяют определить тенденции развития классификаторов портретов кораблей. Полученные результаты могут быть использованы при распознавании тепловых и радиолокационных портретов кораблей.
Ключевые слова
Объект и цель научной работы. Цель работы - сопоставление вихревых процессов и распределения скалярного поля в жидкости при отрывном обтекании твердого тела. Объектом исследования является куб, расположенный на твердой поверхности. Материалы и методы. Расчет произведен методом крупных вихрей. Основные результаты. Приводятся результаты расчета стратифицированного течения за подводным препятствием при умеренных числах Рейнольдса. Показано, что при начальном малом градиенте плотности жидкости по вертикали происходит существенная перестройка скалярного поля плотности в результате натекания потока на препятствие. При этом наблюдается как совпадение в отдельных областях векторного и скалярного полей, так и независимость образованных структур в подветренной области от ориентации вихревых образований по полю скорости. Заключение. Учет наличия плотностного градиента важен при проектировании выступающих частей морских технических подводных объектов и исследованиях потоков вблизи морских подводных природных объектов, таких как подводные горы, банки, т.к. формируемые плотностные структуры могут существенно влиять на развитие потоков вверх и вниз по течению.
Ключевые слова
Объект и цель научной работы. Объектом работы являются морские энергетические установки (ЭУ), целью - анализ тенденций развития морских энергетических газотурбинных установок в России и за рубежом, выявление основных проблем конвертации авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) для применения в составе морских ЭУ, а также представление результатов создания современной российской базы морского газотурбостроения и тенденции развития морских ЭУ нового поколения. Материалы и методы. Обобщен мировой и отечественный опыт морского газотурбостроения на основе анализа информации из открытых источников. Выполнены термогазодинамические расчеты морских ГТД и газотурбинных агрегатов простого и сложного цикла с целью обоснования рациональных направлений их развития. Основные результаты. Выявлены основные закономерности в развитии морских ГТД и ЭУ. На примере работ ПАО «ОДК-Сатурн» показана эффективность создания семейства унифицированных двигателей различного назначения (морские, промышленные энергетические) на базе конвертированного авиационного газогенератора. Обоснованы пути дальнейшего совершенствования морских ГТД простого и сложного цикла. Представлены результаты работы ПАО «ОДК-Сатурн» в области создания жаропрочных коррозионностойких материалов. Заключение. Сформулированы основные направления дальнейшего развития морских ЭУ и сделан вывод о том, что потенциал улучшения экономичности ГТД приближается к предельным значениям эффективного КПД для простого цикла, и дальнейшее развитие в данном направлении не приведет к существенному повышению топливной эффективности. Преимущества газотурбинных установок сложного цикла различных схем не очевидны и должны рассматриваться в контексте модели их эксплуатации в составе ЭУ конкретного корабля (судна). Дальнейшее совершенствование целевой эффективности ЭУ должно быть направлено на оптимизацию их конфигурации на основе базовых элементов (ГТД, дизель, редуктор, электрические системы) с максимальным использованием межпроектной унификации.
Ключевые слова
Объект и цель научной работы. Статья посвящена анализу Государственной программы вооружения как важнейшего документа среднесрочного планирования технического переоснащения армии и флота, а также проблемным вопросам реализации военно-технической политики в отношении технического оснащения Военно-Морского Флота современными образцами вооружения, военной и специальной техники. Материалы и методы. Раскрывается роль флота в решении задачи обеспечения военной безопасности государства как основного фактора, учет которого необходим при определении иерархии приоритетов в ходе распределения средств на закупку вооружения и военной техники в интересах тех или иных видов или родов войск Вооруженных Сил страны. Для доказательства своей позиции автор опирается на личный опыт управления Военно-Морским Флотом в должности главнокомандующего ВМФ, научно обоснованные и проверенные временем постулаты главнокомандующего ВМФ СССР, адмирала флота Советского Союза С.Г. Горшкова, иностранный опыт применения корабельных группировок в современных вооруженных конфликтах, требования к ВМФ, отраженные в документах стратегического планирования Российской Федерации. Основные результаты. Изложены основные условия реализации «Программы кораблестроения до 2050 года», утвержденной Президентом Российской Федерации в 2014 г., выполнение которых должно обеспечить повышение ритмичности строительства кораблей и судов для ВМФ России. Заключение. Предлагаемые меры по повышению качества планирования государственной программы вооружения должны обеспечить выход к 2030 г. на параметры, заложенные в Программе кораблестроения до 2050 года, которая является основой для формирования государственных программ вооружения, а также создать условия для реализации основных приоритетов в области строительства и развития Военно-Морского Флота в среднесрочной и долгосрочной перспективе.
Ключевые слова
Объект и цель научной работы. Объектом исследования является утилизация надводных кораблей с ядерной энергетической установкой (ЯЭУ), целью работы - оценка обеспечения безопасности при выводе из эксплуатации кораблей с ЯЭУ. Материалы и методы. Концепции утилизации большого атомного разведывательного корабля (БАРзК) «Урал» в Приморском крае, публикации в журналах. В работе использованы универсальные методы исследования, такие как анализ, сравнение, конкретизация. Основные результаты. Рассмотрен опыт впервые выполненной утилизации надводного корабля (НК) с ЯЭУ в Приморском крае, изложены технические и организационные аспекты утилизации НК с ЯЭУ на примере проекта 1941. Заключение. На основании проведенного исследования сделан вывод о необходимости дальнейшего обращения с плавучим блоком реакторного отсека (РО) БАРзК «Урал» с целью уменьшения его массогабаритных характеристик для обеспечения постановки на долговременное хранение в пункт длительного хранения РО «Устричный». Предложен альтернативный вариант вывода из эксплуатации НК с ЯЭУ, основанный на выгрузке баков железоводной защиты с атомной паропроизводящей установкой и формировании из них объекта долговременного хранения без создания промежуточных блоков.