4 / 9
Вычисления проводились с помощью программ ANSYS CFX, для
уравнений переноса использовалась численная схема высокого разре-
шения, для шага по времени — обратный метод Эйлера второго поряд-
ка, для турбулентности – метод первого порядка. В качестве условия
сходимости выбрана относительная среднеквадратичная погрешность
меньше
10
−
4
. Эффективность движителя
η
определялась как отноше-
ние мощности, связанной с силой от колеса
F
, к механической мощ-
ности на валу:
η
=
F v
v
|
Mω
|
,
где
M
— вращательный момент на валу;
ω
— угловая скорость вращения
колеса.
Сила
F
вычислялась как интеграл горизонтальных проекций сил
давления и поверхностного трения по всей площади поверхности ко-
леса и обтекателя. В качестве параметров воды и воздуха (при 25
◦
С)
взяты данные из библиотеки материалов ANSYS. При вычислении
η
проводилось усреднение по времени для периода лопаток (т.е. обо-
рота колеса, деленного на число лопаток), чтобы сгладить выбросы,
связанные с временным сдвигом между продольными импульсами и
пиками момента торможения колеса.
На одной стороне прямоугольной расчетной области задавались
скорости воды и воздуха, равные
v
v
, постоянное давление воз-
духа и распределение давления в воде, связанное с гравитацией
p
=
ρ
w
g
(
H
−
y
)
, где
H
— высота уровня воды,
y
— вертикальная
координата,
g
— ускорение свободного падения,
ρ
w
— плотность воды.
На противоположной стороне задавалось свободное истечение с ана-
логичным распределением давления. На верхней границе задавалось
свободное втекание и истечение воздуха
∇
v
= 0
,
p
=
p
0
, где
v
—
скорость среды,
p
— давление на границе,
p
0
— атмосферное давление;
на нижней — непротекание
v
n
= 0
, где
v
n
— компонент скорости,
нормальный к границе. Начальные условия соответствовали мгновен-
ному появлению движущегося и вращающегося колеса в покоящихся
(в земной системе координат) воде и воздухе. Применялась подробная
квазирегулярная многоблочная расчетная сетка, причем межлопаточ-
ные блоки скользили относительно периферийного блока, имеющего в
плане форму прямоугольника с вырезанным кругом. Расчеты проводи-
лись до установления квазипериодического движения воды и воздуха
(более оборота колеса).
На рис. 1,
а
приведено колесо с разрезными скошенными лопатка-
ми, показавшее при вычислительных экспериментах высокие характе-
ристики по упору и эффективности при скорости судна до 45 км/ч.
Из результатов вычислений (рис. 1,
а
и рис. 2) следует, что взаимо-
действие с воздухом оказывает значительное тормозящее воздействие
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2015. № 6 53