Публикации
Расчёт кавитации гребного винта с помощью средств CFD
Так же как и крылья летательного аппарата создают подъёмную силу за счёт разницы давлений воздуха на нижнюю и верхнюю поверхность, так и гребные винты используют перепады давления в лопастях для генерации силы тяги. Распределение давления по поверхности лопасти гребного винта зависит от его формы, а также от того, как эта форма влияет на скорость воды вокруг лопасти. Если поток ускоряется, давление падает, и наоборот, если поток замедляется, давление возрастает. Форма лопасти должна быть такой, чтобы скорость потока была высокой на передней или всасывающей поверхности и низкой на задней или нагнетающей поверхности. Слишком агрессивная форма лопасти может стать причиной образования очень низкого давления, достаточно низкого, чтобы достичь точки кипения воды и привести, в конечном итоге, к кавитации.
На рисунках 1, 2 показано распределение давления по поверхности винта судна в переходном режиме движения со скоростью 18 узлов и 1200 оборотами в минуту. На рисунке 1 синим цветом показаны области низкого давления на передней поверхности винта. На рисунке 2 оранжевым цветом показаны области высокого давления на задней поверхности винта. Так как с глубиной гидростатическое давление возрастает, давление на нижнюю половину винта немного выше, чем на верхнюю.
При разработке любого вертолёта важно учитывать вредное аэродинамическое сопротивление, поскольку оно влияет на мощность и движущую силу летательного аппарата на высоких скоростях.
Maritime Research Associates, LLC (MRA) - компания, расположенная в г. Анн-Арбор, штат Мичиган, США, занимающаяся разработкой и строительством морских судов.
Рис. 1. Распределение давления на передней поверхности винта
Рис. 2. Распределение давления на задней поверхности винта
На рисунках также виден отрицательный эффект такого распределения давления у передних кромок лопастей. На всасывающей поверхности образуется узкая область высокого давления (красная полоса на рис.1), а на нагнетающей поверхности – узкая область низкого давления (синяя полоса на рис. 2). Это нежелательно, поскольку передняя часть каждой лопасти создаёт силу тяги в неправильном направлении!
Однако рисунки 1 и 2 не учитывают эффекты кавитации. Тёмно-синим показаны области давления, ниже давления водяного пара, что означает, что в этих областях должна появиться кавитация.
Рис. 3. Винт с кавитационными повреждениями
Модель кавитации STAR-CCM+ позволяет смоделировать переход фаз от воды к водяному пару. На рис. 4 розовым цветом обозначена область, представляющая собой интерфейс между водой и водяным паром. Сравнение эрозийных областей, рассчитанных средствами CFD и полученных экспериментальным путём, показало, что средства CFD способны быстро и точно рассчитать появление кавитации.
Рис. 4. Расчёт CFD: плёночная кавитация (розовый цвет)
Модель показала, что на передней кромке нагнетающей поверхности лопасти возникает плёночная кавитация. Это означает, что эффективным углом атаки передней кромки является отрицательный угол, вызывающий области очень низкого давления на задней стороне лопасти. Эрозийные повреждения винта возникают после 500 часов эксплуатации.
С помощью CFD-анализа была выявлена природа кавитации и вызывающие её гидродинамические условия. Полученные данные расчёта позволят CFD-инженерам изменить первоначальную конструкцию винта и проверить производительность полученных модификаций с целью создания оптимальной конструкции c минимальной кавитацией.
