Публикации
Разработка морского движителя
Maritime Research Associates, LLC (MRA) - компания, расположенная в г. Анн-Арбор, штат Мичиган, США, занимающаяся разработкой и строительством морских судов. Основные усилия компании направлены на фундаментальные и прикладные исследования и разработки в области вычислительной гидродинамики во всех секторах морской индустрии. В последние годы увеличилось число проектов по численной разработке обводов корпуса и движительных систем, выполненных с использованием расчётных областей, отражающих характеристики реальных испытательных бассейнов и кавитационных труб традиционных экспериментальных мировых установок.
Поскольку стоимость технологических процессов с каждым годом продолжает снижаться, а роль надёжного и проверенного инструмента STAR-CCM+ в численных расчётах продолжает расти, можно судить о дальнейшем расширении области применения численного моделирования в разработке морских систем.
GRC 43 - самое современное 43-метровое патрульное судно, сооруженное полностью из композитных материалов и соответствующее всем стандартам Американского бюро судоходства (American Bureau of Shipbuilding — ABS). Инновационный дизайн и технологии производства позволили компании MRA в заданные сроки и в рамках выделенного бюджета создать морское судно, соответствующее всем ожиданиям клиента. Важную роль в разработке конструкции судна сыграли средства вычислительной гидродинамики (Computational Fluid Dynamics - CFD). С помощью CFD была разработана оптимизированная система «кронштейн - гребной винт - руль», эффективно взаимодействующая с обводом GRC корпуса.
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.
Одной из самых больших проблем, стоящих сегодня перед аэрокосмической промышленностью, является снижение аэрошумов, создаваемых летательными аппаратами.
Морская силовая установка
Основными элементами системы являются двигатель, трансмиссия и движитель. Поскольку спрос на большие и быстрые суда постоянно растёт, оптимизированные конструкции гребного винта играют всё более важную роль в максимизации производительности судна, а значит и в повышении эффективности судна в целом. Повышение эффективности для заданной скорости судна приводит к снижению топливных затрат за счёт снижения потребляемой мощности. И, наоборот, для заданной мощности, повышение эффективности приводит к увеличению скорости судна.
Правила шумового и эмиссионного регулирования требуют тщательного подбора гребных винтов для судна с целью добиться наиболее эффективного взаимодействия винта с кораблём как системой в целом. Помимо них, существуют и другие требования, например, требования по шумовому и вибрационному регулированию гребных винтов, предотвращению эрозионной кавитации и минимальному воздействию на окружающую среду. Немаловажную роль играет и экономия топлива, которая стала особенно актуальной в условиях глобальных энергетических проблем. В совокупности, комплексный подход ко всем этим вопросам приведёт к снижению риска низкой производительности судна.
При разработке современных двигательных систем всё чаще используются методы численного моделирования в сочетании с систематической валидацией модели и полномасштабной конструкции, заменяя традиционные экспериментальные методы. Технологические достижения САЕ в морской отрасли позволяют точно рассчитывать движетельные системы исключительно аналитическим методом. В конечном счете, это приводит к огромной экономии времени и средств, т.к. после выполненного анализа дорогие физические испытания либо не проводятся, либо проводятся в сокращенном объёме. Кроме того, САЕ предлагает быстрый и экономичный метод для анализа различных полномасштабных конфигураций винта и их взаимодействия с судном, позволяя избежать эффектов масштабирования модели.
Конечной целью любого проектирования судна является создание: оптимальной формы обводов корпуса с минимальным сопротивлением в мореходных условиях; пропульсивной системы, эффективно работающей в кильватере судна; руля, позволяющего безопасно маневрировать кораблём. Тем не менее, все эти три элемента судна нельзя рассматривать по-отдельности, так как каждый из них влияет на производительность остальных различными способами. Для расчёта гребного винта в свободной воде, измерения сопротивления и анализа двигающейся модели с учётом кавитации, могут использоваться уравнения Навье-Стокса, осреднённые по Рейнольдсу (Reynolds Average Navier Stokes - RANS).
Гребной винт Westport GRC
Катер Westport – 43-метровое судно для патрулирования и обеспечения безопасности прибрежных и морских зон. Судно имеет максимальную скорость 32,8+ узлов с дальностью 1000 км на этой скорости. Судно использует 2 двигателя MTU 16V400 и 5-и лопастные винты, предназначенные для быстрых судов с высокими коэффициентами нагрузки и максимальным коэффициентом готовности при выполнении задач. Гребные винты, кронштейны, и рули были разработаны компанией MRA расчётным методом с учётом распределения попутного потока. Расчёт выполнялся с помощью комплексного решателя STAR-CCM+ - решателя Навье-Стокса.
Ключевыми критериями и преимуществами конструкции являются:
-
Экономия топлива,
-
Увеличение максимальной скорости,
-
Устранение кавитационной эрозии гребных винтов,
-
Снижение шума и вибраций.
При численном анализе модели важно проверить расчётную методологию на соответствие экспериментальным результатам. STAR-CCM+ - это надёжный вычислительный код, проверенный в различных областях морской индустрии. После проверки кода на соответствие экспериментальным результатам в различных задачах, MRA с помощью STAR-CCM+ разработала собственную методологию расчёта. Пример валидации кода STAR-CCM+ представлен на рисунке 1. Сравнивались данные производительности системы «кронштейн - гребной винт - руль», полученные в STAR-CCM+ и данные, полученные Морским исследовательским институтом в Нидерландах (Maritime Research Institute of Netherlands - MARIN) в испытаниях судна в буксировочном бассейне со сниженным давлением. Программа MARIN была профинансирована компаниями TY Offshore и MTU Detroit Diesel.
Рис. 1. Полномасштабный катер Westport GRC в процессе эксплуатации
Валидационное исследование подтвердило надёжность кода. Поэтому конструкции кронштейна, винта и руля были смоделированы в большей степени с помощью STAR-CCM+. На заключительном этапе разработки имелось 10 различных вариантов винта, пять из которых были проитерированы вместе с кронштейном и рулём. Эти комбинации рассчитывались в конфигурациях «позади» и «само-перемещение». Расчётная модель состояла из корпуса судна, выступающих частей, гребных винтов, рулей и кронштейнов. Вокруг модели была создана расчётная область для представления областей жидкости и воздуха со свободной поверхностью на стыке двух сред. Для моделирования двух несмешивающихся сред в STAR-CCM+ использовался метод объёма жидкостей (Volume of Fluid – VOF). Этот метод позволяет рассчитать объёмную долю каждой среды в каждой ячейке. Свободная поверхность находится в месте расположения интерфейса между двумя средами со значением объёмной долей между 0 и 1. Волны свободной поверхности задаются в STAR-CCM+ с помощью опции “VOF Волны” (VOF Waves).
Рис. 2. Расчётная сетка свободной поверхности и судна
Расчётная область была разбита на многогранные и шестигранные ячейки (см. рисунок 2). В каждой ячейке решались уравнения Навье-Стокса для каждой из сред. Сетка вблизи свободной поверхности была сильно измельчена, что позволило рассчитать высоту и длину волны. Для анализа само-перемещения судна была создана внешняя стационарная область из усечённых шестигранных ячеек и внутренняя вращающаяся область из многогранных ячеек.
Рис. 3. Амплитуда волн
Внутренняя область с многогранными ячейками определяет геометрию винта, позволяя моделировать его вращение. Эта область имеет 1.5М-расчётные ячейки. Внешняя область с шестигранными ячейками определяет корпус судна, выступающие элементы и окружающие среды. Эта область имеет 1.5М – 2М расчётные ячейки. Сетка для пограничного слоя, состоящая из призматических ячеек, позволила охватить пограничный слой потока вблизи твёрдых поверхностей.
Итерации выполнялись для разных вариантов конструкции до тех пор, пока не были удовлетворены все требования, предъявляемые к производительности. Рассматривалась максимальная скорость в 32.5 узлов. На рисунке 3 показана амплитуда волн вокруг судна в расчётной точке для окончательной геометрии. Рисунки 4-5 показывают начальную и конечную оптимизированную геометрию винта, руля и кронштейнов. Кавитация на деталях сильно снизилась по сравнению с кавитацией начальной конструкцией. На рисунке 6 показана конечная оптимизированная геометрия V-образного кронштейна с учётом попутного потока от корпуса судна. Рисунок 7 показывает сравнение начальной и конечной конструкций руля. Оптимизированная конструкция имеет сниженную кавитацию с минимальным воздействием на гребной винт.
Рис. 4.
Рис. 5.
Рис. 4-5. Сравнение кавитации начальной и конечной конструкции
Рис. 6. Сравнение начальной и конечной конструкции V-образного кронштейна с учётом попутного потока
Рис. 7. Сравнение начальной и конечной конструкции руля с минимальной кавитацией
Конечная конструкция двигательной системы
В результате проведенного исследования была разработана окончательная оптимальная двигательная система морского судна, позволяющий сэкономить 11 000 гал топлива и снизить затраты на $ 44000 в год на судно по сравнению со стандартной конструкцией COTS. Максимальная скорость увеличилась на 0,93 узлов. При стандартном подходе COTS такое увеличение скорости привело бы к дополнительному потреблению мощности в 180 кВт на двигатель.
Одним из основных параметров, характеризующим производительность судна, является Квазипропульсивный коэффициент, или отношение эффективной мощности к имеющейся тормозной мощности двигателей. Производительность судна, полученная средствами CFD, сравнивалась с производительностью судна, полученной технологией COTS на трёх скоростях: патрулирование при 12 узлах, перемещение при 22 узлах и полный ход при 32.5 узлах. Топливная экономия новой конструкции в год составляет примерно ,000 на 1% QPC, что приводит к общей экономии топлива ,000 на 4% QPC. Экономия топлива также привела к приросту скорости на 0.22 узлов при патрулировании, 0.72 узлов – при простом перемещении судна и 0.93 – при полном ходе.
Оптимизированная конструкция позволяет устранить кавитацию на кронштейне и руле посредством выравнивания волнового следа. Кроме того, амплитуда излучаемого импульса давления снизилась на 40%, что привело к уменьшению шума судна. Полностью оптимизированная система «кронштейн – гребной винт – руль», разработанная только на основе расчётных методов, показала хорошие стоимостные, производительные характеристики, а также характеристики эффективности. Разработанная конструкция судна является высококачественной, экономически эффективной платформой для выполнения морского патрульного надзора.
