Исследование структуры, потока, обтекающего корпус судна

Одной из целей анализа результатов пропульсивных испытаний является уточнение величины так называемой надбавки на шероховатость поверхности — коэффициента, учитывающего разницу между сопротивлением трения технически гладкой пластины и сопротивлением трения корпуса судна. Достоверность надбавки на шероховатость поверхности, определенной таким способом, зависит от числа измеряемых величин и прежде всего от регистрации упора гребных винтов. Если последний не измерялся, то величина полученной надбавки будет зависеть от принятой методики анализа и будет включать, помимо собственно шероховатости, также погрешности, обусловленные масштабным эффектом непосредственно в сопротивлении корпуса и в характеристиках движителя.

Более достоверно величина надбавки на шероховатость поверхности может быть определена путем анализа результатов буксировочных испытаний судов. Однако подобные испытания весьма сложны и проводятся крайне редко.

Одним из возможных методов определения сопротивления трения корпуса судна является исследование характеристик пограничного слоя. Результаты исследования этих характеристик позволяют получить данные о действительном значении надбавки на шероховатость. Наиболее интересный материал может быть получен путем ряда последовательных измерений скоростей в пограничном слое, проведенных через разные промежутки времени после докования, так как сопоставление результатов таких замеров позволяет судить о процессе изменения сопротивления трения в результате обрастания корпуса [24]. Поле скоростей в пограничном слое позволяет также судить о структуре обтекания корпуса и наличии местных отрывов потока.

Сведения о характеристиках пограничного слоя, в частности о поле скоростей, представляют интерес не только с точки зрения сопротивления судна, но и для размещения некоторых приборов, например приемных трубок гидродинамических лагов.

Непосредственное измерение напряжения трения — весьма трудная задача даже в лабораторных условиях. В условиях натурных испытаний большинство известных методов (тепловой, диффузионный, пневматический), пригодных лишь для гладких поверхностей, неприменимо. Кроме того, установка и регулировка измерительных устройств на судне сопряжены с рядом организационных трудностей, в том числе с частым докованием. Поэтому практически единственным методом, применяющимся для исследования трения в натурных условиях, является измерение профиля скоростей судна в пограничном слое. Подобные измерения проводят либо с помощью обычных лаговых трубок, либо специальных трубок Пито-Прандтля. И в том и в другом случае предусматривается устройство (координатник), позволяющее фиксировать расстояние от точки, в которой производят измерение, до наружной обшивки.

Измерение профиля скоростей в пограничном слое обычно предшествует определению степени шероховатости наружной обшивки, которое осуществляется с помощью профилографов. Измерения можно проводить при стоянке судна в доке. Рекомендации по расположению мест, удобных для выполнения замеров шероховатости поверхности, и методике измерений даны в § 2.

Если испытания проводятся длительное время, то желательно провести серию последовательных измерений, чтобы судить об изменении состояния обшивки за период испытаний.

Профиль скоростей в пограничном слое определяется не только степенью шероховатости обшивки, но и расположением сечения, в котором производят измерения, по длине судна, а также формой обводов в районе этого сечения. Поэтому профиль скоростей необходимо измерять в ряде сечений по длине судна. Тем не менее подобные измерения проводят весьма редко вследствие конструктивных трудностей, связанных со сверлением дополнительных отверстий в наружной обшивке. В процессе наиболее полных исследований, выполненных таким способом, измерение профиля скоростей производилось в трех сечениях по длине судна [72].

Разработанная в последние годы методика, основанная на использовании «присасывающихся» дисков [94], позволяет преодолеть эту трудность. Диски имеют полость, прилегающую к корпусу, и резиновое уплотнение по периметру (рис. 49). Давление в этой полости снижается с помощью вакуум-насоса. Образовавшийся перепад давлений удерживает диск на поверхности обшивки судна. На диске закрепляются гребенки, предназначенные для измерения поля скоростей, а также термоанемометры, позволяющие судить о степени турбулентности потока.

Рис. 49. Схема «присасывающихся» дисков для крепления скоростных трубок.


Рис. 50. Схема измерения поля скоростей.

Подобная конструкция позволяет легко устанавливать измерительное устройство в заданной точке корпуса судна и перемещать его по мере надобности.

Необходимо отметить, что наряду с созданием нового метода крепления скоростных трубок применяется и схема измерений, не требующая прокачки системы с целью устранения пузырьков газа (рис. 50). При ее применении вода из скоростной трубки 2 вытесняется сжатым воздухом, поступающим из специального резервуара 1. Измерение осуществляется в момент прекращения подачи воздуха, когда давление в системе равно полному напору на входе в трубку.

Результаты измерений поля скоростей представляют обычно в виде графиков, на которых по оси абсцисс откладывают скорость потока, а по оси ординат — расстояние от наружной обшивки у. Образец такого графика, построенного по данным измерения профиля скоростей при различных скоростях (v, уз) шведского миноносца «Врангель», приведен на рис. 51.

Рис. 51. Профиль скоростей вблизи обшивки.

Рис. 52. Характер профиля скоростей при различной шероховатости поверхности. 1 — непосредственно после докования; 2 — через 58 дней после докования.

По результатам измерения профиля скоростей в средней части судна можно рассчитать величину коэффициента трения обшивки. Полагая, что градиент давления по длине равен нулю, можно приближенно записать
где х — расстояние от точки, в которой производится замер, до форштевня; δ** — толщина потери импульса.

Последняя в свою очередь определяется зависимостью
где u — местная скорость; v — скорость на внешней границе слоя.

Сопоставляя полученный коэффициент трения с аналогичным коэффициентом для технически гладкой пластины, можно определить величину надбавки на шероховатость поверхности. Описанный метод, хотя и содержит некоторые условности, позволяет определить величину коэффициента трения с достаточной степенью точности. Об этом свидетельствует, в частности, проведенное в процессе испытаний шведского эсминца «Врангель» сопоставление коэффициентов трения, полученных тремя способами: расчетом по профилю скоростей, по буксировочным испытаниям судна и непосредственным измерением на подвижных пластинах.

По измерению профиля скоростей (рис. 52) можно судить об увеличении сопротивления трения в результате обрастания судна (рис. 53). Кривые построены по результатам испытаний судна «Люси Эштон».

Рис. 53. Зависимость надбавки на шероховатость поверхности от времени эксплуатации судна. О — по измеренным значениям буксировочного сопротивления; • — по профилю скоростей.


Рис. 54. Поле скоростей в кормовой части траулера.

Измерение поля скоростей, особенно в кормовой части, позволяет судись также о возникновении на корпусе вихревых систем. Так, на рис. 54 приведены результаты измерения профиля скоростей, полученные в кормовой части траулера [94]. Имеющаяся впадина свидетельствует об образовании вихревого шнура. Для визуализации вихревых шнуров иногда прибегают к подаче красителя в пограничный слой судна. Сведения об использовании этого метода содержатся, в частности, в упомянутой работе [94].