Институт Гидромеханики Национальной Академии Наук Украины

Лаборатория гидродинамики гидрофизических систем
(гидростенд)

           

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ГИДРОСТЕНДА

На главную страницу
Новости института
История института
Подразделения института
Научная деятельность
Международная       деятельность
Издательская              деятельность
Библиотека
Наши прикладные      разработки
Услуги, предоставляемые институтом
Научные новости
Журнал "Акустический вестник"
Журнал "Прикладная гидромеханика"
за 2003 год
за 2005 год
за 2007 год
за 2009 год
Наш адрес
Полезные ссылки
ФОРУМ
WEB-мастер

PAN © 2007-2008

 
 

 

Лаборатория, которая первоначально называлась «Гидростенд», создавалась по инициативе профессора А. Н. Панченкова и предназначалась для экспериментальных исследований движения моделей экранопланов и их крыльевых систем вблизи границы раздела вода-воздух. Однако в дальнейшем круг решаемых в лаборатории задач был значительно расширен и может быть определен под общим названием «Экспериментальные исследования взаимодействия тел с жидкостью в установившихся и неустановившихся потоках». Лаборатория введена в действие в 1972 году в составе отдела «Течений со свободными границами», которым в то время руководил академик АН УССР Г. В. Логвинович. В 1982 году лаборатория по решению Президиума АН УССР была реорганизована в структурную лабораторию при том же отделе и переименована в «Лабораторию гидродинамики гидрофизических систем». В 1987 году лаборатория переведена в отдел «Гидробионики и управления пограничным слоем», который в то время возглавлял докт. техн. наук профессор Л. Ф. Козлов. Руководил лабораторией все эти годы канд. техн. наук В. Г. Белинский. Общее научное руководство исследованиями в лаборатории осуществлялось в разное время академиком Г. В. Логвиновичем и профессором Л. Ф. Козловым.


Общий вид скоростного гидродинамического канала

 

Лаборатория создана на базе скоростного гидродинамического канала, который был специально построен и оборудован к тому времени. Канал имеет длину 140,0м, ширину 4,0 м и глубину 1,8 м. Он оборудован двумя буксировочными тележками - тихоходной и скоростной. Тихоходная тележка приводится в движение от гидропривода посредством бесконечного троса и предназначена для буксировки моделей тел в жидкости со скоростью до 6 м/с. Достижимые числа Рейнольдса при испытаниях на этой тележке составляют Re~106. Скоростная буксировочная тележка приводится в движение линейным асинхронным электродвигателем. Эта тележка предназначена для буксировки моделей тел в жидкости или в воздухе над поверхностью жидкости со скоростью до 25 м/с. Уникальность этой тележки заключается в том, что с ее помощью можно буксировать модели тел как с постоянной, так и с переменной скоростью с ускорением меняющимся по заранее заданному закону в пределах от 0 до 7 м/с2. Достижимые числа Рейнольдса при испытаниях на этой тележке составляют Re~106.

 

 

Работа лаборатории строилась таким образом, чтобы обеспечить два основных направления ее деятельности. Первое направление предусматривало выполнение текущих экспериментальных работ в гидродинамическом канале по определению гидродинамических характеристик всевозможных тел, устройств и приборов по заказам других отделов института и по многочисленным хозяйственным договорам с различными организациями. Второе направление связано с использованием уникальных возможностей скоростного гидродинамического канала для выполнения оригинальных научных исследований о влиянии границ потока и нестационарности движения на гидродинамические характеристики различных тел и устройств. Работы по этому направлению выполнялись по собственным тематическим планам лаборатории.

Ниже перечислены основные этапы исследований лаборатории по указанным направлениям деятельности и приведены некоторые основные результаты этих исследований.

 

 

Исследованиями в этой области начиналась работа лаборатории, поскольку, как отмечалось, первоначально она и создавалась для этой цели. В той или иной мере эта тематика разрабатывалась в лаборатории в течение всего периода ее существования. Работы в этой области были и остаются актуальными в связи с развитием исследований по созданию экранопланов. Предметом исследований здесь является влияние близости плоского и волнового экранов на аэродинамические характеристики крыла. Влияние плоского экрана в настоящее время исследовано многими авторами теоретически и экспериментально. Влияние же близости волнового экрана до настоящего времени исследовано мало, особенно в экспериментальном плане. И именно в экспериментальные исследования в этой области коллектив лаборатории внес свой оригинальный вклад, никем не превзойденный доныне.

В условиях гидродинамического канала исследования по влиянию близости экрана на аэродинамику крыла уместно было проводить, применяя гидродинамический метод исследования задач аэродинамики [1]. В данном конкретном случае он сводится к тому, что движение крыла в воздушной среде заменяется в эксперименте движением крыла в водной среде, а жидкий плоский и волновой экран заменяется твердым плоским и волновым экраном. Для этой цели на дне гидроканала на достаточном удалении от свободной поверхности воды был сооружен горизонтальный твердый экран с плоскими и волнообразными участками достаточной длины. Волнообразные участки состояли из синусоидальных волн различной длины и высоты, гребни которых были ориентированы перпендикулярно и под различными углами к направлению движения крыла. Над этим экраном в водной среде буксировались крылья (в том числе и крылья с отклоненными закрылками) различных удлинений lambda от 0,5 до 5. Испытания велись при числах Рейнольдса порядка Re~106 и при испытаниях над волновым экраном охватывали диапазон изменения чисел Струхаля Sh =2pb/lв = 0,216 — 6,28, где b — хорда крыла; lв — длина волны экрана.

При испытаниях непрерывно измерялись мгновенные значения подъемной силы крыла, его сопротивления и продольного момента, а также моменты крена при движении крыла над косыми волнами. Установлена зависимость этих величин от удлинения крыла, от угла атаки крыла и угла отклонения закрылка, от расстояния крыла до экрана, от длины и высоты волн экрана, от направления движения крыла по отношению к фронту волн.

Определены оптимальные удлинения крыла вблизи экрана с точки зрения максимума подъемной силы и с точки зрения максимума гидродинамического качества. Такими удлинениями оказались соответственно в первом случае l = 2—3 и во втором случае l= 3. Установлено, что при движении над синусоидальным волновым экраном кривые зависимостей гидродинамических характеристик крыла от времени изменяются не по синусоидальному закону, а по закону, близкому к трохоидальному. Установлена несимметричность этих кривых относительно вертикалей, проходящих через их максимумы, а также их сдвиг по фазе относительно волн экрана. Определено, что средние за период волны значения подъемной силы крыла над волновым экраном превышают по величине значения подъемной силы крыла при его движении над плоским экраном, расположенным на уровне средней линии волны экрана. Установлены зависимости амплитуд колебаний значений гидродинамических характеристик крыла при его движении над волновым экраном от параметров крыла и волнового экрана.

Результаты испытаний, полученные практически для всего реально мыслимого применительно к экранопланам диапазона соотношений между параметрами крыла и волнового экрана, представлены в виде сводных графиков и расчетных диаграмм и могут быть использованы при проектировании экранопланов и анализе их движения над спокойной и взволнованной поверхностью моря. По объему, практической значимости и новизне полученные рузультаты до настоящего времени не имеют аналогов в мире.

Работы выполнены коллективом сотрудников лаборатории в составе В. Г. Белинского, П. И. Зинчука, С. И. Путилина, В. А. Оришичева и В. Н. Незнамова [2—11].

 

Движение моделей экранопланов над плоским и волновым экраном

 

При движении экраноплана над взволнованной поверхностью моря на него действуют дополнительные нестационарные периодические силы и моменты, под действием которых он может совершать движения, сходные с качкой корабля при его движении по взволнованной поверхности моря. Величина этих сил и моментов и степень их влияния на динамику экраноплана зависит от соотношения между размерами экраноплана и параметрами волн, над которыми движется экраноплан. Такой вид движения экранопланов был исследован экспериментально на моделях экранопланов в гидродинамическом канале.

Схематические модели экранопланов буксировались в водной среде над неподвижным твердым плоским и волновым экраном. Были испытаны модели экранопланов трех типов: «самолет», «утка» и «тандем».

Модели буксировались сначала в свободной подвеске с двумя степенями свободы. Такая подвеска допускала свободу вертикальных перемещений модели и свободу продольных угловых колебаний модели. При этом компоновка каждого типа моделей, а также углы атаки крыльев, вес моделей и другие параметры подбирались такими, при которых реализовывался устойчивый режим движения модели над плоским и волновым экраном. По достижении этого измерялись вертикальные и угловые колебания моделей при их движении над волновым экраном. Затем эти же модели буксировались в жесткой подвеске при фиксированных отстояниях от экрана и углах тангажа, определенных перед этим для режима устойчивого движения моделей в свободной подвеске. В этом случае непрерывно измерялись мгновенные значения сил и моментов, действующих на модели экранопланов, движущихся над волновым экраном. Таким образом была установлена взаимосвязь между силами и моментами, действующими на модели экранопланов над волновым экраном, и теми перемещениями (вертикальными и угловыми) моделей, которые этими силами и моментами вызываются. Испытания проводились при числах Рейнольдса порядка Re ~ 106.

Важным результатом этих испытаний является то, что был установлен диапазон соотношений между размерами экранопланов и параметрами волн экрана, при которых колебания экранопланов над волновым экраном являются существенными (экраноплан испытывает «качку»). Установлен также тот диапазон этих соотношений, при которых волновой экран не оказывает заметного влияния на динамику экранопланов. По результатам этих испытаний можно также судить о преимуществах и недостатках тех или иных компоновочных схем экранопланов с точки зрения их устойчивого движения над волновым экраном.

Эти исследования выполнялись В. Г. Белинским, П. И. Зинчуком, С. И. Путилиным и В. А. Оришичевым [12].


Движение парашютных систем

 

В связи с расширением сферы применимости парашютов, в том числе и на их использование в водной среде для торможения и стабилизации различных объектов, в гидродинамическом канале проводились обширные испытания различного вида парашютных систем при их движении в воде. Испытывались парашюты с различной формой купола, с различной проницаемостью ткани купола, на режимах движения с постоянной скоростью, а также на режимах разгона и торможения. Подробно был исследован процесс раскрытия парашюта, а также процесс колебания купола парашюта относительно направления движения. Впервые выявлены и обследованы режимы раскрытия парашюта в воде, при которых за куполом реализуется естественная кавитация. Выполнена визуализация этих процессов.


Кавитация за куполом раскрывшегося парашюта при большой скорости
движения в воде

 

При испытаниях измерялось стационарное и нестационарное сопротивление парашютов, определялись коэффициенты динамичности при раскрытии парашютов, а также углы отклонения раскрывшегося парашюта колеблющегося относительно направления движения. По результатам испытаний были выданы многочисленные практические рекомендации фирмам — разработчикам парашютных систем.

В научном плане проведенные испытания были интересны тем, что обнаружено существенное превышение значений коэффициента нестационарного сопротивления парашюта по сравнению с его значениями, вычисленными по известным представлениям. Это можно было объяснить только тем, что коэффициент присоединенной массы парашюта при его движении в реальной жидкости превышает по величине коэффициент присоединенной массы, вычисленный по схеме потенциального обтекания парашюта идеальной жидкостью. Указанное обстоятельство послужило поводом для постановки в лаборатории дальнейших экспериментальных исследований по нестационарным движениям плохообтекаемых тел в реальной жидкости.

Исследования по парашютам выполнены В. Г. Белинским, П. И. Зинчуком и В.А. Оришичевым [13, 14].

 

 

При экспериментальных исследованиях неустановившихся движений плохообтекаемых тел исходными были положения о том, что нестационарное сопротивление, испытываемое телом, состоит из двух сил различной природы — вязкостной и инерционной:

Вязкостная сила (лобовое сопротивление) является поверхностной силой, пропорциональной характерной площади тела. Инерционная сила является объемной (массовой) силой, пропорциональной характерному объему тела. В безразмерном виде указанное равенство может быть представлено в виде

где Cxн — коэффициент нестационарного сопротивления тела; Cxвз — коэффициент вязкостной составляющей сопротивления тела; K — коэффициент присоединенной массы тела; a — коэффициент, учитывающий форму тела; W — безразмерное ускорение,

(здесь V — мгновенное значение скорости тела; d — характерный размер тела).

В выражении (1) коэффициенты Cxвз и K, как было установлено, являются функциями времени и, вообще говоря, заранее неизвестны. Однако, если воспользоваться гипотезой квазистационарности [15] и положить

(здесь Kпот — коэффициент присоединной массы, определяемый теоретически по схеме потенциального обтекания тела идеальной жидкостью; Cx — коэффициент сопротивления тела при установившемся движении), то можно получить следующее выражение для коэффициента нестационарного сопротивления тела в квазистационарном приближении:

Из выражения (4) следует, что этот коэффициент является линейной функцией безразмерного ускорения W. Поскольку величины Cx и Kпот известны заранее (или могут быть определены известными методами), то коэффициент нестационарного сопротивления тела в квазистационарном приближении может быть определен достаточно просто. Этого нельзя сказать о реальном коэффициенте нестационарного сопротивления, определяемого выражением (1).

Для выяснения вопросов, связанных с величиной, формированием и развитием в процессе движения нестационарного сопротивления плохообтекаемых тел в лаборатории были проведены обширные экспериментальные исследования. С этой целью в гидродинамическом канале буксировались модели различных плохообтекаемых тел (диск, сфера, полусфера и др.) при различных законах нестационарного движения (разгон, торможение, колебательные движения и др.). При этом измерялись мгновенные значения силы сопротивления тела, скорости и ускорения. Эти исследования показали, что измеренные реальные значения нестационарного сопротивления, определяемого выражением (1), могут весьма существенно отличаться от определенных в квазистационарном приближении в соответствии с выражением (4). В частности, было показано, что применение гипотезы квазистационарности дает приемлемые результаты только в случаях, когда безразмерное ускорение W очень велико или очень мало. В остальных случаях определение нестационарного сопротивления тела представляет собой сложную задачу, решение которой в большинстве случаев доступно только экспериментальными методами. Сказанное хорошо видно из представленного графика функции влияния нестационарности V(w) для диска. Эта функция представляет собой отношение реального нестационарного сопротивления тела в вязкой жидкости к нестационарному сопротивлению, определенному в квазистационарном приближении:

Из графика видно, что при больших и малых значениях безразмерного ускорения W значение функции влияния нестацио нарности V(w) приближаются к единице, что свидетельствует о применимости в этих областях гипотезы квазистационарности. При средних значениях W функция V(w) может существенно отличаться от единицы. В этой области гипотеза квазистационарности неприменима. Эксперименты выявили следующие области неприменимости гипотезы квазистационарности для некоторых тел: для диска и полусферы эта область составляет примерно 0,01 < W < 130, а для сферы 0,01 < W < 10.

Для выяснения внутренней структуры силы нестационарного сопротивления тела была поставлена задача определить, в каком соотношении находятся вязкостная и инерционная составляющие в составе полной силы нестационарного сопротивления и как эти составляющие изменяются в процессе нестационарного движения тела. Эту задачу в определенной мере удалось решить с помощью соответствующей методики эксперимента [16] на специально созданной экспериментальной установке [19]. Установка по экспериментальному разделению нестационарной силы сопротивления тела на вязкостную и инерционную составляющие основана на использовании разноплечих рычажных динамических весов. Эксперименты проводились путем буксировки на этих весах одновременно двух геометрически подобных моделей тела различной величины. Путем надлежащего выбора размеров моделей и места их расположения на плечах рычажных динамических весов можно при нестационарной буксировке моделей уравновесить одну из составляющих нестационарного сопротивления тела, инерционную или вязкостную и, соответственно, измерить другую составляющую. Такие эксперименты проводились с дисками, сферами и полусферами. Было установлено, что при относительно больших ускорениях и малых скоростях преобладает инерционная составляющая сопротивления. А при относительно больших скоростях и малых ускорениях преобладает вязкостная составляющая. При промежуточных значениях скорости и ускорения составляющие сопротивления непрерывно изменяются в процесе нестационарного движения, составляя в сумме полную силу нестационарного сопротивления. Сказанное хорошо иллюстрируется графиком, по оси ординат которого отложены мгновенные значения коэффициентов вязкостной (слева) и инерционной (справа) составляющих коэффициентов сопротивления, выраженные в процентах от величины полного сопротивления (на графике нанесены две кривые: для диска — кривая «1», для сферы — кривая «2»; каждая точка на этих кривых определяет долю в процентах инерционной и вязкостной составляющих сопротивления в составе полной силы сопротивления тела для данных мгновенных значений безразмерного ускорения W).

По определенным таким образом значениям инерционной составляющей сопротивления можно определить коэффициент присоединенной массы K, входящий в выражение (1), при движении тела в реальной жидкости (в отличие от коэффициента Kпот, определяемого теоретически по схеме потенциального обтекания идеальной жидкостью). В частности, этим способом определены коэффициенты присоединенной массы K для диска, сферы и полусферы. Показано, что коэффициенты K, в отличие от Kпот, зависят не только от формы тела, но и от мгновенных значений скорости и ускорения. Так, из графика коэффициента присоединенной массы K для сферы в зависимости от безразмерного ускорения W видно, что при больших значениях W (это может быть, например, в начале движения из состояния покоя) коэффициент K практически совпадает с известным из теории значением Kпот = 0,5. Однако с развитием движения (с уменьшением W), когда за сферой зарождается и развивается спутное течение, коэффициент K увеличивается и может существенно превышать значение Kпот. Образовавшийся затем пик кривой на графике отражает явление отрыва от поверхности сферы первой крупномасштабной вихревой структуры. Полученные результаты о коэффициентах присоединенной массы некоторых тел при их отрывном обтекании реальной жидкостью являются новыми. В предельном случае они практически совпадают с известными классическими результатами.

Для диска и сферы построены универсальные графики зависимости коэффициента нестационарного сопротивления от числа Рейнольдса для серии постоянных значений аналога числа Рейнольдса Re*, построенного по ускорению (а не по скорости, как в случае обычного числа Рейнольдса):

где n — коэффициент кинематической вязкости.

Установлено экспериментально, что для сферы существует область изменения числа Рейнольдса Re и его аналога Re*, в которой нестационарное сопротивление является меньше по величине, чем стационарное. Аналогичный результат для кругового цилиндра был предсказан на основе общих рассуждений еще в работе [15]. Для сферы это показано экспериментально впервые.

На примере нестационарного сопротивления сферы обследован феномен невоспроизводимости результатов гидродинамических экспериментов, выполненных при одинаковых условиях. Определен диапазон чисел Рейнольдса, в котором этот феномен реализуется. Он связан с уникальностью зарождения, развития и отрыва каждого отдельного крупномасштабного вихревого образования в следе за сферой.

Каждое такое образование не воспроизводится точно в деталях от одного эксперимента к другому при прочих равных условиях. В соответствии с этим не удается заранее точно определить значение коэффициента нестационарного сопротивления по известным значениям размера сферы, скорости и ускорения. Можно только указать интервал возможных значений этого коэффициента, определенный с заданой вероятностью.

В лаборатории создана специальная экспериментальная установка для исследования колебательных движений тел в жидкости с большими амплитудами в направлении движения [21]. На этой установке можно моделировать движение тел в режиме разгон—торможение, характерном для некоторых видов гидробионтов (кальмары, осьминоги и др.). Существует предположение, что такой вид движения минимизирует энергетические затраты гидробионтов на осуществление движения. Такое предположение получило подтверждение при экспериментах на указанной установке со сферой, движущейся поступательно и одновременно совершающей колебательные движения с большой амплитудой в направлении движения. В частности, определены числа Рейнольдса и Струхаля, при которых среднее за период сопротивление сферы в режиме разгон—торможение может быть меньшим по величине, чем сопротивление той же сферы, движущейся с постоянной скоростью, равной средней скорости колебательного движения. Эти эксперименты показали принципиальную возможность снижения энергетических затрат на передвижение тела в жидкости за счет рационального выбора закона нестационарного движения.

Исследования по неустановившимся движениям тел в жидкости выполнили В.Г.Белинский, П. И. Зинчук, В. А. Оришичев и В. В. Мороз [16—25].


Движение подводных аппаратов


В лаборатории проводились исследования, направленные на разработку и создание подводных буксируемых аппаратов, предназначенных для изучения физических свойств океана. Разрабатывались гидродинамические схемы и конструкции перспективных типов таких аппаратов, определялись их гидродинамические характеристики путем испытания моделей этих аппаратов в гидродинамическом канале. Разрабатывались методики приближенной оценки параметров движения аппаратов, пригодные для использования на ранних стадиях проектирования.

Одной из наиболее масштабных в этой области была работа по созданию для нужд исследования океана малогабаритного управляемого буксируемого устройства (МУБУ). Оно представляло собой подводный буксируемый аппарат с поворотным крылом, элеронами, стабилизатором и рулями высоты. Длина аппарата составляла 4,0 м, размах крыла — 3,6 м. В носовой части аппарата был оборудован контейнер для размещения комплекта гидрофизических приборов. Аппарат был снабжен системой автоматического управления (САУ МУБУ), которая обеспечивала выполнение аппаратом по заданной программе различных специфических режимов движения, таких как: выход на заданную глубину и устойчивое движение на этой глубине (в пределах от 0 до 260 м); движение по синусоидальной траектории с постоянным углом атаки или с постоянным углом тангажа в заданном перепаде глубин и др. Эти и многие другие режимы движения могли быть реализованы также путем ручного управления, осуществляемого оператором с пульта управления, размещенного на корабле-буксировщике. При движении аппарата по заданной траектории непрерывный поток информации от гидрофизических датчиков по кабель-тросу поступал на корабль-буксировщик для дальнейшей обработки.

Вся исследовательская часть работ по созданию МУБУ (выбор оптимальной гидродинамической схемы, определение основных параметров аппарата, испытание моделей и др.) была выполнена в лаборатории. Рабочее проектирование и изготовление аппаратов выполнено в СКТБ и в Опытном производстве института. В результате были созданы три натурных экземпляра МУБУ. Испытания аппаратов и их доводка проводились в условиях натурной среды. После этого аппараты были переданы заказчикам и длительное время успешно эксплуатировались в акватории Черного моря.

Необходимо отметить, что в лаборатории по заказам различных организаций систематически выполнялись также исследования по разработке гидродинамических схем и определению гидродинамических характеристик разнообразных удлиненных тел осесимметричной формы с выступающими частями, с несущими, стабилизирующими и управляющими поверхностями.

Работы по подводным аппаратам выполнялись В. Г. Белинским, В. А. Оришичевым, П. И. Зинчуком, В. В. Морозом и др. [26—29].


Исследование нетрадиционных движителей


В последние десятилетия многих исследователей привлекает перспектива разработки новых совершенных гидродинамических движителей нетрадиционного типа. Наряду с этим существует мнение, что трудно создать движитель более совершенный, чем гребной винт. Однако опыт изучения способов движения различных типов гидробионтов убеждает в высокой эффективности тех природных движителей, которыми они обладают. Отсюда стремление исследовать принципы движения гидробионтов и по возможности использовать их при создании технических средств передвижения по воде.

В лаборатории были разработаны и исследованы два типа нетрадиционных движителей, основанных на гидробионических принципах: движитель зонтичного типа и движитель типа машущее крыло.

Движитель зонтичного типа представляет собой гибкую конструкцию куполообразной формы, совершающую возвратно-поступательные движения в направлении перемещения движимого объекта. При движении вперед (холостой ход) купол складывается наподобие зонтика и создает незначительное вредное сопротивление. При движении назад (рабочий ход) купол расправляется и создает полезную тягу. В живой природе похожую схему движения в воде реализуют, например, медузы.

Модели такого движителя были испытаны в гидродинамическом канале и в условиях натурной среды на речном понтоне. Испытания показали, что движители этого типа обладают высокой гидродинамической эффективностью, но только при малых скоростях объекта, который приводится в движение этим движителем. С увеличением этих скоростей эффективность таких движителей уменьшается.

Движители типа машущее крыло давно являются объектом исследований, и в разное время было предложено большое количество конструкций таких движителей. Однако сколько-нибудь значительного применения на практике они пока еще не получили. Тому есть много причин. В частности, техническая реализация сложной кинематической схемы таких движителей обычно приводит к сложным и громоздким конструкциям, которые не всегда можно рационально разместить на движимом объекте. А главное, не удается пока создать движитель такого типа, который мог бы сравниться по гидродинамической эффективности с лучшими образцами гребных винтов.

В лаборатории был разработан движитель типа машущее крыло, который по гидродинамической эффективности приближался к гребному винту и вместе с тем был лишен некоторых недостатков, присущих большинству известных движителей такого типа. Этот движитель представлял собой систему из двух пар крыльев, совершающих возвратно-поступательные движения большой амплитуды в плоскости, перпендикулярной направлению движения в области невозмущенного потока. Каждое крыло имело отдельный независимый компактный привод от своего линейного электродвигателя, что исключало необходимость устройства громоздкой системы преобразования вращательного движения от главного двигателя в возвратно -поступательное движение крыла. В каждой паре крылья двигались в противофазе друг к другу с постоянной скоростью и с постоянным углом атаки, за исключением коротких промежутков разгона и торможения крыльев, где углы атаки менялись на противоположные. Каждая пара крыльев вводилась в действие в определенной последовательности. Указанные особенности движителя обеспечили ему достаточно высокую гидродинамическую эффективность при улучшенных гидроакустических качествах. Рабочий элемент такого движителя (отдельное крыло со своим линейным электродвигателем) был испытан в гидродинамическом канале. Движитель в собранном состоянии проходил испытания на крупномасштабной самоходной модели подводной лодки в акватории Черного моря.

Исследования по нетрадиционным движителям были выполнены В. Г. Белинским и В. В. Морозом.


Исследования сопротивления воды движению быстроходных судов

Несмотря на успехи теоретической гидродинамики в области исследования сопротивления воды движению тел, при решении практических вопросов о сопротив лении воды движению конкретных судов и кораблей все еще основным является экспериментальное его определение путем модельных испытаний в опытовых бассейнах. В Украине наибольшие возможности в этой области имеет наш институт, который располагает опытовым бассейном и скоростным гидродинамическим каналом [30]. Опытовый бассейн по своим размерам (50,0 x 7,0 x 3,5 м) пригоден для испытания моделей речных судов, а также тихоходных и средней быстроходности морских судов, движущихся при числах Фруда менее 0,4. При этом длина испытываемых моделей должна быть не менее 4...6 м. Скоростной гидродинамический канал по своим размерам (140,0 x 4,0 x 1,8 м) пригоден для испытания моделей водоизмещающих судов, движущихся при числах Фруда более 0,4. При этом длина испытываемых моделей должна быть не более 2 м. Отсюда ясно, что на экспериментальных установках нашего института, а, следовательно, и вообще в Украине, нельзя получить достоверную кривую сопротивления быстроходного корабля, движущегося при числах Фруда более 0,4 путем испытания одной его модели.

С целью восполнить в определенной мере этот недостаток была разработана и обоснована методика определения кривой сопротивления быстроходных кораблей путем испытаний двух геометрически подобных моделей данного корабля, выполненных в разных масштабах (большая и малая модели). При этом большая модель испытывается в опытовом бассейне при числах Фруда до 0,4, а малая модель испытывается последовательно в опытовом бассейне и в гидродинамическом канале при числах Фруда более 0,4. Затем проводится сращивание полученных результатов. Итоговая кривая сопротивления получается достаточно гладкой без излома и сдвига в области сращивания.

Эта методика была проверена при испытаниях двух разномасштабных моделей быстроходного корабля «Гетьман Сагайдачный», истинная кривая сопротивления которого была известна. Сравнение полученных результатов испытаний с известной кривой сопротивления в области изменения чисел Фруда от 0,1 до 0,5 подтвердило достоверность предложенной методики.

Таким образом, предложенная методика расширяет возможности экспериментальной базы Института гидромеханики НАН Украины применительно к более широкому классу кораблей, в том числе и быстроходных. Это обстоятельство уменьшает зависимость судостроительной промышленности Украины от необходимости размещать заказы на буксировочные испытания моделей быстроходных судов и кораблей на зарубежных экспериментальных базах.

Исследования по сопротивлению воды движению быстроходных кораблей выполнены В. Г. Белинским и В. В. Морозом.


Исследование податливости стенки на интегральные характеристики
пограничного слоя


Экспериментально исследовано на скоростной тележке гидродинамического канала в диапазоне чисел Рейнольдса 106 + 2x107 гидродинамическое сопротивление продольно обтекаемых жесткого цилиндра и цилиндров с различного вида эластичным покрытием (d = 0,175 м, удлинение L/d = 6,07) при подаче в пристеночную область через носовую щель водного раствора полиэтиленоксида. Обнаружен селективный характер влияния эластичной стенки на интегральные характеристики пограничного слоя, который коррелирует с ее динамическими вязко-упругими свойствами. При комплексном воздействии получено повышение гидродинамической эффективности по сравнению с применением отдельных факторов.

Работа выполнялась В. И. Коробовым под руководством Л. Ф. Козлова и В.В.Бабенко.


Исследования управления пограничным слоем посредством отсасывания


На скоростной тележке гидродинамического канала выполнено исследование влияния отсасывания жидкости из пограничного слоя на режим течения, на спектральные уровни пульсаций скорости в пограничном слое и на гидродинамическое сопротивление.

Эксперименты велись на модели, представляющей собой тело вращения диаметром 200 мм и длиной 2200 мм. Рабочим участком модели являлась цилиндрическая проницаемая поверхность длиной 1000 мм, подвешенная на тензометрических весах, через которую осуществлялось отсасывание воды из пограничного слоя модели.

Было показано, что отсасывание жидкости из пограничного слоя через многослойную сетчатую обшивку испытываемой модели позволило существенно снизить спектральные уровни пульсаций скорости и гидродинамическое сопротивление.

Исследования выполнены А.И.Цыганюком под руководством Л.Ф.Козлова.


Исследования генерации гидродинамических шумов и вибрации гибких протяженных буксируемых гидроакустических антенн (ГПБА)


Исследования генерации гидродинамических шумов и вибрации ГПБА проводились в гидродинамическом канале при скорости обтекания модели антенны 5,0 и 7,5м/с и натяжении модели 35 и 100 кГ. Модель представляла собой гибкий протяженный цилиндр диаметром 34 мм и удлинением 125 со встроенными гидроакустическими приемниками (гидрофонами), датчиками пульсаций давления и датчиками поперечных вибраций. Получение информации с преобразователей осуществлялось с помощью специально разработанной телеметрической многоканальной системы с последующей регистрацией измерительным магнитофоном.

В процессе исследований была установлена близкая к кубической зависимость уровней спектральных составляющих гидродинамических шумов от скорости обтекания, в то время как вибрации возрастали по квадратическому закону. Искусственная турбулизация пограничного слоя модели вызывала увеличение спектральных составляющих гидродинамических шумов и особенно пульсаций давления на обтекаемой поверхности на 6—15 дБ в диапазоне частот 4...500 Гц. Увеличение натяжения модели в 3 раза приводило к росту вибраций на 4...6 дБ в исследуемом диапазоне частот и практически не влияло на изменение уровней гидродинамических шумов и пульсаций давления на обтекаемой поверхности модели.

Указанные исследования выполнили В. Т. Гринченко, А. П. Макаренков, Г.П.Виноградный и А. А. Шкиль.


Исследования по гидродинамике элементов гидроакустических станций


На скоростной тележке гидродинамического канала проводились исследования гидродинамических характеристик моделей протяженных гибких элементов гидроакустических систем при больших числах Рейнольдса. Полученные результаты сопоставлялись и стыковались с аналогичными результатами, полученными в опытовом бассейне нститута, а также в условиях, приближенных к естественным. Эти испытания подтвердили достоверность результатов полученных в различных условиях экспериментов на различных установках. Исследования проводились П. Г. Авраменко совместно с сотрудниками лаборатории.

На скоростной тележке гидродинамического канала исследовались также гидродинамические характкристики двух моделей опускаемого в воду устройства гидроакустической станции. Исследования проводились С. И. Путилиным и В. Т. Савченко для нескольких модификаций моделей (изменялись форма, соотношения главных размерений и др.).

За более чем 20-летний период деятельности в лаборатории гидродинамики гидрофизических систем проведены обширные экспериментальные исследования по ряду актуальных вопросов прикладной гидродинамики. Отличительной особенностью большинства работ является исследование нестационарного взаимодействия тел с жидкостью в безграничных потоках и вблизи границ сложной формы. Здесь получены новые экспериментальные результаты по нестационарным гидродинамическим характеристикам крыльев вблизи волнового экрана, по коэффициентам нестационарного сопротивления плохообтекаемых тел, по разделению нестационарной силы сопротивления на инерционную и вязкостную составляющие, по коэффициентам присоединенных масс тел при отрывном обтекании вязкой жидкостью и др. Материалы этих исследований, помимо практической ценности, могут представлять интерес для дальнейших теоретических обобщений.

Ряд работ лаборатории имел сугубо практическую направленность. Это работы по парашютным системам, по подводным аппаратам, по гидродинамике удлиненных тел осесимметричной формы, по нетрадиционным движителям, по гидроакустическим станциям и антеннам и др. Результаты этих работ были и могут быть использованы при проектировании и создании различных гидродинамических и гидроакустических устройств и аппаратов.


Литература


1. Эпштейн Л. А. Гидродинамические методы исследования задач аэродинамики // Труды ЦАГИ. — 1980. — Вып. 2035. — С. 28

2. Максимальные и средние значения гидродинамических характеристик крыла, движущегося над неплоским экраном / Белинский В. Г., Зинчук П. И., Незнамов В. Н. и др. // Гидромеханика. — 1974. — 29. — С. 43—45.

3. Влияние формы неплоского экрана на гидродинамические характеристики движущегося над ним крыла / Белинский В. Г., Зинчук П. И., Незнамов В. Н. и др. // Гидромеханика. — 1975. — 31. — С. 28—32.

4. О влиянии числа Струхаля на характеристики крыла вблизи волнового экрана / Белинский В. Г., Зинчук П. И., Незнамов В. Н. и др. // Гидромеханика. — 1975. — 31. — С. 32—35.

5. Акименко И. П., Белинский В. Г., Ефремов И. И. Исследование развития подъемной силы при движении тонкого профиля вблизи границы с изломом // Прикладные задачи гидромеханики. Сборник научных трудов. К. «Наукова думка». — 1981. — С. 132—139.

6. Белинский В. Г., Оришичев В. А. Об эффективности закрылка вблизи твердой стенки. // Гидромеханика. — 1985. — 52.

7. Белинский В. Г., Ефремов И. И., Зинчук П. И., Лукащик Е. П. Теоретическое и экспериментальное исследование движения крыла конечного размаха вблизи волнистой твердой границы. // Актуальные задачи механики сплошных сред. Межвузовский сборник. — Чебоксары. — 1986. — С. 18—23.

8. Belynsky V. G. About Movement of a Wing Above Wavy Surface of Water // AGARD Report 827. — Workshop on «High Speed Body Motion in Water» (1—3 September 1997). — Kiev, 1—3 September 1997. — C.17.1—17.9.

9. Белинский В. Г., Зинчук П. И. Экспериментальные исследования движения крыла вблизи плоских и взволнованных границ. // Гидромеханика. — 1998. — 72. — С.30—45.

10. Byelinskyy V. G., Zinchuk P. I. Hydrodynamical Characteristics of an Ekranoplane Wing Flying Near the Wavy Sea Surface. // RTO Meeting Proceedings 15, «Fluid Dynamics Problems of Vehicles Operating Near or in Air — Sea Interface». — Amsterdam, Netherlands, 5—8 October 1998. — Published February 1999. — C.18.1—18.12.

11. Белинский В. Г., Зинчук П. И. Влияние параметров экрана на мгновенные значения подъемной силы движущегося над ним крыла. // Прикладна гiдромеханiка — 2001. — Том. 3 (75), № 1. — С. 5 — 11.

12. Byelinskyy V. G. About a disturbed Motion of Ekranoplanes above a Wave Screen // International Conference «Ground Effect Machines», Saint-Peterburg State Marine Technical University, Book of Abstracts. — Russia, 21—23 june, 2000.

13. Белинский В. Г., Зинчук П. И., Оришичев В. А. Устройство для испытаний парашютов в гидродинамическом канале // Авт. св. СССР № 1098389, 1984.

14. Белинский В. Г., Зинчук П. И. Устройство для испытаний парашютов в гидродинамическом канале. // Авт. св. СССР № 1148450, 1985.

15. Гиневский А. С., Федяевский К. К. Некоторые закономерности при неустановившемся поступательном движении тел в вязкой жидкости // Изв. АН СССР. Сер ОТН — 1959 — № 3 — С. 207—209.

16. Белинский В. Г., Зинчук П. И., Оришичев В. А. Способ измерения инерционных и вязкостных гидродинамических характеристик // Авт. св.СССР № 759888, 1980.

17. Белинский В. Г. Об одном свойстве кривой сопротивления тела при неустановившемся движении в жидкости // Прикладные задачи гидромеханики. — К.: Наукова думка, 1981.

18. Белинский В. Г., Зинчук П. И., Кичуткин А. М. Экспериментальное определение присоединенной массы тела при апериодическом отрывном обтекании // Экспериментальная гидромеханика судна. — 1981. —Вып. 348.

19. Белинский В. Г., Зинчук П. И., Оришичев В. А. Устройство для определения нестационарных гидродинамических характеристик тела // Авт. св. СССР № 1112250, 1984.

20. Белинский В. Г., Зинчук П. И. Метод определения присоединенной массы тела при апериодическом отрывном обтекании // Мореходные качества судов и плавучих технических сооружений, Том. 1 — Варна, 1983.

21. Белинский В. Г., Мороз В. В., Зинчук П. И., Конс Б. С. Стенд для определения гидродинамических характеристик тел. Авт.св.СССР № 1431478, 1988.

22. Белинский В. Г., Мороз В. В., Кочин В. А., Иванишин Б. П. О коэффициенте сопротивления удобообтекаемых тел на режимах разгона и торможения. // Бионика, Том 25, 1992, С.46-50.

23. Belinsky V. G. Unsteady drag of a disc and a sphere at large Reynolds numbers. // Response of Shear Flows to imposed Unsteadiness., EUROMECH — 272., Aussois., France., 1991.

24. Белинский В. Г., Зинчук П. И. Сопротивление диска и сферы при ускоренном движении из состояния покоя // Бионика. — 1998. — Т. 27—28. — С. 88—99.

25. Белинский В. Г., Зинчук П. И. Нестационарные эффекты при ускоренном движении тела в жидкости из состояния покоя // Гiдроаеромеханiка в iнженернiй практицi. Збiрник праць II Української н.т.конференцiї. — Черкаси, 1997.

26. Белинский В. Г., Акименко И. П., Мороз В. В. Оценка параметров движения подводных буксируемых систем на ранней стадии проектирования // Проектирование и конструкции судов., Труды НКИ, Николаев., 1982,

27. Белинский В. Г., Оришичев В. А., Фурманов С. И. Подводное буксируемое устройство//Авт. св. № 1169293, 1985.

28. Белинский В. Г., Акименко И. П., Мороз В. В. К определению глубины погружения подводной буксируемой системы с двумя углубителями //Совершенствование судовых устройств и гибких конструкций. — Николаев, 1985.

29. Белинский В. Г., Мороз В. В., Калюх Ю. И. Оценка параметров движения отводителя на ранней стадии проектирования // Совершенствование судовых устройств и гибких конструкций. — Николаев, 1984.

30. Белинский В. Г., Авраменко П. Г., Шайбо Н. В. Гидромеханика судна: возможности экспериментальных исследований // Судоходство. — Одесса. — Март—апрель 1996.