ГЛИССИРОВАНИЕ - скольжения днища судна по поверхности воды. Выход на глиссер

  

Вся электронная библиотека >>>

 Катера >>>

 

 

 

 БЫСТРОХОДНЫЕ КАТЕРА


Раздел: Техника

 

ГЛАВА V ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГЛИССИРОВАНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

  

Как уже отмечалось, дать точное определение термина «глиссирующее судно» затруднительно, но для наших целей будет достаточным относить к глиссирующим корпусам такие, где очевидной целью конструктора является развитие «глиссирования» посредством оптимального использования динамической подъемной силы, созданной в результате быстрого скольжения днища судна по поверхности воды.

Хотя поведение быстро движущегося глиссирующего диища можно сравнить с поведением воздушного крыла, следует учитывать, что при глиссировании судов подъемная сила частично обеспечивается гидростатической силой. Степень участия гидростатической подъемной силы в создании вертикального равновесия зависит, главным образом, от скорости, от площади и формы глиссирующей поверхности. Что касается быстроходных торпедных катеров и моторных лодок, то этот вид подъемной силы становится практически ничтожным при достижении величин отношения скорости к длине около 5.

Ниже приводится ряд уравнений, заимствованных из других источников и имеющих целью дать количественное определение этой подъемной силы.

Основы теории глиссирования. Точное и исчерпывающее теоретическое объяснение законов, определяющих глиссирование, весьма сложно.

Вопросами глиссирования занимались многие выдающиеся ученые; их работы были опубликованы, главным образом, в 30-х годах нашего века и стали уже классическими. Тщательное изучение этих работ может способствовать пониманию основных принципов глиссирования.

Особого внимания заслуживают труды Зотторфа, Вагнера, Замбрауса, Шуменкера, Перринга и Готта. Значительные заслуги в дальнейшем развитии теории глиссирования принадпежат Кор- вин- Круковскому, Дж.-Д. Пирсону, С. Лешноверу, А. Б. Муррею и Н. Клементу, которые дали количественные значения различных параметров, связанных с анализом глиссирующей поверхности.*

При перемещении по воде глиссирующей поверхности или корпусе со скоростью V создается сила, нормальная по отношению к направлению движения глиссирующей поверхности. Величина ее зависит от нагрузки и веса катера, на который должна воздействовать гидродинамическая сила поддержания, а также от того, позволяет ли зпачение скорости пренебречь гидростатическим эффектом.

Тангенциальная сила, возникающая при этом, зависит от трения воды о поверхность глиссирующего днища.

В обоих случаях важное значение имеет общая скорость воды относительно смоченной поверхности, направленная от носа к корме.

Удовлетворительное объяснение основных законов, определяющих данный процесс, было бы менее сложным, если бы мы знали или могли приблизительно вычислить возмущенную массу воды при скольжении по ней глиссирующей поверхности.

Если бы нам были известны масса перемещенной воды, ее скорость и направление движения, то можно было бы приравнять результирующую сопротивления и подъемной силы к изменению количества дииження, происходящему в этой массе воды за данный отрезок времени.

Определение полной подъемной силы из анализа количества движения. Теоретический метод решения упомянутой задачи был разработан Дж.-Д. Пирсоном и С. Лешновером и опубликован в одном из последних отчетов ЕТТ, й озаглавленном: «Анализ потока жидкости в основании струи и вдоль плоских глиссирующих поверхностей». Авторы дают способ определения величины подъемной силы на основе рассмотрения изменений вектора количества движения в системе.

Указанная выше трудность получения фактических данных о массе воды во избежание искажения правильности контура обте- квиия решается путем рассмотрения установившегося потока, находящегося на значительном расстоянии (бесконечно далеко) от поверхности воды.

Предполагается, что ширина основания струи может быть замерена с любой значительной степенью точности.

В приводимых ниже рассуждениях трение и сила тяжести во внимание не принимаются, а глиссирующая поверхность считается бесконечного размаха.

Аналогия с несущим крылом. Пользуясь аналогией с несущим крылом, мы должны иметь в виду коренные различия между ним и глиссирующим днищем.

В то время как несущее крыло полностью «погружено» и значительную часть своей подъемной силы получает за счет разрежения на его верхней стороне,1 глиссирующее днище приобретает подъемную силу только в результате давления на нижнюю часть этой поверхности, которое складывается из изменений количества движения воды при сравнительно высокой скорости набегающего водяного потока.

Одно из основных различий между несущим- крылом и глиссирующей поверхностью возникает при рассмотрении коэффициента подъемной силы CL тах, развиваемой профилем заданной формы. Значительная часть подъемной силы несущего крыла, как отмечалось выше, возникает за счет верхней поверхности профиля, распространяясь до той точки, где происходит изменение характера обтекания, вызывающее резкое уменьшение подъемной силы или срыв потока ( 28).

Это явление происходит при постепенном увеличении углов атаки по мере уменьшения относительного удлинения крыла. Например, круглая погруженная пластина достигает максимального значения коэффициента CL тах при угле атаки 45°, после чего происходит срыв потока и подъемная сила исчезает.

Величины удлинения, превышающие указанные, для глиссирующих катеров из-за ударных перегрузок и особенностей общей геометрии корпуса большого практического значения не имеют.

Как было указано выше, создание некоторой части подъемной силы за счет гидростатической составляющей можно объяснить лаже в случае применения лыжи или глиссирующей поверхности незначительной толщины. На днище глиссирующей поверхности будет действовать сила, которая возникает вследствие стремления отдельных участков водяной поверхности с пониженным уровнем достигнуть свободной поверхности вода ().

 Рассматривая несущее крыло, мы полагаем, что оно перемещается в воздушном потоке с высокой скоростью. Однако для экспериментального исследования соответствующего авиационного профиля модель крыла, помещенная в аэродинамическую трубу, остается неподвижной, в то время как через трубу продувается с известной скоростью поток воздуха. Скорость этого воздушного потока представляет скорость самолета относительно окружающего воздуха. Подобный метод получения характеристик, вероятно, мог бы быть применен и для глиссирующих поверхностей при надлежащем обеспечении устойчивого глиссирования. Однако, насколько известно, до сих пор такой метод не использовался, так как это потребовало бы направить поток воды, имеющей заданный уровень, на глиссирующую модель и пропускать под ней воду со скоростью, соответствующей натуре.

Экспериментальные данные по глиссирующим поверхностям. Более распространенный метод, применимый для указанного случая, состоит в буксировке в опытовом бассейне глиссирующей поверхности, установленной таким образом, что обеспечиваются заданный угол атаки и смоченная длина, и замере соответствующих сил. Обширные данные по глиссирующим пластинам были собраны и обработаны В. Зотторфом1 (Гамбургский опытовый бассейн) и Дж. М. Шумен кером 2 (США) около 20 лет назад. к

В частности, модели остроскулых корпусов торпедных катеров могут буксироваться в опытовом бассейне подобно тому, как это описано в главе XXII.

Ниже рассматриваются основные условия глиссирования плоскодонного судна.

Анализ потока под плоской глиссирующей поверхностью. Рассмотрим бесконечно широкую плоскую пластину, которая перемещается со скоростью V и находится под некоторым углом наклона т к направлению движения. Для установления существующих в данном случае основных зависимостей проще рассмотреть динамически подобный случай жидкости, омывающей неподвижно закрепленную пластину со скоростью

Если рассматривать идеализированный поток, омывающий бесконечно широкую пластину, задняя кромка которой проходит через точку А, и пренебречь трением и силой тяжести, поскольку они не оказывают влияния на основные характеристики, то характер обтекания будет таким, как показано па этом рисунке.

Из приведенного выше анализа очевидно, что масса жидкости, отбрасываемая в направлении движения, является, в значительной степени, определяющим фактором.

Следует учесть, что отклонение этой массы отброшенной воды (брызговой струи) толщиной В происходит, только в идеальном случае, если рассматривать плоские глиссирующие поверхности бесконечной ширины без учета силы тяжести и вязкости.

При анализе более близкого к натурным условиям случая плоской глиссирующей поверхности конечной ширины с учетом влияния силы тяжести и вязкости воды, отбрасываемая масса жидкости толщиной 6 превращается вскоре в брызговую струю и отделяется от поверхности. Если мы теперь рассмотрим другой, еще более реальный случай V-образной глиссирующей поверхности ( 33), то при ее движении в массе брызг возникает значительное поперечное растекание. Отсюда следует, что чем больше преобладает поперечное растекание, возникающее из-за V-образной формы глиссирующей поверхности, тем меньше подъемная сила F.

Для развития заданной силы поддержания F, которая для натурного катера должна равняться его полному весу, соприкасающаяся с водой глиссирующая поверхность должна иметь большую площадь и, следовательно, по мере увеличения угла килеватости она будет обладать все большим сопротивлением трения при даниой скорости.

В то же время, легко понять, что при глиссировании, особенно в случае плоской поверхности, когда действие подъемной силы концентрируется на узких участках, возникают высокие давления.

Рассмотрим условия, существующие у поверхности вертикального сечения АЛ или около нее. Нам известно, что в месте схода воды с глиссирующей поверхности в точке А скорость воды снова близка к максимальной скорости V при атмосферном давлении, после того как в критической точке она уменьшилась до нуля.

Если форма корпуса такова, что ветви батоксов по мере приближения к корме имеют тенденцию к подъему вверх и катер, получив дифферент, приходят в положение ватерлинии wl , то неизбежно образуется подсос или «каверна».

Если же, как это происходит на натурном глиссирующем катере, корпус получает дифферент, требуемый условиями равновесия, то ватерлиния будет соответствовать wl2, и у транца должны существовать атмосферное давление и скорость; другими словами, катер будет идти с увеличенным углом дифферента относительно ватерлинии.

Это, в свою очередь, вызовет такие нежелательные явления, как высокая концентрация гидродинамических нагрузок на относительно плоские кормоные шпангоуты, и, вероятно, некоторое ухудшение условий работы винта.

По указанным выше причинам, при проектировании остре- скулого глиссирующего корпуса следует избегать резко выраженной выпуклости кормовых шпангоутов как можно дальше в корму, хотя, разумеется, полностью достигнуть этого по всей длине невозможно.

Для обеспечения умеренных углов наклона кормовых линий батоксов полезно, с целью амортизации ударных нагрузок, придать соответствующий угол килеватости носовым шпангоутам, добиваясь того, чтобы линия скулы на боку в направлении от кормы к носу из первоначально выпуклой перешла ( 37) в вогнутую.1

Роль продольной кривизны. В своем отчете № 739 Зотторф, рассматривая влияние продольной кривизны, приходит к следующим выводам.

Измерение распределения давления на плоской пластине показало, что у носовой кромки смоченной поверхности, где происходит отклонение воды, давление немедленно возрастает до максимального и затем быстро падает по направлению к корме. Если пластина имеет продольную кривизну, то вода, движущаяся вдоль пластины, постепенно меняет направление своего даижения сверху вниз. Вследствие этого на кормовой части пластины сообщенный воде импульс, а также, соответственно, и давление на единицу поверхности, увеличиваются по сравнению с плоской пластиной

Может показаться, что анализ принципов глиссирования и аналогия с воздушным крылом, приведенные выше, представляют для

конструктора глиссирующих судов сугубо теоретический интерес. Однако следует указать, что в характеристиках и в поведении натурных глиссирующих судов в условиях эксплуатации до сего времени имеется столько явлений, затруднительных для объяснения, что эти вопросы заслуживают тщательного изучения, по крайней мере, как вспомогательное средство для понимания целого ряда все еще существующих противоречий между теорией и практикой.

Варианты глиссирующих поверхностей. Как указывалось выше, для получения оптимального коэффициента глиссирования наилучший угол атаки глиссирующей поверхности, измеренный от угла нулевой подъемной силы, в зависимости от килеватости составляет 4,5—6,5°, но для натурного остроскулого мореходного катера этот угол по ряду причин обычно нелригоден. Можно отметить, что для примеров, приводимых в данной главе и решенных по методу А. Б. Муррея, ходовой угол атаки почти совпадает с оптимальным при 4°.

Для случая даух- или многореданного корпуса более эффективная глиссирующая поверхность должна быть создана у главного редана, где может потребоваться наличие большого относительного размаха и значительного угла атаки.

Как уже отмечалось, здесь нами рассматривается некоторый компромиссный корпус, обладающий способностью выдерживать ударные нагрузки; однако обеспечить такое положение, чтобы брызги от главного редана не заливали кормовую часть, практически почти невозможно. Согласно экспериментам, проведенным Зотторфом и другими исследователями, только по этой причине сопротивление редана может быть увеличено на величину порядка 30%.

В другом варианте, примененном для рекордного глиссера «Крусейдср», были использованы три глиссирующие поверхности или лыжи, которые крепились к плавучему корпусу таким образом, что на высоких скоростях хода удовлетворительное равновесие могло быть обеспечено двумя кормовыми и одной носовой глиссирующей поверхностями.

С первого взгляда кажется совершенно правильным, что тонкие длинные лыжи имеют чрезвычайно малое удлинение, однако на высоких скоростях хода вследствие постепенного уменьшения эффективной смоченной длины с увеличением скорости этого не происходит. Интересно отметить, что на модельных испытаниях применялись лыжи, оборудованные приспособлениями, позволяющими регулировать угол атаки и расстояние между глиссирующими поверхностями. В результате испытаний таких моделей на высоких скоростях хода углы атаки, полученные экспериментальным путем, составили 5,5° для носовой глиссирующей поверхности и 3,5° для обеих кормовых глиссирующих поверхностей.

Гидростатическая подъемная сила. Теперь уместно вернуться к упоминавшейся выше гидростатической подъемной силе.

Определение сопротивления. Рассмотрим теперь, каким сбргзом использовать имеющиеся в нашем распоряжении данные по глиссированию для оценки сопротивления глиссирующего судна в начальной стадии проектирования до подготовки и проведения испытания моделей в опытовом бассейне.

Если мы можем определять сопротивление, то умножив сопротивление натурного судна на скорость, получим эффективную мощность, так как будем знать величину работы, выполненной за данный отрезок времени.

В 1950 г. сотрудник американского опытового бассейна ЕТТ (гор. Хобокен, штат Нью-Джерси) А. Б. Муррей прочел на конференции Американского общества инженеров-судостроителей доклад, в котором собрана значительная часть данных, имеющихся по этому вопросу.

Полезные сведения можно найти в ряде отчетов ЕТТ, упомянутых ниже, включая отчет «Смоченная площадь и центр давления глиссирующих поверхностей».

Хорошим практическим Пособием для конструкторов является цитированная работа Ф. В. С. Локка. Для решения вопроса относительно соотношения между основными размерениями корабля полезно обратиться к докладу Е. Клемента (Тейлоровский опыто- вый бассейн) «Форма корпуса безреданпых глиссирующих катеров». Бесспорно, значительный вклад в рассматриваемые проблемы могла бы внести и Англия, если бы такие предприятия, как, например, опытный судостроительный завод в г. Хаслар, публиковали отчеты. В этой связи заслуживают упоминания работы Перринга, отчет № 646 и работы Г. X. Миллера (1914 г.). Большой интерес представляют также последнее издание выдающегося труда Барнаби «Основы корабельной архитектуры» (1954 г.), в котором дается удобный практический метод определения ходовых характеристик судов, и работы Д. Филлипс-Берта.

Спедует учесть, что для применения указанного метода к обычным типам остроскулых катеров рассчитываемый корпус приводится к глиссирующей форме с постоянными по длипе шириной, килеватостью и углом глиссирования.

Однако это допущение редко наблюдается на практике, так как остроскулый корпус обычно имеет искривленную форму днища, а ширина его по длине глиссирующего днища изменяется. Определение угла т, при котором фактически глиссирует такое судно, затруднительно, поскольку кормовые ветви батоксов хотя и остаются почти прямыми, но проходят обычно не под одним и тем же углом по отношению к статической ватерлинии. В этом случае приходится останавливаться на каком-либо значении - для среднего значения батокса, расположенного на расстоянии около — полуширины от

диаметральной плоскости. Можно считать, что полученные результаты оправдывают эти допущения.

Имеются некоторые сомнения относительного того, следует ли применять коэффициент шероховатости, рекомендованный А. Б. Мур- реем, однако в общем метод «умеренной» оценки характеристик корабля представляется вполне оправданным, например, в том случае, когда корабль некоторое время пробыл в воде и его корпус протерт щетками. Это, в частности, подтверждается сравнением между результатами приведенного выше примера и эффективной мощностью, полученной при испытаниях в опытовом бассейне. В целом, примеиение коэффициента шероховатости можно считать вполне оправданным.

Следует, однако, учитывать, что, несмотря на приведенные выше доказательства правильности допущения о том, что коэффициент шероховатости равен 0,0004, весьма вероятно, что могут оказать влияние и другие переменные.

Что касается коэффициента шероховатости, то можно сказать, что в США его рекомендуется применять для новых судов с чистым корпусом. При этом ни в коем случае не утверждается, что натурное судно, к которому относятся указанные вычисления и с которым сравнивается эффективная мощность модели, является новым или имеет совершенно чистый корпус. Поскольку скорость хода составляла около 43 узлов, число Рейнольдса было достаточно большим (2,82-108).

При вычислении сопротивления трения натурного корпуса большое значение имеет определение смоченной поверхности.

Постоянное значение R с увеличением скорости указывает на то, что его типичная кривая для таких глиссирующих корпусов представляет собой прямую линию, на характер которой влияют только сопротивление воздуха или работа гребного винта, если сохраняется постоянным угол атаки.

На модели длиной 1,5 м (см. вкладку XXVI), испытываемой для получения данных о возможном поведении рекордного глиссера «Крусейдер» конструкции Дж. Кобба, применялся реактивный двигатель, рассчитанный на развитие постоянного упора 14 кг; скорость модели на испытаниях составила 97,5 узлов. При этом следует предположить, что если бы не было воздействия сопротивления воздуха, выступающих частей рулей и вертикальных стабилизаторов, то модель продолжала бы увеличивать скорость в течение всего периода действия ревктивного двигателя. Практически же, сопротивление выступающих частей было довольно значительным, особенно из-за погруженных в воду стабилизаторов, необходимых для сохранения прямого курса модели.

В качестве примера, подтверждающего это положение, на  26 была приведена типичная, почти прямолинейная кривая зависимости тормозной мощности от скорости хода для катера длиной 22,2 м.

Подобные испытания дают мало сведений по сопротивлению, но позволяют получить обширные данные относительно поведения катера, дифферента, угла атаки, смоченной длины поверхности и т. д. и дают конструктору возможность действовать при создании нового катера с большей уверенностью. Даже характер струи может дать ряд ценных указаний, включая характеристику примерных нагрузок на дпнще.

Вероятно не буде! преувеличением сказан,, что если, с точки зрения опытного конструктора, модель имеет хорошие дифферент и поведение па в^тне, то любые возможные изменения расчетной

эффективной мощности компенсируются опытом и мастерством, проявленными при размещении, выборе и разработке конструкции винта. Другими словами, в таком случае важным фактором становится пропульснвный коэффициент, однако этот вопрос является темой отдельной главы.

Есть и другая причина того, что иногда трудно выдержать оптимальный угол глиссирования, по крайней мере, для катеров с ост- роскулым корпусом. Эта причина заключается в согласовании мощности, отдаваемой главными двигателями при данном числе оборотов, с потребной скоростью движения корпуса, соответствующей этому числу оборотов (разумеется, при наличии гребного винта фиксированного шага). Указанный вопрос в целом рассматривается R другой главе, но ввиду его важности на  58 приводится диаграмма, характеризующая его сущность.

Теоретические положения, изложенные в последующих разделах этой главы, которые были разработаны с целью показать соотношение между моделью и натурой для проекта гоночного глиссера «Крусейдер», показывают, что для истинного геометрического по

добия числа Фруда практически применимы в довольно широких пределах.

Определение возможных скоростей гоночных глиссеров. Ниже кратко рассматривается предварительное определение предельной скорости рекордного гоночного глиссера «Крусендер» конструкции Джона Кобба. При проектировании глиссера была поставлена задача достичь конечной скорости 240 миль/час. Предполагается, что во время гонок на озере Лох Несс, окончившихся катастрофой, эта скорость была достигнута, если вообще не превышена. Средняя скорость хода на мерной миле составила 208 миль /час, несмотря на то, что гонщик выключил двигатель на расстоянии немногим более половины мерной мили.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ:  БЫСТРОХОДНЫЕ КАТЕРА

 

Смотрите также:

 

Судомоделизм. Модели судов кораблей

Судомодельный кружок. Проектирование моделей кораблей. Постройка моделей судов.
Модель спортивного катера Б-4. Модель эскадренного миноносца «Храбрый». Модель яхты класса «П». Моторная лодка с подвесным мотором.

 

Проектирование моделей кораблей

Проектирование моделей кораблей. Велико и почетно творчество юных кораблестроителей, которые, изучая современные

 Двигатель Ф-21

Катер выходил на режим глиссирования на длине пути в4л. При испытании на скорость запуска мотор показал хорошие результаты: на запуск этого мотора требуется от 5 до 30 секунд.

 

профессиональная несостоятельность — это не частная проблема...

Можно сказать, что предприятие находится как бы в режиме «глиссирования». (Другой вопрос: как вывести его в этот режим?)

 

Последние добавления:

 

Топонимия Москвы