Применение численного моделирования для решения гидродинамических задач в судостроении становится все более распространенным. Широкому использованию методов численной гидродинамики в области судостроения мешают вопросы, связанные с оценкой точности проведенных численных расчетов. Поэтому, нельзя сразу говорить о постановке математического эксперимента полностью заменяющего реальный эксперимент. Но все же, решение некоторых гидродинамических задач, позволяющих прогнозировать результат или измерить некоторые характеристики объектов, когда проведение натурного эксперимента затруднено, становится возможным при помощи проведения численного моделирования.
В данной статье представлены результаты решения инженерной задачи при помощи программы CosmosFloWorks — определение гидродинамических сил и момента [2], действующих на стандартное крыло профиля NACA — 0021 конечного размаха при угле атаки 
=200, скорости набегающего потока пресной воды 6 м/с.
Исходные данные: симметричный профиль NACA — 0021, относительное удлинение крыла 
=6, 
=0,21, удлинение l=6м, крыло прямоугольное в плане. Координаты половины профиля крыла заданы в таблице 1.
Таблица 1
|
Х, мм |
0 |
12,5 |
25 |
50 |
75 |
100 |
200 |
250 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
950 |
1000 |
|
У, мм |
0 |
33,15 |
45,76 |
62,21 |
73,5 |
81,95 |
100,4 |
103,97 |
105,04 |
101,56 |
92,65 |
79,86 |
64,12 |
45,91 |
25,34 |
14,12 |
2,21 |
Построение объемной модели крыла произведено в SolidWorks [3]. По известным координатам профиля крыла [1] строим точки симметричного профиля и соединяем их сплайном, рис 1. Далее вытягиваем крыло по двум направлениям. Получаем исследуемое крыло профиля NACA — 0021.
Рис. 1. Основные этапы построения модели
В приложении CosmosFloWorks осуществляем запуск мастер-проекта, где указываем основные предварительные характеристики проекта: тип задачи, внешние факторы, расчетную область, вид жидкости и систему координат. Далее назначаются цели расчета (для нашего расчета — это динамическое давление, скорость и все проекции скорости, силы и момент). После определения целей и расчетной области остается задать граничные и начальные условия. В качестве граничных условий — задается реальная стенка — на всех расчетных областях крыла. Начальные условия — это скорости потока воды по осям х и у. При угле атаки 200, vx=5,64 м/с, vy=2,05 м/с.
Таблица 2
|
GG Средн Динамическое давление 1 |
[Па] |
13301,45427 |
|
GG Сила 1 |
[Н] |
97009,45922 |
|
GG X — составляющая силы 1 |
[Н] |
-4997,913243 |
|
GG Y — составляющая силы 1 |
[Н] |
96880,62779 |
|
GG Z — составляющая силы 1 |
[Н] |
-1,019358478 |
|
GG Z — составляющая крутящего момента 1 |
[Н*м] |
27381,51077 |
По результатам численного расчета получаем: 1) распределения скоростей и давлений, траектории потока, рис 2. 2) Численные характеристики (цели, заданные на втором этапе задачи), которые выводятся в виде таблиц в Excel, таблица 2. Необходимые величины выделены цветом.
Рис. 2. а) Распределение скоростей по верхней поверхности крыла; б) Х-скорости потока при обтекании крыла; в) Распределение давлений при обтекании крыла потоком; г) Обтекание потоком крыла
При проведении математического расчета получили следующие значения: подъёмной силы Ry=113,67кН, лобового сопротивления Rх=15,99кН, момента Мz=27,9кНм.
Проводим расчет основных гидродинамических коэффициентов по формулам (1), (2) и (3), где 
.
(1)
(2)
(3)
Сравниваем полученные коэффициенты с данными кривых продувок заданного профиля при =200. Определяем погрешность расчета.
Таблица 3
|
Коэффициенты |
Математический эксперимент |
Кривые продувок |
Погрешность, % |
|
Коэффициент лобового сопротивления |
0,15 |
0,14 |
7 |
|
Коэффициент подъёмной силы |
1,05 |
1,37 |
23 |
|
Коэффициент момента |
0,26 |
0,3 |
13 |
Результатом проведения численного эксперимента стало получение основных гидродинамических характеристик профиля NACA-0021 при угле атаки 200. Вывод на экран основных гидродинамических характеристик крыла представлен в таблице 2.
Необходимо заметить, что при построении трехмерной модели в SolidWorks можно получить все чертежи объекта в необходимых сечениях и проекциях.
По результатам расчета были также получены распределения давления и скоростей, характеризующее обтекание профиля в целом, рис 2б,г. При изучении поля скоростей и давлений отмечены зоны повышенного вихреобразования и замечены области повышенного и пониженного давлений, рис 2в.
Литература:
1. Атлас аэродинамических характеристик Крыловых профилей. Кашафутдинов С. Т., Лушин В. Н., Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С. А. Чаплыгина, 1994. — 46с.
2. Гидромеханика. Войткунский Я. И., Фадеев Ю. И., Федяевский К. К. Л.: Судостроение, 1982. — 450с.
3. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. Алямовский А. А. и др., СПб.: БХВ-Петербург, 2005. — 800с.
