Моделювання нестаціонарної взаємодії тіл в потоках

Рис. 19. Залежність коефіцієнтів опору і бокової сили від часу для призми зі щілиною при , : криві 1, 2 відповідають характеристикам верхньої і нижньої частин призми, криві 3 описують сумарні коефіцієнти сил, криві 4 відповідають характеристикам суцільної квадратної призми.

Розглянуто також схему управління обтіканням призми за допомогою встановленої перед нею малої пластини. В цьому випадку пластина створює „гідродинамічну тінь”. Результати розрахунків свідчать, що в певному діапазоні параметрів опір системи “тіло-пластина”стає меншим за опір окремого тіла, істотно зменшується також нестаціонарна бокова сила (рис. 20). Це можливо, коли в області між пластиною і тілом формується стійка вихрова пара, яка забезпечує плавне приєднання ліній течії, що сходять з краю пластини, до тіла. Внаслідок цього, звужується слід за призмою та зменшується інтенсивність вихорів, що його формують.

Рис.20. Залежності коефіцієнта гідродинамічного опору системи “пластина-призма” та коефіцієнта нестаціонарної бокової сили від величини зазору при різних значеннях довжини пластини: 1 -, 2 - , .

Тут представлені також результати виконаних експериментальних досліджень поздовжнього обтікання кругового циліндра з установленим перед ним диском, що обертався. Схему, яка досліджувалася, наведено на рис. 21 а. Порівняння одержаних залежностей для нерухомого диску та диску, що обертається, свідчать про помітне розширення діапазону розмірів диску та значень , в якому коефіцієнт близький до мінімального. Це пояснюється тим, що обертання диску приводить до збільшення розмірів відривної зони та стійкості течії в ній. Тому відносно невеликим диском можна створити відривну зону з необхідних розмірів. Вплив диска зростає із збільшенням швидкості обертання та шорсткості його поверхні.

а) б)

Рис. 21. Конфігурація течії - а та залежність коефіцієнта опору системи “диск-циліндр” від ширини зазору для диску, що обертається - б ( м/с, , ).

Відрив потоку, формування вихрового сліду та гідродинамічні сили істотно змінюються при наближенні тіла до границь потоку. Важливе значення має тип границі: плоска тверда стінка, шорстка стінка (з нерівностями), вільна поверхня.

В розділі 6 викладені результати чисельного моделювання та експериментальних досліджень впливу границь потоку на картину і характеристики обтікання. В підрозділі 6.1 описані результати чисельного моделювання взаємодії вихора з недеформівною поверхнею у в'язкій рідині. Розрахунки виявили ефект “відскоку” вихора від стінки, що зумовлений генерацією на ній вторинної завихреності.

Експериментальні дослідження обтікання кругового циліндру біля твердої поверхні (Здравкович, Н.Д Діковська, В.Н. Котовський) засвідчили існування декількох режимів обтікання: 1 - коли циліндр розташований за межами пограничного шару, що формується на стінці, і не взаємодіє з ним; 2 - частина циліндру розташована в межах пограничного шару; 3 - циліндр повністю розташований в межах пограничного шару; 4 - циліндр розташований на стінці або дуже близько до стінки (течія в зазорі відсутня). В залежності від режиму обтікання змінюється вихрова структура течії і всі гідродинамічні характеристики. В підрозділі 6.2 цієї роботи наведені результати проведених експериментальних досліджень випадків 2 - 4 при . Розглядалися поверхні з різною шорсткістю: пісок, гравій, галька різних фракцій. Було показано значний вплив вихрових структур пограничного шару на гідродинамічні характеристики циліндра. Зокрема, при інтенсивних вихрових збуреннях та малому зазорі між стінкою та циліндром спостерігалася зміна напрямку бокової сили: циліндр притягувався до стінки.

Взаємодія тіла з границями течії ускладнюється, якщо замість твердої стінки маємо вільну поверхню. Процеси деформації вільної поверхні істотно залежать від числа Фруда. Для аналізу трансформації вихрового сліду біля вільної поверхні в підрозділі 6.3 побудовані математична модель та чисельний алгоритм, які моделюють взаємодію тіла з поверхнею у в'язкій рідині при малих числах Фруда (вільна поверхня розглядається тут як тверда стінка без прилипання). Розрахунки показали, що при обтіканні циліндра (призми) поблизу вільної поверхні в певному діапазоні заглиблень гідродинамічні навантаження на призму істотно збільшуються у порівнянні з необмеженою рідиною. Існує критичне значення зазору між тілом і границею, коли параметри обтікання досягають екстремальних значень, зокрема, сила опору є максимальною. Як показують розрахунки, критична відстань не залежить від числа Рейнольдса - .

Були проведені також експериментальні дослідження обтікання кругового циліндра, прямокутної та квадратної призм поблизу вільної поверхні в гідравлічному лотку. Дослідження проводилися при малих та середніх числах Фруда ( і . Результати вимірів гідродинамічних сил, які діють на тіла, а також візуалізаціі потоку викладені в підрозділі 6.4. Вони показують, що при ширині зазору швидкість потоку в зазорі більша, ніж в області під циліндром. Тому циркуляція вихрових структур, що сходять з верхньої частини циліндра, більша за циркуляцію „нижніх” вихорів. „Нижні” та „верхні” вихори мають різні періоди утворення, тобто, маємо двочастотний режим формування вихрової доріжки. Структура вихрового сліду за циліндром змінюється при : крупні вихори утворюються лише на нижній стороні циліндра, з верхньої частини поверхні cходять лише дрібні вихори. При відрив потоку з верхньої частини поверхні не спостерігається. Слід повертається вниз. Розміри сліду при малих зазорах помітно зменшуються. Утворення хвиль в експериментах не спостерігалося. При малих зазорах на поверхні води утворювався стрибок (денівеляція поверхні): перед стрибком глибина потоку плавно зростала, далі - різко падала, потім знову повільно збільшувалась. Отримані експериментальні дані свідчать про значні зміни сили опору та нестаціонарної бокової сили з наближенням до поверхні. Виявлено, що максимальних значень гідродинамічні сили досягають не на поверхні, а при певному заглибленні циліндра (при ).

В розділі 7 розглядались прикладні задачі динаміки морських технічних систем типу „трос-тіло” в потоках. Їх актуальність пов'язана з розвитком робіт по вивченню та освоєнню морського шельфу. В роботах Берто, М.В. Салтанова, В.І. Єгорова, В.А. Свєтліцького та інш. увага приділялась аналізу тросових систем - конструкцій морської техніки, до складу яких входять протяжні деформівні елементи (троси, труби, ваєри, ланцюги, стояки, райзери і т.п.), розташовані в потоках води чи повітря. Для визначення гідродинамічних сил на такі конструкції використовуються результати експериментальних досліджень та чисельного моделювання, отримані зокрема, в розділах 1 та 6. Коли жорсткість конструкції на згин незначна, для описання руху тросових систем використовуються нелінійні рівняння динаміки гнучкої розтяжної нитки в потоці, які враховують інерційні гідродинамічні сили, сили тертя та опору. В підрозділі 7.1 побудовані чисельні моделі для аналізу динаміки тросових систем. Тут псевдоспектральні та різницеві числові методи адаптовані до задач динаміки протяжних конструкцій. Вони дають можливість врахувати нелінійні ефекти і виявити загальні закономірності взаємодії протяжних конструкцій і тросових систем з хвильовим потоком і неоднорідними течіями.

Проведений аналіз динаміки буксирної системи “трос-апарат” в потоці (підрозділ 7.2), коливань морської сейсмокоси (довгої приймальної акустичної антени) в стаціонарному та хвильовому потоках (підрозділі 7.3); динаміки морських стояків (підрозділ 7.4) дозволив визначити діапазони параметрів, при яких різко зростають амплітуди коливань троса або буксирного тіла, а також амплітуди нестаціонарних зусиль в гнучких конструкціях.

Для аналізу задач динаміки тросових систем змінної довжини використовується перехід до нових змінних, коли область інтегрування є фіксованою. В підрозділі 7.5 розглядається рух буксирної системи при спуску та підйомі апарата), а також у випадку руху апарата до заданої точки. Показано, що апарат спускається і піднімається по різним траєкторіям, які відрізняються від рівноважної конфігурації системи в потоці.

В підрозділі 7.6 виконано аналіз коливань якірних тросів, викликаних рухами судна на хвилях. Визначено області параметрів, коли динамічні сили в тросі значно перевищують свої стаціонарні значення.

В підрозділі 7.7 побудована чисельна модель динаміки кабельних ліній при їх укладці на морське дно, визначено рівень нестаціонарних сил при рухові кабелеукладального комплексу на хвилях в умовах дії морських течій. Показано, що найбільш небезпечними є нестаціонарні режими роботи кабелеукладальної машини.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі досліджено широке коло фізичних ефектів і явищ, що виникають при рухові декількох тіл у воді, тіла поблизу границь потоку та систем типу „трос-апарат” в потоці. Основний результат роботи полягає в розробці методів моделювання взаємодії тіл в потоках та виявленні основних фізичних механізмів і закономірностей такої взаємодії.

В дисертації одержані наступні нові наукові результати:

1. На основі чисельної моделі, яка ґрунтується на спільному використанні дискретновихрової схеми і методу конформних відображень, отримані нестаціонарні нелінійні характеристики крила, які виникають при його взаємодії з локальними нерівностями границі (виступом, уступом, заглибленням) та з періодичною хвилястою стінкою. Одержано, що екстремальні значення коефіцієнту під'ємної сили не співпадають з екстремумами границі. Немонотонність під'ємної сили істотно посилюється при наявності пристінної течії.

2. Визначені коефіцієнти приєднаних мас і сил гідродинамічної взаємодії в системах тіл компактної форми (сфер, еліпсоїдів, кругових та еліптичних циліндрів), а також для тіл, які рухаються в областях зі складними границями. Показано, що при розташуванні в потоці декількох тіл, вібрація однієї конструкції передається до іншої.

3.Одержані нові результати, що описують гідродинамічну взаємодію суден з іншими суднами та з нерівностями берегової лінії. Вони показують, що при розходженні суден відхиляючий момент і бокова сила є значно вищими, ніж коли судна рухаються в одному напрямку. При взаємному рухові двох суден з різними швидкостями більші гідродинамічні сили діють на судно, що рухається повільніше. При взаємодії пришвартованого судна з судном, яке проходить повз нього, більші сила та момент діють на стояче судно. Сили гідродинамічної взаємодії суден значно зростають зі зменшенням глибини води в акваторії та за наявності зустрічної течії.

4. На основі чисельного моделювання двовимірних відривних в'язких течій показано, що визначальну роль у формуванні сліду за довгим тілом відіграє відрив потоку в кормовій частині та періодичний розпад вихрових зон, які розвиваються на бічній поверхні. В залежності від характеристик розпаду цих зон, реалізується одно- або двочастотний режим нестаціонарної течії в сліді. Дослідження особливостей гідродинамічної взаємодії двох призм, розташованих тандемом і в ряд, показало, що визначальну роль при формуванні картини течії грають геометричні параметри системи, зокрема, величина зазору між тілами. Запропоновані нові схеми управління течією навколо необтічного тіла, в яких використовуються наскрізний отвір або управляюча пластина, які забезпечують істотне зменшення як сили опору, так і нестаціонарної бокової сили.

5. Виявлені частотні характеристики відривних циркуляційних зон поблизу нерівностей границі, завдяки яким вони вибірково реагують на збурення зовнішньої течії. Запропоновані нові схеми управління пристінною течією, які ґрунтуються на генерації стійких вихрових зон за допомогою нерівностей поверхні. Розроблені схеми стабілізації таких вихорів та виявлені ефекти зменшення гідродинамічного опору тіл.

6. Одержані гідродинамічні сили, які діють на круговий циліндр біля шорсткої стінки та вільної поверхні. Виявлені ефекти притягання циліндра до дна при великих значеннях шорсткості стінки та зменшення навантажень на тіло поблизу вільної поверхні, коли відстань між ним і поверхнею стає меншою за характерний розмір тіла.

7. Розроблені нові числові моделі нестаціонарного руху систем тіл типу “трос-тіло” в потоках; одержані залежності динамічних характеристик тросових буксирних та заякорених систем при постійній та змінній довжині троса.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Горбань В. А. О вынужденных колебаниях гибких нитей в потоках / В. А. Горбань, Н. В. Салтанов, А. А. Христенко // Гидромеханика. - 1978. - № 38. - C. 113-118.

2. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, основні рівняння, метод розв'язання, аналіз результатів.

3. Горбань В. О. Визначення параметрів течії з допомогою гнучкої гідрологічної лінії / В. О. Горбань, А. П. Петрухнов // Доповіді АН УРСР. -1982. - № 1.

4. Особистий внесок Горбаня В.О.: основні рівняння та їх розв'язки.

5. Горбань В. А. О динамике системы тел в идеальной жидкости / В. А. Горбань // Гидромеханика. - 1983. - № 47. - C. 66-71.

6. Горбань В. А. О динамике нерастяжимой нити в жидкости / В. А. Горбань // Гидромеханика. - 1983. - № 48. - C. 41-45.

7. Горбань В. О. Аналіз динаміки буксирної системи в нелінійній постановці / В. О. Горбань., Ю. І. Калюх // Доповіді АН УРСР. - 1986. - № 9. - С. 31-34.

8. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, основні рівняння, аналіз результатів, висновки.

9. Горбань І. М. Гідродинамічні характеристики тонкого профілю, який рухається поблизу неплоского екрану / І. М. Горбань, В. О. Горбань, М. В. Салтанов // Доповіді АН УРСР. - № 4. - 1987. - С. 37- 40.

10. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, аналіз результатів.

11. Калюх Ю. И. Метод факторизации при расчете нестационарных режимов движения буксируемых систем / Ю. И. Калюх, Н. В. Салтанов, В. А. Горбань // Гидромеханика. - № 57. - 1988. - С. 19-25.

12. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, аналіз результатів, висновки.

13. Горбань В. А. Псевдоспектральный метод в задачах динамики гибких нитей в потоках / В. А. Горбань, М. Э. Польшин // Гидромеханика. - № 61. - 1990. - C. 65-71.

14. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, основні рівняння, аналіз результатів, висновки.

15. Горбань В. А. Численное и физическое моделирование динамики гибкой протяженной линии в соосном потоке / В. А. Горбань, Н. В. Салтанов, В. И. Королев, М. Э. Польшин, А. А. Гурвич // Доповіді АН УРСР. - № 2. - 1991. - C. 34-37.

16. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, основні рівняння, метод розв'язання, аналіз результатів.

17. Горбань В.А. Численное моделирование динамики якорних связей / В.А. Горбань, М.Є Польшин, // Гидромеханика. - № 65. - 1992. - С. 65-70.

18. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, основні рівняння, метод розв'язання, аналіз результатів.

19. Салтанов Н. В. Вихревые структуры в жидкости: аналитические и численные решения. / Н. В. Салтанов, В. А. Горбань // Киев.: Наукова думка. - 1993. - 243с.

20. Особистий внесок Горбаня В.О.: вступ, глава 3.

21. Салтанов Н. В. Нелинейные задачи динамики гибких нитей и стержней переменной длины в потоках и их приложения в технике освоения океана / Н. В. Салтанов, В. А. Горбань // Гидромеханика. - № 70. - 1996. - С.116-125.

22. Особистий внесок Горбаня В.О.: основні рівняння, метод розв'язання, розрахунки, аналіз результатів.

23. Горбань В. А. Исследование взаимодействия вихрей с неровностями обтекаемой поверхности / В. А. Горбань, И. Н. Горбань // Бионика. - № 27 - 28. - 1998. - С. 109-114.

24. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, аналіз результатів, висновки.

25. Горбань В. О. Дослідження динаміки вихрових структур в кутовій області та поблизу поверхні з заглибленням / В.О. Горбань, І. М. Горбань // Прикладна гідромеханіка. - № 1. - 1999. - С. 4-11.

26. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, аналіз результатів.

27. Горбань В. О. Чисельна модель взаємодії вихора з твердою стінкою в в'язкій рідині / В. О. Горбань, І. М. Горбань // Вісник Донецького університету. - № 2. - 2002. - С. 236-240.

28. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, висновки.

29. Горбань В. О. Теоретичний аналіз процесів вихроутворення та динаміки вихорів в каналах / В. О. Горбань, І. М. Горбань // Прикладна гідромеханіка. - № 3. - 2003. - С. 3-18.

30. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, аналіз результатів, висновки.

31. Горбань В. О. Вихрова структура потоку при обтіканні квадратної призми: числова модель та алгоритм управління / В. О. Горбань, І. М. Горбань // Прикладна гідромеханіка. - № 2. - 2005. - С. 8-26.

32. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, аналіз результатів, висновки.

33. Горбань В. О. Чисельне моделювання гідродинамічної взаємодії тіл, що рухаються в рідині / В. О. Горбань, С. В. Масюк // Прикладна гідромеханіка. - № 3. - 2006. - С. 27-49.

34. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, чисельний алгоритм, аналіз результатів.

35. Горбань В. О. Гідродинамічна взаємодія суден на мілководді / В. О. Горбань, С. В. Масюк // Прикладна гідромеханіка. - 2007. - № 4 - С. 17-29.

36. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, аналіз результатів, висновки.

37. Горбань В. О. Гідродинамічна взаємодія суден з береговими спорудами в умовах течії / В. О. Горбань, С. В. Масюк, В. І. Нікішов // Прикладна гідромеханіка. - 2009. - № 3. - С. 3-7.

38. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, аналіз результатів.

39. Горбань В. О. Вивчення взаємодії квадратних циліндрів, розташованих тандемом / В. О. Горбань, І. М. Горбань // Прикладна гідромеханіка. - 2008. - № 2. - С. 36-47.

40. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, аналіз результатів, висновки.

41. Воскобійник А. В. Особливості вихрового руху у спряженій течії між групою паль трирядної мостової опори / А. В. Воскобійник, В. А. Воскобійник, О. А. Воскобійник, В. О. Горбань, І. М. Горбань // Прикладна гідромеханіка. - 2009. - № 2.- С. 16-29.

42. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, аналіз результатів розрахунків та експериментів, висновки.

43. Горбань И. Н. Численное моделирование отрывных течений вблизи границ потока / И. Н. Горбань, В. А. Горбань // Доповіді АН УРСР. Сер. А. - 1989. - № 2. - С. 26-30.

44. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, аналіз результатів, висновки.

45. Горбань В. О. Аналіз обтікання системи двох розташованих поруч квадратних циліндрів / В. О. Горбань, І. М. Горбань // Прикладна гідромеханіка. - 2010. - № 1. - С. 28-39.

46. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, аналіз результатів, висновки.

47. Горбань В. А. О методе Римана в задачах динамики гибких нитей переменной длины / В. А. Горбань // В сб. Математические методы исследования гидродинамических течений К.: Наукова думка. - 1978. - C.81-88.

48. Горбань В. А. О колебаниях гибких нитей переменной длины / В. А. Горбань, Н. В. Салтанов // В сб. Волны в сплошных средах. - К.: Наукова думка. - 1978. - C. 92-110.

49. Особистий внесок Горбаня В.О.: побудова розв'язків, аналіз результатів, висновки.

50. Горбань В. А. О присоединенной массе систем эллипсоидов /В. А. Горбань, С. М. Сребнюк // В сб. Прикладные задачи гидромеханики. - К.: Наукова думка. - 1981. - C. 126-132.

51. Особистий внесок Горбаня В.О.: побудова розв'язків, аналіз результатів розрахунків та експериментів, висновки.

52. Горбань В. А. Нелинейная динамика буксируемой системы при ускорении / В. А.Горбань, Н. В. Салтанов, Ю. И. Калюх // В сб. Нелинейные задачи гидроаэродинамики и теории упругости. - Днепропетровск. Изд-во ДГУ. - 1987. - C. 25-28.

53. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, аналіз результатів.

54. Горбань И. Н. Гидродинамические характеристики тонкого профиля, движущегося вблизи границы с изломом / И. Н. Горбань, В. А. Горбань // В сб. Математические методы механики жидкости и газа. - Днепропетровск. Изд-во ДГУ. - 1985. - С. 45-55.

55. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, аналіз результатів, висновки.

56. Горбань В. А. Численная модель плоской струи в сносящем потоке / В. А. Горбань, И. Н. Горбань // В сб. Численные решения задач механики жидкости и газа. - Днепропетровск. Изд-во ДГУ. - 1988. - С. 52-58.

57. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, чисельна схема, аналіз результатів, висновки.

58. Горбань В. А. Нелинейная динамика буксируемой системы при ускорении / Ю. И. Калюх, Горбань В. А., Салтанов Н. В. // В сб. Нелинейные задачи гидроаэромеханики и теории упругости. - Днепропетровск. Изд-во ДГУ. - 1987. - С. 25-28.

59. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, аналіз результатів, висновки.

60. Горбань И. Н. Численное моделирование гидродинамических характеристик тонкого профиля, движущегося вблизи волнообразной границы / И. Н. Горбань, В. А. Горбань // В сб. Численное моделирование гидрогазодинамических течений. - Днепропетровск. Изд-во ДГУ. - 1987. - С. 82-88.

61. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, чисельна схема, аналіз результатів, висновки.

62. Горбань В. А. Исследование динамики укладки кабеля на морское дно / В. А. Горбань, М. Э. Польшин, И. Д. Леонидов // Проблемы прочности. - № 1. - 1991. - C. 27-32.

63. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановка задачі, чисельна схема, аналіз результатів, висновки.

64. Gorban V. Dynamics of Vortices in Near-Wall Flows: Eigenfrequencies, resonant Properties, Algorithms of Control / V. Gorban and I. Gorban // AGARD REPORT 827. High Speed Body Motion in Water. - February. - 1998. - P.15-1 - 15-11.

65. Особистий внесок Горбаня В.О.: постановки задач, чисельні алгоритми, аналіз результатів, висновки.

66. А.c. № 1102711 СССР, МКИ B 63 B 21/52. Океанографический буй / В. А. Горбань, А. Ф. Петрухнов, П. Г. Авраменко, Н.В. Салтанов. - №3579965/27-11; заявл. 18.04.83; опубл. 15.07.84. Бюл. № 26.

67. Особистий внесок Горбаня В.О.: проникна конструкція, обґрунтування технічного рішення.

68. А.c. № 1002870. СССР, МКИ G 01 M 10/00 Установка для определения присоединенной массы системы осесимметричных тел / В. А. Горбань, С. М. Сребнюк. - № 1002870; заявл. 18.06.81; опубл. 07.03.83. Бюл. № 9.

69. Особистий внесок Горбаня В.О.: схема розташування дослідного тіла, обґрунтування технічного рішення.

70. Patent № 6,357,374 B1 US МПК B63B 1/38. Method end Apparatus for in creasing the effectiveness and efficiency of multiple boundary layer control techniques. / Moore K. J., Ryan T. D., Gorban V. A., Babenko V.V.; заявник і патентовласник Cortana Corporation. - № 09/621,611; заявл. 21.07.2000; опубл. 19.03.2002.

71. Особистий внесок Горбаня В.О.: вибір форми каналу, обґрунтування технічного рішення.

72. Патент 52760 UA C2 6F15D1/00, 1/02. Спосіб управління турбулентним граничним шаром / В. О. Горбань, В. М. Вовк; заявник і патентовласник Інститут гідромеханіки НАН України. - 2000010291; заявл. 18.01.2000; опубл. 15.01.2003. - Бюл. № 1, 2003 р.

73. Особистий внесок Горбаня В.О: вибір форми канавки, обґрунтування технічного рішення.

74. Патент 52795 UA C2 7F15D1/00. Спосіб зменшення турбулентності пристінної течії та пристрій для його здійснення / В. О. Горбань, В. М. Вовк; заявник і патентовласник Інститут гідромеханіки НАН України. - 2000063349; заявл. 08.06.2000; опубл. 15.01.2003. - Бюл. № 1, 2003 р.

75. Особистий внесок Горбаня В.О: вибір параметрів ротора і канавки, обґрунтування технічного рішення.

АНОТАЦІЯ

Горбань В.О. Моделювання нестаціонарної взаємодії тіл в потоках. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.02.05 - механіка рідини, газу та плазми. - Інститут гідромеханіки НАН України, Київ, 2010 р.

Досліджене широке коло фізичних ефектів і явищ, що виникають при рухові декількох тіл у воді або коли тіло рухається поблизу границі течії. Основний результат роботи полягає в розробці методів моделювання гідродинамічної взаємодії тіл в потоках та виявленні основних фізичних механізмів і закономірностей такої взаємодії.

Отримані нестаціонарні гідродинамічні характеристики крил та циліндричних тіл, які виникають при їх взаємодії з нерівностями границі. Виконані дослідження бокової сили і крутильного моменту, які діють на судна при обгоні та розходженні або при їх взаємодії з береговою лінією. Проведене моделювання в'язкої течії навколо тіл необтічної форми та в системах тіл, розташованих послідовно і паралельно. Запропоновані нові схеми управління пристінною течією, які ґрунтуються на генерації стійких вихрових зон за допомогою нерівностей поверхні. Одержані залежності для коефіцієнтів гідродинамічних сил, які діють на круговий циліндр біля шорсткої поверхні, з яких випливає ефект притягання тіла до дна при великих значеннях шорсткості останнього. Виявлені закономірності гідродинамічної взаємодії циліндричних тіл з вільною поверхнею. Розроблено нові числові моделі нестаціонарного руху тросових буксирних систем та визначені їх динамічні характеристики при постійній та змінній довжинах тросу.

Ключові слова: нестаціонарна взаємодія тіл в потоках, пристінні течія, вихровий слід, зменшення опору, чисельне моделювання, гідродинамічний експеримент.

АННОТАЦИЯ

Горбань В.А. Моделирование нестационарного взаимодействия тел в потоках. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы. - Институт гидромеханики НАН Украины, Киев, 2010.

В диссертационной работе исследован широкий круг физических эффектов и явлений, возникающих при движении нескольких тел в воде или, когда тело движется вблизи границы потока. Основной результат работы состоит в разработке методов моделирования взаимодействия тел и определении основных физических механизмов и закономерностей такого взаимодействия.

На основе численного анализа плоских нелинейных задач гидродинамики установлены закономерности изменений нестационарной подъемной силы и момента, которые возникают при взаимодействии крыла с неровностями границы. Получено, что немонотонность в поведении этих характеристик существенно усиливается под влиянием внешнего течения.

Выполнены расчеты коэффициентов присоединенных масс в системах тел компактной формы (сфер, эллипсоидов, круглых и эллиптических цилиндров). Показано, что они будут более высокими при поперечном, относительно направления движения, расположении тел, чем при продольном.

Получено, что при взаимодействии колеблющихся в жидкости цилиндрических конструкций, вибрация одной конструкции может передаваться к другой; найдены характеристики такого взаимодействия.

На основе метода граничных интегральных уравнений построена численная модель, описывающая потенциальное обтекание трехмерных тел; установлены закономерности изменений гидродинамических сил при движении судов различной формы в ограниченных акваториях, а также при обгоне и расхождении. Получено, что интенсивность взаимодействия судов значительно возрастает с уменьшением глубины воды в акватории и при встречном течении.

Разработан новый численный алгоритм для моделирования вязких двумерных течений, который основан на совместном использовании сеточных схем и лагранжевых вихревых частиц. Его применение к расчету течения за прямоугольной призмой показало, что основную роль при обтекании таких тел играют отрыв потока в задних кромках и периодический распад вихревых зон, сформированных вдоль боковых граней. Выполнено моделирование гидродинамического взаимодействия двух квадратных призм, расположенных последовательно (тандемом) и параллельно (в ряд) при умеренных числах Рейнольдса. Показано, что основным параметром, от которого зависят здесь структура течения и гидродинамические характеристики, является ширина зазора между телами. На основе анализа результатов предложены новые схемы управления потоком за плохообтекаемым телом, в которых используются сквозное отверстие или управляющая пластина; сделаны оценки их оптимальных параметров.

Описаны условия существования стационарных вихрей и циркуляционных зон в потоке вблизи неровностей границы. Теоретически показано существование характерных частот таких вихрей, вследствие чего они выборочно реагируют на внешние возмущения. Разработаны схемы управления пристенным потоком, основанные на генерации искусственных вихревых зон и их стабилизации с помощью отсоса. Разработана новая схема формирования стоячих вихрей в инжекционных каналах, обоснована эффективность использования углубления специальной формы (вихревой камеры) для уменьшения вихрегенерации в струе, инжектированой с канала в пристенный поток.

Экспериментально получены гидродинамические силы, которые действуют на круглый цилиндр, расположенный над шероховатой стенкой и под свободной поверхностью. Выявлены эффекты притягивания цилиндра ко дну при больших значениях шероховатости и резкого снижения динамических нагрузок на тело с приближением к свободной поверхности, когда расстояние между ним и поверхностью становится меньше характерного размера тела.

Разработаны новые числовые модели нестационарного движения тросовых буксирных систем и определены динамические характеристики таких систем при постоянной и изменяющейся длине троса.

Ключевые слова: нестационарное взаимодействие тел в потоках, уменьшение сопротивления, пристенное течение, вихревой след, численное моделирование, гидродинамический эксперимент.

ANNOTATION

Gorban V. A. Modeling of non-stationary interactions of bodies in flows. - Manuscript. The thesis is presented for a Doctor degree of physical and mathematical sciences by speciality 01.02.05 - mechanics of fluid, gas and plasma. - Institute of Hydromechanics National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2010. The thesis is devoted to the physical effects and phenomena that arise under motion of some bodies in water or when a body moves near flow boundaries. The main result of the work consists in both development theoretical methods for simulation of body interactions in fluid flows and definition of mechanisms and characteristics of those. The non-stationary dynamic characteristics of wings and cylindrical bodies are obtained when they interact with boundary irregularities. Researches of the lateral force and torsion moment acting on vessels under their passing or opposing motion and when the coastline has irregularities are executed. Viscous interaction of two square cylinders placed either in a side-by-side arrangement or in tandem was studied. The primary role when generating flow patterns and loads in such systems was revealed to play geometry parameters, particularly the gap width between bodies. The new schemes of flow control near bluff bodies are proposed. They are based on generation of stable vortical zones in the near-wall flow with help of special surface irregularities. The relations for hydrodynamic forces acting on the circular cylinder near a rough surface are derived, they point out on body attracting to the bottom under its intensive roughness. Hydrodynamic interaction between bluff bodies and free surface is considered theoretically and experimentally. New numerical models of non-stationary motion of cable towing systems are developed and dynamic characteristics of such systems are determined at constant and changing cable length. Keywords: non-stationary interaction of bodies in fluid flows, near-wall flow, vortical wake, drag reduction, numerical modeling, hydrodynamic experiment.

Размещено на Allbest.ru