4.2 Максимальна осадка судна
При конструюванні суден варто також пам’ятати про такий важливий аспект, як небезпека так званого заземлення, тобто засідання судна на мілині. Для уникнення таких випадків при дослідженні параметрів судна необхідно проводити розрахунок його максимальної осадки. В [17] запропоновано два методи тонкого тіла для визначення максимальної осадки та диференту суден, які рухаються в довільним числах Фруда, включаючи транскритичну область: транскритична глибоководна теорія та теорія кінцевої глибини. Транскритична глибоководна теорія застосовувалась з використанням численних методів фур’є-спектрометра для визначення осадки та диференту через подвійне числове інтегрування. Ця теорія також розширена для випадку судна, яке рухається в каналі кінцевої ширини, однак, складність числового обчислення інтегралу сили і його обмеженість вказують, що теорія відкритих вод більш правильна. Теорія кінцевої глибини була покращена для використання для загальних форм корпусу. Ця теорія обчислює силу осадки та момент диференту, які є трохи коливальними. Оскільки теорія підносить до степеня нескінченну глибину, будь-яка похибка буде збільшуватись приблизно з квадратичною залежність від швидкості. Тому дана теорія не може використовуватись при великих числах Фруда. Через це та інші умови теорія кінцевої глибини складніша в виконанні за транскритичну глибоководну теорію. Порівняння результатів даних теорій з експериментальними результатами дали гарну збіжність у випадку мілкої води. Основна невідповідність між теоретичними та експериментальними результатами при таких умовах полягала в тому, що жодна теорія не передбачила підвищення судна у воді при малих числах Фруда. Невідповідності пояснюються якісно ефектом стінок каналу в експериментальних результатах. А це означає, що дані теорії дуже перспективні для передбачення осадки у відкритих водах. Однак без справжніх експериментів у відкритих водах не можна відповідним чином судити про точності методів. Транскритична глибоководна теорія набагато простіша теорія, і автори рекомендують її, як простий та точний метод передбачення осадки судна у відкритих водах. [17]
5 Режими глісування гідролітаків
Визначення гідродинамічних характеристик важливе не тільки для проектування суден, глісерів, а також і для конструювання гідролітаків, тобто літаків, які злітають з водної поверхні або сідають на неї. При цьому, необхідно визначити режими руху літака по водній поверхні. При русі по воді поверхневих літаків з малою швидкістю, підйом, який підтримує літак на водній поверхні обумовлений головним чином плавучістю. При збільшенні швидкості літака, таким чином, щоб водна поверхня гладко відокремилась від передньої кромки літака, літак, кажуть, глісую або ковзає по водній поверхні. Під час глісування підйом обумовлений головним чином силами гідродинаміки. Важливою особливістю глісуючого руху є явище бризкання, яке являє собою бризки викинуті вперед і по бокам глісуючого літака. Якщо кут атаки, який можна визначити як характерний кут між змоченою глісуючою поверхнею літака і незбуреною вільною поверхнею - маленький, то очікується, що товщина бризку буде теж маленькою. Оскільки теорія глісування має багато подібних ознак з теорією повітряного крила, для представлення бризку в задачах глісування використовується такий само тип особливостей як і в теорії повітряного крила.
Багатьма авторами розглядались двовимірні глісуючі поверхні з врахуванням ефекту гравітаційності. При вивченні тривимірних глісуючих поверхонь вимагається, щоб число Фруда було великим, а форма поверхні не була прямокутною. В попередніх рішеннях вважалось, що бризок був величиною другого порядку в куті атаки і тому ним можна було знехтувати в формуліровці лінеаризованої теорії. В роботі [18] розглянуто установлений тривимірний потенціальний потік, який проходить через глісуючу поверхню середнього розміру при великих числах Фруда. Вважається, що кут атаки маленький, для того, щоб задачу можна було лінеаризувати. Глісування представляється невідомими розподілами тиску по частині водної поверхні якраз під пластиною. Геометричною конфігурацією бризку знехтувано, а тиск прийнятий типу квадратного кореня. [18]
6 Досягнення високих швидкостей суден шляхом застосування підводних крил
Останнім часом зросла потреба в новому класі швидкодіючих транспортних засобів, які можуть відігравати проміжну роль у швидкості між вантажними літаками та звичайними судами. Було запропоновано кілька концепцій проекту для такого нового класу судів, ці концепції засновані на комбінаціях поверхні, що піднімається, повітряної подушки, SES (суден з поверхневим ефектом), і SWATH (маленький глісер з подвійним корпусом). В [19] представлено обчислювальний метод, який можна застосовувати до нелінійного потоку вільної поверхні повз двовимірне підводне крило мілкого занурення. Попередні роботи по підводному крилі використовували головним чином лінеаризовану умову вільної поверхні. Наприклад, Гієсінг і Сміт (1967) вирішували проблему методом інтегрального рівняння, який базується на функції Гріна, Баі (1978) застосував до задачі обмежений метод з кінцевим елементом, який базується на нежорсткій формі. Однак, Салвесен та вон Керзек (1975, 1976) спочатку обчислили стійкі нелінійні хвилі вільної поверхні через двовимірне підводне крило і вихрові точки під вільною поверхнею за допомогою ітераційного методу з кінцевим розходженням, попередньо розробленим ними (1974).
В роботі розглядається стійкий однорідний потік повз установлене двовимірне підводне крило, занурене в рідину. Поверхневою напруженістю знехтувано та припускається, що рідина - нев’язка, нездавлювана, і рух безвихровий. Задача точного нелінійного потоку вільної поверхні, сформульована в невідомих функції потоку, замінена еквівалентною варіаційною задачею за допомогою класичного принципу Гамільтона. Тоді ми застосовуємо метод місцевих кінцевих елементів, заснований на принципі Гамільтона в нелінійних підобластях і на нежорсткій формі в скорочених нескінченних лінійних підобластях. Цей метод - продовження методу, розробленого для лінійної задачі Баі (1978) для задачі нелінійного потоку вільної поверхні. Порівняння між лінійними результатами Баі і експериментальними вимірюваннями Паркіна та іншими (1956) показали відносно гарну збіжність для деякого діапазону числа Фруда. Однак, для деяких чисел Фруда з відносно маленькою глибиною занурення, обчислені результати для лінеаризованої умови вільної поверхні показують значну розбіжність з експериментом. Паркін та інші навели результати спостереження про потік над мілко зануреним підводним крилом, навели характеристики гладкого типу чи такого, який характеризується стоячим стрибком та хвилями, в залежності від числа Фруда. В роботі зроблені обчислення, які задовольняють точну умову вільної поверхні. Обчислені результати порівняні з результатами попередніх лінійних обчислень та експериментів. Порівняння показують кращу збіжність з експериментальними вимірюваннями ніж в лінійних обчисленнях. [19]
Уже в першій чверті 20-го століття стало зрозуміло, що більше не можливо досягти вищих швидкостей суден зі звичайними лініями. З’явилася потреба у знаходженні нових технічних рішень для того щоб підтримувати основну тенденцію по збільшення швидкості. Саме тому в п’ятидесятих- сімдесятих роках 20-го століття судно з динамічною підтримкою стало дуже популярним, через повне зниження гідродинамічного опору основного корпуса, що виходить із води. Провідна позиція належала підводним крилам. Хоча спочатку комерційні підводнокрилові судна були побудовані Хансом фон Щертелем (Німеччина), і їх використання почалося в 1953, базою для першого реального виробництва в повному масштабі були проекти російського вченого Р.Е. Алексєєва. Таким чином, було побудовано більш ніж 1000 судів з підводними крилами. Оскільки перші радянські підводні крила були розроблені більше для річок, для таких суден використовувалась низько-затоплена система крил, в яких підйомна сила крил залежить від її занурення під вільною поверхнею. Така система крил гарантує мінімальне осідання судна, яке рухається в режимі водовитиснення і має просту структуру крил, завдяки чому виникає автоматична стабільність контролю обумовлена відносно пізньою появою кавітації і піднімаючої сили, як функції глибини занурення.
Успішна робота суден з підводними крилами закінчилася будівництвом бойових човнів з підводними крилами. Однак, Алексєєв не досяг успіху в забезпеченні морських човнів з низько-зануреними крилами через незастосовність в морях таких судів. Пізніше, російське конструкторське бюро Алмаз і група проектувальників Зеленодолска займалися розробкою підводного крила морехідних суден під керівництвом Бурлакова і Коунховича. Разом з застосовністю в морях, ці роботи були пов’язані з подальшим збільшенням швидкості.
Коунахович показав особливо високу діяльність у роботах, зв’язаних, зі збільшенням швидкості. Головною перешкодою для швидкості були кавітації. З його ініціативи було розроблено експериментальне судно "Sіnertch" (від російського "торнадо") з суперкавитуючим крилом.
Судно має ніс і головну суперкавітуючу поверхню, яка перетинає воду та крило. Судно було обладнано реактивними двигунами з повітряною подачею як рушії. Швидкість, досягнута судном була більш ніж 100 вузлів. Однак, з подальшої роботи, стало зрозуміло, що побудоване судно не могло мати високу ефективність, якщо його гідродинамічна якість була забезпечена суперкавітуючим крилом з системою підтримки - електроенергії і палива, яке настільки важке, що вантажоможливість судна буде дуже низька.
Судна з підводними крилами, які становлять 60 відсотків від всіх швидкодіючих судів в 70-х і 80-х роках розвивалися у двох напрямках. Перше направлення мало на увазі поліпшення морехідної здатності кожного виду підводного крила при збереженні високої гідродинамічної ефективності через безкавітаційні підводні крила. Гранична швидкість цих підводних крил була приблизно 60 вузлів.
Другий напрямок мав на увазі подальше збільшення швидкості; щоб тримати гідродинамічну ефективність на високому рівні, аеродинамічна підтримка, тобто ефект аеродинамічного підйому поверхні необхідно було використовувати для того, щоб зробити підводні крила меншими і у деяких випадках прибрати їх взагалі.
Велика частина роботи була пророблена по першому напрямку, вирішено багато технічних задач і побудовані високошвидкісні судна. Вже в середині 60-х було відомо, що найвище судно в морському виконанні могло дозволити повністю затопляти підводні крила без перетинання поверхні води. Єдина незручність, яка змушувала хвилюватися проектувальників, було те, що ця система не мала властивої стабільності, безпеки навігації, що забезпечує ефективну роботу тільки автоматичної системи керування.
