Слижевский Гидробионика в судостроении

ГЛАВА 2	71

ного из способов снижения сопротивления, основанного на инжекции полимерных добавок в пограничный слой.

Испытания были проведены в натурных условиях на моторной лодке длиной 5,8 м. Был использован полиокс, который добавлялся в воду под давлением через перфорированную трубку диаметром 12 мм, закрепленную в поперечном направлении на форштевне лодки. Относительное снижение сопротивления составило 10 %. Главной причиной малой эффективности полиокса явилось рассеивание его в окружающую среду, поэтому большая его часть не попадала в область пограничного слоя, а также малая мощность устройства для инжекции полимера, которая не обеспечивала его достаточную концентрацию в пограничном слое моторной лодки.

В 1966 году на ХI Международной конференции по опытовым бассейнам было сделано сообщение о результатах снижения сопротивления модели сторожевого корабля путем инжектирования полимерного раствора в пограничный слой. Модель (L = 5,00 м и m =

=216 кг), изготовленная из стеклопластика, имела по обоим бортам продольные щели, которые начинались на расстояниях 5; 25; 50 и 70 % длины модели от форштевня и имели ширину 0,13 мм, увели- ченную в процессе опытов до 0,51 мм. Модель испытывалась при двух скоростях – 1,64 и 3,29 м/с, что соответствовало числам Re =

=6,39 106 è 1,28 107. При скорости буксировки 1,64 м/с получено снижение полного сопротивления 15,5 % и сопротивления трения – 20 %; при скорости 3,29 м/с соответственно 14,5 и 30 % при одновременном инжектировании полимерного раствора из двух щелей, расположенных на расстоянии 5 и 25 % длины от форштевня.

2.11. Использование полимерных добавок в технических целях

При оценке целесообразности и возможности использования полимеров для снижения сопротивления судов и других плавающих объектов (торпед, ПЛ, ПА и др.) необходимо учитывать наряду с такими факторами, как шероховатость обшивки и старение (деградацию) молекул, экономическую эффективность.

Исследования показали, что имеется существенная разница в приемлемых концентрациях и расходах в единицу времени при тече- нии по трубам и обтекании поверхности плавающего объекта. Так, при течении по трубам добавка полимера оказывает непрерывный

72	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

положительный эффект до вытекания жидкости из трубы, в то время как при обтекании тела она эффективна только на определенном участке смоченной поверхности в некоторый промежуток времени, после чего выбрасывается в попутный поток. Таким образом, в последнем случае требуется непрерывная подача полимера в погранич- ный слой.

Расчеты показывают, что использование полимерных добавок для непрерывного снижения сопротивления относительно больших плавающих объектов требует непрерывной подачи в пограничный слой дорогостоящих высокомолекулярных добавок, что при существующей стоимости полимеров экономически не выгодно. Поэтому была отмечена возможная целесообразность применения растворов полимеров для кратковременного снижения сопротивления относительно небольших плавающих объектов (торпед, ПА и др.)*). Кроме инжекции, предлагались растворимые полимеры, располагаемые в носовой оконечности в специальных матрицах.

Исследования показали также, что введение полимерных добавок в пограничный слой позволяет существенным образом снизить гидродинамический шум, что очень важно для таких объектов, как торпеды.

2.12. Влияние нестационарного движения на сопротивление гидробионтов

Выше было отмечено, что принцип нестационарного движения представляет собой физическую основу экономичности движения гидробионтов. Естественно, возникает интерес к выявлению особенностей нестационарного движения гидробионтов и их использованию для снижения сопротивления технических средств движения в воде. Далее будут рассмотрены некоторые теоретические и экспериментальные исследования нестационарного движения тел и гидробионтов.

Гидродинамика нестационарного плавания гидробионтов, вызванная волновыми движениями тела и машущими движениями плавников, характеризуется, во-первых, периодическими колебаниями

*) Для больших судов наиболее целесообразным и экономичным является управление пограничным слоем путем создания воздушной "смазки" (тонких воздушных пленок на поверхности наружной обшивки судна).

ГЛАВА 2	73

продольной скорости и, во-вторых, периодическими деформациями гибкого тела. Оба эти фактора, действуя совместно, приводят к изменению характеристик пограничного слоя. Для уяснения гидродинамических процессов, происходящих при этом в пограничном слое, рассмотрим последовательно влияние нестационарности продольной скорости и периодичности изменения формы поверхности гибкого тела гидробионта на примере их физических моделей.

Â60-å годы прошлого столетия в опытовом бассейне ЛКИ (ныне Санкт-Петербургский морской технический университет) под руководством проф. А.Н.Шебалова были проведены специальные испытания твердого тела вращения L = 1,50 м и наибольшим диаметром D = 0,21 м под свободной поверхностью на глубине H = 0,70 м с целью экспериментального изучения влияния нестационарности

продольной скорости на сопротивление. Нестационарные испытания проведены при скоростях υ(t) ≤ 3,0 м/с, что соответствует Re =

=(1,0…5,0)·106, при следующих законах изменения продольной ско-

рости:

υ(t) = at – с положительным уcкорением a = 0,1…0,5 м/с2;

υ(t) = υ0 – at, ïðè a = 0,1…0,3 ì/ñ2; υ(t) =A |sin ωt| ;

υ(t) = υ0 ekt, где k < 0 (при торможении) либо k > 0 (при разгоне).

Âпроцессе испытаний определялось изменение ∆C коэффициента вязкостного сопротивления стержня за счет нестационарности продольной скорости:

C + ∆C =		R( t )		,
		ρυ 2 ( t )
			S
		2

где С – квазистационарное значение коэффициента сопротивления; S – смоченная поверхность стержня.

Данные результаты были обработаны в предположении, что входящий в эту формулу коэффициент допольнительного вязкостного сопротивления, обусловленного нестационарностью продольной скорости, ∆C является функцией числа Re и безразмерного ускорения

N =	dυ ( t )		L	.
	dt		υ 2 ( t )

74	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

Анализ полученных экспериментальных данных показал, что линейный и экспоненциальные законы в диапазоне изменения скорости 0 ≤ υ(t) ≤ 3,0 м/с дают близкие результаты. Положительное ускорение (разгон) приводит к увеличению вязкостного сопротивления твердого тела, и тем к большему, чем меньше Re/N (рис.2.31). Напротив, отрицательное ускорение (торможение) уменьшает вязкостное сопротивление тела. При этом влияние нестационарности продольной скорости на сопротивление при торможении больше, чем при разгоне.

∆Ñí

0,05

							1
	0
		106						107			108 Re/N
						2

–0,05

Рис.2.31. Экспериментальные значения коэффициента дополнительного вязкостного сопротивления при нестационарном движении твердого тела по линейному закону ∆Ñí(Re/N):

1 – положительное ускорение (разгон);

2 – отрицательное ускорение (торможение)

Указанное явление различного влияния нестационарности продольной скорости движения на сопротивление, видимо, объясняется различной степенью турбулентности потока в пограничном слое, которая оказывается при разгоне выше, чем при торможении. Это, кстати, в дальнейшем было подтверждено теоретически и экспериментально.

При синусоидальном характере поступательного движения тележка вместе с буксируемым телом пробегала вдоль бассейна несколько полуволн. При этом сопротивление также менялось по синусоидальному закону со сдвигом фазы на π/2 по отношению к колебаниям продольной скорости, таким образом, максимум приращения силы сопротивления соответствовал максимуму ускорения, а не скорости, как это можно предположить. Кривые осредненного сопротивления

ГЛАВА 2	75

за полупериод колебаний продольной скорости оказались примерно на 40 % ниже соответствующей стационарной кривой.

На этом основании автором исследований А.Н.Шебаловым сделан вывод, что для уменьшения вязкостного сопротивления при нестационарном поступательном движении твердого тела целесообразным является режим, при котором короткий участок разгона сменялся бы длинным участком торможения.

Для дальнейшего анализа явлений, происходящих при нестационарном движении твердого тела, была теоретически с использованием численных методов решена задача о нестационарном турбулентном пограничном слое на плоской жесткой пластине. На основании результатов этих расчетов был подтвержден приведенный выше факт о возрастании сопротивления трения при разгоне (a > 0) и его уменьшении при торможении (a < 0). Нестационарные расче- ты показали также, что в некоторых случаях наложение дополнительных гармонических колебаний на поступательное движение по закону υ(t) = υ0(1 + Csinωt) может привести к уменьшению сопротивления трения по сравнению с его стационарным значением при движении с постоянной скоростью υ0.

Аналогичный результат получен Д.Вайсом, исследовавшим нестационарное плавание рыб с отрицательной плавучестью (скумбрия, пеламида, тунец, акулы – белая, макрелевая, мако). Расчетами было показано, что у этих рыб энергетически выгодно цикличное двухфазное плавание с чередованием пассивного, без затраты энергии, наклонного скольжения вниз по инерции на некоторую глубину и последующего активного всплытия под углом к горизонту. При этом экономия энергии может достигать 50 % и более по сравнению с горизонтальным равномерным движением на то же расстояние.

Другим, не менее важным фактором, влияющим на нестационарное сопротивление, является деформация поверхности тела, связанная с волновыми движениями тела гидробионта, машущими движениями плавников, работой жаберного аппарата и др.

В этой связи следует отметить результаты экспериментальных исследований, выполненных под руководством проф. Л.Ф.Козлова в институте гидромеханики АН Украины в натурных условиях на афалинах (L = 2,50 м), с использованием телеметрической аппаратуры, позволяющей фиксировать мгновенные значения продольной скорости движения дельфина на прямолинейном участке и степень

76	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

турбулентности. Сделан вывод, что степень турбулентности в пограничном слое афалины достигала максимума на участках разгона и уменьшалась на участках торможения. Более того, было зафиксировано падение турбулентной пульсации в корме при активной работе хвостового плавника.

И, наконец, для угревидных, медленно плавающих, и скомброидных, быстро плавающих, рыб на нестационарное сопротивление движению оказывает влияние работа жаберного аппарата, выполненяющего следующие две функции:

выделение слизи в область, расположенную за жаберными крышками, которое уменьшает сопротивление трения;

инжекция струи, которая прилегает к поверхности тела рыбы за жаберными крышками (эффект Коанда) и приводит к росту скоростей в пограничном слое, что, в конечном итоге, обеспечивает безотрывный характер обтекания тела рыб с относительно малым удлинением.

2.13. Движение дельфинов на носовой волне судна

Известны случаи, когда дельфины в течение длительного времени могут двигаться без видимых усилий со скоростью 30…40 уз, находясь на переднем склоне волны судна на небольшом расстоянии от форштевня. В настоящее время установлено, что в этом случае, которое получило наименование "катание на волнах", дельфин для своего движения использует развиваемую волной энергию. При этом, как показали наблюдения, он не совершает движений ни телом, ни плавниками.

Различают катание на носовой волне судна, катание на ветровой волне и катание на буруне, который появляется при приближении волны к берегу.

При катании на переднем склоне носовой волны дельфины всегда располагаются вблизи форштевня судна. Обычно наблюдаемая в этом случае картина имеет следующий вид: дельфины плывут под поверхностью воды на глубине 0,3…0,6 м и могут погружаться на глубину до 1,5…2,0 м. Зона катания на волне простирается вправо и влево от ДП судна на расстояние до 1,5 м. Хвостовой плавник дельфина, плывущего в ДП судна, находится в этом случае на расстоянии 0,3…0,5 м от форштевня. Дельфины могут таким образом плыть

Рис.2.32. Схема сил и скоростей при скольжении водного животного на склоне волн

ГЛАВА 2	77

друг за другом либо друг над другом (до трех штук по глубине). Они могут часами оставаться в положении катания, выходя для вдохов через каждые 6 мин или выпрыгивая из воды и возвращаясь в прежнее положение. Часто во время катания дельфины переворачиваются на бок. Иногда они едут, перевернувшись на спину или медленно вращаясь вокруг продольной оси. Когда они, пристраиваясь к движущемуся судну, перемещаются к правому либо левому борту, то переворачиваются соответствующим образом на бок.

Наблюдения и анализ катания на ветровых волнах показывают, что в этом случае дельфины могут кататься на небольших ветровых волнах с наибольшим углом волнового склона α = 10…18° и скоростью распространения волны С = 5…6 м/с.

В момент, когда ветровые волны достигают мелководья и превращаются в буруны, дельфины, двигаясь в направлении к берегу, резко переходят на передний склон буруна.

Рассмотрим схему действующих на тело дельфина и плавники гидростатических сил и условия равновесия дельфина, находящегося на переднем склоне волны (рис.2.32). В этом случае в результате действия гидростатических и гидродинамических сил в носовой волне на теле и плавниках дельфина возникает сила плавучести А, вектор которой перпендикулярен переднему склону волны, и сила сопротивления R при движении

дельфина со скоростью волны, которая в рассматриваемом случае равна скорости движения судна. Для равновесия тела дельфина на переднем склоне волны необходимо, чтобы вертикальная составляющая силы плавучести уравновешивала силу веса, а ее составляющая в направлении движения дельфина (движущая сила) – силу сопротивления. Поскольку угол волнового склона невелик, величина движущей силы также невелика. Но так как сила сопротивления R дель-

78	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

фина мала, то равновесие движущей силы и силы сопротивления возможно. В противном случае тело, имеющее большое сопротивление, уйдет с переднего склона волны и останется за кормой судна.

Искусство дельфинов двигаться со скоростью судна базируется, таким образом, на их способности использовать энергию волны путем выбора соответствующего положения относительно волны, кривизны тела и положения плавников. Проф. Г.Хертель еще в 70-е годы прошлого столетия писал, что лучше изучив волны, мы, возможно, сможем подобно дельфинам извлекать энергию из волн в технических целях. Одним из предлагаемых в этом направлении путей является установка в носовой оконечности (в районе возникновения носовой поперечной волны) систем неподвижных и поворотных крыльев. Суть этих предложений и их практическая реализация применительно к надводным судам будет рассмотрена в следующей главе, посвященной изучению движительных комплексов морских животных и рыб и созданию на их основе технических аналогов для средств движения в воде.

Глава 3. ДВИЖИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС МОРСКИХ ЖИВОТНЫХ И РЫБ

3.1. Основные положения

Очевидная связь между способностью морских животных и рыб передвигаться с большими скоростями и основными принципами их движения послужила причиной детального обследования представителей морской и речной фауны с целью установления особенностей их сопротивления движению, двигательно-движительного комплекса и преимущественного маневра. Обобщая экспериментальные и теоретические исследования, необходимо отметить следующие особенности гидродинамики животных:

âбиологическом процессе развития гидробионтов, связанного

ñувеличением размеров и повышением уровня организации, существенно растет максимальная скорость. Последнее обусловлено тем, что эффективная мощность водных животных пропорциональна массе мышц, т.е. линейным размерам в кубе l3, а сопротивление – l2;

ГЛАВА 3	79

плавание гидробионтов нестационарное, чаще всего периоди- ческое, близкое к гармоническому. Это обстоятельство объясняется, с одной стороны, происходящими в них биологическими процессами (циклы энергообмена, дыхания, кровообращения и др.) и, с другой – механической эффективностью нестационарного плавания, что представляет несомненный практический интерес в гидробионике;

унификация движителя. Наиболее распространенными являются волнообразно действующие движители с упругоколебательным комплексом различной структуры, который при увеличении размеров гидробионтов локализуется в хвостовой части тела.

Различают волнообразный и гидрореактивный способы плавания животных в водной среде.

Волнообразный способ плавания получил наибольшее распространение у подвижных водных животных. Менее распространенными являются его модификации – перемещение благодаря волнообразному движению жгутика, которое характерно для простейших одноклеточных организмов, и перемещение с помощью движения большого числа ресничек, наблюдаемое среди простейших кишеч- нополостных и гребневиков.

Противоположностью волнообразному способу плавания в воде является гидрореактивное движение за счет выбрасывания водяных струй. Так плавают гидры и медузы, а также головоногие моллюски, например кальмары. Большинство головоногих обладают плавниками, которым сообщается волнообразное движение при маневрировании. Среди позвоночных гидрореактивный способ плавания не встречается.

Гидрореактивное движение эффективно при больших числах Рейнольдса, а движение с помощью ресничек – при достаточно малых значениях этих чисел. В этом смысле волнообразный способ самый универсальный, так как он является приемлемым во всем диапазоне чисел Рейнольдса, начиная от медленно плавающих ленточ- ных и кольчатых червей до скоростных рыб и китообразных.

Для китообразных характерным является волнообразный способ передвижения, а основным движителем – горизонтальный хвостовой плавник, амплитуда колебаний в вертикальной плоскости которых значительно превышает амплитуду колебаний остальных частей его тела. Так, например, соотношение амплитуд хвостового плав-

80	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

íèêà à1, ÖÒ à2 è íîñà à3 дельфина равно а1 : à2 : à3 = 1,00 : 0,05 : 0,40. Из этого следует, что ЦТ дельфина движется почти прямолинейно, в то время как амплитуда колебаний хвостового плавника почти в 2,5 раза больше амплитуды колебаний носа. При этом колебания носа дельфина происходят в противофазе по отношению к колебаниям хвостового плавника. Частота колебаний двухлопастного хвостового плавника китообразных составляет f = (0,2…2,0) с–1.

Относительно большая высота хвостовой части китообразных обусловлена наличием мощных мышц, обеспечивающих движение горизонтально расположенного плавника в вертикальной плоскости. В соответствии с ориентацией хвостового плавника основной маневр осуществляется в вертикальной плоскости. Так, дельфины способны нырять на глубину до 300 м, киты до 1500 м. При этом вертикально расположенная хвостовая часть благодаря большой площади боковой поверхности обеспечивает высокую маневренность в горизонтальной плоскости. Кроме вертикальных взмахов хвостового плавника при маневрировании в вертикальной плоскости и горизонтальных поперечных колебаний хвостовой части тела, обеспечивающих маневрирование в горизонтальной плоскости, китообразные могут совершать вращательные колебания тела и хвостового плавника относительно продольной оси.

Как и для китообразных, для рыб характерен волнообразный способ передвижения, который наблюдается при числах Re < 108 и, таким образом, охватывает диапазон плавания рыб, разновидностями которого являются угревидный и скомброидный. При угревидном амплитуда бегущей волны постоянна по длине гидробионта (угри, змеи, сарганы, форель), в то время как при скомброидном она переменная по длине. Так, для угревидных рыб весь комплекс, вклю- чающий плавники и тело, является движителем, именуемым волновым. При этом длина пропульсивной волны равна или меньше длины гидробионта, а ее амплитуда соизмерима с поперечными размерами тела, и, как правило, увеличивается от носика до хвоста. Фазовая скорость пропульсивной волны превышает скорость поступательного движения гидробионта и за счет этого создается сила тяги, идущая на преодоление силы сопротивления гидробионта. С увели- чением размеров гидробионта движитель локализуется в хвостовой части, а само тело практически не участвует в создании движущей силы. Такого типа движитель называется машущим плавниковым движителем.