Создание многокорпусных судов часто выходит за рамки возможностей традиционных методов проектирования. Это связано с тем, что для оптимизации таких характеристик как волновое сопротивление, дальность плавания, остойчивость и мореходность требуется сложный расчёт методами вычислительной гидрогазодинамики (CFD – computational fluid dynamics). В этой статье мы познакомим вас с использованием Ansys Fluent в проекте компании KUASAR MARIN Engineering Inc. – высокоскоростном трехкорпусном пассажирском судне, которое может стать серьёзным конкурентом двухкорпусным катамаранам.
С какими проблемами основного варианта конструкции мы столкнулись
Первые итерации проектирования дали результат, сравнимый с обычным катамараном по размерам и водоизмещению. Этот основной вариант конструкции мы проанализировали на волновое сопротивление и прочие характеристики потока при скорости 27 узлов, используя расчетный модуль Ansys Fluent, полученный в рамках программы поддержки новых предприятий Ansys Startup Program.
Результаты расчёта, представленные на рисунке 1, помогли выявить три основные проблемы конструкции:
- Подсос воздуха в каналы гребных винтов (проблемные зоны обведены красным на рисунке выше).
- Недостаточная глубина погружения боковых корпусов из-за понижения свободной поверхности в кормовой части судна. Несмотря на то, такая глубина погружения снижает сопротивление трения, это также уменьшает стабилизацию и увеличивает чувствительность к крену.
- Большая амплитуда расходящейся от носа центрального корпуса волны и её влияние на боковые корпуса.
Решение проблем подсоса воздуха к винтам и влияния носовой волны
Для решения вышеописанных проблем мы провели итерационные CFD-расчеты, изменяя форму корпуса. Чтобы ускорить расчёты модификаций конструкции, для начала мы убрали боковые корпуса и надпалубную конструкцию, так как на подсос воздуха и проблемы с носовой волной преимущественное влияние оказывала форма центрального корпуса.
На первом этапе мы создали Вариант 1 центрального корпуса, изменив форму скулы и носовой части. Полученная в результате CFD-расчёта свободная поверхность и изменённая геометрия судна были с помощью постпроцессора Ansys CFD-Post экспортированы из Ansys Fluent в CAD-программу. Это позволило нам оценить и образмерить трёхмерную картину свободной поверхности в различных областях.
Изменения в кормовой части корпуса в Варианте 1 позволили решить проблему подсоса воздуха, что видно на рисунке 2. А на рисунке 3 можно увидеть сопоставление свободной поверхности для базового варианта конструкции (зеленая) и для Варианта 1 (пурпурная), а также заметить снижение амплитуды носовой волны, к чему мы и стремились. Однако, поскольку гребень волны всё ещё располагался так, что оказывал бы большое влияние на боковые корпусы, потребовались дополнительные правки геометрии, чтобы «отвести» волну подальше от носа корпуса.
Далее был разработан Вариант 2 конструкции, в котором мы изменили форму сечений корпуса, чтобы подвинуть носовую волну вперед. На рисунке 4 показано сравнение результатов для двух вариантов. Амплитуда носовой волны для Варианта 2 изменилась несущественно, но гребень волны подался вперёд, как и планировалось.
Решение проблемы погружения боковых корпусов
Теперь, когда мы решили проблему с подсосом воздуха в каналы гребных винтов и добились лучшего образования носовой волны, мы приступили к решению следующей проблемы – недостаточного погружения боковых корпусов. Для этого мы создали новую полную модель на основе Варианта 2 центрального корпуса и пониженных боковых корпусов, погружённых ниже рассчитанной свободной поверхности. На Рисунке 5 показаны результаты расчёта конструкции с боковыми корпусами, погруженными в воду на оптимальную величину.
Устраняем чрезмерное брызгообразование, тем самым снижая сопротивление трения
Мы решили три главные проблемы конструкции, и теперь можем сосредоточиться на брызгообразовании, которое увеличивает сопротивление. На Рисунке 6 отмечены проблемные зоны, в которых из-за образования брызг наблюдаются высокие амплитуды носовой волны на центральном и боковых корпусах. Эта проблема решилась, когда мы добавили брызгоотражатели.
Благодаря возможности Ansys Fluent экспортировать полученную сетку свободной поверхности, мы смогли создать геометрию брызгоотражателей сложной пространственной формы в CAD-программе. На рисунке 7 показана CAD-модель конструкции с добавленными брызгоотражателями, мы назвали её «Вариант 3».
На Рисунке 8 показаны улучшения, которых мы добились благодаря брызгоотражателям. Как вы видите, они уменьшают брызгообразование и уводят его от корпусов, тем самым уменьшая сопротивление трения.
Сравнение окончательного варианта конструкции с базовым вариантом
На рисунке 9 мы видим сравнение волнообразования и взаимодействия корпусов для Варианта 3 (окончательного) и базовой версии. Из основных улучшений: устранен подсос воздуха к гребным винтам; боковые корпуса погружаются на требуемую величину, что улучшает поперечную стабилизацию (вклад боковых корпусов в поперечный момент инерции площади ватерлинии вырос на 97%); амплитуда носовой расходящейся волны относительно ватерлинии в состоянии покоя уменьшилась на 18%; гребень носовой волны отодвинут дальше от боковых корпусов.
На Рисунке 10 красным цветом показаны смоченные поверхности окончательного варианта конструкции. Влияние брызгоотражателей на центральный корпус хорошо видно в его носовой части, где смоченная поверхность не поднимается выше отражателей. Гребные винты теперь достаточно погружены: подсос воздуха отсутствует, обеспечен достаточный поток воды. Также заметно влияние брызгоотражателей на внутренних поверхностях боковых корпусов: они успешно ограничивают смоченную поверхность. На наружной поверхности боковых корпусов присутствует небольшая зона с подсосом воздуха, но она не оказывает существенного влияния на стабилизацию и величину сопротивления. Из-за полного погружения боковых корпусов площадь смоченной поверхности окончательной конструкции стала на 1% выше, чем для базового варианта. При этом стоит отметить, что добавление брызгоотражателей привело к уменьшению смоченной поверхности на 3% по сравнению с Вариантом 2.
Вывод
Подводя итоги, можем с уверенностью сказать, что Ansys Fluent – эффективный инструмент для разработки нетиповых судов, которые нельзя построить, используя только классические инженерные подходы и методы проектирования. Для эффективного проектирования и улучшения конструкции многокорпусных судов необходимо оценивать не только сопротивление, но и прочие характеристики потока. Передовые расчётные технологии позволили проектировщикам устранить недостатки конструкции ещё на ранней стадии проектирования, сэкономив ресурсы и обеспечив быструю обратную связь при внедрении улучшений. Расчёты также позволяют дать количественную оценку эффекта от предлагаемых изменений, что помогает понять, какие именно изменения стоит вносить. Старт-ап программа Ansys Startup Program дала возможность задействовать в этом проекте расчетный модуль Ansys Fluent, и мы смогли уменьшить сопротивление тримарана как минимум на 10% по сравнению с корпусом типа «катамаран». Полученная концепция трехкорпусного судна может стать основой нового продукта для наших заказчиков, далее мы можем его дорабатывать уже с учетом их специфических потребностей.
Если вы хотите узнать больше о возможностях моделирования кода Ansys Fluent и хотите узнать подходит ли ваша компания/проект условиям программы Ansys Startup Program – обратитесь к официальному дистрибьютеру Ansys в Украине, компании Софт Инжиниринг Групп https://www.ansys.soften.com.ua.
Рекомендуется подписаться на Fb страницу: https://www.facebook.com/ansysukraine
Нам важно получить от вас обратную связь – это поможет нам лучше подготавливать материалы. Оставляйте свои комментарии, вопросы и предложения под статьей или можете написать на E-mail: info@soften.com.ua
Источник: www.ansys.com
