Магистерский диплом (ВКР) на тему Исследование влияния обрастания на сопротивление морских судов методом CFD

Содержание:

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ. 4
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ.. 8
ИССЛЕДОВАНИЯ.. 8
1.1 Проблема обрастания морских судов- исторический опыт. 8
1.2 Эволюция методов
борьбы с биообрастанием.. 18
Структура факторов проблемы биообрастания. 26
Постановка целей и задач работы.. 29
Выводы по главе 1. 33
ВТОРАЯ ГЛАВА Природа биообрастания
и методология противодействия
БИООБРАСТАНИЮ… 35
2.1 Общие представления о биообрастании судов- особенности
стадий процесса биообрастания. 36
2.2 Особенности океанического биообрастания. 40
2.3 Современные методы   противодействия биообрастанию.. 47
Перспективные решения проблемы биообрастания. 53
Выводы по второй главе. 57
ТРЕТЬЯ ГЛАВА Методы вычислительной
ГИДРОДИНАМИКИ ПРИ РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМЫ ОБРАСТАНИЯ МОРСКИХ СУДОВ.. 58
3.1 Негативные факторы биообрастания судов как предпосылки
постановки задачи применения расчетных методов. 58
3.2 Методы вычислительной гидродинамики — виды и особенности. 60
3.2.1 Современный этап развития представлений о турбулентности. 60
3.2.2 Методы математического моделирования в задачах турбулентных течений. 61
3.2.3 Развитая турбулентность – подходы Белоцерковского О.М. 62
3.2.4 Модели мелкомасштабной турбулентности на основе теории А. Н.
Колмогорова [27] 63
3.2.5 Двумерная турбулентность [25] 64
3.2.6 Прямое численное моделирование (DNS) 65
3.2.7 Модели динамики больших вихрей (LES) и методы отрывных вихрей (DES) 66
3.2.8   Моделирование отрывных вихрей (DES
– Detached Eddy Simulation) 69
3.2.9 Особенности численных методов для решения задач турбулентного
течения сжимаемой и несжимаемой жидкости. 70
3.2.10 Методы параллельного вычисления для задач моделирования
турбулентных течений. 79
3.3 Применение методов вычислительной гидродинамики при
решении проблемы биообрастания  80
Выводы по третей главе. 83
ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА Методология
расчетов влияния шероховатости на сопротивление судов.. 84
4.1 Современные подходы оценки влияния шероховатости корпуса
на сопротивление судна. 84
4.2 Анализ некоторых существенных положений методологии
оценки влияния шероховатости корпуса на сопротивление судна. 99
4.2.1 Исследование закона подобия Гранвилля по экстраполяции
эффекта шероховатости. Методы оценки функции шероховатости. 99
4.2.2 Компоненты сопротивления судна и экстраполяции функции
шероховатости для пластины и корпуса судна. 100
Выводы по четвертой главе. 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 104
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 108

Введение:

Биологическое обрастание корпусов морских судов- многофакторная
комплексная проблема, затрагивающая такие вопросы как обеспечение условий
эффективности функционирования морского флота, маневренноcть современных судов, решение
сопутствующих экологических задач и ряда иных актуальных вопросов. С проблемой  
морского   обрастания человек
столкнулся со времени постройки первых судов и примитивных подводных
сооружений.  В античной литературе
имеются упоминания о способах   защиты от
обрастания. Согласно Раилкину А.И.
биообрастание и колонизация- процесс заселения любой твердой поверхности в
водной среде расселительными формами микроорганизмов, многоклеточных животных
или растений, а также ювенильными и взрослыми формами микроорганизмов. Биологическое обрастание судов
вызывает много отрицательных последствий- ухудшаются гидродинамические
характеристики, и это неизбежно вызывает  
снижение ходовых свойств. В
результате потеря скорости хода  
достигает 50% от номинальной и одновременно ухудшаются показатели
маневренности. Помимо этого, растет расход топлива в связи с необходимостью
поддерживать экономически оправданную скорость перевозки грузов, а также имеет
место преждевременный износ машин и оборудования, что предполагает увеличения
затрат на обслуживание и ремонт судов. По
мнению ряда ученых проблема предотвращения биообрастания не имеет до настоящего
времени убедительных решений, что характеризует эту проблему как имеющую
высокий уровень сложности. С точки зрения научного содержания биообрастание сочетает в себе
биологическую компоненту, а также химико-технологическую задачу создания
эффективных защитных покрытий,

гидродинамическую задачу- движение судна определенной формы с
некоторым накопленным наростом, а также ряд других аспектов. Биологические отложения   характеризуются признаками особого многокомпонентного
экологического сообщества живых организмов, образующихся   на границе
раздела твердой и жидкой фазы. На основе рассмотрения   исследований многих авторов   показано, что биообрастание представляет собой
сложный природный процесс, в основе которого лежит естественная потребность
микроорганизмов в захвате новых жизненных мест обитания, в качестве которых
корпуса ими используется поверхность судов и иные поверхности физических тел. Сложность борьбы с
биологическими поселениями состоит в исключительно высокой приспосабливаемости
систем растительного и животного происхождения к металлическим корпусам судов. Для защиты судов достаточно
долгое время использовали краски с добавками веществ, подавляющих
жизнедеятельность микроорганизмов, однако ужесточение экологических требований
поставило много новых проблем. Экологические ограничения   привели 
к ситуации, которая  представляет
опасность с точки зрения серьезной потери конкурентоспособности морского флота,
поскольку в отсутствии средств эффективной защиты активизируются негативные
последствия биологических отложений. Вынужденный отказ от радикальной технологии защиты от биообрастания привел
к тому, когда актуальными стали вопросы разработки новых истодов и технологий.  В частности, ведутся исследования по созданию
технологии покрытий, в которых отсутствуют экологически опасные компоненты.  В случае применения эффективных   противообрастающие покрытия могут быть
достигнуты значительные показатели в экономии топлива и снижению выбросов
вредных веществ в атмосферу. На
современном этапе все более активно используется экспериментальные методы
гидравлических испытаний на образцах и моделях небольших размеров, при этом происходит
усложнение методической части за счет применения вариативных покрытий, имитирующих
неоднородность реального судна. Так же имеет место совершенствование
научно-технических подходов за счет применения методов вычислительной
гидродинамики и иных расчетных методов Актуальность темы исследования продиктованы обстоятельствами:

— проблема
биообрастания судов относится к одной из древнейших, но с времен появления этой
проблемы до нынешнего периода решение указанной проблемы по ряду аспектов еще
не выработано;

— с
практической точки зрения   биообрастание
судов вызывает широкую гамму негативных последствий на хозяйственную
деятельность человека- коррозию, потерю хода и маневренности, рост затрат на
мероприятия по защите судна, утрату конкурентоспособности и др.;

— для
решения проблемы биообрастания судов используется сочетание экспериментальных и
теоретических подходов, разнообразный методологический инструментарий и
востребованы становятся такие сложные методы как вычислительная гидродинамика,
что характеризует проблему биообрастания судов как неординарную научно-
техническую задачу.

Значимость проблемы биообрастания
судов продиктована таже широтой распространения биообрастания и тенденциями по
развитию этого феномена, укрепившиеся в последние годы. К числу объектов с явными
признаками биообрастания относятся морские суда, портовые сооружения, водоводы
и трубопроводы, системы навигационного оборудования, подводные аппараты,
гидротехнические сооружения и др. Малой
устойчивостью к биообрастанию обладают не только внешние поверхности судна или
иных объектов, но внутренние поверхности систем водяного охлаждения, цистерн
различного назначения и другого оборудования, обслуживание которых предполагает
значительных   объемов работ по очистке, дезинфекции и других
сопутствующих работ. Оценки мировых потерь от биообрастания исчисляется
десятками млрд долларов США в год.

 Распространение биологических колоний носит в
Мировом океане повсеместный характер, и затрагивает как поверхностные, так и
глубинные слои водной среды. Тенденцией
последних десятилетий стала экспансия биологических отложений во   внутренние
водоемы и их закрепление на новых пространствах. Степень разработанности проблемы может
быть охарактеризована как достаточно высокая, при этом в последние годы
можно отметить усиление интереса к этой проблеме. Основные вопросы, на которых
сконцентрирован интерес исследователей сводится к следующему:

— исследование биообрастания как природного- техногенного
явления;

— методы и технологии противодействия биообрастанию;

— оценки экологических последствий использования
защитных мероприятий от биообрастания и выработка методических рекомендаций по
ограничению технологий с опасными экологическими последствиями;

— разработка методов гидродинамических испытаний
опытных образцов и моделей с целью получения данных для проектирования
полномасштабных судов;

— разработка расчетных методов с использованием
подходов вычислительной гидродинамики

для
повышения достоверности экспериментальных данных при проектировании
полномасштабных судов. Цель работы- исследование
влияния биообрастания на сопротивление морских судов методом CFD. Задачи
работы:

— провести анализ состояния вопроса и
сформулировать цель и задачи исследования; — составить и проанализировать данные по природе
биообрастания и методов противодействия биообрастанию; — рассмотреть методы вычислительной гидродинамики при
решении проблемы биообрастания;

— проанализировать
методологию расчетов влияния шероховатости на сопротивление судов. Теоретическая и методологическая
(используемые методы анализа) основа исследования:

— методы анализа сложных систем;

— системный
анализ;

— материаловедение
и технология материалов;

— методы
моделирования и оценки характеристик биотехногенных систем;

— методы
вычислительной гидродинамики Объект
исследования-
биообрастание как сложная биотехногенная система, включающая биологические
отложения, негативные проявления и методы предотвращения и управления биообрастанием. Предмет исследования-совокупность методов и факторов, с помощью которых можно
управлять процессами биообрастания. Практическая значимость работы состоит в системно
выработанной методологии исследования биообрастания и методов   оценки
влияния шероховатости корпуса на сопротивление судна. Объем, структура и содержание
работы-работа изложена на 112 страницах, содержит 49 рисунков и 7 таблиц.
Библиография 75 наименований.

Заключение:

В настоящей работе поставлена
задача исследования влияния обрастания на сопротивление морских судов методами вычислительной
гидродинамики. В ходе
исследования последовательно рассматривали вопросы:

— анализа
состояния вопроса и обоснования цели и задач исследования; — составления и анализа данных по природе биообрастания
и методов противодействия биообрастанию; — изучения
методов вычислительной гидродинамики при решении проблемы биообрастания;

— методологии расчетов влияния шероховатости на
сопротивление судов. На
основе рассмотрения перечисленных выше вопросов показано, что биообрастание
представляет собой сложный природный процесс, в основе которого лежит
естественная потребность микроорганизмов в захвате новых жизненных мест
обитания, в качестве которых корпуса ими используется поверхность судов и иные
поверхности физических тел.

Сложность
борьбы с биологическими поселениями состоит в исключительно высокой
приспосабливаемости систем растительного и животного происхождения к
металлическим корпусам судов. Для защиты судов достаточно долгое время
использовали краски с добавками веществ, подавляющих жизнедеятельность
микроорганизмов, однако ужесточение экологических требований поставило много
новых проблем. Вынужденный отказ от радикальной технологии привел к ситуации, когда  актуальными стали вопросы разработки новых
истодов и технологий. По итогам работы сделаны выводы следующего
содержания:

1.На основании анализа данных по проблеме
обрастания   морских судов можно указать
на ряд существенных обстоятельств:

— проблема   морского  
обрастания сопровождает цивилизацию со времени постройки первых судов и
примитивных подводных сооружений до настоящих дней;

— биологическое
обрастание судов вызывает много отрицательных последствий, которые формируют условия для снижения в значительных
пределах как технической, так и экономической эффективности флота;

— процессы   структурообразования при колонизации имеют
ступенчатый характер, при этом основополагающее значение имеет первоначальный
период, когда в результате конкурентной борьбы определяются виды, захватывающие
свободное пространство как жизненную территорию;

— фундаментальная сторона
биообрастания как фактора затруднения движения судна состоит в смене характера
обтекания жидкостью поверхности судна. Методы гидродинамики широко используются при решении ряда расчетных задач
биообрастания;

— как научно-
технологическая и методологическая проблема биообрастания имеет междисциплинарный характер и в качестве предмета исследования направлена на
изучение процессов на границе раздела металлический корпус- развивающаяся
система растительного и животного происхождения.

2.На основании   анализа   методов борьбы с биообрастанием можно
отметить следующие обстоятельства:

— на протяжении
исторического периода протяженностью более 2700 лет были опробованы разные идеи
-защитные смазки (смола, воск, битум и др.); разные материалы обшивки- медь,
свинец, дерево), и с 1860 г. г. наступает период красок с постепенным
услужением состава; — современный этап развития методов борьбы с
биообрастанием связан с широким использованием химических технологий на основе лакокрасочных
многослойных композиций;

— при
использовании эффективных   противообрастающие
покрытия могут быть достигнуты значительные показатели в экономии топлива и
снижению выбросов вредных веществ в атмосферу;

— вместе
с тем следует указать на принципиальную мировую установку на приоритет
экологических требований, что вносит значительные коррективы в сложившиеся
ранее тенденции развития методов защиты от биообрастания;

— одной
из последних тенденций стало индивидуализация технологий защиты от
биообрастания под конкретное судно

3. Разработана обобщенная блочная модель структуры биообрастания.   Обобщенная структура биообрастания состоит
трех основных блоков: биологические отложения, негативные проявления и методы предотвращения и управления биообрастанием. Четвертый блок- систематические
знания — научно-технические, технологические, методологические, моделирование и
расчет. 4.На основании анализа данных по
изучению особенностей океанического биообрастания можно отметить ряд
существенных моментов:

— систематическое
изучение океанического биообрастания началось существенно позднее прибрежного
морского биообрастания;

— к числу основных свойств   сообществ океанического биообрастания
относится олигомикстность с  
преобладанием в них видов Lepadidae с очень большой скоростью
роста, а также тем обстоятельством, что в
сообществах важнейшая роль отводится хищникам;

— методами математического моделирования
взаимоотношений основных организмов сообществ океанического биообрастания
показано, что крабы и особенно рыбы –главные факторы определяющие качественную
и количественную стороны биоценозов океанического биообрастания- функцию
регуляции биомассы колонизаторов;

— фактор
экспансии агрессивных чужеродных видов в морские и океанические пространства
способен оказать воздействия различной силы на каждый элемент структуры
биообрастания.

5. По результатам изучения современных методов
противодействия биообрастанию можно сделать ряд существенных моментов:

— предложена классификация методов противодействия биообрастанию по
групповому признаку-физические, химические, биологические и комплексные;

— тенденции в развитии современных методов противодействия биообрастанию в
значительной степени складываются под воздействием   экологических требований, что вносит
значительные коррективы в сложившиеся ранее тенденции развития методов защиты
от биообрастания;

— под давлением экологических ограничений актуальными становятся разработки
таких технологий защиты, при которых негативное воздействие на окружающую среду
сводится к минимуму, в частности, противообрастающих покрытий с малотоксичными
биоцидами;

— постепенно усиливается такое направление совершенствования методов
противодействия биообрастанию как сочетание различных подходов, за счет чего
достигается повышение эффективности мер защиты.

6. Разработана схема управления защитой объекта на
основе информационного сопровождения

 7. 
Показано, что с точки зрения моделирования и расчета биообрастание
представляет собой крайне сложную динамическую систему. Биообрастание- многофакторная динамическая
биологическая и техногенная система, находящаяся в поле действия таких
воздействий как водная среда с местным сообществом микроорганизмов с
определённой способностью к колонизации, одновременно водная среда, описываемая
параметрами, влияющими на биообрастание- соленость, состав и др.; погодно- климатические факторы, фактор
применяемых мер защиты от биообрастания, факторов, характеризующих состояние
объекта защиты и иных факторов.

8. На основе представленных данных по методам
вычислительной гидродинамики можно отметить следующие обстоятельства:

— современный этап развития представлений о
турбулентности характеризуется использованием таких инструментов как теория
динамических систем; математического моделирования; интеллектуальных экспертных
систем и передовых методов решения сложных дифференциальных уравнений в частных
производных с применением суперкомпьютеров;

— в рамках статистической теории турбулентности
разработано большое число моделей, развитие которых связано в значительной
степени с применением и совершенствованием численных методов, а также теории
динамических систем и других подходов. Вместе с тем, ряд новых идей,
предложенных Белоцерковским О. М., ставят под сомнение сам подход на основе
расчета усредненных характеристик потока из линеаризованных уравнений;

— для решения
сложных задач турбулентности получают развитие комплексные методы, сочетающие
многосеточные технологии, параллельные вычисления, модели динамики больших
вихрей (LES) и отрывных вихрей (DES), прямое численное
моделирование (DNS)  и др.
инструменты.

9. По результатам представленных
данных исследований по влиянию шероховатости корпуса на сопротивление судна
можно сделать выводы:

— в
основе методологии исследований по влиянию шероховатости корпуса на
сопротивление судна лежит выполнение лабораторных испытаний при буксировке
элементов- плоской пластины и модели
судна как с гладкой, так и с искусственно загрубленной поверхностью;

— при
выполнении моделирования и расчета оценки влияния шероховатости корпуса на
сопротивление судна широко используется закон подобия Гранвилля по
экстраполяции эффекта шероховатости;

— в
качестве расчетных параметров используются система показателей сопротивления
плоской пластины и модели судна как с гладкой, так и с искусственно
загрубленной поверхностью;

— по
результатам было достигнуто лучшее согласие с  
функцией шероховатости  
Никурадсе, чем с монотонной функцией  
Коулбрука;

— вместе
с тем, спорной остается правомерность отнесения лабораторных испытаний на
натуральные объекты.

10. Усовершенствованная методология оценки влияния
шероховатости корпуса на сопротивление судна за счет включает методы
вычислительной гидродинамики и вариативную (гетерогенную) схему шероховатости
корпуса с плавным ступенчатым переходом от гладкой к загрубленной поверхности.
Упомянутая методология представляет собой гибкий инструмент решения проблемы
оценки влияния шероховатости корпуса на сопротивление судна, позволяющий
сделать еще один шаг в движении от модельных к реальным объектам.

11. Наряду со значительным прогрессом, достигнутым авторами
цитированных источником, можно отметить, что из их рассмотрения выпал вопрос о
правомерности моделирования биологических отложений керамическим материалом.

Фрагмент текста работы:

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ В настоящей главе рассмотрены вопросы:

— общие
представления о проблеме обрастания морских судов;

— эволюция
методов борьбы с биообрастанием;

— структура факторов проблемы биообрастания;

— постановка целей и задач работы. Указанные вопросы затронуты преимущественно
в общей форме, тогда как более подробное их исследование будет дано в следующих
главах.

1.1 Проблема
обрастания   морских судов- исторический
опыт С проблемой   морского   обрастания человек столкнулся со времени постройки
первых судов и примитивных подводных сооружений.  В античной литературе имеются упоминания о
способах   защиты от обрастания. В литературе термины биообрастание и
колонизация используются как синонимы.

Согласно Раилкину А.И. биообрастание и
колонизация- процесс заселения любой твердой поверхности в водной среде рассели
тельными формами микроорганизмов, многоклеточных животных или растений, а также
ювенильными и взрослыми формами микроорганизмов [1]. Биологическое
обрастание судов вызывает много отрицательных последствий- ухудшаются гидродинамические характеристики, и это
неизбежно вызывает   снижение ходовых свойств. В результате потеря скорости хода   достигает
50% от номинальной и одновременно ухудшаются показатели маневренности. Помимо
этого, растет расход топлива в связи с необходимостью поддерживать экономически
оправданную скорость перевозки грузов, а также имеет место преждевременный износ
машин и оборудования, что предполагает увеличения затрат на обслуживание и
ремонт судов [2].  На рис.1.1 приведена зависимость
расхода топлива от шероховатости корпуса, из которой следует, что уже при
небольших величинах отмечается существенное падение скорости судна.