Разработка метода экспериментального исследования интенсивности осевого вихря
Введение
Явление кавитации уже давно известно в современной гидродинамике. Кавитация – это нарушение сплошности жидкости в зонах потока с низким давлением, сопровождающееся образованием кавитационных каверн. Под кавернами понимаются пустоты, заполненные при кавитации в воде насыщенным водяным паром или смесью пара с сатурированным из жидкости воздухом. В современной практике принято выделять несколько типов кавитации, в том числе и кавитацию осевого вихря. Явление кавитации осевого вихря до настоящего времени не является окончательно изученным явлением. Влияние таких факторов, как форма кормового обтекателя и геометрия лопасти винта, также являются не до конца изученными. Данная работа представляет собой исследование особенностей влияния вышеперечисленных факторов на интенсивность осевого вихря открытого гребного винта. Успешное практическое решение проблемы, позволяющее «разбивать» осевой вихрь, тем самым снижая риск возникновения кавитации – применение крестовины на обтекателе – приостановило исследования в этой области. Однако, стоит отметить, что крестовина заметно повышает уровень кромочного шума гребного винта на отдельных диапазонах частот, также существуют судовые движители, на которых доработка кормового обтекателя является экономически нецелесообразной или невозможной ввиду, например, ограничений по габаритам движителя.
Содержание
Введение. 2
Глава 1: теоретические основы кавитации. 6
1.1 Эффект кавитации в судовой акустике. 6
1.2 Виды кавитации. 7
1.3 Пагубные последствия кавитации. 12
1.4 Методы экспериментального исследования кавитации гребных винтов 20
1.5 Осевой вихрь. 26
1.6 Методы борьбы с осевым вихрем. 26
Глава 2: Разработка метода экспериментального исследования интенсивности осевого вихря 34
2.1 Кавитационные трубы.. 34
2.2 Трубка Пито-Прандтля. 36
2.3 Преобразователь давления. 41
2.4 Стенд исследования интенсивности осевого вихря. 42
2.5 Методика проведения испытаний. 43
Глава 3: Эксперимент. 50
3.1 Испытуемые модели гребных винтов. 50
3.2 Планирование эксперимента. 55
3.1.1. Планирование числа измерений. 55
3.1.2. Планирование частоты вращения модели. 58
3.1.3. Измерение кривых действия. 59
3.1.4. Измерение распределения статического давления P(r) 63
3.1.5. Измерение зависимости статического давления от поступи P(J) в центре осевого вихря 65
3.3 Сравнение результатов измерения гидродинамических испытаний 67
3.4 Сравнение результатов измерения P(r) 69
3.5 Сравнение результатов измерения P(J) 71
3.6 Предложения по дальнейшим исследованиям. 71
Заключение. 73
Библиографический список. 74
Приложение. 77
Список литературы
Carlton J.S. Marine propellers and Propulsion. Elsevier Ltd., MA, USA First edition 1997, second edition 2007, 533 p.
Reynolds O. The causes of the racing of the engines of skrew steamers investigated theoretically and by Experiment // Transactions of the Royal Institution of Naval Architects. 1873. Vol. 14. P. 56-67.
ITTC: Recommended Procedure and Guidelines : 7.5-02-03-03.2. Description of Cavitation Appearances. 2014. 8 p.
Effective measures of eliminating propeller-hull vortex cavitation / Hongbo-Huang, Zhengquing-Dong, Qiugyu-Xue, Sguguan-Huang // Proceedings of the 5-th International Symposium on Marine Propulsors (SMP`17). Espoo, Finland. June 2017.
Huse E. Pressure Fluctuations on the hull induced by cavitating propellers / Norwegian ship model experiment tank; Technical University of Norway. Trondheim, 1972. 44 p.
Huse E. Propeller-hull vortex cavitation // International Shipbuilding Progress. 1972. No. 19(212)
Rayleigh L. On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity // Phil. Mag. 1917. Vol. 34. P. 94-98.
Вознесенский И.Н. Коррозия и эрозия судовых гребных винтов. Ленинград : Судпромгиз, 1949. 148 с.
Георгиевская Е.П. Кавитационная эрозия и методы борьбы с ней. Ленинград : Судостроение 1978. 206 с.
Санитарные нормы вибрации на морских, речных и озёрных судах, утв. 18.05.1973. №1103-73.
Уровни вибраций на морских судах. Санитарные нормы СН 2.5.2.048-96. утв. Пост. Роскомнадзора России №4 от 21.02.1996.
Lewis F.M. Propeller vibration // Transactions of the Society of Naval Architects and Marine Engineers. 1935. Vol. 43. P. 252-285.
Lewis F.M. Propeller vibration // Transactions of the Society of Naval Architects and Marine Engineers. 1936. Vol. 44. P. 501-514.
Holden K.O. [et al.] Propeller blade cavitation as a source of vibrations – full scale experiences // Norwegian Maritime Research. 1974. No 2. P. 2-22.
Достаточно давно в кавитационных трубах применяются бесконтактные методы измерения поля скоростей, в том числе и с помощью лазерно-доплеровского анемометра. Этот метод основан на измерении частоты лазерного излучения, рассеянного движущимися в потоке частицами. Лазерный блок, установленный на координатном устройстве в одном из оптических смотровых окон, является источником монохромного лазерного излучения. В месте пересечения лазерных пучков (в исследуемой точке потока) образуется измерительный объём в виде интерференционного поля. При движении частицы, содержащейся в потоке, она последовательно попадает на освещённые и затемнённые участки интерференционного поля с бегущими полосами, вследствие чего рассеянный свет модулируется с частотой, совпадающей с частотой доплеровского сдвига. Рассеянный свет попадает на фотоумножитель и далее на остальные блоки усиления и обработки сигнала.Большое распространение получили оптоволоконные лазерно-доплеровские анемометры, в которых блок формирования измерительного объёма представляет собой зонд небольших размеров и массой не более 500 г. Излучение к зонду от блока формирования зондирующих лучей подводится по оптоволконному кабелю. Такое построение лазерно-доплеровского анемометра позволяет использовать компактные координатные устройства. Работой анемометра и координатным устройством управляет компьютер, который выдаёт результаты измерения в виде узкополосных спектров, отображающих поле скоростей.Паспортные точностные характеристики лазерно-доплеровских анемометров достаточно высоки: пределы относительной погрешности измерения средней скорости составляют ±0,3%, пределы относительной погрешности измерения пульсационной составляющей скорости в полосе частот до 1кГц равны ±5%.