Главная Современные направления развития гидродинамического проектирования корабля
 

Авторизация



Современные направления развития гидродинамического проектирования корабля Печать

Д.т.н. профессор Ю.В. Гурьев

к.т.н. доцент И.В. Ткаченко

033gu001В кораблестроении гидродинамическое проектирование представляет собой важнейший раздел проектирования кораблей и других объектов морской техники. Этот вид проектирования использует законы, методы и средства фундаментальной и прикладной гидродинамики для информационной поддержки принятия проектных, конструктивных и инженерных решений по выбору обводов корпуса и средств управления движением, определения энергетических и гидродинамических характеристик, обеспечения заданного уровня мореходных качеств, скрытности и ряда других свойств.

В гидродинамическом проектировании накоплен колоссальный опыт создания морских объектов различного назначения. Достигнутые успехи базируются на фундаментальных и прикладных научных знаниях, полученных экспериментальным и теоретическим путем с преобладанием до последнего времени физического моделирования. Анализ современных требований и задач проектирования показывает, что традиционные методы уже не могут обеспечить их решение в необходимом объеме и качестве. Требуются новые подходы, средства и методы гидродинамического анализа сложных гидрофизических и других процессов с учетом реальных условий движения объектов и структуры морской среды, турбулентных и волновых течений в их взаимодействии и ряда других факторов. Для обоснования этого утверждения кратко рассмотрим историю и основные тенденции развития гидродинамического проектирования.

Формы обводов гребных и парусных судов были отработаны на основе в полном смысле «натурного эксперимента», который человечество проводило в течение многих тысячелетий. Однако масштабная потребность в научном прогнозировании гидродинамических характеристик кораблей возникла только в 19-ом веке с появлением парового флота и привела к возникновению гидродинамического проектирования корабля, имеющего, таким образом, существенно более короткую историю по сравнению с наукой гидромеханикой, на которой оно основано.

В развитии этого вида проектирования корабля можно выделить четыре основных этапа. Возникновение каждого последующего было обусловлено появлением новых задач и требований, связанных с потребностями флота и кораблестроения. Новые задачи в научном и техническом плане всегда оказывались существенно сложнее задач предыдущего этапа.

Первый этап развития гидродинамического проектирования корабля можно обосновано назвать силовым. Его главной задачей было определение интегральных характеристик – сил и моментов, в первую очередь силы сопротивления воды движению и тяги движителей.

Новой задачей, определившей начало второго этапа, стало прогнозирование локальных гидродинамических характеристик – давлений и касательных напряжений на поверхности и вблизи корпуса корабля и его движительно-рулевого комплекса. Потребность в этом была обусловлена, во-первых, стремлением к улучшению технических и эксплуатационных качеств кораблей (например, снижение сопротивления, в том числе с помощью полимерных добавок и ламинаризации течения, повышение эффективности гребных винтов и крыльев), а во-вторых, необходимостью обеспечения скрытности кораблей (борьба с кавитацией, вихреобразованием и акустическим излучением). Для достижения этих целей знаний только гидродинамических сил было недостаточно, и требовалась ювелирная работа по изменению, например, формы лопастей гребных винтов и крыльев, основанная на анализе локальных характеристик.

Третий этап развития гидродинамического проектирования связан с появлением сложнейшей задачи прогнозирования и анализа физических полей гидродинамической природы, причем не только их осредненных, но и пульсационных (турбулентных) составляющих. Одновременно возникла необходимость учета реальных гидрофизических условий – стратификации морской воды (переменная соленость, температура, плотность) и пространственно-временной неоднородности естественных полей скоростей и давлений, обусловленной, например, внутренним волнением. Существенно расширились и пространственно-временные масштабы решаемых задач. Гидродинамические поля, такие например, как дальний глубинный и поверхностный кильватерный след, необходимо отслеживать в течение десятков часов и километров.

В настоящее время мы являемся свидетелями становления и развития четвертого этапа гидродинамического проектирования. Его отличает многодисциплинарный подход, при котором гидродинамический анализ интегрируется на уровне моделей и программ в систему инженерного анализа, включающего также динамический, термодинамический, прочностной, акустический, химический, электромагнитный и другие его виды. Такой подход заметно приближает создателей морской техники к реальной природе рассматриваемых процессов и открывает новые, недоступные ранее возможности проектирования технических объектов при комплексном учете одновременно протекающих процессов различной природы.

Каждому этапу развития гидродинамического проектирования соответствует свои методы и средства решения, как новых задач, так и задач предыдущих этапов. Выбор методов и средств определяется современным данному этапу состоянием науки и техники.

На первом этапе практически единственным надежным и доступным методом нахождения гидродинамических сил был физический эксперимент. Для его проведения были построены первые опытовые бассейны, разработаны средства измерения и методики пересчета результатов модельных испытаний на натуру. При этом теоретическое, расчетное определение гидродинамических сил носило вспомогательный характер, и было основано на приближенных моделях течений. В их основу были положены теории крыла бесконечного размаха Н.Е. Жуковского и С.А. Чаплыгина, пограничного слоя Л. Прандтля и линейного волнового сопротивления тонкого судна Мичелла.

Эти теории и модели отличались существенной схематизацией реальных течений, использованием допущений о двумерном, стационарном или невязком их характере. Единственными практически значимыми методами расчета вязких течений на этом этапе были методы теории пограничного слоя, позволявшие, однако, рассматривать только безотрывные течения и прогнозировать лишь одну составляющую вязкостного сопротивления – сопротивление трения.

На втором этапе развития гидродинамического проектирования эксперимент также оставался доминирующим средством анализа. В это время были построены новые экспериментальные установки – кавитационные трубы и бассейны, циркуляционные, ледовые и маневренно-мореходные бассейны, разработаны более совершенные приборы и методы измерений, усовершенствованы методики пересчета результатов опытов на натурный объект. Были освоены экспериментальные методы измерения локальных гидродинамических характеристик, правда, главным образом стационарных.

На этом же этапе в практику гидродинамического анализа начали входить компьютерные технологии. Для решения потенциальных и крыльевых задач стали использоваться методы граничных интегральных уравнений и дискретных вихрей, что позволило снять ряд ограничений математических моделей предыдущего этапа и учесть трехмерность и нестационарность течения, гидродинамическое взаимодействие корпуса и его элементов, наличие в потоке других тел, перейти к решению задач в нелинейной постановке. Появилась возможность выполнять расчеты пространственных толстых пограничных слоев на корпусе, но при тех же, названных ранее принципиальных ограничениях.

Внедрение компьютеров дало возможность перейти к численному прогнозированию некоторых гидродинамических полей, например, первичного гидродинамического поля корабля, полей скоростей в районе подводного старта морского оружия и в диске гребного винта. Однако эти задачи решалась в невязкой жидкости, без учета ряда принципиально важных гидродинамических и гидрофизических факторов.

В полном объеме задача прогнозирования гидродинамических полей была поставлена на следующем, третьем этапе. По своей сложности она превосходила задачи предыдущих этапов, а ее практическое решение возможно только методами физического (модельного и натурного) или компьютерного моделирования.

Сравнительный анализ двух этих видов моделирования выявляет определенные недостатки физического эксперимента. Главными из них являются практическая невозможность одновременного учета ряда определяющих факторов, ограниченное воспроизведение натурных гидрофизических условий и пространственно-временных масштабов, значительные затраты ресурсов и ряд других. Вычислительный эксперимент, основанный на компьютерном моделировании, во многом свободен от этих недостатков и позволяют решать гидродинамические задачи с учетом реальных условий движения и морской среды.

Вместе с тем, математическое моделирование имеет и свои ограничения, главным из которых является несовершенство используемых математических моделей турбулентности. Это ограничение во многом связано с недостаточной производительностью даже самых современных суперкомпьютеров, что требует привлечения не вполне строгих моделей турбулентных потоков, о чем будет сказано ниже. Однако принципиально важным является то, что по мере развития вычислительной техники и совершенствования математических моделей эти ограничения будут ослабевать. Таким образом, вычислительная гидродинамика обладает таким важнейшим качеством, как перспективность.

Возвращаясь к особенностям третьего этапа гидродинамического проектирования, следует указать и на расширение номенклатуры объектов морской техники. Если на первых этапах это были в основном надводные корабли и «ныряющие» подводные лодки, то теперь к ним прибавилось большое число самоходных обитаемых и необитаемых подводных аппаратов различного назначения, буровые и стартовые платформы, суда с динамическими принципами поддержания и другие объекты. Произошли изменения и конструкции надводных кораблей – появились двух и многокорпусные суда.

Для гидродинамического проектирования новой морской техники традиционных подходов и предыдущего опыта стало уже недостаточно. Практика создания объектов, не имеющих прототипов, показала эффективность компьютерного моделирования, позволяющего оперативно выполнять сопоставление различных конструктивных и проектных решений, решать оптимизационные задачи, отвечать на вопрос инженера и конструктора «…а что, если?».

В настоящее время основными методами моделирования турбулентности являются:

  1. Методы прямого численного моделирования – непосредственное интегрирование уравнений Навье-Стокса.
  2. Методы крупных вихрей – интегрирование частично осредненных по объему уравнений Навье-Стокса.
  3. Методы интегрирования уравнений Рейнольдса – интегрирование осредненных по времени уравнений Навье-Стокса.

В этом списке методы расположены по степени адекватности расчета турбулентных течений – наиболее точные результаты можно получить прямым численным моделированием. Однако при практическом выборе методов приходится учитывать их трудоемкость, или вычислительную стоимость.

Так для прямого численного моделирования натурного обтекания корабля при числах Рейнольдса порядка 108-109 необходим компьютер с быстродействием 100 эксафлопс, т.е. 1020 операций в секунду для чисел с плавающей запятой. По различным оценкам такая вычислительная система при существующих темпах роста производительности суперкомпьютеров появится лет через 50. В настоящее время самый мощный суперкомпьютер Tianhe-1A (Китай) имеет производительность почти на 5 порядков ниже требуемой (2,5 петафлопс = 2,5×1015 операций в секунду).

Существенно меньшие требования к производительности компьютеров предъявляют методы крупных вихрей и еще меньшие – методы интегрирования уравнений Рейнольдса. Благодаря своей экономичности последние методы являются основой современного компьютерного анализа в различных областях науки и техники, особенно в авиации, энергомашиностроении и автомобилестроении. Современные высокопроизводительные компьютеры, даже не самые мощные, обеспечивают надежное прогнозирование интегральных и локальных ГДХ технических объектов. Вычислительная стоимость таких расчетов оказывается относительно невысокой, а их использование – экономически целесообразным.

Например, вычислительный кластер Военно-морского инженерного института (рис. 1) с 64 вычислительными узлами и оперативной памятью 64 Гб позволяет выполнять расчеты обтекания морских объектов различного назначения при значениях числа Рейнольдса 5∙107 и выше, что превышает его модельные значения. На рис. 2а представлены результаты расчетов вихревых образований за корпусом и выступающими частями схематизированной подводной лодки, а на рис. 2б – развитие внутренних волн при движении эллипсоида в неоднородной по плотности жидкости, в пикноклине. Графические результаты рис. 3 иллюстрируют процесс компьютерного гидродинамического проектирования фасонного элемента – отвода  – с безотрывным течением, что существенно улучшает гидравлические и эксплуатационные характеристики.

Отличительной чертой четвертого этапа развития гидродинамического проектирования является многодисциплинарный подход, при котором гидродинамические модели и программы объединяются с моделями других физических и не только физических процессов, образуя виртуальную среду инженерного анализа. В настоящее время в качестве таких гидродинамических моделей выступают уравнения Рейнольдса, но в перспективе их постепенно будут вытеснять более совершенные модели крупных вихрей.

Первым шагом в развитии многодисциплинарного анализа в кораблестроении стало создание объединенных моделей гидродинамики и динамики корабля. Уже опубликованы результаты моделирования движения надводных кораблей, подводных лодок и других объектов без использования экспериментальных данных о гидродинамических силах. Необходимые значения этих сил вычисляются в процессе интегрирования уравнений движения объектов. В качестве примера можно указать на расчет движения корабля на волнении с учетом перемещения топлива в его баках. Эта непростая задача динамики корабля и жидкости была полностью решена методами компьютерного моделирования, к сожалению, зарубежными специалистами (результаты представлены на сайте Германского Ллойда).

Многодисциплинарный подход активно используется практически во всех наукоемких отраслях промышленности, где произошло принципиальное изменение технологий инженерного анализа – вычислительный эксперимент во многих случаях успешно заменил экспериментальные и приближенные теоретические методы. Причем, эта тенденция имеет стремление к ускорению и расширению, захватывая все новые отрасли науки и промышленности.

За последние десятилетия изменились сами понятия «инженерный метод» и «инженерный анализ». Еще совсем недавно к инженерным методам и методикам относили в основном приближенные полуэмпирические процедуры расчета ограниченного числа интегральных характеристик, получаемых при существенных упрощающих предположениях. Современный инженерный анализ предполагает детальное компьютерное исследование процессов и явлений на основе полных и строгих математических моделей с получением информации по всем характеристикам, необходимым для  проектирования и эксплуатации технических объектов.

Для эффективного использования современных методов инженерного анализа необходимо наличие:

-         высокопроизводительных вычислительных систем с параллельной обработкой данных - суперкомпьютеров,

-         многодисциплинарного математического и программного обеспечения,

-         квалифицированных кадров, как в области информационных технологий, так и в предметных областях инженерного анализа.

Понимая, что суперкомпьютерные технологии в промышленности, науке и образовании являются «технологическим оружием» XXI-го века, и, оценивая отставание в этой области как угрозу национальной безопасности России, руководство страны поставило задачу создания отечественных суперкомпьютеров.

В этом направлении уже сделаны первые шаги – собран суперкомпьютер «Ломоносов», занявший в момент запуска 12-ое место в рейтинге ТОР500 самых мощных компьютеров мира. В рамках государственной поддержки и развития инноваций и их внедрения, ГК Роснано в мае 2010 года запустило пилотный инфраструктурный проект по практической реализации и отработке технологии выполнения суперкомпьютерных вычислений для инновационных отраслей. В рамках этого проекта предусмотрено создание суперкомпьютера производительностью 1 Петафлопс = 1015 операций в секунду, который помимо оборонных задач будет использоваться для расчетов в сфере атомной энергетики, виртуального проектирования в авиастроении, в космической промышленности и автомобилестроении.

Очевидно, что и для создания высокоэффективной и конкурентоспособной морской техники как гражданского, так и военного назначения необходимо широкое использование предсказательного компьютерного моделирования на базе суперкомпьютеров.

К сожалению, в настоящее время в отечественном кораблестроении отсутствует системный подход к разработке и использованию компьютерных технологий. Можно привести лишь отдельные примеры успешных авторских программ, направленных на решение частных задач, а также указать на использование универсальных коммерческих программных продуктов. Но применение компьютерного моделирования для решения инженерных задач не стало масштабным, принципиально не изменило роль физического моделирования в проектировании кораблей и других морских объектов. В значительной мере это объясняется разрозненностью коллективов разработчиков и отсутствием единого центра управления и координации усилий по созданию программных продуктов для кораблестроения.

Одним из путей широкомасштабного внедрения информационных технологий в кораблестроении может стать создание компьютерной многодисциплинарной среды «Виртуальный корабль», основанной на технологиях управления жизненным циклом изделий от проектирования до утилизации (PLM технологии). Ее составной частью должен стать компьютерный комплекс гидродинамического анализа «Виртуальный бассейн», позволяющий моделировать внешние и внутренние натурные течения с использованием математического и программного обеспечения различной сложности, соответствующей уровню решаемых задач.

Создание такой среды – это задача не одного года и не одной организации. Потребуется объединение усилий специалистов РАН, профильных отраслевых и учебных институтов, проектных бюро, организаций судостроительной промышленности и ВМФ. Их работа может быть организована в рамках целевой программы национального масштаба, включающей разработку программного обеспечения, создание высокопроизводительной вычислительной системы и подготовку кадров.

Реализация высказанных предложений позволит ликвидировать отставание нашей страны в использовании компьютерных технологий в кораблестроении и откроет принципиально новые возможности для создания наукоемких и конкурентоспособных объектов морской техники различного назначения.

 

 

 

 

033gu001Рис. 1. Компьютерный кластер Военно-морского инженерного института

 

 

 

 

 

 

033gu002Рис. 2. Результаты расчетов а) вихревые образования за корпусом и выступающими частями схематизированной подводной лодки, б) поверхности равной плотности, формирующиеся при движении эллипсоида вращения под углом атаки 30 градусов внутри слоя жидкости неоднородной плотности (пикноклин).

 

033gu003Рис. 3. Гидродинамическое проектирование отвода с безотрывным течением: а) расчетная сетка исходного фасонного элемента, б) получение по специальной методике 2D формы отвода с плавным течением, в) 3D компьютерная модель отвода с улучшенными гидравлическими и эксплуатационными характеристиками.

 

Комментарии  

 
+4 #2 Виктор Дубровский 26.03.2011 10:38
Поскольку мне не нравится, вольное или невольное, но введение читателей в заблуждение, а также "исчезновение" критического комментария, попробую его повторить.
Возражение вызывает уже первая фраза статьи:"гидродинамическ ое проектирование является важнейшей частью проектирования кораблей". Судно и корабль в целом являются настолько сложными системами, что никакая единичная подсистема не может являться определяющей; даже рекордные катера, строящиеся для достижения наивысших скоростей, проектируются с учётом комплекса качеств и характеристик. Тем более это относится к кораблям, для которых крайне важны и вопросы живучести и непотопляемости , в том числе - при повреждении, и вместимости, и мореходности, и прочности и т.д. Так что, скажем точнее, проектирование гидродинамическ ого комплекса корабля является важной, но - одной из многих составных частей проектирования.
Как совершенно правильно отмечено в статье, основой проектирования кораблей был многолетний практический опыт. Именно он долго ограничивал класс рассматриваемых в проектировании кораблей форм хорошо обтекаемыми. Поэтому долго не было практических потребностей в сложных теоретических расчётам. Почти полтора века назад зародилась и стала развиваться экспериментальн ая база проектирования кораблей и судов. И её развитие вполне обеспечивает создание новых типов кораблей и вооружения и до сих пор.
Что касается сравнения экспериментальн ых и расчётных методов, то надо отметить, что современный уровень развития методов и оборудования экспериментов делает их совершенно необходимыми для тестирования теоретических расчётов и определения пределов их применимости. Жаль, что, заявляя о невозможности создания новой техники без теоретических расчётов, авторы не привели ни одного примера типа корабля или вооружения, создание которого оказалось невозможным на основании только стандартных или специальных экспериментов - без сложных расчётов обтекания. Мне кажется, таких примеров просто нет...
Таким образом, необходимость развития теоретических методов бесспорна, как и развитие любых научных методов, но современный эксперимент, включая полунатурный, если надо, вполне обеспечивает развитие военно-морской техники.
 
 
+3 #1 Виктор Дубровский 25.03.2011 09:08
Интересно, сразу после опубликования статьи я её комментировал - а комментария этого не нахожу... Цензура, что ли?
 
Разработка сайтов