Визначення гідродинамічних характеристик моделі суднового руля

Мета роботи: експериментальне визначення залежності від кута перекладки  коефіцієнтів лобового опору С_х = ƒ_l(), підйом- ної сили С_у = ƒ₂() і моменту С_m = ƒ₃() моделі суднового руля, що рухається з постійною швидкістю.

6.1. Теоретичні відомості

Судновий руль являє собою крило кінцевого подовження, роз- ташоване в потоці рідини, що набігає. Він призначений для ство- рення сил, що змінюють напрямок руху судна. Додаткові збурен- ня, внесені корпусом судна й гребним гвинтом у потік рідини, що набігає на руль, змінюють значення сил, які виникають на рулі при його перекладці. Помітно вплинути на ці значення може та- кож наявність вільної поверхні рідини над рулем, розміщення ру- дерпоста перед ним і т. п.

При вивченні сил, які виникають на рулі, спочатку моделюють роботу ізольованого руля, що рухається в незбуреній рідині з по- стійним кутом перекладки  (кутом атаки); потім роблять облік відзначених вище особливостей потоку рідини, що набігає [3].

Проекцію R_x гідродинамічної сили R, яка виникає на рулі при його розташуванні під кутом  до потоку рідини, що набігає, на

напрямок уздовж потоку називають

_y ^{силою опору руля. Проекція R}_y ^цієї

ⁿ ж сили на напрямок, перпендикулярний

R _Ry

_My ^t

x ^R_x ^

V

Рис. 6.l. Схема сил, діючих на руль

швидкості потоку, називається бічною силою руля. Гідродинамічна сила R також створює момент M_y, що діє на

^{балері руля (рис. 6.l).}

Проекції діючої на руль сили та її моменту представляються в безрозмір- ному вигляді. Із цією метою вводяться коефіцієнт опору, коефіцієнт бічної сили і коефіцієнт моменту:

x

_R

_{Сx  2 ;}

R_y

_{C y  2 ;}

M

m

_{C } ^z _,

2

^V _S

2

^V _S

²

^V _Sb

²

де  – щільність рідини, т/м³; V – швидкість потоку, що набігає, м/с; S – площа проекції руля на поздовжню площину, м²; b – довжина хорди руля, м.

У системі координат, пов'язаної з рулем, у якій вісь t направ-

ляється вздовж хорди руля, а вісь n – у перпендикулярному на- прямку, проекції гідродинамічної сили R можна представити у ви- гляді нормальної R_n і тангенціальної R_t складових. У цьому випад- ку вводяться в розгляд безрозмірні коефіцієнти тангенціальної і нормальної проекцій:

С_t 

^Rt _;

_V ²

_S

²

C_n 

^Rn _.

_V ²

_S

²

Уведені коефіцієнти пов'язані між собою залежностями

C_n = C_ycos  + C_xsin ; C_t = C_xcos  + C_ysin .

Величини C_x, C_y, C_m, C_n, C_t називаються гідродинамічними характеристиками ізольованого руля. Їхні значення залежно від кута перекладки для рулів різної форми представляються в довід-

кових посібниках у вигляді таблиць і графіків.

Для розрахунку розмірів руля, параметрів рульової машини й інших характеристик керованості судна найбільший інтерес пред- ставляють значення коефіцієнтів С_y і C_m. Щодо коефіцієнта опору руля C_x, то він разом з коефіцієнтом опору корпусу С зазвичай використовується при розрахунку ходовості судна.

Теорія тонкого крила нескінченного розмаху, що рухається в безмежній рідині з малими кутами атаки, встановлює наступну залежність:

_{де  – кут атаки крила.}

C_y = 2,

Для еліптичного крила кінцевого розмаху, в якого відносне

подовження

^{  l/b}_cеp ^{ l 2 / S , де l – розмах крила; b}

_сер

– середнє

значення хорди крила, ця ж теорія приводить до співвідношення

y

_{C } 2  _. l  ²

^

_{При малих відносних подовженнях крила  діє формула}

y

_{C } ^{2 } _.

_{2  }² _{ 4}

t ()

l,0

0,8

0,6

Вплив тілесності руля на його підйомну силу можна врахува- ти виправленням t(), де  = e/b – відносна товщина руля; e – макси- мальна товщина руля; b – хорда руля. Це виправлення представ- ляється у вигляді графіка, наведе- ного на рис. 6.2.

_{Таким чином,}

^{0 4} 8

^l2 l6 ²⁰

_{, %}

Рис. 6.2. Виправлення, що врахо-

вує вплив тілесності руля

_{C } 2 t(  ) _. l  ²

y



При русі крила під вільною поверхнею рідини проявляється "ефект екрана", що приводить до збільшення бічної сили. Це збільшен- ня можна врахувати, ввівши в розгляд "ефективний розмах"

_{ h }

_{e  }

^l _,

_ ^l _



2,0 l,8 l,6 l,4 l,2

l,0 ₀

0,05

0,l0

0,l5

^h_l^/l

де h_l – відстань верхньої крайки руля від вільної поверхні рідини; l – розмах руля.

Функція  (h_l/l) має вигляд, обу- мовлений графіком, наведеним на рис. 6.3.

При розрахунках сил, діючих на руль, урахування впливу "ефекту

Рис. 6.3. Виправлення, що врахо-

вує вплив вільної поверхні

екрана" виконується шляхом замі-

^{ни в С}_у ^{параметра  на }_е^.