Источник: Создание тяги судов путём изгибных колебаний элементов поверхности корпуса Студенты гр. 7КС: Беляев В.А., Кузнецов Д.С. Научный руководитель: Чижиумов С.Д.

В ходе серии опытов, проведенных в США, рыба - парусник проплыла 91 м за 3 с, что равноценно скорости 109 км/ч.

Постановка проблемы Поверхностное противоречие Уже лет двести тому назад стало ясно, что как весло, так и гребное колесо менее эффективны, чем движительные приспособления рыб. Копируя их хвостовой плавник, инженеры и не заметили, как получили гребной винт. Его совершенствовали, усложняли, под него подгоняли теории, а винтовое судно и поныне продолжает оставаться недостаточно эффективным, поскольку и его движитель уступает созданному природой. Совершенствование гребного винта не решение проблемы, а лишь постоянное напоминание о существовании Парадокса Грея. Но как можно скопировать движительные приспособления дельфинов и рыб, когда до сих пор не выяснено, как именно они работают? АРИЗ* 1. Аналитическая стадия * В работе использованы элементы АРИЗ Г.С. Альтшуллера

Системный анализ проблемы Развитие движителей традиционных типов (гребное колесо, винт, водомёт, жёсткие крылья) достигло вершины. Дальнейшее их совершенствование не приводит к существенным улучшениям. Заканчивается этап их эволюции. Следующим этапом должно быть качественное изменение. Закон перехода в надсистему. Даже достигая 100% к.п.д. движителей, проблема ходкости принципиально не решается ввиду большого сопротивления воды движению судов. Следовательно, необходимо выйти на уровень надсистемы, рассматривая не движитель (пытаясь повысить его эффективность) и не корпус судна (пытаясь снизить сопротивление движению) а их совместную работу. Закон перехода к управляемым ресурсам. Развитие кораблей идет в направлении применения ресурсов с более высоким уровнем организации, например, более управляемых веществ и полей. Пока управление применяется и совершенствуется применительно только к работе движителей (ВРШ, Азипод и др.). Управлению гидродинамическими силами на поверхности судна уделяется недостаточное внимание. Закон увеличения степени динамичности систем. У судов с традиционными движителями динамичность проявляется только при движении рабочих поверхностей (лопастей) движителей. Обтекание же всего корпуса судна стационарное. Следовательно, необходимо перейти к нестационарному режиму обтекания поверхности судна.

Постановка проблемы Идеальный конечный результат Силы сопротивления движению судна равны нулю, тяга движителей максимально возможная (К.П.Д. = 100%).

Судовые движители включают в себя быстро движущиеся, относительно скорости самого судна, рабочие поверхности. На рабочих поверхностях движителей создаётся высокая разность потенциала скорости (=> скорости и давления), что приводит к снижению эффективности их работы (большие вихревые потери, кавитация). Если уменьшить скорость движения рабочих поверхностей, то для создания такого же упора потребуется увеличить их площадь, что приведёт к росту сопротивления трения. Постановка проблемы Углублённое противоречие 1 Концы лопастей винта движутся с очень большой скоростью, что приводит в воде к срыву обтекания и образованию кавитации. Кроме того, появляются другие проблемы: громоздкость и сложность привода (гребные колёса – характерный пример); недостаточная прочность.

Постановка проблемы Углублённое противоречие 2 Объёмный удлинённый корпус судна при обтекании водой создаёт систему скоростного давления, когда на большей части длины оно отрицательное. В результате формируется тормозящий турбулентный пограничный слой и значительно растёт сопротивление трения (в носу, где давление положительное, обтекание ламинарное). Если же длину корпуса уменьшать, то существенно растёт сопротивление формы в результате неизбежного образования срывов потока и крупных вихрей, а также из-за образования волнового следа.

Постановка проблемы Обострённое противоречие 1 Упор сконцентрирован в районе движителя – почти в точке по сравнению с размерами судна. Так как вода не является твёрдым телом, то эффективно оттолкнуться от неё, прикладывая сосредоточенное усилие, сложно (кавитация и пр.). Должна быть увеличена площадь несущих поверхностей движителя. Но с их увеличением образуются тормозящие вихри, растёт сопротивление трения. Это сопротивление складывается с сопротивлением корпуса судна. Таким образом, должна быть большая несущая поверхность движителей (для создания упора) не должно быть поверхности движителей (для исключения сопротивления движению).

Постановка проблемы Обострённое противоречие 2 Корпус судна (любой формы) мешает движению судна - он создаёт только сопротивление движению. Но он не может быть исключён, так как он определяет основную функцию судна (размещение и транспортировку грузов или пассажиров). Таким образом, корпус судна должен быть его не должно быть (точнее, не должно быть его поверхности, создающей сопротивление трения и формы )*. Здесь мы не будем рассматривать один из известных путей разрешения этого противоречия (СДПП). Мы пойдём другим путём, - тем более что нам нужно разрешить ещё и противоречие 1).

движитель – создаёт тягу. Площадь малая – увеличить. корпус – создаёт сопротивление. Площадь большая – вред.

2. Оперативная стадия После прохождения нескольких шагов АРИЗ на оперативной стадии, которые приводили к некоторым уже известным решениям, мы подошли к следующему шагу. Проверка возможности изменений в соседних объектах: удаление одного объекта за счёт передачи его функций другому объекту. Решение 1 (известное): убрать из воды корпус, передав его функцию (поддержание) несущим крыльям (СПК) или др. элементам (СВП, …). Решение 2 (предлагаемое): убрать традиционные движители, передав их функцию корпусу: Таким образом, корпус судна должен создавать тягу. Аналог из природы – рыба. Вытекающая проблема: как создать тягу поверхностью корпуса?

До двадцатых годов ХХ века существовала так называемая плавниковая теория перемещения рыб. На смену ей пришла волновая теория. Теории были созданы, но практикой, опытом справедливость их доказать не удавалось. Высказывается также мнение, что движитель типа рыбий хвост отталкивается от водной среды. Сила тяги может иметь разную природу: - - вихревая (на лопастях винта); - - инерционная; - - реактивная; - - упругая. Большинство известных движителей - вихревые или реактивные. Рыбы, змеи и ужи в воде используют преимущественно силы инерции. Поперечные сечения их тела совершают управляемые движения с переменной величиной ускорения, формируя изгибные колебания. Образующиеся при этом силы инерции пропорциональны ускорениям и массе. Масса включает массу тела и присоединённую массу воды. При этом чем больше площадь поверхности, испытывающей поперечные колебания, тем больше присоединённые массы.

Таким образом, для создания тяги непосредственно корпусом судна, он должен создавать изгибные колебания значительной амплитуды. Оптимальные амплитуды, частоты и формы изгибных колебаний поверхности корпуса должны определяться на основе математической модели. Необходимо также: - - разработать модели и законы управления изгибными колебаниями; - - определить материалы упругого корпуса; - разработать механизмы возбуждения колебаний.

Идея смоделировать движение рыб не является новой. Существуют разные изобретения в этом направлении. Однако их реализация наталкивается на трудно преодолимые препятствия, такие как: большие перегрузки, вызывающие морскую болезнь, дополнительные инерционные нагрузки от давления груза на корпусные конструкции, отсутствие технологий изготовления тех или иных требуемых материалов. Модель подводного судна с волновым движителем

Корпус судна должен испытывать изгибные колебания значительной амплитуды, но не должен создавать большие перегрузки, вредные для пассажиров и экипажа, а также создающие инерционные давления груза на корпус. Новое противоречие Применяя некоторые из 40 типовых приемов устранения технических противоречий получаем следующие возможные варианты решения: груз и пассажиры, другой(ие) – создают тягу). - уменьшить длину изгибных волн; - создавать изгиб не всего корпуса, а его обшивки или перекрытий; - - разделить корпус на две разные по функциям части (в одном корпусе –

Предлагается использовать в качестве движителя судна упругое днище. Областью применения такого движителя в ближайшем будущем могут стать в первую очередь маломерные суда (особенно надувные, с гибким корпусом). Один из возможных предлагаемых нами вариантов системы:

Изгиб подводных корпусов, работающих в противофазе, обеспечивает стабилизацию надводного корпуса. Движение автоматически управляется интеллектуальной системой. горизонтальные растягивающиеся и сжимающиеся крылья, вызывающие изгиб подводных гибких корпусов стойки

Спасибо за внимание

Английские инженеры высказали мысль о возможности дешевой перевозки нефти по морю в мягких емкостях ("нейлоновых нефтяных баржах"). Было обнаружено, что если не принять надлежащих мер предосторожности, то емкость совершает чрезвычайно сильные колебания: вместо того чтобы послушно следовать за буксиром, она подобно змее предпочитает двигаться зигзагом.

Волновые деформации кожи дельфина, стремительно бросающегося на добычу, и тела пловчихи, буксируемой под водой со скоростью свыше 4 уз. Модель подводного судна с волновым движителем Дельфины в фосфоресцирующей воде турбулентный погранслой (тёмный) ламинарный погранслой