Семинар по аэромеханике
17.03.10 в комн. 240 в 11 ч.
Прокофьев В.В., Такмазьян А.К., Филатов Е.В.
(НИИ Механики МГУ)
Экспериментальное и теоретическое исследование тяги возникающей при обрушении нелинейных диспергирующих волн над наклонной пластиной.
Аннотация
В Институте Механики МГУ создана экспериментальная установка, преобразующая энергию волнового движения воды в поступательное движение судна (волновой движитель). В данном случае принципиальное отличие от известных схем волнодвижителей состоит в том, что отбор энергии происходит без наличия колебательного движения какой-либо части механизма или судна в целом. Установка представляет собой пластину, закрепленную по вертикали на малой глубине под свободной поверхностью воды, и имеющую небольшой уклон навстречу набегающим волнам. При этом пластина моделирует накат морских волн на мелководье, в процессе которого волны разрушаются из-за мелководного увеличения крутизны их переднего фронта. Масса воды, вовлеченной в процесс обрушения, исключается из волнового движения, в котором происходит постоянное преобразование кинетической энергии жидкости в потенциальную и обратно, - и при падении с высоты гребня приобретает импульс, с которым выносится за пределы пластины. Таким образом, на вертикальной границе некоторого объема, включающего в себя жидкость и пластину, возникает ненулевой поток импульса, при компенсации которого пластина приобретает противоположно направленную тягу. При определенном заглублении и наклоне пластины горизонтальная составляющая тяги пластины направлена против движения волн.
В эксперименте пластина, установленная в волновом гидроканале, была закреплена на тележке свободно передвигающейся по рельсам вдоль канала. При этом наблюдалось движение пластины, как в направлении распространения волн, так и против них, в зависимости от расположения пластины относительно свободной поверхности воды. Были проведены исследования зависимости эффекта движения пластины против волн от параметров волн, а также от угла наклона и глубины погружения пластины. Показано, что для существования эффекта необходимо, чтобы волны обрушивались в области задней кромки пластины.
Целью теоретического исследования является адекватное описание обрушивающихся волн на мелководье для получения оценок возникающего импульса пластины в зависимости от длины и крутизны волн, заглубления и углов наклона пластины. Волновое движение описывается системой уравнений Эйлера с условием отсутствия завихренности. Вводится предположение о малости отношения амплитуды искомых волн к их глубине, и о малости глубины жидкости над пластиной по сравнению с длиной волн, а также о порядке отношения двух введенных малых величин. Двумерные нестационарные уравнения Эйлера для плоских волн сводятся к одномерной эволюционной системе уравнений типа Буссинеска с дисперсией. Указанная система решалась численно с помощью четырехслойной (Адамса-Бэшфорта-Мултона) двухшаговой полунеявной схемы с пересчетом типа “предиктор-корректор”. Рассчитанная эволюция профиля волны хорошо согласуется с результатами экспериментальных наблюдений. Предложена простая методика расчета массы воды, участвующей в обрушении, и оценки потока импульса, возникающего при выносе обрушившейся воды за пределы волнового движения над пластиной. Оценка по порядку совпадает с измеренной в эксперименте силой тяги пластины.
Прокофьев В.В., Такмазьян А.К., Филатов Е.В.
(НИИ Механики МГУ)
Экспериментальное и теоретическое исследование тяги возникающей при обрушении нелинейных диспергирующих волн над наклонной пластиной.
Аннотация
В Институте Механики МГУ создана экспериментальная установка, преобразующая энергию волнового движения воды в поступательное движение судна (волновой движитель). В данном случае принципиальное отличие от известных схем волнодвижителей состоит в том, что отбор энергии происходит без наличия колебательного движения какой-либо части механизма или судна в целом. Установка представляет собой пластину, закрепленную по вертикали на малой глубине под свободной поверхностью воды, и имеющую небольшой уклон навстречу набегающим волнам. При этом пластина моделирует накат морских волн на мелководье, в процессе которого волны разрушаются из-за мелководного увеличения крутизны их переднего фронта. Масса воды, вовлеченной в процесс обрушения, исключается из волнового движения, в котором происходит постоянное преобразование кинетической энергии жидкости в потенциальную и обратно, - и при падении с высоты гребня приобретает импульс, с которым выносится за пределы пластины. Таким образом, на вертикальной границе некоторого объема, включающего в себя жидкость и пластину, возникает ненулевой поток импульса, при компенсации которого пластина приобретает противоположно направленную тягу. При определенном заглублении и наклоне пластины горизонтальная составляющая тяги пластины направлена против движения волн.
В эксперименте пластина, установленная в волновом гидроканале, была закреплена на тележке свободно передвигающейся по рельсам вдоль канала. При этом наблюдалось движение пластины, как в направлении распространения волн, так и против них, в зависимости от расположения пластины относительно свободной поверхности воды. Были проведены исследования зависимости эффекта движения пластины против волн от параметров волн, а также от угла наклона и глубины погружения пластины. Показано, что для существования эффекта необходимо, чтобы волны обрушивались в области задней кромки пластины.
Целью теоретического исследования является адекватное описание обрушивающихся волн на мелководье для получения оценок возникающего импульса пластины в зависимости от длины и крутизны волн, заглубления и углов наклона пластины. Волновое движение описывается системой уравнений Эйлера с условием отсутствия завихренности. Вводится предположение о малости отношения амплитуды искомых волн к их глубине, и о малости глубины жидкости над пластиной по сравнению с длиной волн, а также о порядке отношения двух введенных малых величин. Двумерные нестационарные уравнения Эйлера для плоских волн сводятся к одномерной эволюционной системе уравнений типа Буссинеска с дисперсией. Указанная система решалась численно с помощью четырехслойной (Адамса-Бэшфорта-Мултона) двухшаговой полунеявной схемы с пересчетом типа “предиктор-корректор”. Рассчитанная эволюция профиля волны хорошо согласуется с результатами экспериментальных наблюдений. Предложена простая методика расчета массы воды, участвующей в обрушении, и оценки потока импульса, возникающего при выносе обрушившейся воды за пределы волнового движения над пластиной. Оценка по порядку совпадает с измеренной в эксперименте силой тяги пластины.
2010-03-11
регистрация
наука
экспериментальная база
инновации