Дослідження впливу вільної поверхні на гідродинамічні характеристики поганообтічних тіл

Abstract

В роботі чисельно та експериментально досліджені особливості взаємодії кругового циліндра і прямокутних призм з вільною поверхнею при малих числах Фруда. Показано, що розвиток вихрової течії і гідродинамічні характеристики тіла в такій системі визначаються відстанню між ним і границею. При наближенні тіла до вільної поверхні його сила опору і нестаціонарні гідродинамічні характеристики (число Струхаля та амплітуда бічної сили) зростають. Також з'являється стаціонарна бічна сила, напрямок якої залежить від форми тіла: для кругового циліндра це - занурююча сила, для прямокутних призм вона може бути направлена вгору. Найбільший опір поганообтічного тіла досягається не тоді, коли воно розташоване безпосередньо під вільною поверхнею, а при певному (критичному) заглибленні. Одержані результати свідчать про значне зростання гідродинамічних навантажень на інженерні конструкції, що експлуатуються у приповерхневому шарі води.

В работе численно и экспериментально исследованы особенности взаимодействия кругового цилиндра и прямоугольных призм со свободной поверхностью при малых числах Фруда. Показано, что развитие вихревого течения и гидродинамические характеристики тела в такой системе определяются шириной зазора между ним и границей. Когда тело приближается к свободной поверхности, действующие на него сила сопротивления и нестационарные гидродинамические характеристики (число Струхаля и амплитуда боковой силы) возрастают. Появляется также стационарная боковая сила, направление которой зависит от формы тела: для кругового цилиндра это - заглубляющая сила, для прямоугольных призм она может быть направлена вверх. Наибольшее сопротивление у плохообтекаемого тела возникает не тогда, когда оно находиться непосредственно под свободной поверхностью, а при некотором (критическом) заглублении. Полученные результаты свидетельствуют о существенном увеличении гидродинамических нагрузок на инженерные конструкции, которые эксплуатируются в приповерхностном слое воды.

The salient features of the interaction between a free-surface flow and a body at small Froude numbers are investigated by both numerically and experimentally. A circular cylinder and rectangular prisms are considered. The flow fields and body hydrodynamic characteristics are shown to depend on the gap width between the body and the boundary. When the body approaches to the free surface, it's drag and non-stationary characteristics, such as amplitude of lift force and Strouhal number, rise in uniform manner. The stationary lift force also arises: it is the deepening force for the circular cylinder and it may be up-directed for rectangular bodies. There is the critical gap in the system when the body drag has the maximum value. The results obtained demonstrate the growth of hydrodynamic loads on engineering structures that are operated near a free surface.