9 января 2019 года компания ANSYS, Inc. объявила итоги ежегодного конкурса на лучший инженерный проект, выполненный с использованием многодисциплинарного программного обеспечения ANSYS. Среди победителей и призеров конкурса оказалась совместная работа нашего коллеги Дениса Хитрых – руководителя Центра исследований и разработок – и молодых ученых из СПбГМТУ, посвященная численному исследованию кавитации на лопастях крыльчатых движителей.
Крыльчатый движитель представляет собой круговой ротор, вращающийся вокруг вертикальной оси, который с помощью корпуса установлен на плоском днище судна заподлицо с обшивкой. По окружности ротора на равных угловых расстояниях устанавливаются 4–8 лопасти с крыловым профилем сечений, имеющие удлинение порядка 3–5. Вращаясь вместе с ротором, лопасти одновременно совершают колебательные движения вокруг собственных вертикальных осей, устанавливаясь в каждой точке окружности в такое положение, которое обеспечивает появление необходимой гидродинамической силы. Таким образом, при вращении ротора каждая лопасть крыльчатого движителя совершает два вида движения относительно набегающего потока: вращательное движение совместно с ротором и поступательное вместе с судном. Суммарная траектория движения оси каждой лопасти представляет собой циклоидальную кривую. Исследования, посвященные проектированию крыльчатых движителей, активно проводились в СССР в период с конца 50-х до начала 70-х годов. И были направлены, главным образом, на поиск оптимального закона перекладки лопастей крыльчатого движителя, обеспечивающего максимальный КПД на ходовых режимах, и не касались напрямую вопросов кавитации. Современные методы вычислительной гидродинамики (CFD) успешно применяются для исследования кавитационных характеристик лопастей крыльчатого движителя в известной немецкой компании Voith Turbo GmbH & Co. KG, одно из подразделений которой специализируется на разработке и производстве судовых крыльчатых движителей.
В рамках представленной на конкурс работы была разработана специальная пользовательская подпрограмма для задания циклоидального движения лопастей крыльчатого движителя при расчете кавитационного обтекания лопастей движителя в ANSYS Fluent. Проведена серия валидационных нестационарных расчетов кавитационного обтекания двумерных профилей лопастей крыльчатого движителя (рассматривалось несколько сечений по высоте лопасти) на основе трех моделей кавитации: Singhal et al., Sauer et al. и Kunz et al. Следует отметить, что последние две модели кавитации отсутствуют в ANSYS Fluent. Кроме того, для изучения пространственной структуры и динамики кавитационных каверн проведена серия нестационарных расчетов кавитационного обтекания трехмерных гидрокрыльев серии NACA c использованием вихреразрешающих моделей турбулентности. Результаты валидационных расчетов продемонстрировали адекватность предлагаемого подхода к исследованию кавитационных явлений при обтекании лопастей крыльчатого движителя нестационарным потоком воды.
