способ определения структуры силового поля винта (варианты)

Формула изобретения

1. Способ определения структуры силового поля винта, включающий создание поля при вращении винта и перемещении его носителя, измерение основных характеристик поля и фона, использование визуализирующих средств и регистрацию поля оптической и телевизионной аппаратурой, отличающийся тем, что скорость вращения винта устанавливают с учетом получения и сохранения в прямом течении (ПТ) наибольшего количества визуализирующего компонента, регистрацию поля производят в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей, например, в горизонтальной или в вертикальной, поперечное визуальное сканирование отображения поля производят от его начала к концу или наоборот, по характерным местам, определяющим дипольную структуру поля; сканируя перед винтом, фиксируют наличие водоворотов, их образование, перемещение, развитие, исчезновение и синхронность, фиксируют пограничный слой на корпусе носителя, измеряют его ширину и ее изменение вниз по потоку, качественно определяют степень турбулентности слоя; сканируя в створе диска винта, фиксируют указанные параметры и обратное течение (ОТ), измеряют его ширину, скорость, закрутку и турбулентность; сканируя за винтом в месте наибольших скоростей ПТ и ОТ, фиксируют носовые расходящиеся волны (НРВ), измеряют их длину, фиксируют ОТ, ПТ и границы между ними, у них измеряют ширину, осевую скорость, закрутку, биение из ПТ в ОТ, вычисляют соотношение скоростей и фиксируют изменение угла расширения спутного течения (СТ); сканируя за винтом в месте равенства скоростей ПТ и ОТ, фиксируют аналогичные параметры, отсутствие биений, участки повышенного давления и угол расхождения СТ; сканируя за винтом в месте наибольшего превышения скорости ОТ над скоростью ПТ, фиксируют аналогичные параметры, биения из ОТ в ПТ, расходящиеся волны СТ, РВСТ, участки повышенного давления, их угол расхождения и нелинейность РВ; сканируя за винтом в месте исчезновения ОТ, фиксируют и измеряют РВ, участки повышенного и фонового давления; при каждом сканировании определяют координаты анализируемого участка поля относительно центра винта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регистрацию и сканирование силового поля винта производят в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, например, в горизонтальной и в вертикальной.

3. Способ определения структуры силового поля винта, включающий создание поля при вращении винта и перемещении его носителя, измерение основных характеристик фона и поля измерителями, размещенными на носителе, движущемся галсами, параллельными в пространстве и последовательными во времени поперек поля при заглубленных измерителях, отличающийся тем, что траектория зондирования поля проходит по его характерным местам, определяющим дипольную структуру поля и расположенным в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостях, например, в горизонтальной или вертикальной, от начала поля к его концу или наоборот, при наименьшем воздействии поля носителя измерительной аппаратуры на поле винта, при зондировании измеряют средние и пульсационные значения давления, скорости осевой, окружной и радиальной, температуры, солености, плотности и содержания газа, по значениям давления устанавливают ширину участков пониженного и повышенного давления, их принадлежность к спутному течению (СТ) или к расходящимся волнам (РВ), по значениям средних осевых скоростей определяют ширину первой половины обратного течения (ОТ), ширину прямого течения (ПТ) и ширину второй половины ОТ, по значениям пульсационной скорости устанавливают ширину границы между ОТ и ПТ и протяженность других турбулентных участков, по средним значениям температуры, солености или плотности и их сравнению с фоновым значением на одном горизонте определяют забор винтом преимущественно верхних слоев среды и вертикальное перемещение частей СТ и РВ, по средним значениям окружных и радиальных скоростей устанавливают степень закрутки и величину центробежных сил ПТ и ОТ, по пульсационным значениям радиальных скоростей определяют биения на границе ПТ и ОТ, по средним значениям измерителя содержания газа устанавливают его присутствие и динамику в ПТ и ОТ, по средним значениям давления контролируют горизонт расположения измерителей, а по значениям времени осуществляют "привязку" измеренных параметров к траектории зондирования и к центру винта; зондируя перед винтом, определяют в ОТ среднюю скорость, ширину, степень закрутки и турбулентности, наличие водоворотов и участка пониженного давления, в пограничном слое на корпусе носителя винта определяют среднюю скорость, ширину и степень турбулентности; зондируя в створе диска винта, определяют в ОТ аналогичные параметры; зондируя за винтом в месте наибольших скоростей ОТ и ПТ, определяют в РВ ширину участков повышенного и пониженного давления и их перемежаемость, в ОТ, ПТ и ОТ определяют среднюю скорость, ширину, степень закрутки и турбулентности и ширину участков пониженного давления величину центробежных сил, соотношение скоростей ПТ и ОТ, содержание газа и температуру ПТ, устанавливают забор винтом преимущественно верхних слоев среды, ширину границы и биения; зондируя в месте равенства скоростей ОТ и ПТ, определяют указанные параметры, ширину участка СТ, где отклонения давления от фонового минимальны, устанавливают отсутствие на границе биений, наличие вертикального перемещения прямого течения, эффект Допплера у расходящихся волн и определяют ширину поля; зондируя за винтом в месте наибольшего превышения скорости обратного течения над скоростью прямого, определяют указанные параметры и устанавливают наличие на границе биений, направленных из обратного течения в прямое, указанное превышение скоростей течений, минимальность скорости прямого течения или его отсутствие, образование по оси спутного течения области повышенного давления и нелинейность расходящихся волн; зондируя за винтом в конце поля, измеряют указанные параметры и устанавливают отсутствие течений или минимальность скорости обратного течения, отсутствие биений, образование по оси спутного течения, области пониженного или фонового давления и измеряют длину поля.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что зондирование силового поля винта проводится в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, например, в горизонтальной и в вертикальной.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что зондирование проводится одновременно на всех галсах.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидродинамике гребного винта, а также к аэродинамике воздушного винта. Изобретение может быть использовано в судостроении и авиастроении.

В основу структуры силового поля винта положим структуру пространственного диполя (комбинацию источника и стока с равными расходами). При этом используем аналогию с электромагнитным полем соленоида. Учитывая особенности винта, трубки тока (силовые линии) будут закручены в сторону вращения (для упрощения их закрутка на фиг.9 не показана). Гребной винт засасывает преимущественно верхние слои воды. Последнее обусловлено существованием перед диском винта вихревого образования и его циркуляцией в вертикальной плоскости под действием выталкивающих сил и набегающего потока. Эта особенность отражена в физической модели винта (в его электромагнитном аналоге). Катушка соленоида состоит из двух половин: передняя половина - подвижная (ее ось в вертикальной плоскости описывает подобие сектора-квадранта), задняя половина - неподвижная (электрическое соединение половин последовательное).

Другой особенностью потока среды за винтом является стабильность расположения в пространстве его оси и наименьшее взаимодействие с окружением, обусловленное вращением сходящих с лопастей жгутов (свободных вихрей, см. фиг.1 и 2, заимствованные из (4)). При этом жгуты-вихри вращаются вокруг своей оси и вокруг оси винта. Эта особенность может быть учтена в аналоге-соленоиде следующим образом: магнитопровод охватывается катушкой частично. Его неохваченная часть, значительная по длине, выдвинута назад (вниз по потоку) и имеет экран на боковой поверхности. Последнее перемещает северный полюс магнитного поля назад или исток диполя вниз по потоку. Дипольная модель винта представлена в изобретениях (10-16) за исключение последней особенности.

Изобретения (10-16) могут быть аналогами данного предложения. Изобретение (13) может быть прототипом.

Таким образом, силовое поле винта асимметрично. Продольная асимметрия в вертикальной плоскости, проходящей через ось винта, обусловлена существованием водоворота перед диском винта и его циркуляцией (рождение, развитие и исчезновение). Указанное приводит к тому, что плотность силовых линий над винтом может значительно превышать плотность силовых линий под винтом. Эта асимметрия также циклична во времени (см. фиг.9, 10). Засасыванию гребным винтом преимущественно верхних слоев воды способствует и уменьшение сил трения при уменьшении глубины (уменьшается статическое давление). При устойчивой плотностной стратификации среды за винтом оказываются менее плотные слои по сравнению с окружением. Они всплывают и могут колебаться с частотой Вяйселя - Брента около некоторого горизонта.

В прототипе (13) не рассматриваются в должной мере стабилизирующие свойства закрутки потока за диском винта, а также влияние турбулентности в спутном течении (СТ) на характер (картину) распространения поля в пространстве.

Целью изобретения является создание более полной картины силового поля винта как гребного, так и воздушного. Учитывая эту картину, возможна оптимизация характеристик винта и всего движителя. Основные положения модели универсальны и применимы к ракетному и др. движителям.

Сущность изобретения раскроем, рассматривая фиг.3 (фото из (4)). На ней представлено силовое поле от винтового движителя корабля, визуализированное пузырьками газа. Корабль перемещается со скоростью 45 км/ч. Поле состоит из расходящихся корабельных волн (КВ) и узкого СТ. Структура СТ говорит об отсутствии полного перемешивания и смешения, что позволяет применить зонный подход при анализе и выделить в поперечном сечении СТ зону корпуса (ЗК) и зону движителя (ЗД). ЗК является периферийной частью СТ, и она обусловлена частью пограничного слоя на корпусе корабля. Эта часть оттеснена носовыми расходящимися волнами и не вошла в структуру ЗД. Визуализация КВ и СТ производится газовыми пузырьками. Возможна визуализация и другими средствами, например впрыскиванием подкрашенной воды (воздуха).

Определение структуры силового поля винта производится поперечным сканированием характерных его участков. Выделим эти участки, помня, что силовые линии поля замкнуты, проходят через диск винта, их множество и распространение их в пространстве ограничивается силовым полем фона. Первоначальное количество энергосодержащих вихрей в поле определяется количеством лопастей (одна лопасть - один вихрь). Каждый вихрь замкнут в пространстве. Он рождается на лопасти винта (присоединенный вихрь). Остальная его часть называется свободной. Вихревая теория Н.Е. Жуковского обладает существенным недостатком, рассматривая только присоединенный вихрь. Расчет лопасти на прочность с учетом только этого вихря также является неполным и расчетом по минимуму. Остальная часть вихря оказывается неучтенной. Технический результат данного изобретения заключается в том, что на его основе можно построить уточненный расчет прочности лопасти. При этом выбор величины коэффициента запаса прочности становится обоснованным.

Условно расчленим СТ на участки, вытянутые по его оси (см. фиг.3 и фиг.13). Участок 1 расположен перед винтом (на засасывающей стороне). Его начало расположено в носовой части корабля, а конец - в диске винта. Поперечные размеры значительно превышают ширину корабля. Его внешние контуры (в горизонтальном сечении) можно представить в виде части эллипса, у которого продольная ось значительно превосходит поперечную. Продольная ось совмещена с осью СТ. Вращающиеся лопасти (их засасывающие поверхности) создают вращающиеся области пониженного давления. К этим областям направлены силовые линии (трубки тока). В соответствии с этим в засасывающем потоке имеются как осевые, так и окружные составляющие скорости. Последние обуславливают возникновение вихревого образования. При этом, чем больше диаметр винта, тем больше вращающий момент (М˜Д⁵, где М - момент, Д - диаметр). Увеличение диаметра в 2 раза вызывает увеличение момента в 32 раза. Величина упора растет медленнее (У˜Д⁴, где У - упор). Увеличение диаметра в 2 раза вызывает увеличение упора в 16 раз.

Таким образом, с ростом диаметра винта окружные скорости увеличиваются значительно больше, чем осевые. В результате также увеличивается интенсивность вихревого образования перед винтом. Существуют факторы, которые могут усиливать или ослаблять вихревое образование. К способствующим, долговременным факторам относится двухвальная модель носителя с внутренним вращением винтов (фиг.11). У нее момент вращения от корпуса направлен согласно с моментом водоворота при его подъеме. При наружном вращении винтов (фиг.12) моменты направлены встречно, что препятствует развитию водоворота. При одновальной модели возможно расчленение водоворота на несколько вихревых образований. Существуют кратковременные факторы, способные как усилить, так и ослабить водоворот. В общем случае определяющим является соотношение между кинетическими энергиями вращения и поступательного движения в потоке перед диском винта. Их равенство определяет предвихревое состояние потока.

Существование водоворота носит циклический характер. Следствием этого являются и циклические изменения упора и изгибающего момента, действующие на вал винта. Кроме выталкивающей силы (ее направление зависит от типа плотностной стратификации среды: при устойчивой - вверх, при неустойчивой - вниз) и силы от встречного потока на водоворот действуют носовые расходящиеся волны (НРВ). Это усложняет траекторию движения оси водоворота и его взаимодействие с пограничным слоем на корпусе носителя. В результате в потоке воды оказывается множество газовых пузырьков, обусловленных следующими причинами: захватом с поверхности, кавитацией на корпусе и лопастях, а также уменьшением давления перед диском винта. Учитывая изложенное, первое сканирование сделаем перед винтом. При этом обнаруживаем начало НРВ, ЗК и ЗД. В структуре между ЗК и ЗД просматривается промежуток с минимумом пузырьков, что указывает на слабое взаимодействие этих зон. Обращаясь к модели поля, следует сток расположить на засасывающей стороне винта, а южный полюс - у торца обмотки соленоида.

Участок 2 расположен сразу за винтом (см. фиг.3 и 13). Его особенностью является резкое уменьшение угла расхождения СТ примерно с 50 град. до 1 и наличие двух узких полос. Здесь используется 2-вальная модель носителя, обуславливающая наличие двух ЗД. При этом взаимодействие между ними минимально. Об этом свидетельствуют поперечные эпюры средних температур, измеренных на глубинах: 3, 2,4, 2 и 1,2 м при возрасте СТ 8 и 15 мин (расстояние вниз по СТ соответственно 6000 и 11250 м, см.(4)). В (4) также отмечается, что устойчивость таких термических эффектов иногда очень велика (час и более). Указанные эпюры представлены на фиг.4 (возраст - 8 мин) и на фиг.5 (возраст - 15 мин).

Поперечные эпюры средних и пульсационных скоростей, измеренные в модельных экспериментах (13), показывают следующее (отношение Х к Д - в диапазоне от 1 до 10, где Х - расстояние вниз по потоку, Д - диаметр винта). Эпюра средних скоростей имеет максимум на оси СТ, спадающий до нуля на периферии (скорости направлены от винта). Далее скорости изменяют направление на противоположное (к винту), нарастают, имея максимум, и уменьшаются до нуля на периферии. Следовательно, основная струя, текущая от винта, окружена периферийной, текущей к винту, на засасывающую сторону. При этом ее поперечный размер увеличивается по мере приближения. Иными словами имеем два противоположных потока: центральный и периферийный (обратное течение). На фиг.3 хорошо просматривается граница между потоками на расстоянии 230 м. Эпюра пульсационных скоростей имеет максимум в промежутке между потоками, где изменяется направление скоростей или направление силовых линий.

Ближайшее пространство за винтом оказывается заполненным газовыми пузырьками, хорошо визуализирующими границы и структуру СТ. Их всплытие затруднено из-за наличия мощного скоростного поля. При этом часть пузырьков растворяется под действием избыточного давления. По мере снижения давления вниз по потоку газ выделяется, визуализируя структуру. При снижении интенсивности турбулентности всплытие пузырьков облегчается.

Участок 2 обладает наибольшей пространственной стабильностью. Это обусловлено тем, что ЗД является набором энергосодержащих вихрей-жгутов, имеющих закрутку как вокруг оси винта, так и вокруг собственной оси. Указанное обуславливает и наименьшее взаимодействие с окружением. Однако такое взаимодействие существует на всем протяжении участков 2 и 3 (см. фиг.3 и 13) и оно неравномерно распределено по их длине. В месте, где осевые скорости прямого и обратного течения равны, взаимодействие между ними минимально (фиг.13, сечение 10). В местах наибольшей разности противоположных скоростей ПТ и ОТ имеет место наибольшее взаимодействие (см. фиг.3, место перехода угла расширения СТ с 50 град. до 1 град., фиг.13, сечение 9). ЗД это прямое течение (ПТ).

На фиг.13 показана схема прямого и обратного течений (ПТ и ОТ) в горизонтальной плоскости (верхняя часть) и примерный график изменения вниз по потоку ПТ (13) и ОТ (14), а также отклонения давления от фонового значения (15). Зависимости 13 и 14 являются осевыми скоростями. Зависимость 15 - приращение давления на оси СТ. На участке 2 имеем отрицательнее приращение давления, увеличивающееся по мере приближения к винту, обусловленное увеличением центробежных сил. На участке 2 имеем положительное приращение давления, обусловленное преобладанием осевых сил и скоростей. В сечении 10 осевые скорости ПТ и ОТ равны. Здесь имеется система пар сил и моментов без биений и минимальное взаимодействие ПТ с ОТ, а также минимальные центробежные силы, окружные и радиальные скорости. В сечении 9 имеет место максимум осевых скоростей ПТ и ОТ (их экстремум). Последнее объясняет причину изменения угла расхождения СТ с 50 град. до 1 град. (фиг.3). В сечении 11 находится максимум давления и минимум осевой скорости ПТ.

Относительно тонкая полоса обратного течения, визуализированная пузырьками (она сужается вниз по потоку СТ), характеризует интенсивность пульсаций скорости, имеющих место на границе между ПТ и ОТ (обратным течением). При движении к винту увеличиваются градиенты между скоростями ПТ и ОТ (они имеют противоположное направление), увеличиваются пульсации скорости, увеличивается турбулентная диффузия пузырьков и увеличивается визуализированная полоса ОТ.

Рассмотрим картину расходящихся волн, РВ (фиг.3 и 13). Ее особенностью является наличие НРВ от корпуса носителя винта и РВ от области повышенного давления, 2'СТ. При этом НРВ и РВ имеют нелинейность, обусловленную следующими причинами. Начальная часть НРВ прижата к оси СТ дефицитом давления между сечениями 7-10. Конечная часть НРВ и РВСТ находятся под влиянием периферийной части силового поля винта. Вектор скорости распространения волны при увеличении расстояния от оси СТ начинает поворачиваться в сторону движения корабля. По концам РВСТ (фиг.3) при возрасте поля в 35 с и при расстоянии в 440 м ширина поля оценивается в 520 м (длина корабля 130 м, скорость 15 км в час, масштаб 1 мм = 5 м). На фиг.13 НРВ обозначены цифрой 16 и РВСТ - цифрой 17. При возрасте в 35 с основная часть кинетической энергии переходит в тепло. Интенсивность турбулентности существенно снижается. Вихри ослабляются и растут их масштабы. Скорость дробления вихрей уменьшается. Увеличивается скорость выхода пузырьков на поверхность. Их количество в структуре СТ уменьшается. Растет перемежаемость участков с пузырьками и без пузырьков. По мере снижения избыточного давления и всплытия ЗД рождаются новые пузырьки из растворенного газа.

ЗД и ОТ разделены полосой с дефицитом пузырьков. Такое обусловлено структурой указанной полосы, которая является системой малых водоворотов. В каждом из водоворотов имеется как минимум пара сил, обусловленных встречными течениями. Траектория движения пузырьков проходит из ЗД к оси водоворота, уход на глубину и далее в ОТ. Величина сил, входящих в пары, уменьшается по мере перемещения вниз по потоку СТ. В результате уменьшаются вращающие моменты и снижается количество пузырьков, поступающих в ОТ.

Участку 2' характерно существенное снижение осевых скоростей. Граница между ЗД и ОТ не просматривается. Интенсивность водоворотов малая и пузырьки им неподвластны. Они всплывают на поверхность. Их количество в структуре ЗД заметно уменьшается. Однако ОТ существует, пока существует избыток давления в ЗД. Структура СТ является сложным переплетением крупных (энергосодержащих) вихрей, созданных 2-вальным движителем, винты которого вращаются встречно. Перемежаемость увеличивается. Малые вихри обладают малой энергией. Они не способны удерживать пузырьки и не просматриваются. Однако турбулентный процесс развивается.

П. Брэдшоу (7) дает следующее определение турбулентности. Турбулентность - это трехмерное нестационарное движение, в котором вследствие растяжения вихрей создается непрерывное распределение пульсаций скорости в интервале длин волн от минимальных, определяемых вязкими силами, до максимальных, определяемых граничными условиями.

Крупные вихри обладают наилучшей способностью взаимодействовать со средним течением и создавать напряжения Рейнольдса. В турбулентном течении вихри отбирают энергию из среднего течения и, деформируясь и дробясь, передают ее мелким, диссипативным вихрям.

Представляется возможным развитие турбулентности вниз по СТ рассматривать как существование вихрей разного поколения. Каждое поколение проходит указанные этапы развития: рождения, деформации, дробления и исчезновения. Передача энергии происходит от среднего течения к крупному вихрю и далее последовательно от вихрей среднего размера к более мелким. Наибольшей плотностью энергии обладают крупные вихри (в них дольше задерживаются воздушные пузырьки). Вниз по СТ масштабы вихрей увеличиваются, обуславливая смещение пространственного спектра в сторону более низких чисел. Аналогично смещается и максимум энергии этого спектра. Уменьшается его абсолютная величина, обуславливая увеличение чувствительности измерительной аппаратуры. Пространственное разрешение аппаратуры должно уменьшаться. В связи с сужением пространственного спектра уменьшается необходимая ширина частотного спектра (полоса пропускания) измерительной аппаратуры.

Приблизительная оценка времени жизни первичного скоростного поля гребного винта в СТ может быть сделана по формуле

где W - кинетическая энергия, переданная винтом в СТ; m - масса воды в СТ; - скорость диссипации энергии.

В соответствии с первой гипотезой подобия А.Н. Колмогорова статистические характеристики мелкомасштабных компонентов развитой турбулентности полностью определяются двумя размерными параметрами и . Из этих параметров можно составить следующие уравнения для наименьших турбулентных вихрей

и

где: - размер, - время жизни, - скорость диссипации кинетической энергии, V - скорость вихря, - коэффициент вязкости среды.

Условный конец участка 2 находится на расстоянии 260 м при возрасте в 21 с. В конце участка начинают просматриваться крупные вихри, имеющие встречное направление. Поперечные кормовые волны (ПКВ) не просматриваются. Очевидно просматривается сложная картина наложения НРВ и ПКВ. В соответствии с ослаблением силового поля уменьшается загиб волн в сторону корабля. Ширина ПТ, измеренная в начале участка 2 и в конце участка 2' увеличилась с 10 м до 36 м. На участке 3 ширина изменилась с 36 м до 68 м. Из этого можно заключить что основная доля кинетической энергии, перешедшей в тепловую, приходится на участок 2, т.е. за промежуток времени в 21 с. При этом ЗД1 и ЗД2 находятся в закрученном состоянии (устойчивые структуры). ЗД1 и ЗД2 обладают сверхустойчивостью, обусловленной двойной закруткой. Закрутка вокруг оси винта обладает большей кинетической энергией по сравнению с закруткой относительно оси лопасти.

Турбулентные процессы в свободных жгутах-вихрях являются процессами раскрутки. Раскручивание относительно оси лопасти заканчивается раньше (в нем меньше энергии). Раскручивание относительно оси винта - процесс значительно более длительный (на несколько порядков). По этой причине в структуре СТ в основном просматриваются крупные вихри. Процесс раскручивания следует рассматривать как процесс торможения, размытия границы вихря, уменьшения окружных скоростей и т.п. Действие центробежных сил при двойной закрутке специфично. Снаружи они направлены к периферии СТ, внутри - к оси СТ (рассматривается вертикальное, поперечное сечение). Указанное приводит к увеличению поверхностных центробежных сил и к уменьшению внутренних, приводящее к асимметричному распределению пузырьков в структуре жгута-вихря (фиг.3).

Эпюры средних температур, измеренные поперек СТ (4) говорят об устойчивости ЗД и о малом взаимодействии между ЗД1 и ЗД2 на расстоянии 12500 м. Измерения глубины расположения нижней границы СТ (4) показывают, что она поднимается с течением времени. Угол наклона границы по отношению к горизонту составляет 5-13 мин или 1,32-4,65 м подъема на 1000 м пути. На траектории ЗД есть участок наибольшее скорости всплытия, что обуславливает увеличение газовых пузырьков в структуре СТ.

На фиг.13 представлена упрощенная геометрическая модель силового поля винта (продольное сечение). Симметричность модели относительно продольной оси (горизонтальное сечение) имеет место независимо от глубины расположения винта и плотностной стратификации среды. Симметричность в вертикальной плоскости зависит от указанных факторов. С увеличением глубины погружения винта в поле увеличивается асимметрия за счет образования и циркуляции водоворота перед винтом. При переходе от безразличной стратификации к устойчивой горизонтальные размеры поля начинают значительно превышать вертикальные.

В поле условно можно выделить следующие объемы. 1 и 4 - переходные объемы - области (полусферы, точнее полуэллипсоиды вращения), в которых имеют место значительные радиальные скорости, превышающие осевые. В области 1 развивается водоворот и возникает дефицит давления. В области 1 имеет место избыток давления.

Области 2 и 2' содержат прямое течение, ПТ, текущее от винта. Их объем можно заменить усеченным конусом, в меньшем основании которого размещен винт. Учитывая сосредоточение кинетической энергии на периферии винта, ПТ располагается также на периферии конуса, внутри конуса расположены объемы среды с меньшей плотностью энергии. Избыток давления максимален на периферии конуса. В соответствии с вращением лопастей вращается и область повышенного давления. Каждая лопасть создает области пониженного и повышенного давления, вращающиеся аналогично лопасти. Они являются составляющими суммарного поля давления (силового).

Области 5 и 6 содержат обратное течение, ОТ, текущее к винту. Их объем можно представить в виде полого цилиндра (конуса), окружающего центральный конус ПТ. Эти области обладают фоновым давлением, что является упрощением. По крайней мере в них имеется градиент давления, направленный к винту. Градиент обуславливает существование ОТ. Последнее сосредоточено у полости цилиндра.

ПТ и ОТ образуют замкнутую двухконтурную систему, вращающуюся под действием винта. С целью анализа разложим вектор поля скорости на три составляющие: осевую, радиальную и окружную (по касательной). Для простоты сведем к минимуму взаимодействие между ПТ и ОТ на протяжении их встречного движения. Тогда можно заключить, что в областях 1 и 3 осевые скорости превращаются в радиальные, разнонаправленные. В области 1 скорости направлены к оси винта, в области 3 от оси. При этом на всем протяжении окружные скорости не меняют направление.

На фиг.13 представлен график изменения осевых скоростей ПТ и ОТ. ПТ является течением торможения. ОТ является течением разгона. ПТ имеет короткий участок разгона и длинный - торможения, ОТ имеет длинный участок разгона и короткий - торможения. Имеется место, где скорости ПТ и ОТ равны (сечение 10). В основе схемы фиг.13 лежит модель поля винта как пространственного закрученного (вращающегося) диполя с равными расходами. Это равенство соблюдается у винта. В других местах контура ПТ и ОТ равенство не соблюдается ввиду потерь энергии течений от трения (переход кинетической энергии в тепловую). Чем дальше от винта, тем больше потери и тем меньше расход, сила потока (масса, проходящая через сечение контура в единицу времени). Последнее выражается в уменьшении плотности потока, т.е. в уменьшении массы, проходящей.через единицу сечения в единицу времени.

Между ПТ и ОТ имеется граничная область (участок), где ускорения и интенсивность турбулентности наибольшие. Здесь турбулентная масса подчиняется турбулентным законам, что уменьшает взаимодействие между ПТ и ОТ (2). Бушмарин О.Н. отмечает, что турбулентная, закрученная струя в спутном потоке обладает большей "стойкостью", чем ламинарная закрученная струя в спутном потоке. Между сечениями 8 и 10 (фиг.13) скорости ПТ превышают скорости ОТ, что обуславливает существование "пар" сил, создающих систему вращающих моментов с биениями, направленными к периферии СТ. Между сечениями 10 и 11 (фиг.13) скорости ОТ превышают скорости ПТ, что обуславливает наличие вращающих моментов с биениями к оси СТ.

Фиг.13 является качественной картиной силового поля винта (масштаб не выдержан). При уточнении необходимо уменьшить продольные размеры по сравнению с поперечными. На основании закона сохранения количества движения можно получить приблизительное соотношение между средними скоростями ПТ и ОТ

или

где: V_пт, V _от - средние скорости, Д_пт, Д _от - средние диаметры сечений объемов. При этом объем ПТ представлен в виде цилиндра, а объем ОТ - в виде полого цилиндра. Более быстрее уменьшение скорости ПТ по сравнению с нарастанием скорости ОТ обусловлено образованием избытка давления в областях 2' и 3.

Вращающие моменты с биениями наружу (на периферию СТ) помогают установить внутреннюю границу ОТ (недостаток пузырьков маркирует границу, см. фиг.3). Пузырьки, внесенные из ПТ в ОТ (см. промежуток между сечениями 8 и 10), визуализируют только внутреннюю часть ОТ и его угол вхождения в полусферу 1, угол = 50 град. Путь вхождения невидимой части ОТ в диск винта более сложный, с изменением знака осевой скорости. При движении масс воды ОТ к винту нарастают окружные и радиальные составляющие скорости. Закрученная часть ОТ обладает наибольшей пространственной устойчивостью до некоторого критического состояния, после которого появляется и нарастает неустойчивость, обусловленная образованием водоворота перед винтом. Полусфера 1 вытягивается вперед, уменьшается в диаметре, превращаясь в полуэллипсоид вращения, ее устойчивость в пространстве уменьшается. Возникает циркуляция ее оси в вертикальной плоскости и обусловленные этим пульсации давления и скорости в пространстве, окружающем винт. При этом несущая частота пульсаций определяется скоростью вращения винта и количеством лопастей, а частота модуляции скоростью перемещения водоворота и вертикальной плоскости. В соответствии с этим изменяются (пульсируют) и геометрические размеры ПТ и ОТ. Отметим, что наличие разгона и торможения в ПТ и ОТ обусловлено импульсным воздействием винта на фиксированную массу среды.

Рассмотрим процесс передачи кинетической энергии из ПТ и ОТ при перемещении вниз по потоку от винта. Энергия от винта распространяется назад и в стороны через ПТ, создавая расширяющуюся структуру. Энергия передается из области с избытком давления в область с недостатком. За винтом имеется короткий участок, где поток закручен, осевая скорость максимальна. Между сечениями 8 и 10 (фиг.13) осевая скорость ПТ выше осевой скорости ОТ. Кинетическая энергия из ПТ передается ОТ через пограничный слой биениями систем малых водоворотов. В сечении 10, где осевые скорости ПТ и ОТ равны, нет передачи энергии. Очевидно, что уменьшение передачи энергии при движении от сечения 8 к сечению 10 происходит постепенно, приближаясь к нулю. При этом максимум - в сечении 9.

Между сечениями 10 и 11 энергия аналогичным образом переходит из ОТ в ПТ, так как осевая скорость ПТ меньше осевой скорости ОТ. При этом максимум - в сечении 11.

Определение ширины ОТ следует основывать на равенстве количества движения в ПТ и ОТ. При этом существует погрешность, обусловленная наличием турбулентности. Учет последней затруднен. Определим ширину ОТ в сечении 10. Уравнение количества движения имеет вид

где: m_пт - масса ПТ, V _пт - скорость ПТ, m_от - масса ОТ, V_от - скорость ОТ. Так как имеет место равенство скоростей, плотности и приращения продольной координаты, то равенство количества движения можно заменить на равенство площадей: S_пт S_от или D² _от 2D² _пт. Где: Д_пт - диаметр ПТ, Д_от - диаметр ОТ. В результате имеем: Д_от=1,41 Д_пт. Для фиг.3 ширина ОТ составляет 10 м (ширина ПТ равна 50 м).

Заметим, что максимумы ПТ и ОТ должны иметь одинаковую продольную координату, т.е. лежать на одном сечении 9. Только в этом случае имеет объяснение характер изменения пузырькового ОТ (наличие явно выраженного экстремума, переход угла расширения СТ с 50 град. до 1 град.). Учитывая формулу 3 и пренебрегая тепловыми потерями в СТ, можно заключить, что площади треугольников ПТ и ОТ должны быть разными (график фиг.13). При учете потерь площадь треугольника ПТ должна быть меньше треугольника ОТ. Конец ОТ (фиг.13, сечение 12) можно определить, проведя прямую через найденные две точки в сечениях 9 и 10 до пересечения с горизонтальной осью (скорости изменяются и используются). Значения скоростей являются средними по сечению. Очевидно, что приведенный расчет обладает большой погрешностью. Однако, используя закон сохранения количества движения, можно установить контуры ПТ и ОТ.

Обратимся к фиг.6-8 (4). На фиг.7 и 8 представлены силовые поля от прохождения корабля с малой полнотой корпуса и глубоко погруженными винтами (2-вальная модель). Характерной особенностью поля является отсутствие пузырьков по его оси через интервал, равный примерно 1,4 длине корпуса корабля. При этом пузырьки сосредоточены на периферии. Учитывая изложенное, можно заключить следующее. На фото просматривается ОТ, визуализированное пузырьками. Его угол вхождения в пространство перед диском винта равен 50 град. Наличие большого количества пузырьков на начальном участке обусловлено наличием большой поверхности взаимодействия между ПТ и ОТ. Далее центральная область обедняется пузырьками из-за их всплытия и исчезновения. Их глубина расположения меньше, чем на периферии. Периферийные пузырьки всплывают дольше.

Всплытие ПТ также имеет место, и оно определяет угол расхождения ОТ, равный 1-3 град. Граница между ПТ и ОТ на начальном участке не просматривается, так как она находится на глубине, а верхнее пространство заполнено пузырьками. ПТ находится внутри ОТ. ПТ имеет меньшее количество пузырьков, так как центр области 1 расположен на большей глубине (сравни фиг.8 с фиг.3). Загиб концов РНВ, обусловленный направлением силовых линий поля, также имеет место.

На фиг.6 представлен след от катера. Вследствие очень большой скорости и неглубокого расположения винтов ПТ и ОТ имеют плоский характер в пространстве (горизонтальные размеры значительно превышают вертикальные). Эта структура занимает другое крайнее положение в диапазоне поверхностных полей. Среднее положение принадлежит фиг.3. Катер находится в режиме, близком к глиссирующему. Катер имеет резкую килеватость в носу, большой развал носовых шпангоутов, уменьшающуюся килеватость, постепенно переходящую в плоское днище, острые скулы и транцевую корму (5). Это определяет геометрию КС. Из-за больших центробежных сил ПТ обеднено пузырьками. ОТ получает большое количество пузырьков из ЗК. Большая скорость катера обуславливает высокие и быстрые РЗ и захват ими из ЗК и ОТ большого количества пузырьков.

Вернемся к фиг.3. На ней просматриваются темные и светлые полосы, расходящиеся от СТ. Темные - это участки, в которых плотность энергии выше фоновой (участки повышенного гидродинамического давления). Их структура не реагирует на фоновые воздействия, например на умеренный ветер. Они имеют гладкую поверхность. По их распределению на площади можно очертить внешние контуры силового поля, направление его силовых линий и характер поля. Поле является одиночным импульсом энергии, имеющим пологие фронты и перемещающимся вслед за кораблем. Видимые размеры поля имеют порядок: продольный - 650 м, поперечный - 260 м. Поле имеет форму усеченного конуса, ось которого совмещена с осью СТ, малое основание приближено к винту, а большое удалено (см. на фиг.13 области 2 и 3).

Так как поле повышенного давления перемещается, то оно создает систему расходящихся волн, РВ, имеющих относительно широкий спектр (см. спектр одиночного импульса). Между кормой корабля и малым основанием конуса имеется участок пониженного давления. Его форму можно представить в виде малого конуса с основанием в корме и вершиной за винтом, на его оси.

Рассмотренные поля являются физическим подтверждением дипольной модели и ее электромагнитного аналога. Эти поля определяют характеристики ОТ, его направление, интенсивность, форму (угол вхождения в область 1, фиг.13). Если ПТ создано винтом, то ОТ - областями повышенного и пониженного давлений, возникших от работы винта. Вид сверху хорошо представляет картину распространения РВ. Гребень каждой волны расположен между участками с повышенным давлением (расходящиеся темные пятна). Наличие волн и их структура говорят о структуре поля повышенного давления (области 2', 3 - темное, сплошное и конусообразное пятно). Особенностью поля является наличие в нем пульсаций (биений). По мере перемещения вниз по потоку амплитуда РВ уменьшается, а их частота увеличивается, что является обычной реакцией объема воды на одиночный импульс энергии.

Середину силового поля в поперечнике можно наметить по наибольшему искривлению концов РВ (там силовые линии составляют наибольший угол с РВ). Она лежит в диапазоне 340-420 м, если измерять от винта. При измерении от носа корабля середина находится в пределах 470-550 м. Таким образом, окончание поля может находиться на расстоянии 680-840 м (940-1100 м). Длительное нахождение СТ в области с повышенным давлением обуславливает медленное выделение пузырьков газа, что дает возможность длительно визуализировать СТ. Такие условия консервируют в ОТ газовую составляющую.

РВ являются структурой, в которой чередуются участки повышенного и пониженного гидродинамического давления. Каждый участок повышенного давления создает систему сил, направленных перпендикулярно фронту распространения волны и по ее ходу. Система сил первого участка действует в неограниченном пространстве (точнее в полупространстве). Система сил второго участка повышенного давления действует в пространстве, ограниченным первым участком повышенного давления. Последнее обуславливает подъем уровня воды в промежутке между указанными участками. При этом происходит некоторое расширение промежутка между участками по мере удаления от оси СТ (нелинейное расширение). У яхты, идущей под парусом, указанное расширение должно быть линейным.

С целью уточнения параметров контура (тракта или канала) ПТ - ОТ применим закон Ома для полной цепи. При этом условимся, что канал имеет непроницаемые стенки, гидродинамические (ГД) параметры имеют сосредоточенный характер. Сила потока (масса воды, проходящая через поперечное сечение канала в единицу времени) имеет зависимость

где: Е - потокодвижущая сила (разность ГД давления), Z_в - полное внутреннее сопротивление источника силы Е, Z_к - полное сопротивление канала (см. фиг.14, 15 и 16).

Сопротивление Z_в имеет вид

где: R - активное сопротивление, L _В - индуктивность, С_В - емкость, - угловая частота пульсаций потока ( =2 f), f - частота временная. При этом: E - 1, R - 2, C - 3 и L - 4 (см. фиг.16).

Активное ГД сопротивление винта обусловлено шероховатостью поверхности винта и вязкостью среды. На нем энергия винта преобразуется в тепло. ГД индуктивность и ГД емкость составляют реактивное сопротивление винта. ГД индуктивное сопротивление винта - способность винта закручивать поток, снижая его осевую скорость, и способность потока раскручиваться, поддерживая свою осевую скорость. ГД емкостное сопротивление винта - способность винта отдавать энергию потоку, создавая области повышенного и пониженного давления, т.е. накапливать в них энергию.

Сопротивление Z_к имеет вид

где: R_к - активное сопротивление канала, L_к - индуктивность канала, С _к - емкость канала. При этом: R - 5, С - 5 и L - 7 (см. (фиг.16).

Активное сопротивление канала обусловлено трением ПТ и ОТ о "стенки" канала и трением между их слоями. Сопротивление увеличивается с увеличением длины канала, с уменьшением его сечения и с увеличением плотности среды (уменьшением температуры и увеличением солености). Оно увеличивается с увеличением глубины расположения канала из-за увеличения давления. Аналогично зависит и сопротивление винта.

ГД индуктивное сопротивление канала зависит от его формы. Чем извилистее канал, тем больше его сопротивление. Форма канала зависит от гидрологии среды. Наличие инверсных слоев усложняет форму. При этом не всегда поле распространяется по прямой линии. Оно проходит по линии наименьшего сопротивления. Большие винты обладают большим сопротивлением.

ГД емкостное сопротивление канала зависит от его объема. Чем больше объем, тем больше емкость канала, тем меньше его емкостное сопротивление. Емкость зависит от расположения дна, поверхности, скачка плотности. У больших винтов большая емкость (меньшее емкостное сопротивление).

Поведение потока среды в системе винт, канал и носитель винта зависит от их взаимного влияния и в первую очередь от характеристик винта. Последний является единственным активным элементом, играющим главную роль в формировании силового поля. Остальные элементы играют вспомогательную роль. Они пассивны и не способны на принципиальные изменения. Винт является генератором амплитудно-модулированных колебаниий. ОТ выполняет роль обратной связи, способной быть как отрицательной, так и положительной, т.е. ослаблять или усиливать колебания.

Особым случаем является резонансный, при котором значительно возрастает амплитуда вынужденных колебаний в системе (частота внешнего воздействия совпадает с частотой собственных колебаний системы). Последние лежат в инфранизкочастотном диапазоне. В этом же диапазоне находится частота модуляции 9 несущей частоты колебаний 10 от вращения лопастей винта, т.е. частота циркуляции водоворота. На фиг.16 изображен электротехнический аналог рассмотренной ГД системы (фиг.13) и последовательно упрощенной (фиг.14 и 15). В аналоге под частотой модуляции 8 подразумевается воздействие на фиксированный объем среды (его массу) проходящего движителя и под частотой 10 (упрощенно - черточка, реально - подобие полусинусоиды) - воздействие лопастей. При равенстве указанных частот происходит наибольшая компенсация индуктивного сопротивлениям емкостным и снижение общего сопротивления до минимума. Следствием резонанса является значительные изменения величины и направления вектора упора винта, появление на валу изгибающего момента и килевой качки (на циркуляции и бортовой качки).

Влияние корпуса носителя винта на характеристики рассмотренной системы сводятся к следующему. В случае корабля изменяются характеристики области 1 (фиг.13). В случае летательного аппарата изменяются параметры областей 2 и 3. Корпус корабля с малой полнотой заменим плоской пластиной и разместим ее перед винтом, по его оси. Очевидно пластина частично разделит ОТ на два симметричные потока, уменьшая закрутку и ГД индуктивное сопротивление системы. При этом возможно разбиение общего водоворота на два. Увеличивается ГД активное сопротивление системы.

Корпус корабля с большой полнотой (для упрощения анализа) можно заменить двумя взаимно перпендикулярными пластинами: длинной продольной и короткой поперечной. Последняя существенно увеличивает ГД активное и емкостное сопротивления системы (уменьшается ГД емкость).

В гидродинамическом контуре роль конденсатора с определенной емкостью играет промежуток контура, где имеется разность гидродинамического давления, т.е. промежуток между объемом перед винтом (дефицит давления) и объемом за винтом, где имеется избыток давления. По мере работы винта здесь накапливается потенциальная энергия, переходящая в кинетическую в виде ОТ. Роль катушки (соленоида) с определенной индуктивностью играет закрученный поток ПТ. Чем больше диаметр винта, тем больше закрученность потока, тем выше гидродинамическая индуктивность. Она создает запаздывание в наступлении максимума (минимума) в ПТ. Реактивные ГД сопротивления контура ПТ и ОТ создают колебательный процесс: изменения ОТ во сравнению с ПТ происходят с запаздыванием, со сдвигом по фазе.

При анализе РВ возможна проверка эффекта Доплера. Последние заключается в изменении частоты принимаемых колебаний по сравнению с частотой излучаемых в зависимости от характера движения излучаемой волны и измерителя. При согласном движении фиксируемый период увеличивается, при встречном - уменьшается.

Определение структуры силового поля винта предваряется следующими действиями.

1. Выбирается носитель винта и определяются его тактико-технические характеристики: водоизмещение, размерения, мощность главной энергетической установки (ГЭУ), конструкция движителя, форма обводов и т.д.

2. Выбирается носитель фиксирующей (измерительной) аппаратуры. При этом носитель своим присутствием не должен искажать поле. В качестве носителя могут быть: вертолет, самолет и другие. Возможна съемка поля с моста или специальной вышки.

3. Выбирается район постановки поля с известной гидрологией, в котором отсутствуют сильные течения и старые силовые поля. Район должен быть удален от судоходных линий, берегов и иметь достаточную глубину.

4. Выбирается безветренная и солнечная погода (время - полдень).

5. Выбирается горизонт и точка наблюдения, обеспечивающие оптимальное расположение фиксирующей аппаратуры относительно линии прохождения носителя винта. Выбранное положение должно быть симметричным и обеспечивать необходимое разрешение при наблюдении за полем. Плоскость фиксации поля зависит от расположения носителя винта относительно границы раздела сред. В случае расположения носителя гребного винта в подповерхностном слое плоскость фиксации поля горизонтальная. Для воздушного винта, находящегося далеко от земли, плоскость может быть как горизонтальной, так и вертикальной.

6. Выбирается средство визуализации силового поля. В натурных условиях для носителя грибного винта, идущего на средней скорости в подповерхностном слое, таким средством являются воздушные пузырьки. В лабораторных условиях могут использоваться красители. В случае воздушного винта целесообразно в силовое поле внедрять в небольшом количестве сжатый и подкрашенный воздух. Подкрашенная вода под давлением может впрыскиваться в поле гребного винта.

Сущность изобретения заключается в том, что, пересекая силовое поле винта и производя измерения, выявляют признаки, характерные для поля и его частей. По признакам определяют границы поля и его составляющих, их форму и интенсивность. Признаки выявляются путем сравнительного анализа измеренных величин с фоновыми значениями. При этом в основу анализа положена дипольная модель силового поля винта.

Способ первый состоит из следующих действий.

1. В невозмущенной среде, без аномальных характеристик создается силовое поле винта (винтов) при движении его носителя по прямой с неизменной скоростью на определенном горизонте.

2. С позиции, обеспечивающей необходимые охват и разрешение поля, производится его фото, кино- и видеосъемка.

3. Изготавливаются позитивы с различным увеличением, обеспечивающие необходимый охват и разрешение при просмотре и анализе поля. Аналогично готовится кино- и видеоматериал.

4. Первое визуальное сканирование (пересечение) проводится перед винтом и фиксируется пограничный слой на корпусе носителя, измеряется его ширина, качественно определяется степень турбулентности, фиксируется форма пограничного слоя и ее изменение по мере приближения к винту. При этом быстрое увеличение ширины и турбулентности по мере приближения к винту свидетельствует о преобладающем влиянии поля на пограничный слой. В случае малой турбулентности (малая скорость перемещения носителя) в пограничном слое могут просматриваться водовороты (по одному с каждого борта носителя). Водовороты синхронно зарождаются в носовой части, перемещаются к винту, увеличиваясь в диаметре, и исчезают в кормовой части одновременно. Затем вновь возникают в носовой части. При большой полноте корпуса носителя водовороты могут временно исчезнуть в его средней части и затем появиться в районе кормы. Их наличие говорит о том, что величина окружных скоростей больше величины осевых.

5. Второе пересечение осуществляется за винтом, где СТ начинает расширяться под утлом в 50 град. Фиксируются РВ, чередование зон повышенного и пониженного давления (их ширина и первоначальное направление - линия гребня). Фиксируется наличие промежутка между ПТ и ОТ, обедненного воздушными пузырьками. Измеряется ширина ПТ и ОТ (той его части, которая визуализируется пузырьками). При этом ширина ОТ равна сумме ширин, измеренных с двух сторон СТ.

6. Третье пересечение производится в месте, где угол расширения ОТ изменяется с 50 град. до 1 град. Фиксируются и измеряются аналогичные параметры (см. п.5) и измеряется расстояние по оси СТ от точки его пересечения под утлом 90 град. до винта (кормы носителя). Вычисляется отношение Х/Д, где: Х - расстояние, Д - диаметр винта. Для случая фиг.3 отношение равно 20 (Д=2 м).

7. Отыскивается на изображении СТ выход промежутка между ПТ и ОТ на край СТ путем проведения линии по оси промежутка до пересечения с краем СТ. В найденной точке имеет место равенство осевых скоростей ПТ и ОТ. Для этой точки отношение X/Д=130.

8. Четвертое пересечение осуществляется через точку, найденную в п.9 перпендикулярно к оси СТ. Фиксируются РВ и измеряется их кривизна, т.е. угол отклонения гребня волны от линии начального расположения. Определяется характер кривизны и ширина силового поля по концам РВ.

9. Пятое пересечение производится по приблизительному центру области избыточного ГД давления. Эта линия должна разделить фигуры с темной окраской (они расположены по обе стороны от СТ) так, чтобы их части имели равные площади. Измеряются ширина силового поля и удаленность от винта. Для фиг.3 они составляют 400 м и 440 м соответственно (отношение Х/Д=220).

10. Шестое пересечение осуществляется в конце силового поля. В этом месте образуется конусообразная область, где ГД давление снизилось до фонового (ось конуса совмещена с осью СТ). При этом на периферии поля остается область повышенного давления в виде полого конуса. Значительная часть СТ имеет фоновое давление, что способствует выделению газовых пузырьков и диффузии течения. Измеряется удаленность от винта и вычисляется отношение Х/Д=310.

Возможны дополнительные пересечения, например: в створе винта (просматривается исчезновение водоворотов и измеряется ширина ПТ и ОТ), в промежутке между третьим и четвертым пересечениями (фиксируются и измеряются аналогичные п.5 параметры) и в других местах СТ.

В натурных условиях для гребного винта способ применим для фиксации поля в горизонтальной плоскости. В модельных условиях возможна фиксация поля и в вертикальной плоскости. Для воздушного винта способ применим как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

Способ является графоаналитическим. Однако при использовании видеоаппаратуры возможна регистрация поля в динамике, т.е. фиксация скоростей и ускорений. При анализе поля всем его участкам определяются координаты с началом в центре винта.

Второй способ аналогичен первому. Отличие состоит в том, что фиксацию силового поля осуществляют в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, например в горизонтальной и в вертикальной.

Третий способ отличается от первого тем, что проводятся измерения основных характеристик поля. В случае контактных датчиков измерения осуществляются на некоторой (постоянной) глубине, например на глубине расположения оси винта. В случае неконтактных датчиков измерения проводятся на поверхности водной среды. При этом носитель измерительной аппаратуры должен перемещаться с постоянной скоростью, значительно превышающей скорость изменения характеристик поля. Его траектория может быть аналогичной первому способу, т.е. движение длинными поперечными галсами, пересекающими поле в его характерных местах: перед винтом (например, на расстоянии половина длины корпуса корабля), в створе диска винта, непосредственно за винтом, за винтом в месте наибольшего превышения осевых скоростей ПТ над скоростями ОТ, в месте равенства указанных скоростей, в месте наибольшего превышения средних скоростей ОТ над скоростями ПТ, в местах приближения осевых скоростей ПТ и ОТ к нулю. Предпочтительно, чтобы галсы были параллельны друг другу и перпендикулярны к оси винта. Галсы могут осуществляться как одновременно, так и последовательно во времени. Начало и конец каждого измерительного галса должен проходить по фону.

При использовании контактных датчиков первые три измерительных галса целесообразно проводить с кронштейнов, закрепленных на корабле. Датчики находятся в воде и соединяются кабелем с бортовой аппаратурой. Остальные галсы аналогичны рассмотренным. При этом носителем измерительной аппаратуры может быть самоходный или буксируемый буй. Буксировка может производиться как с корабля, так и с вертолета. В некоторых случаях (изучение фрагментов поля) зондирование можно осуществлять с моста, производя возвратно-поступательные измерительные галсы. Обязательным требованием является наименьшее воздействие поля носителя измерителей на поле винта. Последнее достигается посредством малой полноты корпуса, вынесением датчиков вперед и буксировкой.

При использовании неконтактных измерителей требования упрощаются и сводятся к вынесению датчиков из пограничного слоя носителя и к учету погрешности от его силового поля.

Зондирования (пересечения) могут производиться или в горизонтальной, или в вертикальной плоскостях. Последнее целесообразно проводить в диаметральной плоскости носителя винта. Могут быть вертикальные плоскости, равноотстоящие от диаметральной.

Перед началом зондирования составляется его план-карта с началом системы координат в центре исследуемого винта. В процессе зондирования непрерывно фиксируются параметры поля, текущее время и нештатные события. Вся информация "привязывается" к плану. Регулировка измерительной аппаратуры допускается однажды в начале работы при измерении фона.

Могут измеряться следующие параметры: скорость, давление, температура, соленость, плотность и содержание газа (кислород и углекислый газ). Основными параметрами являются скорость, давление и температура. Измеряются как средние значения параметров, так и пульсационные. Измеряются скорости: осевые, окружные и радиальные и их направление. По осевым скоростям фиксируются ПТ и ОТ, по их пульсациям наличие границы между ПТ и ОТ и наличие турбулентных участков. По величине окружных скоростей фиксируется закрутка ПТ и ОТ и наличие водоворотов. По величине и направлению радиальных скоростей фиксируются переходные области (1, 2', 3, 4 фиг.13). В области 1 скорости направлены к оси винта. В областях 2', 3 и 4 скорости направлены от оси винта.

По величине и знаку приращения давления проверяется заглубление датчиков, наличие участков и областей повышенного и пониженного давления, геометрия РВ и подтверждается эффект Доплера, заключающийся в изменении частоты фиксируемых РВ во сравнению с частотой излучаемых СТ РВ в зависимости от величины и направления скорости носителя измерителей. Кривизна РВ проверяется при наличии трех точек, принадлежащих одной волне. При необходимости осуществляются промежуточные галсы.

По среднему значению температуры и сравнению с фоновой определяется забор винтом верхних слоев среды. С этой целью могут использоваться показания измерителей солености и плотности. По показаниям измерителей содержания газа в воде определяется его динамика в СТ.

Рассмотренные параметры измеряются непрерывно и записываются в аналоговом виде. Последнее удобно для быстрого анализа. Возможна выборочная запись и цифровая запись и обработка информации.

В качестве контактных датчиков могут использоваться следующие: термоанемометр, вертушка, термометр сопротивления, мембранный датчик, электрохимический датчик, датчик электропроводности и т.д. В качестве неконтактных датчиков могут использоваться инфракрасные, лазерные, акустические и другие.

Третий способ состоит из следующих действий.

1. Первое зондирование проводится перед винтом. Измеряются: ширина пограничного слоя (средние и пульсационные скорости), турбулентность (пульсационные скорости), ширина ОТ (средние скорости), закрутка ОТ (окружные скорости), температура ОТ, содержание газа в ОТ и ширина области пониженного давления. Фиксируется наличие водоворотов и их динамика.

2. Второе зондирование осуществляется в створе диска винта. Измеряются: скорость, ширина, температура, давление, содержание газа, закрутка и турбулентность в ОТ. Определяется направление ОТ, наличие и динамика водоворотов, наличие РВ по перемежаемости участков повышенного давления.

3. Третье зондирование проводится за винтом, в месте максимума скоростей ПТ и ОТ (X/Д 20). Измеряются: ширина участков повышенного давления, первой половины ОТ, границы ОТ с ПТ, ПТ, второй границы ПТ с ОТ, второй половины ОТ, участков повышенного давления. Измеряются: температура, давление, закрутка и содержание газа в ОТ и ПТ. Определяются: РВ, превышение скорости ПТ над скоростью ОТ, факт забора винтом преимущественно верхних слоев среды, направление ОТ и ПТ и эффект Доплера.

4. Четвертое зондирование осуществляется в месте равенства скоростей ПТ и ОТ (X/Д 130). Измеряются и определяются параметры, аналогичные п.3. Дополнительно определяется ширина центральной области повышенного давления, подтверждается приблизительное равенство скоростей ПТ и ОТ и устанавливается динамика содержания газа в ПТ и ОТ.

5. Пятое зондирование проводится в месте наибольшего превышения скорости ОТ над скоростью ПТ (месте в СТ, где давление максимально, центр силового поля, Х/Д 220). Измеряются и определяются параметры, аналогичные п.3. Дополнительно подтверждается приближение к нулю осевой скорости ПТ и определяется нелинейность РВ.

6. Шестое зондирование осуществляется в конце поля (Х/Д 310, место, где осевые скорости ОТ и ПТ равны нулю и давление приближается к фоновому). Измеряются и определяются параметры, аналогичные п.3. Способ четвертый подобен третьему и отличается тем, что зондирования приводятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, например в горизонтальной и в вертикальной (диаметральной).

Способ пятый подобен третьему и отличается тем, что зондирования на всех галсах проводятся одновременно.

Заключая, отметим, что основные дефекты ходовых качеств носителя винта обусловлены асимметрией его силового поля: вертикальной или горизонтальной. В случае летательного аппарата дефекты могут приводить к катастрофе. Знание более полной структуры силового ноля движителя помогает понять и наметить меры по улучшению ходовых качеств носителя.

Литература

1. Басин A.M., Миниович И.Я. Теория и расчет гребных винтов. - Л.: Судпромгиз, 1953.

2. Бушмарин О.Н. Закрученная струя в спутном потоке жидкости той же плотности. Труды ЛПИ, №176. - Л., 1955.

3. Липис З.Б. Гидродинамика гребного винта. - Л.: Судостроение, 1975.

4. Мясищев В.И. (ред.) Физические основы подводной акустики. - М.: Сов. радио, 1955.

5. Фукельман В.Л. Основы теории корабля. - Л.: Судостроение, 1977.

6. Федяевский К.К. и др. Гидромеханика. - Л.: Судостроение, 1968.

7. Брэдшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение. - М.: Мир, 1974.

8. Монин А.С.,. Озмидов Р.В. Океанская турбулентность. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

9. Нейман Л.Р., Калантаров П.Л. Теоретические основы электротехники. часть 2 (Теория цепей переменного тока). - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.

10. Пашуков Е.Б. Авторское свидетельство №146413 от 28.09.1979.

11. Пашуков Е.Б. Авторское свидетельство №277014 от 22.03.1982.

12. Пашуков Е.Б. Патент на изобретение №2282327 от 18.11.1991. Способ обнаружения длинных корабельных внутренних волн.

13. Пащуков Е.Б. Патент на изобретение №2281879 от 06.04.2004. Устройство для улучшения гидродинамических характеристик гребного винта (варианты).

14. Пашуков Е.Б. Заявка на изобретение №2004135662 от 05.12.2004. Способ для восстановления подъемной силы воздушного винта (варианты и устройство для его реализации (варианты).

15. Пашуков Е.Б. Заявка на изобретение №2005106495 от 09.03.2005. Способ и устройство для обнаружения вихревого образования над (перед) винтом летательного аппарата (варианты).

16. Пашуков Е.Б. Заявка на изобретение №2004115775 от 24.05.2004. Способ и устройство улучшения аэродинамических характеристик воздушного винта (варианты).