Аэрогидромеханика движущегося по воде колеса
Автор: Иван Алексеевич Амелюшкин
Соавторы: Кривопалова Е.В., Петров Д.А.
Организация: Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского
Экспериментальное исслдеование, моделирование и управление аэрогидродинамическими процессами, сопровождающих движение по воде колеса с грунтозацепами представляет большой интерес в задаче создания быстроходного амфибийного транспорта. При движении колеса по воде подъемная сила создается за счет скоростного напора жидкости и эффекта ударов грунтозацепов о воду, вклад своеобразного эффекта Магнуса на межфазной границе жидкость-газ, направленного под воду значительно уступает первым двум эффектам, а гидростатические силы становятся значительными лишь при существенном погружении когда движущееся по воде цилиндрическое тело погружается на существенную глубину, то есть при малых скоростях. Аэрогидромеханические силы в значительной степени определяется формой и размером взаимодействующих с многофазной средой грунтозацепов, скоростью напора, глубины погружения и ряда других параметров, прежде всего, безразмерных, в зависимости от которых реализуются различные режимы аэрогидродинамических процессов: от гребного до возникновения изогнутого воздушного экрана и вспененной жидкостью между вращающимся твердым телом и жидкостью, по которой оно перемещается. В насточщей работе проведены расчеты аэрогидромеханических сил, действующих на движущиеся по воде колеса с грунтозацепами.
Для определения скорости при которой возможен бег по воде в зависимости от размеров создана модель колеса с закрепленных на нем моделей ног, для соответствия эксперимента с уменьшенной моделью реальным условиям основной параметр подобия число Фруда Fr =V2/gL. Подъемная сила пропорциональна квадрату скорости бега по воде V и квадрату длины стопы L, т.к. ее площадь пропорциональна квадрату длины стопы. В предположении о независимости формы и плотности от размеров принято, что масса пропорциональна кубу длины стопы, а площадь квадрату. Учитывая приведенные выше обстоятельства, аппроксимируя зависимость подъемной силы от скорости параболическими кривыми (поскольку гидродинамическая силу можно считать пропорциональной квадрату скорости, пренебрегая вязкими эффектами, поверхностным натяжением и некоторыми особенностями двухфазных течений), проходящими через точки полученных в работе значений, были получены значения скоростей, необходимых для удержания над водой тел различной массы при различных размерах стоп. Создана модель беспилотного водокатного транспортного средства для движения по воде, снегу, льду, земле и в перспективе совершать подлеты. В отличие от существующих транспортных средств на эффекте аквапланирования разработанный аппарат остается наплаву при остановке, стабилизатор необходим для устойчивого движения и управления по курсу. Установленные в передней части водные лыжи снижают затраты энергии при выходе на режимы глиссирования и аквапланирования.
