МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АКВАПЛАНИРОВАНИЯ

Автор: Иван Алексеевич Амелюшкин

Соавторы: Кривопалова Елена Викторовна, Политыкина Наталья Владимировна

Организация: Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского

Физическое, математическое и численное моделирование процессов, сопровождающих движение жидкости со свободными границами представляет большой интерес в широкой области приложений. Для исследования динамики пограничного слоя вблизи гидрофобных покрытий при вымывании из их пор пузырьков воздуха создана гидродинамическая установка, в которой проведены измерения аэрогидродинамических сил, действующих на вращающееся в потоке цилиндрическое тело. Максимальная скорость потока жидкости 7 м/c, оригинальная конструкция позволяет проводить эксперименты как с открытой, так и закрытой рабочей частью, получены и описаны предварительные результаты. На основе проведенных экспериментов и анализа данных других исследователей сформулирована система из 12 уравнений и программа, позволяющая рассчитать технические характеристики и физические параметры транспортного средства, движущегося по воде на колесах. Основными параметрами являются Δ/R – безразмерная глубина погружения колеса, V²/gR – число Фруда, h/R – безразмерная высота грунтозацепов,  – мощность водокатного движителя и аэрогидродинамические коэффициенты, которые зависят от формы и безразмерных аэрогидродинамических параметров – числе Фруда, Рейнольдса, Бонда, Вебера и др. Здесь R – радиус колеса, N – колес, g – ускорение свободного падения, V – скорость движения, ρ – плотность воды,  – угловая скорость, H – ширина колеса, h – высота грунтозацепов,  – коэффициент полезного действия, C_d – коэффициент тяги, l = 2R arccos(1 – Δ/R) длина контакта колеса с водой. Величина тяги водокатного движителя определяется следующим выражением на основе моделей Эпштейна[1] F_x= Nρ (H R ω²) arccos(1 – Δ/R) γ = C_x ρ_в V² S/2 = Mg/K, здесь M – масса аппарата, γ коэффициенты пропульсивной силы, C_x – коэффициент сопротивления, ρ_в – плотность воздуха, K – введенный в настоящей работе коэффициент качества аквапланирования, от него в значительной степени зависит γ = const= 0.694 (из сравнения с данными по силе тяги работы Эпштейна [1] ) Получены экспериментальные зависимости подъемной силы вращающегося в потоке колеса с грунтозацепами от глубины погружения и числа Фруда. Получены минимальные значения угловой скорости вращения колеса, соответствующие движению транспортного средства заданной массы, при заданной глубине погружения и скорости при отсутствии других горизонтальных сил (тяга винта, сопротивление воздуха и др.). Экспериментальные результаты в определенных диапазонах с данными работ [1–3], различия вызваны наличием расположенных под углом довольно крупных грунтозацепов и некоторыми особенностями проведения эксперимента, в частности, зависимости угловой скорости вращения от горизонтальных сил при измерении вертикальных.