В последнее десятилетие расчетные методы гидродинамики получили очень большое развитие. Появилось много программ для расчетов методом конечных элементов, позволяющих использовать расчетные сетки с большим числом ячеек. Вычислительные мощности кластеров увеличились, а стоимость их использования стала существенно ниже. Казалось бы, самое то, использовать их для расчетов гидродинамики проектируемых судов, но многие проектные организации не спешат это делать, видя в этом лишь красивую рекламную картинку для потенциальных заказчиков. Почему к таким расчетам не относятся серьезно или попросту не доверяют полученным результатам?

 

Существует ряд причин, которые тормозят применение гидродинамических расчетов при проектировании судов. Перечислим некоторые из них:

 

- Сложности связанные с постановкой задачи и заданием расчетных сеток. Большая часть программ, которые используются для гидродинамических расчетов, применяются для различных расчетов методом конечных элементов. Такими программами можно считать любые физические процессы и в любых средах. Для того чтобы результаты расчета отражали реальный физический процесс, необходимо корректно описать этот процесс в терминах данной программы. Так как процесс моделируется в конечно - элементной модели для более точного представления результатов необходимо корректное задание расчетных сеток.  Например, для расчета сопротивления гладкого корпуса можно воспользоваться более крупными сетками. Крупные сетки позволяют получить результат быстрее. Если расчет выполняется для корпуса с выступающими частями, сетка в районе выступающих частей должна быть более мелкой.  Это увеличивает время расчета, но позволяет получать более достоверные результаты. В любом случае настройки той или иной программы должен выполнять специалист, который знает, что он делает. Кроме того, желательно предварительно провести сравнение серии результатов расчета с реальными данными, взятыми с натурного судна или модельных испытаний. Поэтому покупка программы и проведение трехдневного курса молодого бойца в данном случае не решат проблему внедрения программы гидродинамических расчетов на предприятии.

 

- Проблема подготовки модели исходной поверхности корпуса судна для расчета. Для расчета сопротивления воды требуется модель корпуса представленная как твердое тело. Как правило такая модель представляется в виде набора треугольников. Реальные модели поверхности корпуса судна это как правило набор NURBS поверхностей. При преобразовании поверхности в набор треугольников могут возникнуть щели местах стыковки участков поверхностей. Такая модель будет пропускать воду и в конечном итоге утонет, не получив результата. Некоторые программы преобразования модели в набор треугольников неверно обрабатывают области стыковки поверхностей в районах сломов. При этом появляются треугольники, ориентированные поперек потока. Это может существенно повлиять на результаты расчетов.

 

 - Использование плохо сглаженной поверхности для расчета. Привычка использовать для расчета предварительную модель поверхности корпуса судна может сыграть с проектантом злую шутку.  Предварительная модель поверхности обычно используется для расчетов гидростатики и не требует качественного сглаживания. Для гидростатических расчетов требуется более качественная поверхность. Бухтины на корпусе могут существенно повлиять на результаты расчетов. Особенно в случае оптимизации формы корпуса. Даже незначительные изменения формы корпуса могут существенно изменить сопротивление корпуса. При использовании плохо сглаженного корпуса невозможно достоверно понять, как влияет изменение формы на результат расчета.

 

Все перечисленные выше причины ограничивают возможности использования гидродинамических расчетов в проектных организациях и являются основными причинами известного скепсиса у инженеров в отношении результатов расчетов. Самый частый вопрос, который задают проектанты расчетчикам это насколько результаты расчетов близки к результатам модельных испытаний в опытовом бассейне. Подразумевая отказ от дорогих и долгих модельных испытаний и замену их расчетными методами. Расхождение в результатах между расчетом и моделью может быть различным в зависимости от геометрии судна числа Фруда и многих других факторов.

 

Кораблестроители и судовладельцы больше склонны доверять результатам модельных испытаний. Это хорошо известный и проверенный столетиями метод определения сопротивления воды движению судна. Часто инициатором модельных испытания является заказчик нового судна. При подписании контракта он хочет быть уверен в том, что судно даст требуемую скорость при заданной мощности энергетической установки.  Проектант предоставляет модель поверхности корпуса, опытовый бассейн делает на ее основе масштабную модель корпуса и проводит испытания. Сколько вариантов корпуса можно при этом прогнать в бассейне? Как показывает опыт - 1 -2 варианта. Чаще всего один. При этом нет никакой гарантии что это достаточно оптимальная поверхность корпуса. Поэтому проектант обычно дает большой запас по мощности энергетической установки, а судовладельцу остается эксплуатировать судно, энергоэффективность которого не подтверждена ничем. Повышенный расход топлива и выбросы в окружающую среду при сроке эксплуатации судна в 20-30 лет не сулят судовладельцу ничего хорошего.

 

Безусловно модельные испытания в бассейне дают достоверные результаты, но при этом гидродинамические расчеты дают проектантам гораздо больше возможностей по оптимизации поверхности корпуса судна. Расчеты гидродинамики позволяют прогнать несколько вариантов поверхностей и выбрать тот,  который имеет лучшие характеристики. При этом не так важно, насколько близко эти результаты к модельным или натурным испытаниям. Изменения формы корпуса при оптимизации как правило незначительные и при расчетах используются аналогичные сетки. Проектант ориентируется, сравнивая новый и предыдущий расчет. При этом визуализация динамического давления вокруг корпуса судна, волновая поверхность и линии тока дают информацию о том, как нужно изменить форму корпуса для того, чтоб улучшить результат. Процесс оптимизации идет параллельно с процессом проектирования судна. Изменения формы корпуса могут отражать не только гидродинамическую составляющую, но и ряд других факторов, таких как водоизмещение, положение центра величины, метацентрической высоты. После того, как оптимизация завершена, данные о форме корпуса передаются в бассейн для проведения испытаний. При этом проектант и судовладелец уверены, что эта форма корпуса более оптимальна, чем предварительная взятая с прототипа, а порой и просто с потолка. Исследования показали, что при перепроектировании однотипных судов 15-летней давности можно получить выигрыш в сопротивлении до 25% при использовании современных методов гидродинамической оптимизации.

 

В настоящее время большое внимание уделяется снижению выбросов парниковых газов в окружающую среду, использование альтернативных источников энергии. Все это новые и по большей части неопробованные на практике решения могут создавать много проблем при эксплуатации судна в то время, как оптимальная форма корпуса снижает выбросы и при этом экономит топливо и деньги судовладельца.