Numerical determination of hydrodynamic characteristics of a submerged airfoil

В работе рассмотрено влияние параметров профиля на его гидродинамические характеристики. Задача решена методом, учитывающем вязкость, расчёты произведены в открытом пакете OpenFOAM методом контрольного объема, и потенциальным, численная реализация осуществляется методом граничного элемента. Оценка вихреволнового взаимодействия в потенциальном методе выполняется с помощью распределения гидродинамических особенностей по поверхности профиля и свободной поверхности, и численного решения системы уравнений нелинейной нестационарной задачи о движении крыла вблизи раздела сред вода-воздух. В вязкостном методе совместно решены уравнения Навье-Стокса и неразрывности, осреднённые по Рейнольдсу. Решена плоская задача, движение рассмотрено обращенное. Произведена верификация математической модели и найдено сеточно-независимое решение. Рассмотрено влияние относительной глубины погружения, различных скоростей движения, малых углов атаки, формы профиля в плане на его основные эксплуатационные характеристики: коэффициент подъемной силы и коэффициент сопротивления. Выбраны три профиля в плане: сегментный, Вальхнера, симметричный. Сделаны выводы о влиянии параметров профиля на гидродинамические характеристики (ГДХ), построены зависимости ГДХ от исследуемых параметров и распределение коэффициента давления по поверхности профиля. Рассмотренные методы хорошо согласуются между собой, позволяют оценить ГДХ крыла, построить волновую поверхность, подобрать оптимальные параметры движения для СПК численно на стадии проектирования. In this article, the influence of the profile parameters on the hydrodynamic characteristics of a submerged airfoil is reviewed. A home-made code based on boundary element method and hypotheses of the potential theory was used. The interaction between free surface and airfoil generated vortexes was estimated by distribution of hydrodynamic singularities on the airfoil and free surface. To consider viscosity effects, an open-source packet OpenFOAM based on finite-volume method was used to solve the Navier-Stokes and continuity equations averaged by Reynolds method. The mathematical model was verified and validated, and a grid-independent solution was found. The influence of the relative depth of immersion, speed, angle of attack, and the shape of the profile on its main hydrodynamic characteristics was considered. Three profiles were selected: segmental, Walchner, and symmetrical. The dependences of coefficients on the studied parameters and the distribution of the pressure coefficient over the profile are studied and analyzed. The considered methods are in a good agreement with each other. Obtained results allow to estimate the wing hydrodynamic characteristics and resulting wave surface which give possibility to select the optimal motion parameters for the hydrofoil at the early design stage.