Numerical modeling of paddling blades activity

Abstract

Гребные лопатки являются основным рабочим органом движителей, использующих для создания тяги силу сопротивления движению тела в жидкости. К таким движителям традиционно относятся гребные колеса, весельные движители и ряд бионических движителей живых существ. Целью работы является исследование и выявление гидродинамических особенностей работы гребных лопаток. Исследование выполнено с помощью численного моделирования работы лопаток в пакете OpenFoam. Для моделирования движения лопаток используется технология подвижных сеток. Алгоритм проведения расчетов был верифицирован на основе известных экспериментальных данных движения плохообтекаемых тел в жидкости. Исследовательские расчеты проводились в плоском и трехмерном случае, при четырех значениях числа Струхаля. Было выявлено образование шахматной дорожки вихрей переменного шага за движущейся лопаткой. Механизм возникновения этих вихрей, параметры и диапазон скоростей их существования существенно отличаются от известного решения Кармана для вихревой дорожки. Так же был подтвержден сугубо нестационарный характер сил, действующих на лопатке, и определена зависимость этих сил от числа Струхаля. The paddling blades are the main working body of the propulsors, which use resistance force of the body movement of in liquid to create the thrust. Such propulsors traditionally include paddle wheels, paddles, and a number of bionic propulsors of living things. The purpose of the work is to study and identify the hydrodynamic features of the paddling blades. The study was performed using numerical simulation of the blades operation in the OpenFOAM package. The technology of movable grids is used to simulate the blades movement. The calculation algorithm was verified on the basis of known experimental data on the poorly-flowing bodies motion in a liquid. The research calculations were carried out in the flat and three-dimensional case, with four Strouhal number values. The formation was revealed of a checkerboard vortices track with variable pitch behind the moving blade. The occurrence mechanism of these vortices, the parameters and the range of velocities of their existence differ significantly from the known Karman solution for a vortex path. The purely non-stationary nature was also confirmed of the forces acting on the blade, and the dependence was determined of these forces on the Strouhal number.