Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ научно-исследовательских работ, связанных с изучением преодоления прибойной зоны постановка цели и задач работы 14
1.1. Анализ научно-исследовательских работ 14
1.2. Постановка цели и задач работы 29
Глава 2. Теоретические основы процесса входа плавающих машин в воду прибойной зоны, гидродинами ческого воздействия на них 31
2.1. Особенности входа плавающих машин в воду прибойной зоны 31
2.2. Характеристика волнения на глубокой воде вдали от берега 34
2.3. Характеристика волнения и волн прибойной зоны 38
2.4. Особенности движения плавающих машин в прибойной зоне 48
2.5. Расчет некоторых параметров взаимодействия разрушающихся волн с плавающими машинами 65
Выводы по главе 2 92
Глава 3. Экспериментальные исследования процесса входа плавающих машин в воду прибойной зоны и оценка гидродинамического воздействия на них 95
3.1. Общие положения по организации экспериментальных исследовании 95
3.2. Цель и задачи экспериментальных исследований 97
3.3. Место и условия проведения исследований 98
3.4. Характеристики физической модели плавающей машины, измерительной и регистрирующей аппаратуры 109
3.5. Программа и методика экспериментальной оценки гидродинамического воздействия на плавающие машины, входящие в прибойную зону 117
3.6. Результаты экспериментальных исследований 134
Выводы по главе 3 155
Заключение 159
Список использованных источников и литературы 167
Приложения
- Характеристика волнения на глубокой воде вдали от берега
- Расчет некоторых параметров взаимодействия разрушающихся волн с плавающими машинами
- Характеристики физической модели плавающей машины, измерительной и регистрирующей аппаратуры
- Программа и методика экспериментальной оценки гидродинамического воздействия на плавающие машины, входящие в прибойную зону
Введение к работе
Среди большого количества плавающих машин (ПМ) различного типа и назначения (военных и гражданского использования) есть две группы машин, которые эксплуатируются в прибрежных зонах морей и океанов.
Первая группа машин, наиболее значительная по своему составу - это машины морской пехоты Военно-морского флота страны: плавающие танки, боевые машины пехоты, плавающие колесные и гусеничные бронетранспортеры и транспортные гусеничные машины типа ПТС-2, ДТ-10П, ДТ-ЗОПи др.
Машины этой группы вынуждены работать в прибойной зоне по условиям боевой обстановки, так как именно она, а не состояние погоды обуславливают необходимость преодоления зоны прибоя. Именно эти машины должны в наибольшей степени быть приспособлены к условиям неспокойного моря, то есть быть действительно мореходными и способными плавать в условиях волнения различной балльности, входить в воду прибойной зоны и выходить из нее на берег.
Вторая группа плавающих машин - это машины рейдовой разгрузки судов-снабженцев, обеспечивающих доставку разнообразных грузов на необорудованный берег через так называемые портопункты Северного Морского Пути и на других морских трассах от Мурманска до Владивостока, а также через портопункты, расположенные на побережьях Антарктиды.
Продолжительность работы машин этой группы в условиях волнений различной балльности относительно общего времени их эксплуатации достаточно велика. Поэтому эта группа машин также должна быть мореходной и способной плавать, входить в воду прибойной
зоны и выходить из нее на берег в условиях волнения до трех-четырех баллов.
Некоторые транспортные комплексы рейдовой разгрузки судов-снабженцев состоят из амфибийных буксировщиков и несамоходных морских платформ на воздушной подушке грузоподъемностью до 40 тонн. Работа таких комплексов в условия волнения, то есть плавание, выход из воды на берег и вход в воду даже без груза, который выгружается на грунт у складов, является очень тяжелым режимом морской эксплуатации машин, который в настоящем исследовании не рассматривается.
Важно отметить, что плавающие машины рейдовой разгрузки судов также не могут ожидать хорошей погоды и уменьшения волнения, так как длительная стоянка на рейдах судов-снабженцев очень невыгодна. Каждый час стоянки на рейде судна-снабженца приводит к значительным финансовым издержкам (по оценкам 1991 года от 2000 до 4000 рублей и более в зависимости от типа судна).
Условия эксплуатации плавающих машин в прибрежных зонах морей и океанов существенно отличаются от условий эксплуатации таких машин на реках, малых озерах и водохранилищах из-за состояния водной поверхности, характеризуемой волнениями различной балльности, что в свою очередь объясняется серьезными различиями в ветро-волновом режиме, геологии дна, глубинах и т.п.
В прибрежной части морей и океанов редко наблюдается спокойное состояние водной поверхности. В большинстве случаев по статистическим данным это волны до двух-трех баллов. Но достаточно часто с береговыми пляжами в течение нескольких дней взаимодействуют волны в 4 или 5 баллов, которые являются предельными даже
для мореходных плавающих машин из-за сильных гидродинамических воздействий волн на береговые пляжи и сами машины.
Если на реках, малых озерах и в прибрежной части морей и океанов при незначительном волнении вход машин с берега в воду и выход из нее на берег не вызывает особых трудностей, то при работе в условиях волнения более трех баллов эксплуатация машин, даже приспособленных к работе в морских условиях, становится весьма специфичной, трудной и опасной, поскольку в процессе преодоления прибойной зоны при входе в воду и выходе из нее происходит весьма сложное гидродинамическое взаимодействие плавающих машин с волнами.
Волны, подходящие к берегу из открытого моря, трансформируются по своим размерам, формам и параметрам и, как правило, подходят к берегу по нормали. При этом по мере приближения к берегу, и уменьшения глубины воды меняется профиль волн, они становятся неустойчивыми и разрушаются, накатываясь на береговой пляж. Процесс разрушения волн, воздействующих на берег, береговые сооружения и плавающие машины, движущиеся по берегу, весьма динамичен и характеризуется существенным силовым воздействием из-за большой потенциальной и кинетической энергии волн. Для периодов волн 4...6 секунд, наблюдаемых при волнениях 4...5 баллов, сила удара волны может достигать 26...30 кН и более на квадратный метр площади [17; 20].
При рассмотрении волн прибойной зоны следует выделить несколько характерных параметров этих волн, которые могут существенно влиять на процесс взаимодействия плавающих машин с волнами прибойной зоны. К этим параметрам относят: скорость волны в мелководной и прибойной зоне; высота, длина и крутизна волны и динамика их изменения по мере подхода к урезу воды; глубины воды, на которых
начинается процесс разрушения волн; вид разрушения. Кроме того, на картину волнообразования в прибойной зоне оказывают значительное влияние величина уклона прибрежного дна и изменения формы его профиля (подъемы, спуски, горизонтальные площадки, бары и т.д.), а также его гладкость и водопроницаемость. При комплексном рассмотрении волновой картины в прибрежной зоне нельзя не учитывать также влияние на ее формирование формы береговой линии, а также различных течений, как волновой, так и не волновой природы.
Кроме фронтального силового воздействия, препятствующего поступательному движению машины, могут проявляться факторы, стремящиеся отвернуть машину от заданного курса, который должен быть перпендикулярен фронту встречной волны. В результате в предельном случае машина может быть развернута бортом (лагом) к волне и опрокинута.
Кроме того, необходимо учитывать, что при движении в прибойной зоне машинам приходится преодолевать воздействия не одной волны, а череды разрушающихся волн, оказывающих на них гидродинамическое силовое воздействие и вызывающих качку.
Безопасная и эффективная эксплуатация плавающих машин в прибрежной зоне моря во многом зависит от того, насколько плавающие машины способны уверенно преодолевать прибойную зону с различными типами разрушающихся волн без потери остойчивости и плавучести, то есть без их потопления. При этом весьма желательно сохранение требуемой скорости движения и управляемости машин.
Количество фото и видеоматериалов, иллюстрирующих вход плавающих машин в прибойную зону, весьма ограничено. Некоторые фотографии, дающие представление о сложности задачи преодоления
прибойной зоны в условиях волнений критической балльности, представлены на рис. 2.3.3.
На рис. 2.3.3 (а) показан фрагмент входа в воду прибойной зоны американского плавающего бронетранспортера LVTP-7A1. О высоте прибойной волны можно судить, сравнивая ее с шириной машины, которая у данного транспортера равна 3,3 метра. Обращает на себя внимание значительный подъем передней части корпуса при входе его в соприкосновение с прибойной волной и деформация ее переднего склона корпусом машины. Волна как бы нависает над машиной и в последующее мгновение обрушивается на нее, оказывая мощное динамическое воздействие. Следует обратить также внимание на то, что кормовая часть корпуса машины полностью находится в потоке откатывающегося в сторону моря заплеска волн.
Откатывающиеся от берега разрушившиеся волны являются фактором, способствующим поступательному движению плавающей машины в сторону моря. Однако отсутствие надежной герметизации верхней части корпуса (что характерно для большинства транспортных машин) волны могут вызвать принятие на грузовую платформу больших масс воды и уменьшение остойчивости плавающей машины со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями.
Рис. 2.3.3 (б) иллюстрирует вход в воду отечественной плавающей машины с негерметизированной грузовой платформой, покрытой тентом. Очевидно, что встреча с прибойными волнами, сходными с отображенной на этой фотографии, для машин такого типа сопряжена с дополнительной опасностью.
Успешное преодоление прибойной зоны плавающей машиной определяется несколькими факторами. Первый и очень важный фактор -это превышение суммарных сил тяги, создаваемых сухопутными и во-
доходными движителями машины, над суммой сил сопротивления движению (гидродинамических сил сопротивления с учетом силового воздействия волн, воздушного сопротивления при больших скоростях ветра, сил сопротивления, возникающих при взаимодействии сухопутного движителя с опорной поверхностью). В тех случаях, когда это условие не обеспечивается, а кинетическая энергия машины меньше энергии волны, скорость машины уменьшается до нуля и она не может преодолеть противодействие разрушающихся волн. В этих обстоятельствах, как уже отмечалось, велика вероятность разворота машины бортом к волне.
В связи с этим необходимо отметить еще один важный фактор, влияющий на успешность входа машины в воду на волнении в 3...5 баллов. К нему относится эффективность рулевых устройств машины, с помощью которых должно происходить возвращение машины к первоначальному или близкому к нему курсу после разворота машины под действием одной или нескольких волн.
Рулевые устройства эффективны, если они способны в течение очень короткого времени, примерно равного периоду волны, вернуть машину на курс, близкий к первоначальному. Если рулевые устройства малоэффективны, то машина силовым воздействием волн может быть развернута бортом к очередной волне и опрокинута.
Вероятность опрокидывания возрастает, если имеется контакт сухопутного движителя (колесного или гусеничного) одного борта с подводным грунтом. Поэтому при оценках возможностей работы машины в прибойной зоне необходимо обращать серьезное внимание как на скорость (поскольку она определяет кинетическую энергию машины) и совокупную силу тяги движителей при прямолинейном движении, так и на угловую скорость поворота машины под действием своих рулевых
устройств, учитывая то обстоятельство, что поворачивающий момент от рулевых устройств по своей величине должен быть больше момента от воздействия волн, ветра и прибрежных течений.
Третий фактор, определяющий успешность преодоления плавающей машиной прибойной зоны - надежная герметизация надводной части корпуса, не допускающая попадания в его внутренние объемы больших масс воды в условиях, когда разрушающаяся волна накатывается на верхнюю часть корпуса машины. При этом важно не только обеспечить минимизацию поступления забортной воды в корпус, но и не допустить разрушения элементов корпусного оборудования, через которое вода может поступать в корпус. Например, защитных стекол кабины управления, забортных труб питания двигателя воздухом и других элементов плавающего средства.
При недостаточной герметизации корпуса поступающая в него вода уменьшает запас плавучести, ухудшает остойчивость и в конечном счете может привести к потери плавучести (машина утонет) либо к потере остойчивости (машина перевернется и утонет).
Поэтому обеспечение необходимой непотопляемости машины -это обязательное условие создания мореходных машин, способных работать в прибойной зоне.
При преодолении волн прибойной зоны машины испытывают, в основном, продольную и вертикальную качку с достаточно большими амплитудами и ускорениями. Поэтому четвертый фактор, который желательно также учитывать - это то, что суммарные вертикальные и угловые ускорения не должны превышать значений, обусловленных эргономическими нормами.
И последний, пятый фактор, который также связан с обитаемостью и управляемостью плавающих машин, - это явление обильной за-
ливаемости верхних надводных частей корпуса, когда большие сплошные массы воды, накатываясь на машину, закрывают смотровые приборы, стекла кабин и рубок. В эти моменты экипажи практически лишаются на некоторое время возможности наблюдения из машин и не могут быстро реагировать на изменение внешних условий и поведения машин, то есть управлять ими.
Теоретических и экспериментальных исследований процесса преодоления плавающими машинами прибойной зоны практически очень мало и посвящены они, в основном, вопросам качки. Поэтому направление исследований этой работы представляется актуальным и важным, поскольку позволяет выявить особенности движения плавающих машин через зону прибоя и способствовать выработке рекомендаций, обеспечивающих надежный вход в воду в условиях требуемой балльности волнения за счет, в основном, конструкции машины. При этом будут обусловлены и наиболее рациональные эксплуатационные приемы преодоления прибойной зоны.
Таким образом, можно констатировать, что преодоление плавающими машинами прибойной зоны при волнениях различной балльности, особенно при входе в воду и выходе из нее на разных по величине уклонах дна прибрежной полосы, является наиболее трудным и опасным режимом работы плавающих машин, успешность завершения которого гарантирует дальнейшую эксплуатацию машин в условиях неспокойного моря.
Исследованию наиболее важных элементов процесса преодоления плавающими машинами прибойной зоны и посвящена настоящая работа, так как если машина не может надежно входить в воду прибойной зоны, то ее нельзя считать мореходной.
Характеристика волнения на глубокой воде вдали от берега
Вдали от берега плавающие машины взаимодействуют в основном с волнами глубокой воды нерегулярных волнений, у которых параметры большинства волн отличаются друг от друга. Профиль ветровой волны на глубокой воде в среднем совпадает с трохоидой, но проекция наветренного склона и проекция подветренного склона во многих случаях находятся в отношении 2:3 (рис. 2.2.1). Крутизна главных волн при ветре в два-три балла составляет 15...16 и увеличивается до 20 при более сильном ветре. Из таблицы 2.1.1 следует, что плавающие машины вдали от берега, то есть в открытом море могут быть вынуждены взаимодействовать с волнами, высота которых может достигать 3,5 метра, длина - 50 метров, а период - 6 секунд. Для того, чтобы ответить на вопрос как формируются пляжные фестоны полезно рассмотреть действие двух последовательных волн - четной и нечетной (см. рис 2.2.3.). Направленный по прямой к берегу заплеск после разбивания четной волны, несущий с собой взвешенный песок (1), набегает на поверхность пляжа.
Он разбивается на рукава у выступов и течение вдоль боковых стенок бухточки, пока не истратит весь запас энергии или не столкнется с встречным потоком (2). Как только движение этого потока остановится, он попадает под воздействие одной силы тяжести и возвращается в сторону моря по самому крутому пути, который (3) приводит его в канавку, находящуюся в центре бухточки. Довольно большая скорость воды в канавке увлекает за собой песок со дна, в результате чего (4) образуется маленькая подводная дельта. Эта сильная струя должна резко остановить движение воды перед следующей волной, отчего новая волна (5) теряет часть своей эффективности в отношении переноса песка. Но, несмотря на это, часть волны, которая движется навстречу выступу фестона, не тормози; как и прежде, она взбегает вверх по пляжу и оставляет принесенный песок. При разрушении волн на мелководье в баре может возникнуть разрывное течение (рис. 2.2.2.). В этом случае вода возвращается в море не через бар, а через узкий канал в баре, образуя мощное течение в сторону моря. В непосредственной близости от берега плавающие машины при работе в штормовую погоду в процессе входа в воду и выхода из нее на берег вынуждены преодолевать прибойную зону, под которой понимается верхняя часть шельфа, примыкающая к берегу, и часть пляжа, образующая зону заплеска волн. Волны глубокой воды открытого моря или океана при приближении к берегу изменяют свои формы, размеры и кинематические характеристики. Приближаясь к берегу, они, прежде всего, как правило, изменяют направление своего бега и подходят к береговому урезу воды почти по нормали. Одновременно происходит изменение их форм и размеров, и они преобразуются из трехмерных в двухмерные.
В связи с этим прибрежную зону моря принято условно делить на следующие четыре полосы: глубоководную, в которой глубина воды h 0,5ЛЙ. В этой полосе влияние глубины воды на размеры и форму волны отсутствует; мелководную, в которой И 0,52в, В этой полосе под влиянием ограниченной глубины и рельефа дна происходит трансформация волн; прибойную, в которой и происходит обрушение гребней волн, а затем и разрушение всей волны; приурезовую, образующуюся на части пляжа зону заплеска волн, движение которых вырождается на ней в возвратно-поступательные перемещения языка воды по поверхности пляжа. В этой полосе вода от полностью разрушенных волн, периодически с частотой волны накатывается на берег, а затем возвращается обратно к урезу воды, взаимодействуя с новой набегающей волной. Основной особенностью прибойной зоны является значительная диссипация энергии волн вследствие их разрушения, в процессе которого волновые явления затухают. Граница прибойной зоны и изменяющаяся в пространстве картина волнообразования обусловлены видом и балльностью волнения. Достаточно детально характеристики волнений и волн прибойной зоны изложены в [80] . Прибойная зона регулярных волн, как правило, имеет четкую границу, в пределах которой каждая волна достигает состояния неустойчивости и разрушается над одной и той же точкой профиля дна подводного склона, если длина всех подходящих к берегу волн одинакова. Причем эта граница перемещается дальше от уреза воды или ближе к нему в зависимости от глубины воды, величины уклона прибрежного участка дна и балльности волнения, которое характеризуется, в основном, длиной и высотой волны. Это разрушение происходит при вполне определенном соотношении высоты волны и глубины воды.
Расчет некоторых параметров взаимодействия разрушающихся волн с плавающими машинами
Определенный интерес представляет расчет некоторых параметров движения плавающих машин в полосе прибойной зоны по формулам, приведенным в настоящей главе. Эту группу параметров составляют зависимости, характеризующие: изменение кинетических энергий волн и плавающих машин при различных значениях их скоростей; изменение скоростей движения плавающих машин и волн на различных участках движения; изменение сил сопротивления движению и сил тяги на участках и другие. С точки зрения изучения процесса преодоления последней разрушающейся волны прибойной зоны наибольший интерес представляет соотношение кинетических энергий машины и набегающей на берег волны, а также скорость подхода волн к берегу. Из этого соотношения можно найти по формуле (2.4.4.7) требуемую скорость входа машины в прибойную зону, гарантирующую успешность входа. В таблице 1 Приложения 1 на рисунке 2.5.1 представлены расчетные зависимости требуемой скорости машины от массы разрушающейся волны при различных ее параметрах по длине и по высоте. Обращает на себя внимание также то, что при уменьшении балльности волнения с 5 до 3 баллов резко снижаются требуемые скорости входа плавающей машины в воду прибойной зоны. Например, для всех трех машин различной массы скорость входа уменьшается в 5,7 раза и становится уже реально достижимой и возможной (см. табл. 1 Приложения 1).
Из графика, представленного на рис. 2.5.1., следует, что плавающая машина должна иметь большую скорость, чтобы преодолеть разрушающуюся последнюю волну. Например, при 5 балльном волнении скорость плавающей машины при принятых параметрах волн и массы машины 14 тонн должна быть равна 77,7 км/ч (21,59 м/с). Вряд ли это возможно по соображениям техники безопасности и прочности корпусов, поскольку равносильно удару машины в стенку. Из рисунка 2.5.1 следует также, что наиболее трудно входить в воду прибойной зоны плавающей машине с небольшой собственной массой. Так, например, плавающая машина с массой в 7 тонн, при волне в 5 баллов должна "влетать" в воду со скоростью 109,9 км/ч (30,54 м/с), чтобы преодолеть кинетическую энергию волны, что невозможно по многим причинам. Важно отметить, что силовое воздействие воды при этом будет очень значительно и может привести к травмам среди членов экипажа и к повреждениям элементов корпуса и оборудования, размещенного снаружи корпуса. Тяжелая плавающая машина с массой 25 тонн может входить в волны прибойной зоны более уверенно и с меньшими скоростями. Например, при 5 балльном волнении скорость входа уже составляет 58,18 км/ч (16,2 м/с), но силовое воздействие волны на машину по-прежнему будет значительным.
Следует также отметить, что силовое взаимодействие плавающей машины с волной не носит явления мгновенного удара или соударения твердых тел (как шар с шаром), а несколько растянуто по времени и при этом одно тело твердое, а другое представляет собой жидкую массу. Эта жидкая масса при ударе распадается на отдельные потоки, обтекающие плавающую машину со всех сторон. При этом передняя часть машины поднимается на гребень волны, из-за появления гидростатических и гидродинамических сил поддержания (плавучести). Для расчета кинетической энергии волн практический интерес представляет расчет скоростей волн при различной балльности волнения и различных углах наклона прибрежного подводного дна. На рисунках 2.5.2. показано изменение скорости волны по мере приближения ее к берегу при нескольких значениях углов наклона прибрежного дна. Скорость волны в основном зависит от ее длины и рассчитывается для глубокой воды (когда отношение глубины воды h к длине волны Лв больше 0,3-..0,5) по формуле: По мере приближения волн к берегу и уменьшения глубины воды скорость волны должна определяться по формуле: где: Нв - высота волны на глубокой воде; к - волновое число, равное к = —. При проведении инженерных расчетов с допустимой ошибкой не более 5% можно пользоваться упрощенной зависимостью: где: h- глубина воды. Результаты расчета изменения скорости волны по упрощенной зависимости по мере приближения ее к берегу представлены в таблицах 2, 3, 4 Приложения 1. Расчеты выполнены для трех углов наклона прибрежного дна: 5, 10 и 15. Из сравнения этих зависимостей следует, что чем больше угол наклона прибрежного дна, тем больше скорость волны на любом расстоянии от берега.
Следовательно, больше будет и кинетическая энергия волны. Поэтом входить в воду прибойной зоны следует в местах, где угол наклона минимальный, что приводит к уменьшению скорости волны и ее кинетической энергии. На рисунках 2.5.3. (а, б, в) приведены расчетные зависимости изменения скорости движения плавающих машин по мере приближения их к берегу после преодоления череды последних разрушающихся волн. После их прохода плавающая машина начинает вплавь двигаться против волны и ветра. Скорость плавающей машины не постоянна и зависит от глубины воды, работающих одновременно сухопутного и водоходного движителей, расположения машины относительно профиля волны, а также сопротивления воды, которое больше из-за качки по сравнению с сопротивлением на спокойной воде. Значение всех перечисленных параметров все время изменяются в ту или иную сторону по мере удаления плавающей машины от берега. На рисунках 2.5.3 (а, б, в) приведены графики зависимости изменения скорости плавающей машины при движении ее в прибрежной зоне при различной балльности волнения в 3, 4, 5 баллов, при нескольких расстояниях от уреза спокойной воды и с углами уклона дна 5, 10 и 15. Расчеты скоростей плавающей машины производились по формулам 2.4.5.3 и 2.4.5.5. Расчеты выполнены для машины, движущейся с максимальной скоростью на спокойной воде 10,08 км/ч и при следующих характеристиках волнений
Характеристики физической модели плавающей машины, измерительной и регистрирующей аппаратуры
Объектом экспериментальных исследований являлась масштабная модель гусеничной амфибии, корпус которой был смоделирован по образцу корпуса плавающего танка ПТ-76 в масштабе 1: 10 (Рис. 3.4.1.1, Рис. 3.4.1.2).
Корпус модели был изготовлен из конструкционного пенополиуретана, отдельные детали корпуса склеивались между собой водостойким клеем типа "Момент". Поверхность модели плавающей машины была огрунтована водостойкой нитрошпаклевкой и окрашена 4-мя слоями нитрокраски.
Для удобства контроля положения модели относительно воды на ее борта красной краской была нанесена статическая ватерлиния.
Ходовая часть модели была выполнена упрощенно. Основное упрощение связано с исключением гусениц. Это было необходимо, чтобы уменьшить трение при контакте движителя с панелью модельного откоса (контакт происходил между панелью и свободно вращающимися опорными катками, связанными с корпусом независимой подвеской). При этом, чтобы приблизить формы движителя к реальным, вместо ведущей звездочки и "ленивца" в носовой и кормовой части были установлены элементы, повторяющие обводы натянутой гусеничной цепи. Внутри корпуса модели был закреплен балласт из свинцовых пластин так, чтобы обеспечить расположение центра тяжести модели, соответствующее положению центра тяжести натурной плавающей машины.
Модель плавающей машины, оборудованная измерительной аппаратурой, закреплялась на шарнирном подвесе, позволяющем ей совершать продольно-угловые перемещения относительно центра масс, а также вертикальные перемещения.
Подвес представляет собой шарнирный параллелограмм, одна сторона которого жестко закреплена на буксировочной тележке бассейна. На противоположной его стороне закреплена вертикальная стойка, к нижнему концу которой шарнирно прикреплена испытуемая модель. Такой подвес модели обеспечивает ей две степени свободы - вертикальных перемещений за счет шарниров параллелограмма и продольно-угловых перемещений за счет шарнирного ее закрепления на нижнем конце стойки. Кроме того, на конце стойки расположено устройство, позволяющее изменять горизонтальный угол между продольными осями модели и лотка. К измерительной и регистрирующей аппаратуре в общем случае предъявляются следующие требования: - приемлемая точность измерений; - удобство и быстрота получения, обработки и хранения результатов; - дешевизна, доступность, надежность. В процессе экспериментов предполагалось фиксировать следующие величины: - основные параметры волнения: А,в, Нв, Тв (опосредованно фиксируемые двумя волнографами, расположенными в носу и корме модели плавающей машины); - вертикальные перемещения центра масс модели zM.; - продольно-угловые перемещения модели относительно ее центра масс (угол дифферента модели) \/; - суммарную силу, действующую на модель в продольном направлении (Рх); - разворачивающий момент Мр. В ходе экспериментов предполагалось регистрировать эти параметры при различных фиксированных положениях модели и волнографов, регистрирующих параметры волнения, относительно уреза спокойной воды, начиная от контакта ходовой части с водой заплеска и заканчивая положением, соответствующим концу зоны начала прибрежной трансформации волн глубокой воды. Такой подход исключает из рассмотрения сам процесс движения машины, а также работу водоходных движителей, стабилизирующую рыскание, килевую и бортовую качку. Однако этот подход можно считать оправданным, так как при значительном упрощении самого экспери мента полное сопротивление машины с некоторым приближением представляется возможным подсчитывать как сумму буксировочного и волнового сопротивлений. Контролируемые в процессе экспериментов величины регистрировались датчиками и фиксировались на ленте двенадцатиканального светолучевого осциллографа. Принципиальная схема измерительного и регистрационного оборудования представлена на рис. 3.4.2.1. Число задействованных измерительных каналов (6 шт.) определено количеством контролируемых параметров. Первый и второй измерительные каналы были отведены под регистрацию фронтального воздействия волн на модель (Рх) и разворачивающего момента (Мр), соответственно. Эти величины измерялись тензометрическими датчиками сопротивления. Датчики были выполнены по схеме моста, закреплены на измерительных балках при помощи цианоакрилатного клея и тщательно герметизированы для безопасной работы в непосредственном контакте с водой. Предварительная балансировка моста достигалась подбором его элементов по сопротивлению с точностью до десятых долей Ом. Сигналы с тензодатчиков передавались на десятиканальный тензоусилитель "Топаз-3", который выполнял функции питания датчиков (напряжение питания 9В) и усиления поступающих с них сигналов. Окончательная балансировка мостовых схем проводилась регулятором тензоусилителя. В целях обеспечения возможности выбора диапазона регистрации тока, поступающего на осциллографические гальванометры, а также их защиты от токовых перегрузок, сигнал от тензостанции к осциллографу поступал не напрямую, а через
Программа и методика экспериментальной оценки гидродинамического воздействия на плавающие машины, входящие в прибойную зону
Как указано выше, эксперименты заключались в исследовании гидродинамического воздействия разрушающейся волны на масштабную модель плавающей машины. Подготовка к выполнению исследований включала в себя следующие этапы: - выбор волновых режимов, масштабов моделирования, береговых условий и регистрируемых параметров; - разработку технической оснастки экспериментов; - выбор измерительной и регистрирующей аппаратуры; - определение параметров испытательного лотка и волновой установки; - выработку программы и методики проведения экспериментов, а также обработки полученных результатов. Лабораторная установка представляет собой масштабную модель плавающей машины, размещенную в волновом лотке на модельном откосе и оборудованную измерительной аппаратурой (рис. 3.5.1.1). Схема лабораторной установки и размещения датчиков: 1-модель; 2- датчик вертикальных перемещений; 3-тензодатчик определения фронтального силового взаимодействия; 4, 5-датчики продольно-угловых перемещений и разворачивающего момента; 6-волнографы; 7-модельное дно Предложенное конструктивное решение лабораторной установки предполагает моделирование статической задачи (контакт с волнами прибоя модели плавающей машины, неподвижной в продольном направлении). В реальных условиях плавающая машина совершает перемещения навстречу волне. Хотя моделирование этого перемещения значительно усложняет конструкцию лабораторной установки, оно практически осуществимо. Возможность перемещения модели вдоль лотка вместе с буксировочной тележкой с заданной скоростью позволяет получить более реальную картину взаимодействия плавающей машины с прибойной волной, но существенно увеличивает сложность постановки и объем исследований. Программа предусматривала проведение экспериментов для: - различных уклонов дна (1/4; 1/5; 1/6; 1/8; 1/12); - различных положений модели относительно уреза спокойной воды.
Программой также предполагалось провести эксперименты по оценке изменения силы воздействия волны и по оценке изменения разворачивающего момента на плавающую машину в зависимости от курсового угла ее движения к направлению распространения волны (Р=0; р=15; р=30). Программа исследований предполагала пересчет результатов модельных исследований на натуру. Эксперименты с моделью проводились в статике. Проведение серии опытов с движущейся моделью путем протаскивания ее в лотке буксировочной тележкой с заданными постоянными скоростями показало, что для получения стабильных результатов необходимо выполнить более жесткими узлы лабораторной установки. Примененная методика экспериментальных исследований определяла порядок проведения гидравлических испытаний масштабной модели плавающей гусе ничной машины в прибойной зоне при различных углах заложения модельного откоса дна и углах поворота модели относительно направления распространения волны. Она устанавливала также перечень контролируемых параметров и методы получения их значений, а также определяла оптимальный объем экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования проводились для различных типов разрушений прибойной волны с моделью, статично располагаемой на различных расстояниях от уреза спокойной воды и под различными углами к направлению распространения волн. В ходе экспериментальных исследований модели плавающей машины измерялись следующие параметры: - характеристики волнения (длина волны X-Q, высота волны Нв, период вол ны Тв); - продольное (перпендикулярное фронту распространения волны) силовое воздействие на модель Рх; - разворачивающий момент относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести модели (точку подвеса) Мр; - вертикальное перемещение центра тяжести модели ZM; - продольно-угловое перемещение модели относительно ее центра тяжести у; Все эксперименты проводились при одних и тех же параметрах моделируемо го волнения глубокой воды. Схемы размещения модели плавающей машины при различных углах заложения модельного дна, а также с учетом расположения волнографов приведены нарис. 3.5.2.1-3.5.2.5. Эксперименты проводились на различных углах заложения модельного дна (от 1/4 до 1/12). Данные, характеризующие углы заложения модельного дна, приведены в таблице 3.5.2.1. При каждом фиксированном положении модельного дна выполнялась серия экспериментов, в которой на каждом этапе модель последовательно размещалась на определенных расстояниях от уреза спокойной воды, в характерных точках трансформации волнового профиля (накат волны после обрушения, момент обрушения, несколько точек в процессе трансформации), что позволяло получить информацию о воздействии на модель волны на различных стадиях ее разрушения.
В каждой из этих точек проводилась серия экспериментов, в которых модель располагалась сначала фронтально к волне, затем под углами 15 и 30 градусов к направлению ее распространения. Предполагалось, что последовательное перемещение модели от уреза спокойной воды представляло собой имитацию движения машины с очень малой скоростью. При проведении испытаний модель плавающей машины с установленными на ней датчиками размещалась в соответствии с программой испытаний на заданном расстоянии от уреза спокойной воды. После проверки работоспособности измерительных датчиков включался волнопродуктор. Для создания волнения использовалась штатная волновая установка гидродинамической лаборатории. Основными элементами установки являлись электрогидромеханический привод и волнопродуктор типа плоского щита, совершающего колебательные движения относительно одной неподвижной опоры.
Похожие диссертации на Разработка методики оценки гидродинамического воздействия на плавающие машины, входящие в прибойную зону
