Введение к работе
Актуальность темы. С проблемой разрушения ледяного покрова связано решение ряда важнейших прикладных задач в полярных регионах Земли. На внутренних водных путях к таким задачам относятся предупреждение и ликвидация ледяных заторов, продление навигации, а в морских акваториях - создание судоходных каналов во льду, обеспечение безопасности нефте- и газодобывающих платформ.
Традиционные средства разрушения ледяного покрова обладают рядом недостатков. В частности, использование ледоколов сопряжено с высокими энергетическими затратами, взрывной способ малоэффективен и наносит огромный вред экологии, термические средства крайне энергозатратны и имеют ограниченную область применения. В диссертации исследуются новые способы и устройства локального разрушения ледяного покрова, основанные на энергии взрыва газовоздушной смеси, обладающие рядом преимуществ по сравнению с распространенными методами. Во-первых, газовоздушные смеси значительно дешевле эквивалентного по теплоте взрыва количества тротила, во-вторых, взрыв газовоздушных смесей не наносит столь сильного ущерба экологии, как взрыв концентрированных взрывчатых веществ.
Значительный прогресс в разработке и совершенствовании способов разрушения ледяного покрова связан с именами А.Т. Беккера, В.А. Зуева, В.М. Козина, И.С. Песчанского. Среди теоретических и экспериментальных исследований, посвященных изучению закономерностей деформирования и разрушения ледяного покрова, стоит выделить работы 3. Базанта, С. Белтаоса, В.В. Богородского, С.С. Голушкевича, М. Джонстона, А.Д. Керра, Н.Л. Синхи, В. Сквайера, Т. Такиза-вы, Р. Фредеркинга, Д.Е. Хейсина, Э. Шульсона. Значительный вклад в развитие вычислительных методов механики сплошных сред внесли Д. Андерсон, С.К. Годунов, О. Зенкевич, В.Н. Кукуджанов, П. Роуч, А.А. Самарский, а также дальневосточные ученые В.И. Одиноков, А.И. Олейников, Н.А. Тарануха, К.С. Чехонин.
Целью работы является построение математической модели процесса разрушения ледяного покрова с помощью новых предложенных способов и устройств, а также исследование напряженно-деформированного состояния в системе «ледяной покров - устройство для разрушения - вода», находящейся под действием динамической нагрузки.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложены новые способы и устройства разрушения ледяного покрова и заторов;
разработана математическая модель процесса разрушения ледяного покрова с помощью новых способов, основанная на фундаментальных уравнениях механики сплошных сред;
разработаны численная схема и алгоритм для определения напряженно-деформированного состояния в динамически нагружаемой системе «ледяной покров - ледоразрушающее устройство - вода», позволяющие проводить единый рас-
чет полей скоростей и напряжений для упругих и жидких сред;
— получены результаты численных расчетов напряженно-деформированного
состояния в «ледяной покров - ледоразрушающее устройство - вода», с учетом
неоднородности физико-механических параметров льда по толщине; произведен
сравнительный анализ ледоразрушающих возможностей рассматриваемых спосо
бов и устройств.
Достоверность полученных результатов основана на использовании фундаментальных уравнений механики сплошных сред, апробированного численного метода.
Практическая значимость работы. Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы в ходе проектирования предложенных устройств, а также при конструировании новых способов разрушения ледяного покрова. Разработанная численная схема и алгоритм могут применяться для численного анализа задач динамики систем, состоящих как из упругих, так и жидких сред.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:
Всероссийская конференция «Успехи механики сплошных сред», приуроченная к 70-летию академика В.А. Левина, 29 сентября - 5 октября, 2009 г., Владивосток, Россия;
Международная научно-техническая конференция «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов», 28-30 октября 2009 г., Комсомольск-на-Амуре, Россия;
The twentieth International offshore and polar engineering conference, June 20-25, 2010, Beijing, China;
XXXV Дальневосточная школа-семинар имени академика Е.В. Золотова, 31 августа - 5 сентября 2010 г., Владивосток, Россия;
Научно-техническая конференция «Математическое, вычислительное и информационное обеспечение технологических процессов и систем», 26-28 октября 2010 г., Комсомольск-на-Амуре, Россия.
Публикации по работе. По теме диссертации опубликована 21 работа, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах [1-4], а также ряд статей в сборниках, трудах конференций, прочих журналах и сборниках тезисов докладов [5-18]. Кроме того, получены 2 патента РФ на изобретения [19, 20] и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ [21].
Личный вклад автора. Работы [5-7, 9, 18] выполнены лично автором. В работах [1-4, 8, 10-17] автор разработал численные схемы и алгоритмы решения, провел все необходимые расчеты и выполнил анализ полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы (152 наименования). Объем работы - 129 страниц, в том числе 76 рисунков, 3 таблицы.
Похожие диссертации на Математическое моделирование процесса разрушения ледяного покрова под действием динамических нагрузок
