Введение к работе
Диссертация посвящена решению ряда задач о силовом взаимодействии золн и погруженных тел в стратифицированной и однородной жидкости. Эбъектом исследования являются волновые нагрузки, действующие на юкрепленные тела в стратифицированной по плотности жидкости, и кинематические характеристики движения тел, имеющих одну или несколько :тепеней свободы, под действием волн.
Исследование взаимодействия волн с погруженными телами является эдной из классических проблем гидродинамики. Наиболее изучена задача о качке тела в однородной жидкости под действием поверхностных волн. Однако, в последнее время в связи с развитием средств освоения Мирового океана, и , в пастности, появлением новых типов плавучих объектов, имеющих очень малую :обственную частоту колебаний, большое значение приобретает обобщение этой задачи на случай внутренних волн в жидкости с произвольным /стойчивым непрерывным распределением плотности; актуальным становится гакже учет нелинейных эффектов. Частота внутренних волн на 1,5 - 2 порядка меньше частоты поверхностных волн, а высота их в 5 - 10 раз больше. Столь эольшое различие пространственных и временных масштабов порождает :ущественные изменения картины обтекания погруженных тел даже в тех :лучаях, когда сами тела окружены однородной жидкостью. Задача еще более эсложняется, если тело взаимодействует с нестационарным потоком неоднородной по плотности жидкости. При этом происходит перераспределение энергии между различными модами волновых движений кидкости, и сильно изменяется структура потока в окрестности тела. Учет этих факторов позволяет существенно обобщить существующие представления о (арактере и природе волновых нагрузок.
В большинстве теоретических работ взаимодействие тела с реальной непрерывно стратифицированной жидкостью рассматривается в рамках модели пдеальной жидкости со скачком плотности на границе раздела слоев. В связи с этим одна из актуальных задач состоит в экспериментальном изучении процессов, имеющих место при взаимодействии внутренних волн с погруженными телами в жидкости с непрерывным распределением плотности, : целью выявления наиболее важных физических эффектов, учет которых іеобходим для построения адекватных математических моделей.
Низкочастотные волновые нагрузки, возникающие при нелинейном ізаимодеиствии тел с нерегулярными поверхностными волнами, имеют
характерный масштаб времени порядка десятков периодов волн. Идеализацией этого взаимодействия является задача о стационарных силах и моментах, действующих на тела при набегании регулярных волн. Активное изучение этих нагрузок началось в начале 60-х годов и привлекает большое внимание исследователей. Однако, ряд вопросов еще недостаточно изучен, в частности, задача о существовании устойчивой ориентации тела под действием волн. При теоретическом решении таких задач как правило используются упрощающие априорные предположения о характере движения тела. Однако, набор реально реализующихся режимов движения тела может быть более разнообразным. В выяснении этого важного вопроса большая роль принадлежит эксперименту.
-экспериментальное изучение силового воздействия внутренних волн на закрепленные двух- и трехмерные тела, получение экспериментальных данных для сопоставлений с существующими моделями и выявление новы* физических эффектов в тех диапазонах параметров, для которых теоретическое описание затруднительно;
-экспериментальное исследование системы волн, генерируемой поступательным движением кругового цилиндра по окружности малого радиусе в линейно стратифицированной жидкости, с целью демонстрации некоторы> общих эффектов, имеющих место при радиации и дифракции волн t непрерывно стратифицированной жидкости;
-экспериментальное исследование режимов движения погруженной: эллиптического цилиндра, имеющего неподвижную горизонтальную осі вращения, под действием поверхностных волн;
-экспериментальное изучение параметров качки и дрейфа свободной: погруженного тела под действием внутренних волн.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Основным методом исследования і данной работе является гидродинамический эксперимент.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые проведены измерения двух компонен-силового воздействия внутренних волн на погруженные тела. Изучена задача of условиях существования устойчивой ориентации погруженного тела по; действием волн. Исследованы дрейф и качка свободного погруженного телі под действием внутренних волн. Выявлен ряд новых физических эффектов, и: числа которых можно выделить следующие:
- при изучении силового воздействия внутренних волн на закрепленные тел; обнаружен эффект удвоения частоты колебаний горизонтальной силы п< сравнению с частотой набегающих волн для тела, находящегося посередині пикноклина; показано, что этот эффект носит нелинейный характер;
продемонстрированы динамические эффекты, связанные с возбуждением высших мод и мелкомасштабных возмущений в непрерывно стратифицированной жидкости при дифракции волн на погруженных телах;
при изучении вопроса об ориентации тела на волнах обнаружено, что при одних и тех же параметрах набегающих на тело волн, могут реализовываться два различных режима движения тела: колебания относительно некоторого устойчивого угла ориентации либо медленное вращение тела под действием волн;
при изучении дрейфа и качки свободного погруженного тела на внутренних волнах продемонстрирована возможность дрейфа тела навстречу волнам на переходных этапах движения и следствия из ранее обнаруженного эффекта удвоения частоты силового воздействия волн.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ. Результаты опытов дали обширный материал для проведения сопоставлений с существующими математическими моделями. Получен ряд новых, ранее неизвестных эффектов, вынуждающих существенно обобщать применяемые в настоящее время теоретические методы. Проведенные исследования имеют непосредственное приложение в задачах динамики подводных объектов и морских сооружений. При проведении дальнейших исследований могут быть полезны методические аспекты выполненной работы: методика измерения мгновенных значений малых сил, оценка влияния отраженных от волногасителя волн на ориентацию тел и др.
ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Достоверность полученной информации проверена детальным анализом систематических и случайных погрешностей измерений, анализом характеристик применявшихся в опытах датчиков, проведением тестовых опытов, сравнением с результатами теоретического анализа и ранее выполненными опытами.
- методику эксперимента, использованную в опытах;
результаты исследований силового воздействия внутренних волн на закрепленные погруженные тела и обратного влияния тел на волны;
результаты исследований вопроса об ориентации погруженного тела с адной степенью свободы под воздействием плоских поверхностных волн;
результаты исследования дрейфа и качки свободного погруженного тела іа внутренних волнах.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Детальное обсуждение работы осуществлялось іа научном семинаре Института гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО РАН руководитель - профессор Воеводин А.Ф.). Важнейшие результаты работы юкладывались на конференциях НТО им. акад. А.Н.Крылова (С.-Петербург
1993г., 1995г.), 3-м и 4-м Межреспубликанских совещаниях "Вычислительные методы в задачах волновой гидродинамики" (Новосибирск 1994г., 1996г.), 20-м Симпозиуме по корабельной гидродинамике (Санта-Барбара, США, 1994г.).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, список которых приведен в конце реферата.
СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация объемом 117 страниц содержит 75 страниц основного текста, список литературы из 109 наименований, 34 рисунка. Текст состоит из предисловия, введения, четырех глав и краткого заключения