Введение к работе
Актуальность темы.
В последние года большое внимание в ведущих странах мира уделяется исследованиям океана, где сосредоточена значительная часть энергетических, минеральных и пищевых ресурсов.
Выявление закономерностей распределения минеральных и биологических ресурсов и задача их планомерной разработки требуют внедрения новых технических средств и методов для получения достоверной информации и целенаправленного управления процессами на всех стадиях практического освоения водных глубин.
При проектировании различных средств освоения океана ( буровых платформ, исследовательских аппаратов, подводных нефтехранилищ ) как буксируемых, так и автономных, возникают вопросы выбора оптимальных для выполнения поставленных задач и одновременно безопасных рекимов их движения на различных этапах использования.
Так как все названные средства функционируют в водной среде с существенно неоднородной плотностью, на стадии их проектирования представляет интерес исследование силового воздействия на них и изменений параметров их двикения, вызванных наличием-стратификации в зоне их действия.
Проведение лабораторных исследований в области динамики стратифицированных жидкостей связано с двумя основными проблемами: контролем и поддержанием заданных параметров стратификации, с одной стороны, и проблемой фиксации относительно небольших приращений значительных по величине сил, с другой. С техни- ческой точки зрения, решение второй из названных задач приводило к необходимости сохранения высокой чувствительности измери-. тельной техники в широком ( до двух десятичных порядков ) диапа-
зоне измеряемых нагрузок. С точки зрения экспериментальной методики - к накоплению большого количества данных для обеспечения достоверности получаемой информации.
Сложности технического выполнения экспериментов привели к ограниченному количеству работ в этой области и практическому их отсутствию для стратифицированных жидкостей со сложными профилями стратификации.
Кроме того проведенные ранее экспериментальные исследования были выполнены на простейших моделях стратификации:, в двуслойной и линейно стратифицированной жидкостях. И, хотя и подтвердили наличие дополнительного сопротивления по сравнению с однородной жидкостью, носили частный характер. Отсутствие обобщающих выводов о соответствии режимов движения тела величине гидродинамического сопротивления для различных профилей стратификации не позволяло использовать известные результаты в натурных условиях.
В связи с этим проведение серии гидродинамических экспериментов в стратифицированной жидкости с профилем стратификации, масштабно моделирующим термоклин, океана, представляет особый интерес.
Цель работы состояла в выявлении физических механизмов внутреннего волнообразования при движении тел в стратифицированной жидкости, получении зависимостей параметров вынужденных внутренних волн от режимов движения погруженного тела, а также в оценке влияния волновой составляющей на гидродинамику погруженного тела на базе экспериментальных данных как параметров вынужденных внутренних волн, так и силы сопротивления движению по-гругенного тела.
Научная новизна работы определяется следующим:
впервые выполнены измерения силы сопротивления движению погруженного тела в стратифицированной жидкости с нелинейным лрсги-лем стратификации, масштабно моделирующим термоклин океана;
на базе экспериментальных данных обоснована гипотеза с волновой природе явления увеличения силы сопротивления движению тел в стратифицированной жидкости по сравнению с однородной жидкостью в диапазоне денситометрических чисел Фруда її з I;
выявлены механизмы генерации внутренних волн движущейся сферой и оценены диапазоны их действия в зависимости от параметров движения сферы и характеристик стратификации жидкости;
получены амплитудные характеристики и фазовая картина индивидуального распространения мод вынужденных внутренних волн;
произведены расчеты параметров буксировочного сопротивления сферы в условиях термоклина по энергетическим характеристикам вынужденных внутренних волн;
впервые проведен сравнительный анализ зависимостей коэффициента сопротивления от денситомегрического числа Фруда F1 при движении тел в жидкостях с различными профилями стратификации (двуслойная жидкость, линейная стратификация, термоклин);
получено экспериментальное подтверждение наличия нелинейных эффектов в системе корабельных внутренних волн при распространении в условиях термоклина.
Практическая значимость работы состоит в возможности использования экспериментально установленных зависимостей для опие-деления критических с точки зрения интенсивности внутреннего
волнообразования и роста волновой составляющей силы сопротивления диапазонов скоростей движения погруженных и плавающих тел, в случае пересечения ими высокоградиентных, плотностных слоев, по данным гидрологии районов плавания и геометрическим параметрам исследуемых объектов.
Апробация работы. Материалы диссертации публиковались в научно-технических сборниках и были использованы при выполнении отчетов по темам ГКНТ, а также неоднократно докладывались и обсуждались на конференциях НТО им. акад. А.Н.Кршгава ( Николаев 1988 г.; Калининград 1990 г; Ленинград 1991 г.; G.-Петербург 1993 г. ), научно-технической конференции профессорско - преподавательского состава ЛКИ ( 1988 г. ); школах - семинарах Рабочей группы "Лабораторное моделирование динамических процессов в океане" при комиссии РАН по проблемам Мирового океана ( Светлогорск 1987, 1989, IS92 гг.; Новосибирск 1988 г.; Канев 1990 г.), семинаре "Теоретические и экспериментальные исследования поверхностных и внутренних волн" соисполнителей и участнлков межведомственного проекта "Волна1? при ГКНТ ( Севастополь 1991 г.), на Совещании по численным катодам в задачах волновой гидродинамики ( Новосибирск 1994 г.), на 4-м международном симпозиуме по стратифицированным потокам (Гренобль, Франция 1Э94 г.); 2-й г^эвдународной конференции по экспериментальной гидромеханике ( Турин, Италия 1994 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ.
Структура и'объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 95 стр. текста, иллюстрируется рисунками на 30 стр. и.состоит из введения, пяти разделов, заключения и библиографии из 135 наименований.