Введение к работе
Актуальность исследований. Глубоководные буксируемые комплексы (ГБК) являются одним из наиболее эффективных средств изучения Мирового океана. Они успешно применяются с целью исследования придонного слоя океана,, оперативного обследования больших площадей донной поверхности, проведения зондирования толщ океана. Важным достоинством ГБК является возможность размещения измерительной аппаратуры в непосредственной близости от исследуемой зоны и повышение, тем самым, разрешающей способности и чувствительности измерительных устройств. В океанологической практике нашли применение ГБК, оснащенные разнообразной аппаратурой, дающей возможность исследования гидрофизических и гидрохимических характеристик в широком диапазоне спектра масштабов пространственно-временной изменчивости, а также биологических, геологических и геофизических процессов.
ГБК, применяемые в мировой и отечественной практике океанологических исследований, имеют различную структуру. Основными элементами ГБК являются судно-буксировщик (СБ), кабель-трос (КТ) и глубоководный буксируемый аппарат (БА), кроме того, в структуру ГБК могут входить вспомогательные элементы и устройства, такие как заглубители, обтекатели, гидродинамические поверхности и т.п.. Судно, оснащенное специальным судовым оборудованием, совершает маневры на поверхности океана и может управлять движением буксирной линии (БЛ) посредством изменения скорости и курса своего движения, а также изменением длины кабель-троса при работе судовой лебедки. Кабель-трос осуществляет механическую (а также энергетическую и информационную) связь с БА, испытывает воздействие реакций, приложенных к его коренному и ходовому концам, и массовых сил со стороны окружающей среды. Глубоководный буксируемый аппарат является носителем измерительной аппаратуры, совершает пространственные движения под действием сил реакции троса, веса и гидродинамического сопротивления в набегающем потоке. Обычно глубоководные БА являются пассив -ными телами.
В процессе выполнения океанологических работ буксирная линия совершает сложные пространственные эволюционные движе-
ния, характер которых определяется как режимами маневров СБ, так и механическими характеристиками КТ и БА. Наиболее характерными является длительные переходные процессы при отклонении БЛ от установившихся режимов движения, существенные изменения пространственной конфигурации при вариации параметров движения, резкие изменения глубины хода БА при совершении циркуляционных маневров и т.д..
Повысить эффективность и безопасность проведения океанологических исследовательских ( как и поисковых ) работ можно за счет обоснованного выбора режимов и параметров движения ГБК, а также проведения измерений непосредственно в ходе маневрирования. Проведение натурных экспериментов с ГБК связано с большими затратами времени и средств. Возможность полу -чения ценной информации о характеристиках движения БЛ в потоке , и решения вышеперечисленных задач,-определяют актуаль -ность разработки и исследования математической модели пространственной динамики глубоководного буксируемого комплекса. Хотя в данной работе не рассматривается вопросы разработки системы управления движением ГБК, имевшиеся и создаваемые в России и за рубежом СУ также требуют создания математических моделей, обладающих высокой адекватностью отражения физических процессов в БЛ.
Цель и основные задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование динамических процессов, происходящих в глубоководной буксирной линии при осуществлении различных маневров, характерных для океанологических работ, на основе пространственной математической модели динамики ГБК.
Для реализации поставленной цели решались следующие конкретные задачи:
-
Анализ основных режимов функционирования ГБК при проведении океанологических работ.
-
Разработка математической модели пространственной динамики ГБК, адекватно отражающей реально протекающие процессы, на базе представления кабель-троса гибкой нитью.
-
Разработка алгоритмов решения задач, возникающих при моделировании основных режимов функционирования ГБК.
-
Определение статических и динамических характеристик буксирной линии в'модельных задачах (формы и натяжения троса
в стационарных и неустановившихся режимах, времен переходных процессов) .
5. Проведение численных экспериментов с целью:
изучения явления перехода стационарной формы буксирной линии в режим "коллапса", при выполнении циркуляционных маневров судна,-
исследования зон динамической достаточности судна и судовой лебедки.
Научная новизна диссертации состоит в следующем: і. На основе уравнений гибкой нити, а также уравнений прикладной гидродинамики, составлена нелинейная математическая модель пространственной динамики глубоководного буксируемого комплекса:
допускающая включение в состав комплекса различных типов буксируемых подводных аппаратов и дополнительных устройств (заглубителей, обтекателей и т.п.);
учитывающая наличие течений и стратификации ,-
2. В рамках представленной математической модели разра
ботаны алгоритмы решения модельных задач -.
определение реакции БЛ на маневрирование судна и работу судовой лебедки;
определение программы работы лебедки для поддержания заданной глубины буксировки ПА при выполнении судном стандартных маневров.
-
Проведены исследования статических и динамических характеристик БЛ.
-
Проведены исследования процессов, происходящих в БЛ при выполнении судном циркуляционных маневров. На основе решения динамической задачи определены- радиусы циркуляции, при которых глубина ПА достигает максимума, а так же зон динамической достаточности.
Практическая ценность результатов работы:
-
Разработанная математическая модель обладает повышенной адекватностью отражения физических процессов в БЛ, что позволяет использовать данную модель в контурах систем управления движением ГБК.
-
Разработанная математическая модель дает возможность повысить эффективность и безопасность проведения океанологических исследовательских и поисковых работ за счет обосно-
- б -
ванного выбора режимов и параметров движения ГБК, а также за счет проведения работ непосредственно в ходе маневрирования.
-
Разработаны алгоритмы и программы расчета стационар -ных конфигураций БЛ, применимые для расчета установившегося движения различных буксируемых систем.
-
Разработаны эффективные алгоритмы и программы расчета динамики БЛ при произвольных маневрах судна в различных постановках задач, что дает возможность проводить моделирование и анализ различных методик и режимов океанологических работ с использованием ГБК.
5. Область применения разработанной математической модели не ограничивается буксируемыми комплексами, а может включать в себя исследование широкого класса систем с использованием гибких связей, в частности подводных троссовых систем ( придонных океанологических измерительных решеток, буйковых станций, стрингов для проведения глубоководных астрофизических измерений.
Реализация работы. Разработанные теоретические положения и практические выводы были использованы автором при обосновании методики циркуляционного зондирования и выборе оптимальных, с точки зрения сокращения времени работ, режимов проведения буксировок, определяемых полученными при моделировании параметрами.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы теории дифференциальных уравнений, математической физики, прикладной гидродинамики, вычислительной математики. Экспериментальные исследования проводились мето -дом математического моделирования со сравнением полученных результатов с опубликованными экспериментальными данными и с результатами натурных испытаний буксируемых систем ИО РАН.
Аппробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором на ряде научных
Конференций:
в 1981 г. на Втором Всесоюзном совещании по вопросам проектирования подводных аппаратов и роботов, их применению в народном хозяйстве, Геленджик,-
в 1982 г. на Третьем Всесоюзном совещании по техническим средствам изучения Мирового океана, Геленджик,-
в 1983 г. на Четвертом Всесоюзном совещании по техки-
ческим средствам изучения Мирового океана, Геленджик,-
в 1984 г. на ххх Научной конференции МФТИ, Москва,-
в 1985 г. на Всесоюзном совещании по техническим средствам и методам изучения океанов и морей, Геленджик,-
в 1987 г. на Всесоюзной школе по техническим средствам и методам исследования Мирового океана, Геленджик,-
в 1987 г. на ш Съезде Советских океанологов, Ленинград ,-
в 1989 г. на Всесоюзной школе по техническим средствам и методам освоения океанов и морей, Геленджик,-
в 1990 г. на международной Научно-технической конференции Black Sea'90, Варна, Болгария,-
в 1991.г. на Всесоюзной школе по техническим средствам и методам исследования Мирового океана,-
на научных семинарах Отдела Техники Придонных Исследований Института океанологии РАН (1982-1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2о печатных работ, из них 10 в соавторстве.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы. Она содержит І0Ї страниц машинописного текста, НО рисунков и Z таблицы. Список литературы содержит in наименований, в том числе 67 на английском языке.
