Введение к работе
Актуальность исследования. Существующие месторождения
углеводородов заканчиваются и идет разведка новых месторождений. Как показывают исследования, значительные их запасы находятся в Арктике. Добыча там связана с суровыми природными условиями, такими как отрицательные температуры и наличие ледяного покрова. Все это затрудняет их извлечение. В настоящий момент построены и успешно эксплуатируются ледовые буровые платформы на неглубоком шельфе арктических морей. Бурение на относительно больших глубинах в замерзающих морях ведется в период, когда отсутствует лед. Традиционно бурение может вестись с помощью стационарных, полупогружных буровых платформ и буровых судов. Существуют проекты глубоководных стационарных платформ для глубин воды 450-600м. Применение способов морского бурения с использованием стационарных, полупогружных буровых платформ и буровых судов для арктических морей невозможно. Это обусловлено подвижкой ледяных полей, которые могут вызывать значительные усилия, воздействующие на конструкцию. В связи с этим, в качестве перспективных могут рассматриваться проекты по подводному бурению. В настоящий момент уже существует несколько запатентованных проектов по подводным буровым комплексам. Для снабжения буровых установок энергией предполагается использовать энергетические модули, которые представляют из себя подводные суда с мощной энергетической установкой. Предполагается, что при возникновении опасной ледовой обстановки они смогут погрузиться и, в случае экстренной необходимости, смогут всплыть из подо льда.
Оценка возможности погружения и всплытия судна в ледовых условиях позволяет обеспечить безопасную эксплуатацию судна и безопасность экипажа. В связи с этим был исследован вопрос возможности погружения и всплытия подводного судна в ледовых условиях.
Натурных данных по всплытию в ледовых условиях мало, данные по погружению судов во льдах отсутствуют. В связи с этим сложно оценить возможность того или иного подводного судна погрузиться в ледовых условиях.
Аналитически оценить возможность погружения и всплытия подводного судна сложно, из-за зависимости свойств льда от большого числа факторов. Экспериментальное исследование является наиболее достоверным способом
определить возможность или невозможность всплытия и погружения и позволяет учесть влияние случайных величин.
Можно сделать вывод, что создание новых способов моделирования, методики пересчета с модели на натуру и технологии проведения опыта является актуальной задачей при обеспечении безопасной эксплуатации подводных судов в ледовых условиях.
Для проведения эксперимента использована теория моделирования, которая позволила исследовать процесс погружения и всплытия и в дальнейшем осуществить пересчет с модели на натуру. Для решения данной задачи использовался специальный ледовый опытовый бассейн кафедры “Кораблестроение и авиационная техника” НГТУ им. Р.Е.Алексеева, и измерительный комплекс, которые позволили произвести вертикальное нагружение модели и запись основных параметров.
Цель работы. Оценка влияния размерений и формы подводного судна на погружение и всплытие в ледовых условиях и выработка рекомендаций по выбору размеров судна.
Для выполнения данной цели решены следующие задачи:
1. Сформулирована физическая модель взаимодействия подводного судна со
льдом при всплытии и погружении.
-
Разработана математическая модель разрушения ледяного покрова.
-
Разработана технология проведения эксперимента, выбрана модель судна и собран измерительный комплекс для регистрации результатов;
4. Проведен модельный эксперимент по погружению и всплытию подводного
судна в модели естественного пресноводного льда.
-
На основе полученных данных исследовано влияние формы и размеров нагрузки на процесс взаимодействия подводного судна со льдом при всплытии и погружении;
-
Разработана модель разрушения ледяного покрова и ее осуществлена ее проверка.
-
Разработана методика пересчета полученных модельных данных на натурное судно.
-
Разработаны рекомендации по режимам эксплуатации подводного судна в зависимости от заданного района эксплуатации и параметров судна.
Объектом научного исследования является взаимодействие ледяного покрова с подводными судами при всплытии и погружении.
Предметом научного исследования являются подводные суда, эксплуатирующиеся в ледовых условиях.
Методы исследования. При моделировании использованы современные методы регистрации и записи исследуемых параметров. При обработке полученных результатов применены статистические методы и методы корреляционно-регрессионного анализа. При выборе параметров модели судна и пересчете результатов на натуру использована теория физического моделирования.
Научная новизна. В итоге проведенных в работе исследований получен ряд новых научных результатов:
впервые получена зависимость проломного усилия для ледяного покрова при погружении модели подводного судна в зависимости от ее формы и размерений;
получена зависимость проломного усилия для ледяного покрова при всплытии модели подводного судна в зависимости от ее формы и размерений;
разработана методика пересчета с модельных данных на конкретное натурное судно для пресного и морского льда;
разработана технология проведения опытов в ледовом бассейне с использованием модели естественного пресноводного льда, получаемого при отрицательных температурах наружного воздуха.
Основные положения, выносимые на защиту:
– технология проведения опыта при моделировании и погружении;
– оценка влияния главных размерений и формы корпуса подводного судна на
проломное усилие при погружении;
– оценка влияния главных размерений и формы корпуса подводного судна на
проломное усилие при всплытии;
– методика пересчета с модели на натуру при погружении подводного судна,
вмерзшего в лед;
– методика пересчета с модели на натуру при всплытии подводного судна из
подо льда;
– рекомендации по выбору размеров судна;
Практическая значимость. Разработана технология проведения эксперимента при моделировании погружения и всплытия подводного судна в модели естественного льда. Разработана методика пересчета данных с результатов модельных экспериментов на натуру при погружении и всплытии подводного судна во льдах. Впервые полученные данные при моделировании погружения позволяют оценить возможность погружения подводного судна во льдах и определить предельную толщину льда при всплытии подводного судна без потери остойчивости при приледнении. Полученные результаты могут быть
использованы при назначении предельных толщин льда для подводного судна, при которых возможна безопасная эксплуатации, оптимальные главные размерения судна и форму.
Внедрение. Результаты исследований, а также разработанная методика были использованы в НИР, выполненной кафедрой «Кораблестроение и авиационная техника» для ОАО «СПМБМ «Малахит».
Результаты исследований внедрены в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е.Алексеева и используются в учебном процессе при проведении занятий по дисциплинам «Физическое и математическое моделирование», «Взаимодействие судов со льдом» и «Физика и механика льда».
Достоверность. Результаты исследований базируются на теории
моделирования в естественном льду. При моделировании обеспечивалось
выполнение критериев подобия. Данная теория получила практическое
подтверждение и хорошую сходимость результатов с натурными данными для
различных ледоколов. В исследовании использовались интегральные
характеристики процесса разрушения, которые обладают большой
стабильностью. Рекомендации по выбору размерений и формы подводного судна базируются на систематических экспериментальных исследованиях.
Апробация работы. Результаты работы были доложены:
–На V, VI, VII, IX, XI и XIV Международных молодежных научно-
технических конференциях «Будущее технической науки», Нижний Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2006, 2007, 2008, 2010, 2012, 2015 годах;
–На Всероссийской научно-технической конференции ''Современные
технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве'', посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009 г.
–На второй Всероссийской научно-технической конференции – «Полярная механика», Санкт-Петербург, ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2014 г.
Публикации. Основные материалы исследования отражены в
семнадцати публикациях автора, в том числе четыре статьи в сборниках, входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 134 страницы основного машинописного текста, в том числе 80
рисунка и графика, 20 таблиц, 108 наименований списка литературы, 4 приложения.