Введение к работе
Актуальность темы. Особенности судоходства на внутренних водных путях предъявляют весьма жёсткие требования не только к управляемости судов, но и к уровню подготовки, опыту самих судоводителей.
Для профессиональной подготовки судоводителей (приобретения ими начальных навыков в управлении судном) и периодического повышения их квалификации в настоящее время используются различного типа судоводительские тренажёры. Суть любого судоводительского тренажёра заключается в имитации управляемого движения судна. Очевидно, что от степени имитации поведения судна в реальных условиях плавания зависит и качество обучения на тренажёре.
В условиях реальной эксплуатации судам речного флота приходится совершать маневры, имеющие в той или иной мере неустановившийся характер. Поэтому для решения задач управления судном и качественной подготовки судоводителей на специализированных тренажёрах необходимы математические модели, основанные на уравнениях движения судна. Кроме того, они должны адекватно отражать процесс движения реального судна при выполнении того или иного маневра. Без достаточно точного определения действующих на погруженную часть судового корпуса усилий, фигурирующих в математической модели, достижение адекватности и высокой степени имитации поведения судна становится проблематичным.
Исследованию действующих на судно гидродинамических усилий посвящены труды A.M. Басина, Я.И. Войткунского, В.В. Вью-гова, О.И. Гордеева, А.Д. Гофмана, В.Г. Павленко, Р.Я. Першица, Л.М. Рыжова, В.Г. Соболева, К.К. Федяевского и многих других отечественных и зарубежных ученых. Разработанные к настоящему времени методы определения корпусных сил и их моментов, основанные на результатах систематических модельных испытаний, позволяют с достаточной для обеспечения безопасности судоходства точностью решать задачи теории управляемости, связанные с установившимся движением судна (оценка поворотливости судов, проектирование движительно-рулевого комплекса, обеспечивающего нормированную управляемость судна, и т. п.). При этом по-
грешности того или иного метода, обусловленные недостаточным учётом особенностей обводов носовой и кормовой оконечностей судового корпуса, практически не влияют на результаты расчётов характеристик управляемости судов.
Однако подстановка вычисленных по эмпирическим формулам коэффициентов корпусных усилий в уравнения движения судна приводит, согласно исследованиям В.Г. Павленко и В.В. Вьюгова, к расхождениям между расчётными характеристиками маневров и натурными наблюдениями. Следовательно, для решения задач управления судном при маневрировании необходимы специальные методы оценки корпусных усилий, которые, не вступая в противоречие с эмпирическими методами и базируясь на основных положениях теории управляемости, позволяли бы с учётом индивидуальных геометрических особенностей судового корпуса адекватно описывать произвольное управляемое движение судна. Очевидно, что разработка математических моделей для судоводительских тренажёров требует аналитических методов определения действующих на судно усилий, основанных на анализе динамического взаимодействия судового корпуса с пограничным слоем окружающей его воды и с движительно-рулевым комплексом.
Та или иная теория представляет собой совокупность научных положений, отражающих закономерности каких-либо процессов, происходящих в природе. Исследование и научное обоснование таких закономерностей является для любой теории задачей первостепенной важности. Целью же всякой теории является разработка методов адекватного моделирования тех процессов или явлений, изучением которых она занимается. В этой связи можно предположить, что отсутствие в настоящее время аналитических методов определения действующих на судно усилий объясняется тем обстоятельством, что до сих пор недостаточно исследованы основные закономерности динамического взаимодействия корпуса судна с пограничным слоем воды.
Таким образом, исследования, направленные на установление закономерностей процессов, происходящих в динамической системе судно-жидкость, и математическое моделирование этих процессов для имитации поведения реального судна при маневрировании, тесно связаны с решением проблемы обеспечения безопасности судоходства на внутренних водных путях и являются весьма актуальными.
Цель работы. Целью исследований является математическое моделирование системы судно-жидкость, основанное на закономерностях динамического взаимодействия судового корпуса с окружающей его водой.
Объект и предмет исследований. Объектом исследований является динамическая система судно-жидкость, а предметом - закономерности взаимодействия судового корпуса с пограничным слоем воды и методы адекватного моделирования инерционных и неинерционных гидродинамических усилий, действующих на судно при его произвольном плоском движении.
Методология исследования. При решении задач, поставленных в диссертационной работе, использованы методы математического моделирования физических процессов, методы математического анализа, методы аналитической механики, а также методы теории вероятностей.
Оценка корректности аналитических методов определения масс и моментов присоединенной жидкости, а также продольных и поперечных составляющих корпусных гидродинамических усилий выполнена путем сопоставления результатов исследований с имеющимися данными модельных и натурных испытаний судов.
Научная новизна работы. Научную новизну диссертации составляют теоретические и экспериментальные исследования динамического взаимодействия судна с окружающей его жидкостью, в результате которых
установлены причина возникновения присоединённой жидкости и ее роль в формировании гидродинамических усилий, действующих на судно;
предложена уточнённая модель циркуляционно-отрывного обтекания корпуса судна потоком жидкости;
обоснована общая структура гидродинамических характеристик судна;
установлена объективная закономерность распределения скоростей частиц жидкости в плоском пограничном слое;
выведена формула, устанавливающая зависимость экстраполя-тора трения гидравлически гладкого судового корпуса от числа Рейнольдса;
получено уравнение, аналогичное интегралам Эйлера, Бернулли и Громеки, которое отражает закон сохранения и превращения энергии применительно к движению воды в пограничном слое;
доказано, что для определения действующих на судно гидродинамических усилий его подводная часть может быть условно заменена эквивалентным аналогом;
получена формула зависимости кинетической энергии реальной присоединённой жидкости от скоростей и геометрических характеристик погруженной части судна;
откорректированы общие уравнения плоскопараллельного движения судна;
составлена частная система уравнений неустановившегося движения судна на повороте реки.
Перечисленные исследования для судов речного флота выполнены впервые.
Достоверность результатов. Установленная автором закономерность распределения скоростей частиц жидкости в плоском пограничном слое подтверждается экспериментальными исследованиями Я.И. Войткунского.
Корректность методов определения масс и моментов присоединенной жидкости, а также продольных составляющих корпусных пщродинамических усилий подтверждается данными модельных испытаний судов, выполненных соответственно Б.В. Палагушки-ным и В.В. Вьюговым.
Достоверность метода математического моделирования поперечных составляющих корпусных гидродинамических усилий подтверждается результатами натурных циркуляционных испытаний судов.
Практическая ценность работы. Результатами исследований, обусловливающими практическую ценность диссертационной работы, являются
учитывающие индивидуальные геометрические характеристики судового корпуса аналитические методы определения
масс и моментов присоединенной жидкости;
продольных и поперечных составляющих усилий циркуляци-онно-отрывного характера;
продольных и поперечных составляющих усилий, обусловленных волнообразованием;
теоретико-экспериментальные методы оценки корпусных усилий, обусловленных креном судна и вязкостным сопротивлением воды.
Полученные автором результаты исследований позволяют адекватно моделировать как инерционные, так и неинерционные усилия, действующие на подводную часть корпуса при произвольном плоском движении судна.
Апробация работы. Результаты экспериментальных и теоретических исследований доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (1982-2007 г.г.), на семинарах по управляемости судов и судовождению Волжско-Камского правления НТО им. акад. А.Н. Крылова (г. Горький, 1985-1987 г.г.), на курсах повышения квалификации инженерно-технических работников МРФ РСФСР при ГИИВТе (г. Горький, 1986-1989 г.г.), на научно-промышленном форуме «Великие реки 2008» (г. Н.Новгород, 2008 г.), на международной научной конференции «Гидродинамика. Механика. Энергетические установки», посвященной 145-летию со дня рождения академика А.Н. Крылова (г. Чебоксары, 2008 г.).
Реализация выполненных исследований. Данные натурных циркуляционных испытаний судов речного флота, выполненных при участии и под руководством автора, были использованы Горь-ковским институтом инженеров водного транспорта (ГИИВТ) - в настоящее время Волжская государственная академия водного транспорта (ВГАВТ) - при выполнении научно-исследовательской работы «Подготовить к изданию справочник маневренных характеристик судов новых проектов» (тема № XII - 5.16 плана НИР и ОКР МРФ РСФСР 1985 г.) по заданию Главной инспекции по безопасности судоходства и охране объектов Министерства речного флота РСФСР. «Справочник маневренных характеристик судов» был издан заказчиком в ЦБНТИ МРФ в 1989 г. и разослан в пароходства с целью распространения на судах для практического использования судоводителями.
Кроме того, методы аналитического определения действующих на корпус судна гидродинамических усилий инерционной и неинерционной природы используются специалистами комплекса судовых тренажёров Управления конвенционной подготовки и повышения квалификации ВГАВТ для математического моделирования произвольного управляемого движения судов.
Публикации. По теме диссертации автором опубликованы двадцать две работы общим объёмом более 30 п. л., семь из которых - в рецензируемых ВАК РФ изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из перечня основных условных обозначений, введения, восьми разделов, заключения, списка литературы и трёх приложений. Общий объем работы составляет 287 страниц. Основная часть рукописи содержит 264 страницы, включая 9 таблиц, 28 рисунков и библиографию (123 наименования). В приложениях представлены геометрические и скоростные характеристики тринадцати типов судов речного флота, результаты расчётов углов дрейфа этих судов на установившихся циркуляциях, а также документы, подтверждающие использование результатов исследований автора.
