Обоснование безопасных глубин для крупнотоннажного судна при его выходе из камеры судоходного шлюза Решетников Максим Алексеевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Анализ и пути решения проблемных вопросов прохождения судов через судоходные шлюзы ЕГС Европейской части РФ 10

1.1. Особенности движения судов на подходах к шлюзам с недостаточными глубинами 10

1.2 Анализ исследований волновых процессов в подходных каналах и порогах судоходных шлюзов 28

1.3. Анализ исследований параметров движения судна при заходе в камеру судоходного шлюза и выходе из нее 32

1.4. Выводы по анализу проблематики прохождения судов через шлюзы. Постановка цели и задач диссертационного исследования 47

Глава 2. Теоретические исследования процесса движения крупнотоннажного судна при выходе из камеры шлюза 55

2.1. Схематизация задачи и основные допущения 55

2.2. Математическое моделирование волнового режима в подходном канале и на пороге шлюза 56

2.3. Математическое моделирование гидродинамических процессов, сопровождающих выход судна из камеры шлюза 66

Глава 3. Натурные исследования гидродинамических процессов, сопровождающих выход крупнотоннажного судна из камеры судоходного шлюза 76

3.1. Натурные исследования характера волнового режима в подходном канале 76

3.2 Натурные исследования гидродинамичсеких процессов выхода судов из камеры Чайковского шлюза 86

3.3 Анализ данных о движении судна, полученных в ходе натурных исследований

Глава 4. Систематизация и апробация разработанного научно-методического аппарата к решению практических задач . 98

4.1. Верификации разработанной математической модели волновых процессов на пороге камеры шлюза и ее апробация к условиям работы Чайковского шлюза 98

4.2. Гидродинамические процессы, при выходе судна из камеры шлюза, особенности структуры водного потока и динамики поведения судна . 105

4.3. Исследование возможности повышения загрузки судов путем корректировки запасов воды под корпусом судна 113

4.4. Влияние геометрии корпуса судна на его просадку в процессе выхода из камеры шлюза 122

4.5. Обоснование целесообразности выхода судна на обратную волну при опорожнении камеры шлюза 125

4.6. Обоснование допустимого снижения запасов воды под корпусом судна при прохождении порогов шлюза 127

Заключение 132

Список сокращений и условных обозначений 139

Библиографический список 140

• Анализ исследований волновых процессов в подходных каналах и порогах судоходных шлюзов
• Математическое моделирование волнового режима в подходном канале и на пороге шлюза
• Натурные исследования гидродинамичсеких процессов выхода судов из камеры Чайковского шлюза
• Гидродинамические процессы, при выходе судна из камеры шлюза, особенности структуры водного потока и динамики поведения судна

Введение к работе

Актуальность исследования. Транспорт – одна из важнейших составных частей производственной инфраструктуры России. Согласно «Транспортной стратегии РФ до 2030г» развитие транспортной системы является необходимым условием реализации инновационной модели экономического роста Российской Федерации и улучшения качества жизни населения. Эффективное и устойчивое функционирование транспорта является необходимым условием обеспечения целостности, национальной безопасности и обороноспособности страны, рациональной интеграции России в мировую экономику.

Речной транспорт (РТ) – важная составляющая часть Единой транспортной системы. Одной из проблем РТ является недостаточная эффективность судопропуска через ряд основных судоходных каналов и гидроузлов Европейской части Российской Федерации. Такие участки водного пути, как: Н. Новгород-Городец, шлюзы Волго-Балтийского водного пути (ВБВП), Чайковский шлюз и др. являются яркими примером сложившейся ситуации.

Наличие лимитирующих участков на внутренних водных путях Единой глубоководной системы европейской части Российской Федерации приводит к существенному снижению провозной способности флота из-за уменьшения загрузки судов и ограничения скорости их прохождения. При прохождении флота через Городецкий район гидротехнических сооружений (ГРГС) ожидание шлюзования может длиться до 3 суток, а в начале навигации 2014 года ожидание увеличилось до 4-5 суток, при этом в июле месяце из-за падения глубин на пороге шлюза движение крупнотоннажного флота прекратилось вообще. В конечном итоге по итогам навигации 2014 года, суммарные потери грузоперевозчиков от недогруза составили порядка 2,7 млрд. руб. Поэтому в «Стратегии развития внутреннего водного транспорта РФ до 2030 года» одной из главных задач является повышение пропускной способности внутренних водных путей.

В связи с этим вопросы обеспечения запасов воды под днищем судна при прохождении лимитирующих шлюзованных участков и связанные с этим значения минимальных проходных глубин в совокупности с безопасностью прохождения через шлюзы приобрели в последнее время большую актуальность. При этом высокая стоимость и длительные сроки строительства новых судоходных гидросооружений ставят основным вопрос о выявлении скрытых резервов в пропускной способности внутренних водных путей (ВВП).

Традиционно исследования просадки судов и запаса воды под корпусом, касались движения судна по каналам или естественным участкам водного пути. В связи с этим степень разработанности вопроса ограничивается частными квазистационарными гидравлическими решениями, которые лишь частично описывают качественную картину явления и, как следствие, дают некорректные количественные результаты при применении их к расчетам шлюзов.

Цель диссертационного исследования состоит в исследовании нестационарных гидродинамических особенностей выхода крупнотоннажного судна из камеры шлюза и разработке рекомендаций о возможности повышения загрузки судов с учетом обеспечения безопасности судоходства.

Для достижения этой цели в диссертации поставлены следующие задачи:

определить основные факторы, оказывающие влияние на безопасность выхода судна из камеры шлюза;

разработать математическую модель волновых процессов в низовом подходном канале, вызванных опорожнением камеры шлюза;

разработать математическую модель процесса выхода крупнотоннажного судна из камеры шлюза в низовой подходной канал;

провести натурные исследования волновых процессов и процесса выхода судна из камеры на реальном шлюзе с целью верификации натурных данных с результатами численного моделирования;

выполнить анализ гидродинамических процессов, сопровождающих выход крупнотоннажного судна из камеры шлюза;

разработать рекомендации по возможному увеличению загрузки крупнотоннажных судов при их прохождении судоходных шлюзов;

разработать методику определения безопасного режима прохождения крупнотоннажным судном порогов камер шлюзов.

Объектом исследования являются шлюзованные участки ВВП.

Предметом исследования являются гидродинамические процессы, сопровождающие выход крупнотоннажного судна из камеры шлюза в низовой подходной канал.

Методологической и методической основой исследования являются новейшие отечественные и зарубежные теоретические и практические достижения в области исследования гидродинамики речного потока, численные методы исследования потоков и получение характеристик гидродинамических процессов, методы математической статистики, технологии проведение натурных исследований, использование теории планирования эксперимента.

Научная новизна исследования состоит в разработке комплексного подхода к исследованию взаимодействия системы «судно-шлюз» и включении имеющихся резервов ускорения и безопасности судопропуска в транспортный процесс.

Основные научные результаты проведенного исследования, полученные автором лично, заключаются в следующем:

выявлены основные факторы, оказывающие влияние на запас воды под днищем крупнотоннажного судна при его выходе из камеры шлюза;

разработана математическая модель, описывающая волновые процессы в подходном канале, вызванные опорожнением камеры шлюза, а также проведена ее верификация;

на базе математического моделирования выявлены особенности волновых процессов в низовом подходном канале на примере Чайковского шлюза и предложены практические подходы по уменьшению волновых колебаний в низовом подходном канале;

разработана математическая модель процесса выхода судна из камеры шлюза в низовой подходной канал с учетом геометрических параметров как камеры шлюза с подходным каналом, так и крупнотоннажного судна;

произведено описание кинематической структуры потока формирующегося в процессе движения крупнотоннажного судна из камеры шлюза;

выявлена возможность снижения запаса воды под корпусом судов типа «Волго-Дон» при выходе из камеры Чайковского шлюза;

предложена методика повышения загрузки судов при прохождении порога шлюза, основанная на повышении уровня воды в зоне порога, вызванного развитыми волновыми процессами в низовом подходном канале;

разработаны методические рекомендации по определению возможности прохождения крупнотоннажным судном порогов шлюзов с учетом обеспечения безопасности судоходства.

Содержание диссертации соответствует п. 9 Области исследований «Разработка методов и систем обеспечения безопасности плавания в современных условиях судоходства» и п.11 «Безопасность водных путей и судопропускных сооружений», а Объект исследований соответствует п.4 «Безопасность плавания» паспорта научной специальности 05.22.19 «Эксплуатация водного транспорта, судовождение».

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость исследования состоит в развитии теоретических методов исследования как волновых процессов в низовых подходных каналах, так и гидродинамических особенностей взаимодействия системы судно-шлюз при выходе судна из камеры шлюза в низовой подходной канал.

Практическая ценность работы заключается в разработке практического исследовательского инструмента для анализа взаимодействия системы «судно-шлюз», включающего исследования волновых процессов в низовых подходных каналах и поиске путей увеличения осадки судов при прохождении порога шлюза, возможности использования волновых процессов в низовом подходном

канале, вызванных опорожнением камеры шлюза для повышения загрузки

б

крупнотоннажных судов. Использование предложенной автором методики определения возможности прохождения порогов шлюзов, дает основание в каждом конкретном случае оценить безопасность прохождения порога шлюза при заданном режиме движения с учетом как волновых процессов в низовом подходном канале, так и скоростного режима выхода судна из камеры шлюза.

Личный вклад соискателя заключается в проведенном анализе современного состояния судоходных гидротехнических сооружений (СГТС), проведении натурных исследований основных факторов, влияющих на возможность прохождения порогов шлюзов, разработке двух математических моделей, описывающих волновые процессы в низовом подходном канале и динамики процесса выхода крупнотоннажного судна из камеры шлюза, верификации разработанных математических моделей, анализе кинематической структуры потока при выходе судна из камеры шлюза, разработке рекомендаций по повышению загрузки судов при прохождении порога Чайковского шлюза, предложении методологической основы по определению возможности выхода крупнотоннажного судна из камеры шлюза.

На защиту выносятся:

1. результаты натурных исследований влияния основных факторов, на динамику процесса выхода крупнотоннажного судна из камеры шлюза в низовой подходной канал;

2. математическая модель волновых процессов в низовом подходном канале, вызванных опорожнением камеры шлюза;

3. математическая модель процесса выхода крупнотоннажного судна из камеры шлюза в низовой подходной канал;

4. результаты теоретических исследований волновых процессов в низовом подходном канале на примере Чайковского шлюза;

5. результаты теоретических исследований гидродинамических процессов, сопровождающих выход крупнотоннажного судна из камеры шлюза;

6. предложения по увеличению загрузки судов при прохождении

Чайковского шлюза;

7. методика определения возможности выхода крупнотоннажного судна из камеры шлюза в низовой подходной канал.

Достоверность результатов обеспечивается использованием как классических методов научных исследований (постановка эксперимента, теория планирования эксперимента, системы классических уравнений) так и современных (численное моделирование) с последующей натурной оценкой адекватности полученных результатов.

Апробация. Основные положения и результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались: на второй международной научно-практической
ONLINE-конференции ВУЗов водного транспорта «Современные тенденции и
перспективы развития водного транспорта России» (2013 г.); Нижегородской
сессии молодых ученых (2012, 2014, 2015 г.г.); международном научно-
промышленном форуме «Великие реки» (2014-2016 г.г.) и международной
научно-практической конференции Star Russia Conference-2013:

«Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности» (2013 г.)»

Реализация работы. Результаты диссертационной работы

использовались при выполнении кафедрой водных путей и гидротехнических
сооружений ФГБОУ ВО «ВГУВТ» научной работы №35/09/1104

«Исследование возможности повышения загрузки судов и составов при выходе вниз из камеры Чайковского шлюза».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе две в реферируемых ВАК изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 92 наименования, и 1 приложения. Основное содержание работы изложено на 138 страницах, включая 25 таблиц и 55 рисунков.

Анализ исследований волновых процессов в подходных каналах и порогах судоходных шлюзов

Таким образом, по факту не учитывается сложный характер подъема-спада уровня воды в процессе действия поршневого эффекта и полностью игнорируется влияние волн попуска от ГЭС на пороговые глубины. Так как при входе в шлюз крупнотоннажного судна коэффициент стеснения близок к единице, то явления просадки от движения начинает изменяться на дополнительную величину, вызванную стеснением живого сечения. В этом случае помимо просадки образуется волна перед судном, которая вызывает дополнительный дифферент и дополнительную просадку судна. За счет подъема массы воды перед судном, активно перемещающегося по камере шлюза (явление поршневого эффекта), формируется волновая поверхность, перемещающаяся от верхней головы к нижней и обратно. При этом масса воды в камере начинает существенно превышать объем воды, соответствующий отметке нижнего бьефа в стационарном состоянии. В результате возможны случаи как поднятия судна на водную подушку при входе в камеру, так и резкое проседание всего корпуса за счет активизации оттока воды в канал из камеры в районе нижней головы. Наиболее примечательным здесь является то, что уровень воды на пороге, упав до отметки нижнего бьефа, по инерции продолжает снижаться. Тем самым снижается запас под днищем корпуса судна. Как показали натурные измерения на Чайковском шлюзе, величина падения уровня воды на пороге составляет до 15 см.

Таким образом, в процессе входа-выхода судна в камеру, процесс формирования величины запаса глубины под корпусом судна имеет динамический и крайне нестационарный характер из-за развития фронта волновой поверхности и постоянно меняющегося дифферента судна и его просадки над днищем шлюза. Это в конечном итоге и определяет безопасность и саму возможность движения судна через порог шлюза.

Помимо динамики поведения судна над порогом камеры шлюза, крайне важным для формирования глубин на исследуемых участках являются волновые процессы в подходных каналах и порогах камеры шлюза.

При опорожнении камеры в нижнем подходном канале распространяется фронт волны, вызванный местным повышением уровня воды у нижней головы. Волна опорожнения, дойдя до основного русла или нижерасположенного шлюза, отражается от них и идет обратно к воротам нижней головы шлюза, затем она отражается, соединяясь с выходящим из галерей опорожнения потоком воды, и таким образом создаются колебания уровней воды. Процесс трансформации волны опорожнения вследствие расширения канала за палами, поворотов канала или его локальных сужений канала проявляется в сложной картине колебания уровня. Непосредственное влияние на волновой режим также оказывает и наложение на неуспокоившиеся колебания уровня от предыдущего опорожнения волновых процессов, вызванных очередным опорожнением или опорожнением второй камеры шлюза.

Длинный низовой подходной канал Чайковского шлюза обеспечивает возможность раскачки уровня воды от опорожнения камеры шлюза. Таким образом, наличие глубин, необходимых для беспрепятственного прохождения крупнотоннажных судов на пороге, зависит не только от попусков ГЭС и уровня в нижнем бьефе, но и от режима опорожнения камеры шлюза. Причем влияние попусков Воткинской ГЭС на Чайковский шлюз почти нулевое, так как, в отличии от Нижегородской ГЭС, Воткинская ГЭС функционирует в базовом режиме. Таким образом, если на Нижегородской ГЭС попуски меняются каждый час, подстраиваясь под почасовое энергопотребление в течение дня, то Воткинская ГЭС почти круглые сутки сбрасывает один и тот же расход. Наряду с особенностью волнового режима, это порождает такое отрицательное явление, как гидродинамическая просадка судна, возникающая при его выходе из камеры судоходного шлюза. Совокупность двух данных явлений в ряде случаев не позволяет осуществлять выход крупнотоннажных судов из камеры сразу же после открытия нижних ворот.

Для подхода судов к шлюзу со стороны верхнего и нижнего бьефов делаются подходные каналы. Обычно канал верхнего бьефа короткий, так как создан дамбами, расположенными на акватории аванпорта шлюза. Каналы нижнего бьефа имеют значительное протяжение: от 1,5 до 6,0—8,0 км при ширине по урезу 70—200 м.

При этом у нижних голов судоходных шлюзов Волжской гидроэлектростанции имени В. И. Ленина при опорожнении камеры уровень повышается на 25—40 см и понижается при возвращении отраженной волны на 15—20 см; общая амплитуда колебания составляет 40—60 см. В нижнем канале Горьковского гидроузла при одновременном опорожнении обеих камер нижних шлюзов амплитуда колебания достигает 90 см. Большие колебания уровней воды наблюдаются в межшлюзовых бьефах между шлюзами. Например, в канале длиной 1700 м между шлюзами Цимлянского гидроузла амплитуда колебаний достигает 50 см. В межшлюзовых бьефах, имеющих большую ширину, например, на Горьковском гидроузле, волновые колебания не превышают 15 см. При малом запасе глубины на пороге (например, у Цимлянского шлюза) в результате волновых колебаний судно может удариться о днище камеры шлюза.

На ряде шлюзов предусматриваются специальные устройства для уменьшения расходов воды, поступающих в нижний шлюзовой канал. Так, на Угличском и Рыбинском шлюзах весь расход воды из камеры сбрасывается специальными водосбросами в русло реки, в результате в нижних каналах волновых колебаний почти нет. На Волгоградском шлюзе около половины воды отводится в р. Ахтубу, поэтому высота волн в канале значительно снижается.

Математическое моделирование волнового режима в подходном канале и на пороге шлюза

Далее в статье подробно разбирается каждая из этих групп и предлагается целый ряд конкретных мероприятий. Автор статьи отмечает: … в операциях по вводу судов в шлюзы и выводу из них содержатся определенные резервы ускорения процесса судопропуска…, так как в настоящее время движенческая составляющая затрат времени на шлюзование достигает 50-70% от полного времени, в зависимости от типа шлюзуемого судна.

Ученые Ленинградского института водного транспорта в течение длительного периода времени серьезное внимание уделяли изучению вопросов движения судов в камерах судопропускных сооружений, определения габаритных размеров камер, организации судопропуска.

В статье [5] Оптимальные запасы в камерах шлюзов, автором которой является В.В. Баланин, отмечается, что в настоящее время величины запасов по глубине и ширине камер согласно действующих нормативных документов определяется только требованиями безопасного судоходства. По его мнению, при определении оптимальных запасов необходим учет и других факторов. С этой целью автор статьи провел анализ работы многих шлюзов нашей страны, которые были разбиты им на 10 групп. Для каждой группы были указаны расчетные суда и составы, обеспечивающие наибольшее заполнение камер. На основе проведенного анализа им сделан вывод о том, что на большинстве шлюзов фактические минимальные запасы по длине близки к нормативным; запасы по ширине, как правило, больше нормативных, а запас по глубине меньше нормативных.

В связи с этим для установления оптимальных значений запасов В.В. Баланин рассматривает сущность физических явлений, сопровождающих процесс движения судна при входе в камеру шлюза и выходе из нее. После этого им делается вывод о том, что основным показателем, характеризующим влияние ограниченного фарватера на величину сопротивления движущегося по нему судна, является коэффициент, учитывающий степень стеснения потока. В заключении этой статьи он предлагает на основе многочисленных наблюдений, проведенных у нас в стране и за рубежом, глубину воды в камере шлюза определять по зависимости: (1.21) В 1983 г. в журнале Речной транспорт В.В. Баланин [6] публикует статью, в которой дается анализ работ, выполненных по различным проблемам судоходных гидротехнических сооружений. Он отмечает, что процесс судопропуска и влияние на пропускную способность шлюза таких факторов, как габаритные размеры камер, находятся в поле зрения специалистов. В статье приведены данные анализа натурных наблюдений, осуществленных в Нидерландах, которые убедительно показывают, что удлинение вдвое камеры шлюза увеличивает его пропускную способность на 20-30%. Причем с приближением к расчетной пропускной способности судоходного сооружения существенно возрастает время ожидания шлюзования, которое может доходить до 5-10 ч. В заключении статьи дан вывод о том, что в случае, если в наиболее напряженный период навигации пропускная способность шлюзов достигает 80%, необходимо строить дополнительное судопропускное сооружение.

В работе [46] В.М. Маккавеев рассматривает неустановившееся движение жидкости в камере шлюза при входе в нее судна, полагая при этом, что расход вытекающей жидкости по площади обусловлен разностью отметок уровней . Для описания движения жидкости за основу им принято уравнение Бернулли с инерционным напором. Помимо этого, автор статьи полагает, что судно, входящее в камеру, производит в ней работу по типу своеобразной гидравлической машины и тем самым содействует выдавливанию воды из камеры. В результате решения получены выражения, с помощью которых определяются параметры потока воды в камере в зависимости от числа одновременно шлюзуемых судов, и предлагается способ расчета пропускной способности шлюзов.

Работы С.М. Пьяных [61-63] посвящены в основном анализу скоростей движения судов в камерах судопропускных сооружений. В них приводятся конкретные данные, рекомендации, а также отмечается, что 66% от общего времени шлюзования судна затрачивается на вход, выход и учалку. Отсюда С.М. Пьяных делает вывод – увеличение скоростей входа и выхода судов при движении в камерах шлюза способствует увеличению их пропускной способности.

В восьмидесятые годы XXв. в научно-технической литературе неоднократно публиковались статьи главного инженера управления Волго-Балтийского водного пути В.В. Клюева [33-42], посвященные вопросам ускорения пропуска судов через шлюзы. В работе [39], опубликованной в 1981 г. он пишет, что увеличение пропускной способности шлюзов может осуществляться по трем основным направлениям: продление навигационного периода; совершенствование движения флота на межшлюзовых участках и ускорение процесса пропуска судов через судоходные шлюзы. Причем, последнее направление можно осуществить за счет сокращения длительных простоев шлюза; сокращения затрат времени на производство технических операций шлюзования и ускорение движения судна в пределах шлюза. По мнению автора статьи, это последнее направление представляется в настоящее время основным, потому что … именно в ускорении операций движения судна в пределах шлюза состоят главные резервы увеличения пропускной способности шлюзованного пути…. Далее он пишет, что …при движении современного крупнотоннажного флота в шлюзах Волго-Балта степень стеснения живого сечения шлюза миделевым сечением судна достигает 80%, а в маловодных условиях даже больше. При этом возникает сложные гидравлические явления, обуславливающие значительные усилия, воздействующие на судно, резкое увеличение продольных уклонов и дополнительную осадку его корпуса…. В заключительной части этой работы он предлагает в создавшихся условиях – …взять судно полностью «в руки» береговых средств и провести его через шлюз с минимальными затратами времени

Натурные исследования гидродинамичсеких процессов выхода судов из камеры Чайковского шлюза

Принимая во внимание сложность гидродинамических процессов при выходе судна из камеры шлюза, а также его нестационарность и громадную роль турбулентности в потоке, единственным путем корректного моделирования данного процесса является решение полной гидродинамической системы уравнений Навье-Стокса (формула 2.1). При этом в отличие от предыдущей модели необходимо отслеживание положения свободной поверхности воды на подходах к шлюзу и в самой камере, а также учитывать то, что в процессе движения судно активно перемещается по расчетной области и при этом испытывает крен, дифферент, и просадку в результате движения судна и взаимодействия с обтекающим потоком. Таким образом, с точки зрения математической физики мы имеем дело со связанной задачей гидродинамики турбулентного потока со свободной поверхностью и подвижными граничными условиями с изменяющейся расчетной областью. Связанность задачи подразумевает взаимосвязь изменения дифферента судна при движении в канале под воздействием изменения гидродинамики потока. Таким образом, математическая модель должна включать в себя как гидродинамические уравнения, так и механические уравнения, которые будут описывать характер и законы поведения судна.

Алгоритм решения задачи будет представлять собой последовательную цепочку временных шагов от момента отшвартовки судна от стенки до выхода из камеры шлюза. На начальном этапе судну задается небольшое смещение со скоростью его движения на текущий момент решения. Полученный при этом потоком воды импульс повлечет за собой изменение скоростей в каждой точке потока. В результате начнут формироваться подвижки потока, волновые процессы и изменение местоположения свободной поверхности, что вызовет изменение точки приложения гидродинамической силы и величины дифферентующего момента действующего на корпус судна. Все это в совокупности с перемещением судна, повлечет изменение местоположения его корпуса. Помимо перемещения вдоль оси камеры, судно начнет испытывать дифферент в совокупности с просадкой. Изменение положения судна естественным образом повлияет на изменения гидродинамики поля скоростей потока, обтекающего судно. После этого начнется новый цикл (временной отрезок) пересчета гидродинамических характеристик поля потока и вычисление нового местоположения движущегося судна. Вышеописанные циклы расчета будут реализовываться вплоть до того момента, пока судно не покинет границы подходного канала.

По аналогии с предыдущим разделом дальнейшую реализацию расчета принимаем на базе CAD-CAE вычислительной технологии. Внешние контуры расчетной области потока и части подходного канала на примере Чайковского шлюза сформированы в виде геометрической CAD модели с помощью системы AUTOCAD и представлены на рисунке 2.7.

Как видно из рисунка 2.7, наибольшее внимание при формировании геометрии шлюза было уделено формированию шкафной ниши нижних рабочих ворот, углублению на нижней голове в области соединения галерей и месту подъема днищевой части камеры, которая является индивидуальной особенностью данного шлюза. Аналогично были сформированы твердотельные геометрические модели для исследуемых судов типа «Волго-Дон» и «RSD44», представленные на рисунках 2.8 и 2.9.

Для решения задачи поток будет рассматриваться как трехмерная пространственная турбулентная структура, поведение которой в общем случае описывается системой уравнений Навье-Стокса. Рисунок 2.8 – Твердотельная модель корпуса судна типа «Волго-Дон»

Для отслеживания границы раздела сред «вода-воздух» систему уравнений дополним выражением для пассивного маркера - VOF скаляра (2.6). Для учета турбулентности в потоке воспользуемся подходом (2.9) и формулами (2.10) -(2.13). Учет трения потока о стенки камеры шлюза и корпус корабля, выполним по аналогии с предыдущей задачей пристеночными функциями (формулы (2.14) -(2.16)). Изменения характера шероховатости поверхности будет учитываться с помощью соответствующей корректировки значения коэффициента Е.

Для моделирования гидродинамики потока с помощью вышеприведенных твердотельных моделей формировалась расчетная область. Последняя на завершающем этапе формирования модели заполнялась расчетными ячейками. Для реализации самой задачи по контуру расчетной области были выделены ряд граничных областей (рисунок 2.10).

Гидродинамические процессы, при выходе судна из камеры шлюза, особенности структуры водного потока и динамики поведения судна

Разработанные математические модели позволяют провести численное моделирование и выполнить анализ влияния различных факторов на гидродинамику выходящего из камеры шлюза крупнотоннажного судна. Предлагаемый подход позволит учитывать: - реальную геометрию корпуса судна; - особенности геометрии камеры шлюза и подходного канала; - волновые процессы, вызванные движением судна, турбулентность; - неоднородность скоростей потока как по поперечному сечению, так и во всех точках потока и прочее;

Общую картину гидродинамических процессов, сопровождающих выход судна из камеры шлюза, проиллюстрируем на примере случая движения судна типа «Волго-Дон» с осадкой 3.1 м и начальным запасов под корпусом в 40 см. Скоростной график выхода судна примем по натурным данным главы 3.

В этом случае судно, будучи учаленным в районе нижней головы, в течение 100 сек. разгоняется и затем со скоростью 0.8 м/с выходит из камеры шлюза. Затем плавно переходя в подходной канал и покидая границы шлюза. В процессе моделирования принимается, что судно в начальный момент находится в строго горизонтальном положении, свободная поверхность воды имеет строгий горизонт, т.е. волновые процессы на подходе к шлюзу отсутствуют.

Базовыми показателями динамики перемещения судна по шлюзу являются вертикальное (высотное) изменение координаты центра тяжести судна и дифферент корпуса судна на нос или корму. Характер изменения этих величин иллюстрируется рисунок 4.4.

Изменение динамического запаса под корпусом судна в процессе движения Запуская двигатели в работу и выходя из состояния покоя, судно испытывает значительную просадку, в результате чего запас воды под днищем резко падает. При этом основная просадка приходится на кормовую часть, где размещены гребные винты. В результате импульсного скачка просадки кормовой части судна, носовая часть отчасти задирается вверх, смещая координату центра тяжести судна и увеличивая площадь выталкивающую воду из камеры шлюза. Дальнейшее начало движение судна вызывает выталкивание воды из камеры корпусом, с параллельным компенсационным перетеканием потока под днищем. В результате такого водообмена вокруг корпуса судна (в процессе движения в стесненных условиях) образуется область подъема уровня воды, что благоприятно сказывается на запасах глубины под корпусом.

Интенсивность подъема уровня вокруг корпуса в шлюзе определяется степенью сжатости сечения (и невозможностью потока свободно растекаться в пространстве), а также характером движения судна (как причины возникновения волновых процессов). Сам характер волнообразования в камере носит инерционный характер. Пока судно имеет равноускоренный характер движения (наличие ускорения говорит об изменении скорости во времени), инерционные явления в потоке не дают волне растекаться и ее гребень концентрируется вокруг корпуса судна, приподнимая его над свободной поверхностью. После того как скорость движения судна становится постоянной и ускорение сводится к нулю, волновые факторы начинаю преобладать над инерционными и растекание потока ведет к понижению отметки волнового подъема уровня. В результате судно начинает испытывать экстремальную просадку порядка 12 см. Это вызвано тем, что движение судна из равноускоренного становится постоянным со скоростью 0.8 м/с. Характер волны вокруг корпуса и положение судна в момент критической просадки, иллюстрирует рисунок 4.5.

Положение судна при достижении минимального запаса под днищем

Одновременно со стабилизацией скорости движения судна происходит восстановление паритета в формировании положения судна под действием гидростатических и гидродинамических сил. Это, в совокупности со стесненными условиями движения судна, создает предпосылки для «всплытия» судна над днищем камеры шлюза, которое в первую очередь обуславливается поднятием отметки свободной поверхности воды.

Дальнейшее движение судна по камере сопровождается поднятием уровня воды вокруг корпуса судна на небольшую величину. В связи со сложным характером волновых и турбулентных процессов, колебания уровня воды имеют асцилятивный характер.

Наиболее примечательной частью этого процесса является просадка корпуса судна при перемещении по отрезку от 300 до 360 м. На этом участке судно захватывает прохождение ниши под двухстворчатыми воротами (рисунок 4.6), и область ямы сопряжения водопроводных галерей (рисунок 4.7), а носовой частью попадает в область уширения канала (рисунок 4.8). Наличие нескольких резких уширение живого сечения водного пути ведет к существенным изменениям в поведении судна, что и проявляется в дополнительных просадка корпуса судна.