Содержание к диссертации
Введение 6
1 Методы определения и представления ветро-волновых потерь скорости судов. Чувствительность методов к параметрам волнения .15
1.1 Физика ветро-волнового воздействия, вызывающего потерю скорости судна 15
1.2 Теоретическое исследование ветро-волновой потери скорости 18
1.2.1 Первые исследования волнового сопротивления, выполненные Т.Х. Хавелоком, М.Д. Хаскиндом, В.Г.Сизовым 18
1.2.2 Метод плоских сечений применительно к задаче определения дополнительного сопротивления 20
1.2.3 Дополнительное сопротивление на нерегулярном волнении 22
1.2.4 Некоторые замечания о работе пропульсивного комплекса на волнении 23
1.2.5 Воздушное сопротивление судна 24
1.2.6 Приближенные методы расчета дополнительного сопротивления
1.2.6.1 Дополнительное сопротивление на встречном волнении 25
1.2.6.2 Дополнительное сопротивление на регулярном волнении произвольного курсового угла 27
1.2.6.3 Учет волнового переноса в потере скорости на волнении
1.3 Потеря скорости хода судна при известном дополнительном сопротивлении 31
1.4 Диссипативныйподход к оценке ветро-волновых потерь скорости 35
1.4.1 Определение потери скорости судна через диссипацию энергии волн в слое осадки судна 35
1.4.2 Спектральная оценка потока волновой энергии в верхнем слое воды 38
1.5 Эмпирические способы оценки ветро-волновой потери скорости 43
2 Способы и средства определения параметров волнения. Оценка точности определения параметров волнения 49
2.1 Визуальные способы определения параметров волнения 49
2.1.1 Определение периода волны г 49
2.1.2 Определение скорости движения волны с 50
2.1.3 Определение длины волны Л 50
2.1.4 Определение высоты волны h 51
2.1.5 Определение направления волнения Кв 52
2.2 Расчетные способы определения параметров волнения по волно образующим факторам 52
2.2.1 Определение параметров волнения по факсимильным картам приземного анализа 52
2.2.2 Кривые прогноза высот и периодов волн М. Дарбишайра и Л. Дрейпера 58
2.3 Определение параметров волнения по зависимостям при измерении одного из них 59
2.4 Технические средства для определения параметров волнения 61
2.4.1 Контактные методы определения параметров волнового поля 61
2.4.1.1 Контактная веха 61
2.4.1.2 Волновая веха 61
2.4.1.3 Струнный волнограф 62
2.4.1.4 Подводный волнограф 62
2.4.1.5 Волнограф Д.Таккера 62
2.4.1.6 Прибрежный дистанционный волнограф ГОИН 63
2.4.1-.7 Волнограф ГМ 16 64
2.4.1.8 Волнограф ГМ-32(радиоволнограф) 65
2.4.1.9 Турбиночный волнограф 65
2.4.1.10 Волнографы работающие по принципу «обращенного эхолота» 66
2.4.1.11« Самописец волнения Вэйврай-дер-буй (радиоволнограф) 66
2.4.1.12 Приборы для нахождения высоты волн Фруда и Гольдшмидта 67
2.4.2 Неконтактные методы определенияпараметров волнения 67
2.4.2.1 Оптические волномеры В.В. Шулейкина, К.И. Богдановича 68
2.4.2.2 Волномер Р.Н. Иванова 68
2.4.2.3 Ортогонально - линеечный волномер В.И. Сичкарева 69
2.4.2.4 Фоторегистраторы взволнованной поверхности 70
2.4.2.5 Радиолокационный волномер 71
2.4.2.6 Высокоточный спутниковый альтиметр 73
3 Исследование ветро-волновых потерь скорости судов смешанного плавания 75
3.1 Способ поставленных наблюдений среди аппроксимационных эмпири ческих способов оценки ветро-волновых потерь скорости 75
3.1.1 Технология натурных наблюдений и алгоритм выявления ветро-волновых потерь скорости 80
3.1.2 Результаты натурных наблюдений на сухогрузных судах смешанного плавания типа «Сибирский» и на танкерах смешанного плавания типа «Ленанефть» 82
3.1.3 Обработка результатов ветро-волновой потери скорости судов смешанного плавания 83
3.2 Проверка допустимости расширения границ применимости формулы
П.М.Хохлова на область параметров судов смешанного плавания 83
3.2.1 Получение и обработка плотности распределения отклонений А для сухогрузов типа «Сибирский» 87
3.2.2 Получение и обработка плотности распределения отклонений Ддля танкеров типа «Ленанефть» 90
3.2.3 Анализ причин бимодальности отклонения А 94
3.3 Анализ результатов исследования отклонения А и общие выводы о ветро-волновой потере скорости судов смешанного плавания 96
4 Ортогонально — линеечный волномер Сичкарева В.И 100
4.1 Потребность 100
4.2 Принцип действия волномера 101
4.3 Измерение длин и высот волн ортогонально-линеечным волномером в сопоставлении с визуальными оценками и картами гидрометеопрогноза..107 4.3.1 Процесс получения статистических данных Ли h волн, измеренных визуально 107
4.3.2 Процесс получения статистических данных Ли h волн, измеренных с помощью ДВВМ 108
4.3.3 Сопоставление статистических данных Ли h волн, измеренных
с помощью ДВВМ и визуально с картами гидрометеопрогноза 109
4.4 Анализ точности статистических данных волнового поля полученных
с помощью ДВВМ, в сопоставлении со статистикой, полученной по резуль
татам обработки фотоснимков экрана РЛС 114
4.4.1 Получение статистических данных параметров волнового поля посредством съемки изображения экрана РЛС 114
4.4.2 Метод получения параметров волнения по фотоснимкам экрана РЛС для целей решения задач при плавании судна в штормовых условиях 118
4.4.3 Статистика применения ДВВМ в морских условиях с одновременной фиксацией волнового поля посредством съемки экрана РЛС 1 4.5 Алгоритм обработки статистических данных распределения величин X в волновом поле 120
4.6 Рекомендации по применению волномера 134
Заключение 137
Перечень использованных источников 141
Приложение 1 151
Приложение 2 160
Приложение 3. 167
Приложение 4 176
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Речной транспорт Российской Федерации с развитием международных торговых отношений занял особое место в транспортной системе России. Научно-технический прогресс выявил необходимость создания судов, способных выходить в море, миновав затраты на перегруз с речного на морской транспорт. Этим условиям удовлетворяют суда смешанного плавания различных классов. Кроме того, такая необходимость стимулировала модернизацию речных судов.
В итоге к началу 2003 года доля ССП составила 60% от общего числа транспортных судов с классом PC и более 90% — с классом РУ[4]. По состоянию на ноябрь 2007 года под наблюдением только российских классификационных обществ находились 2174 судна смешанного плавания, из них совершающих международные рейсы — 1190 судов[38].
С увеличением доли эксплуатации ССП в морских условиях [73] возник вопрос безопасности в связи с их старением и возрастающим числом аварий, последняя крупная из которых — гибель четырех ССП в ноябре 2007 года в Керченском проливе.
Ограничения ССП на доступные для плавания морские районы, приведенные в Правилах Речного Регистра 2004 г. и Бюллетенях к ним, а также в Межведомственных Протоколах 1952 , 1958 , 1970, 1979, 1992, 1997 гг. [76] и в многочисленных дополнениях к ним, не решили проблему аварийности [93 ].
Очевидно, что доля аварий ССП обусловлена не только рядом объективных причин (например, таких, как шторм с волнением), но и человеческим фактором, а, в конечном счете - незнанием судоводителем основных эксплуатационных характеристик при плавании ССП в морских условиях, отсутствием опыта определения лимитирующих условий мореплавания, недооценкой опасностей мореплавания на ССП со значительными ограничениями по мореплаванию, а также отсутствием на судах расчетной базы при плавании на волнении. Ранее обоснование возможности эксплуатации ССП в морских условиях проводилось путем обобщения существующего опыта эксплуатации судов (Протоколы 1952 и 1958 гг.), либо (последующие Протоколы) с применением научных методик на основе анализа данных по волнению - расчетных, определенных по полям ветра; обобщающих статистические материалы инструментальных и визуальных наблюдений; использующих гидродинамические модели определения характеристик волнения по полям ветра и атмосферного давления, затем согласовывались морским и речным ведомствами.
С применением математических моделей ССП решались задачи безопасного плавания судна при различных параметрах волнения и ветра, а также расстояний до портов убежищ. Полученные решения удовлетворяли требованиям мореплавания, однако по причинам разнообразия районов плавания, проектов эксплуатируемых судов, либо возраста ССП ставится вопрос о реализации этих решений на практике [38].
Таким образом, непосредственно перед судоводителями ставится задача определения основных эксплуатационных характеристик этих судов на волнении. Особая значимость этой задачи обусловлена имеющимися ограничениями ССП на гидрометеорологические условия плавания и на удаление от портов-убежищ.
В связи с этим представляет значительный интерес определение ветро-волновых потерь скорости ССП, поскольку судоводитель должен иметь обоснованное представление о реальном запасе времени для ухода в порт-убежище в случае получения- неблагоприятного прогноза или фактического ухудшения погоды. Кроме того, знание скорости судна на волнении необходимо для планирования рейса, а также для оптимизации маршрута плавания (выбора наиболее выгодного пути) в прогнозируемых гидрометеоусловиях.
Ранее изыскания в этой области проводились Н.Н. Струйским (1932 г.); Г.И. Ухановым (1966 г.); П.М. Моховым (1967 г.); В.В. Дремлюг и М:Ф. Макаровым (1968 г.); В.В. Правдюком и Б.И. Сайфуллиным (1969 г.); А.Н. Тарасовым (1970 г.); Н.В. Ивановым (1973 г.); Н.И. Коваленко, Г.А. Рубан, П.С. Трофимовым (1973 г.); Д.В. Кондриковым (1973 г.) и др.
Однако, сложность определения некоторых параметров, входящих в полученные зависимости, и частичное определение параметров средствами эмпирики непосредственно на судне для определения достижимой скорости на волнении, отдалили существующие методы от практического использования судоводителем на флоте. Доступные же формулы для расчета скорости применимы лишь к морским судам, тем самым, лишая штурмана ССП информации о возможностях своего судна на волнении.
В связи с этим, прежде всего, возникает актуальный вопрос выбора уравнения регрессии, отвечающего основным требованиям судоводителя:
- быть предельно простым в отношении исходных данных по судну и волнению;
- полностью удовлетворять диапазону скоростей, водоизмещении и архитектуры ССП;
- удовлетворять диапазону параметров волнения с учетом ограничений ССП;
- быть достаточно точным.
В качестве такого уравнения выбрана формула П.М. Хохлова (ЦНИИМФ). Однако она составлена для архитектуры и параметров морских судов, а применимость формулы П.М. Хохлова на параметры и архитектуру судов смешанного плавания требует специального исследования.
Безопасность является основным качеством, необходимым, для» всех видов транспорта. Особое значение она приобретает и в морском судоходстве. Значительные размеры морских судов, рост скоростей движения, увеличение интенсивности движения на морских путях, плавание судов в сложных метеорологических условиях и другие причины делают проблему безопасности мореплавания наиболее приоритетной и актуальной при оценке современного состояния и развития морского судоходства. В 1914 году принимается «Международная Конвенция по охране человеческой жизни на море», СОЛАС-14, которая прошла все модернизации в «СОЛАС-29»; «СОЛАС-48»; «СОЛАС-60»; «СОЛАС-74». Увеличилось число государств, ратифицировавших его, с 12 до 70. В 1982 году европейскими странами подписывается «Европейский меморандум», появляются Латиноамериканское соглашение по контролю судов государством порта, Токийский меморандум, меморандум о взаимопонимании по контролю судов государством порта в Карибском регионе, Черноморский меморандум и т.д. Однако, создаваемая сеть этих соглашений усиливает напряжённость в среде судоводительского состава, запутавшегося в тонкостях требований отдельных регионов. В 1993 году разрабатывается и на 18-ой Ассамблее ИМО Резолюцией А.741(18) принимается «Международный Кодекс по управлению безопасной эксплуатацией судов и предотвращению загрязнений» ISM Code (МКУБ). В 1995 году разрабатывается и резолюцией А.787(19) принимаются организационные принципы системы контроля судов. Резолюция носит название: «Процедуры контроля судов государством порта».
Статистика продолжает показывать, что в мире ежегодно гибнет около 0,6% судов от всего состава мирового флота. Существующие меморандумы, кодексы и многочисленные дополнения к ним, содержащие множество требований, отлично отрегулировали юридические аспекты мореплавания, а книги по рекомендациям судоводителям, пособия для плавания, в том числе и в штормовых условиях, потерялись на полках судовых библиотек.
По оценкам специалистов, причинами 80% аварий являются неправильные действия судового персонала. В целом риск для жизни людей возникает как в связи с разрушением конструкций, неисправностью судовых систем, устройств, так и вследствие ошибочных действий членов экипажа из-за неточного восприятия информации, неправильного решения или ошибок при реализации принятого решения. Основным видом информации об аварийности мирового флота в настоящий момент являются статистические данные по авариям и гибели судов, которые собираются и анализируются большинством участников морской индустрии, как в России, так и за рубежом[46]. По результатам анализа статистических данных Регистра Ллойда, за период 2001—2004 годов основные причины гибели судов в мире распределились следующим образом [39]. На первом месте стоит затопление судов вследствие воздействия внешних факторов, которые приводят к нарушению водонепроницаемости корпуса, чаще всего в условиях шторма. На втором месте (в качестве причин гибели) стоят посадки на мель, на третьем — пожары и взрывы на судах, и на четвертом — столкновения. По результатам анализа можно сделать следующие выводы: число погибших судов по рассматриваемым годам мало изменилось и составило соответственно: 155, 144, 144, 142; причины гибели судов,, занявшие первое место, составляют по годам соответственно: 47,7%; 47,4%; 52,2%; 41,3%; причины гибели судов, занявшие второе место,(посадка на мель) по годам, соответственно, составили: 18,1%; 16,7%; 16,7%; 11,79%; причины гибели судов, занявшие третье место,(пожары и взрывы) составили: 14,8%; 20,8%;12,5%; 12,5%; причины гибели судов, занявшие четвертое место,(столкновения) составили: 15,3%;11,1%; 13,2%; 10,8%.
Совершенно очевидно, что такой уклон в сторону аварийности в неблагоприятных гидрометеоусловиях обуславливается отсутствием на судах доступной и понятной для судоводителя гидрометеорологической информации. Кроме того уровень гидрометеорологического обеспечения судовождения (обсуждавшийся на сессии ВМО- пункт 5.1.30-Предупреждение о штормах и штормовых ветрах) [91] на данный момент далек от совершенства. По сути, гидрометеорологическое обеспечение на судах свелось всего лишь к анализу доступных в любое время в Интернете карт прогноза волнения, а при непосредственном плавании в шторм судоводитель сталкивается с отсутствием какого-либо сформированного комплекса решения возникших задач. Важным шагом к решению таких задач управления судном является определение параметров волнения, которое на практике не поднялось выше уровня визуального определения.
В области измерения параметров волнения и создание соответствующей приборной базы значительный вклад внесли Д. Таккер, В.В. Шулейкин, К.И. Богданович, Р.Н. Иванов, Я.Г. Виленский, Б.Х. Глуховский, Кубланов Я.М. и др. Однако, за исключением волнографа Таккера, созданные приборы не пригодны для использования на ходу судна, что не позволяет применять их в судоводительской практике. Волнограф же Таккера представляет собой сложную конструкцию, устанавливаемую на судне в доке, поэтому применяется в основном на исследовательских судах.
В связи с этим, возникает актуальная задача широкомасштабной проверки ортогонально — линеечного волномера Сичкарева В.И. в условиях различного волнения, в том числе смешанного (ветровое волнение и зыбь).
Цель диссертационной работы - повышение безопасности мореплавания судов смешанного плавания путем выявления потери скорости хода судна при воздействии на него ветра и волнения, а также повышение безопасности мореплавания любых судов путем отработки метода измерения длины волны с мостика на ходу судна ортогонально - линеечным волномером.
Связь темы диссертации с госбюджетной тематикой кафедры судовождения ФГОУ ВПО НГАВТ : представленная работа соответствует зарегистрированной госбюджетной теме кафедры судовождения «Проблемы повышения безопасности плавания судов», номер гос. регистрации
Задачи исследования
Для достижения поставленных целей потребовалось решить следующие научно — технические задачи:
1. Выявить направления исследования ветро — волновых потерь скорости судов, предпринятые различными авторами.
2. Выбрать наиболее удобный вид эмпирической зависимости для применения к судам смешанного плавания. 3. Разработать способ поставленного наблюдения для выявления ветро — волновой потери скорости из серии обсерваций и исключения воздействия течения.
4. Провести на различных судах смешанного плавания репрезентативную серию поставленных наблюдений по определению ветро — волновых потерь скорости с использованием обсерваций по спутниковой навигационной системе.
5. Провести анализ точности результатов и наметить пути ее повышения.
6. Выявить существующие методы измерения и оценки параметров волнения отобрать наиболее приемлемые для использования в судоводительской практике.
7. Обосновать достоверность результатов измерения длин волн ортогонально — линеечным волномером и удобство применимости метода в условиях мостика судна.
Методы исследования. В работе широко использовались методы натурного наблюдения в море на различных судах, статистические методы обработки результатов наблюдений, теоретические и вычислительные методы механики, судовождения, океанографии.
Обоснованность и достоверность полученных положений, выводов и рекомендаций обусловлена использованием репрезентативных объемов натурных наблюдений по потерям скорости.судов смешанного плавания-и по сопоставительным измерениям длин волн методом радиолокационной фиксации и ортогонально — линеечным волномером;
Объектом исследования являются суда смешанного5 плавания, осуществляющие морские перевозки, и морские суда при плавании в условиях волнения.
Предметом исследования являются достижимая скорость судов смешанного плавания на волнении, а также соответствие волновой картины, полученной по результатам измерений ортогонально — линеечным волномером, реальному морскому волнению. На защиту выносятся:
1. Метод поставленного наблюдения при измерении ветро — волновой потери скорости.
2. Обоснование применимости формулы ветро — волновой потери скорости, полученной П.М. Хохловым (ЦНИИМФ) для морских судов, на область параметров и архитектуры судов смешанного плавания.
3. Обоснование применимости ортогонально — линеечного волномера (ОЛВ) для измерения длин волн в условиях мостика, на ходу судна.
4. Номограмма для определения длин волн по снятым величинам с помощью ОЛВ.
Научная новизна:
1. Выполнен большой объем натурных наблюдений за скоростью различных судов смешанного плавания в условиях морского волнения.
2. Предложен и применен метод вычисления ветро — волновой составляющей потери скорости судна из серии последовательных спутниковых обсерваций.
3. Показана хорошая аппроксимативность ветро — волновой потери скорости формулой П.М. Хохлова для архитектуры и параметров судов смешанного плавания с малой погрешностью при достаточно точной оценке параметров волнения.
4. Показано хорошее совпадение плотности распределения длин волщ измеренных в море ортогонально — линеечным волномером и полученных контрольной съемкой радиолокационного изображения взволнованной поверхности моря.
Практическая ценность работы заключается:
- в предоставлении судоводителю судов смешанного плавания способа оценки достижимой скорости на волнении при планировании рейса и при расчете ухода в порт — убежище, что важно для повышения безопасности плавания в море судов смешанного плавания;
- в предоставлении судоводителю метода достаточно точного и простого определения параметров существующего волнения с помощью ортогонально — линеечного волномера, легко изготавливаемого в судовых условиях, для выработки обоснованных мер повышения безопасности плавания на волнении.
Результаты работы по использованию ортогонально — линеечного волномера внедрены на судах «Степан Гейц» и «ST BRILLIANCE» в судоходных компаниях «Приморсклеспром» и «ST SHIPMANAGEMENT» соответственно (приложение п.4.1, п.4.2).
Личный вклад автора в получении результатов, выводов, рекомендаций.
Основные натурные наблюдения по скорости судов смешанного плавания на волнении выполнены лично автором; натурные наблюдения за волнением по РЛС и ортогонально — линеечному волномеру выполнены лично автором. Вклад автора в совместных публикациях составляет не менее равной доли с соавторами.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научно — практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО НГАВТ в 2007 году, а также на международной научно — практической конференции FEBRAT - 09 в 2009 году в МГУ им. Невельского Г.И., Владивосток.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 106 наименований, 4 приложений; изложена на 150 страницах машинописного текста, включая 23 таблиц и 38 рисунков.
