Введение к работе
Актуальность темы. Статистика транспортных происшествий на речном флоте свидетельствует о том, что основной причиной большинства навигационных аварий являются неправильные действия судоводителей. Поэтому уровнем их профессиональной подготовки в значительной мере определяется безопасность судоходства на внутренних водных путях.
Одной из возможностей повышения квалификации судоводителей является тренажёрная подготовка, позволяющая отрабатывать приёмы эффективного управления судами в тех или иных сложных ситуациях. При этом очевидно, что цель тренажёрной подготовки будет достигнута лишь в том случае, если у судоводителя возникнет устойчивое ощущение управления именно тем судном, на котором он работает (или ему предстоит работать). Следовательно, для создания судоводительского тренажёра необходима математическая модель управляемого движения судна, адекватно имитирующая характер его реального поведения при выполнении того или иного маневра.
Считается, что универсальной для этой цели могла бы стать математическая модель, разработанная на основе уравнений неустановившегося движения судна. Однако без достаточно точного определения действующих на погруженную часть судового корпуса усилий, фигурирующих в математической модели, достижение адекватности и высокой степени имитации поведения реального судна при маневрировании становится проблематичным.
Исследованию действующих на судно гидродинамических усилий посвящены труды A.M. Басина, Я.И. Войткунского, В.В. Вьюгова, О.И. Гордее-ва, 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 эмпирические методы определения корпусных сил и их моментов, основанные на результатах систематических модельных испытаний, позволяют с достаточной точностью решать задачи теории корабля, связанные с установившимся движением судна (оценка по-
воротливости судов, проектирование движительно-рулевого комплекса, обеспечивающего нормированную управляемость судна, и т. п.). В то же время 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.
Одной из причин указанных расхождений является тот факт, что эмпирические методы не учитывают изменения угла крена судна (и, следовательно, коэффициентов корпусных сил и их моментов) при неустановившемся криволинейном движении. Поэтому для решения задач профессиональной тренажёрной подготовки судоводителей, а также разработки способов оптимального управления судном в различных ситуациях для объективной оценки действий обучаемых необходимы аналитические методы определения корпусных усилий, основанные на анализе динамического взаимодействия судна с окружающей его жидкостью.
Таким образом, научные исследования, направленные на совершенствование гидродинамических аспектов теории судовождения для адекватного математического описания усилий, действующих на корпус маневрирующего судна, тесно связаны с решением проблемы обеспечения безопасности судоходства на внутренних водных путях и являются весьма актуальными.
Цель работы. Целью диссертации является совершенствование гидродинамических аспектов теории судовождения для повышения качества профессиональной тренажёрной подготовки судоводителей и снижения навигационной аварийности на внутренних водных путях.
Объект и предмет исследований. Объектом исследований является динамическая система судно - жидкость, а предметом - инерционные и неинерционные гидродинамические усилия, действующие на судно при его неустановившемся криволинейном 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.
Корректность аналитических методов определения коэффициентов присоединённых масс, а также продольных и поперечных составляющих корпусных усилий проверена путём 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
предложена уточнённая модель циркуляционно-отрывного обтекания судового корпуса потоком жидкости;
обоснована общая структура гидродинамических характеристик судна;
получено уравнение, аналогичное интегралам Эйлера, Бернулли и Гро-меки, которое позволяет определять давления реальной жидкости на поверхность обшивки судового корпуса;
доказано, что для разработки аналитических методов определения действующих на судно гидродинамических усилий его подводная часть может быть условно заменена геометрически эквивалентным аналогом;
получена формула зависимости кинетической энергии реальной присоединённой жидкости от скоростей и геометрических характеристик погруженной части судового корпуса, позволяющая аналитически определять коэффициенты присоединённых масс;
откорректированы общие уравнения плоскопараллельного движения судна;
составлена частная система уравнений неустановившегося движения судна на повороте реки.
Перечисленные исследования для судов внутреннего и смешанного (река - море) плавания выполнены впервые.
Достоверность результатов. Закономерность распределения скоростей частиц жидкости в плоском пограничном слое, на основе которой полу-
чена формула зависимости экстраполятора трения от числа Рейнольдса, подтверждается экспериментальными исследованиями Я.И. Войткунского.
Корректность методов определения коэффициентов присоединённых масс, а также продольных составляющих корпусных гидродинамических усилий подтверждается данными модельных испытаний судов, выполненных соответственно Б.В. Палагушкиным и В.В. Вьюговым.
Достоверность метода определения 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
-коэффициентов присоединённых масс;
-продольных и поперечных составляющих усилий циркуляционно-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 описывать как инерционные, так и неинерционные гидродинамические усилия, действующие на судно при его неустановившемся криволинейном движении, и представляют собой базу данных для математического моделирования управляемого движения судна на судоводительских тренажёрах.
Апробация работы. Результаты экспериментальных и теоретических исследований автора 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 Горьковским 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., восемь 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 объём работы составляет 287 страниц. Основная часть рукописи содержит 264 страницы, включая 9 таблиц, 28 ри-
сунков 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.
