Содержание к диссертации
Введение
1. Обзорный анализ современных методов исследования влияния мелководья на ходкость и управляемость судов
1.1 Влияние мелководья на ходкость судов
1.1.1 Влияние мелководья на сопротивление воды движению судов
2. Исследование влияния мелководья на ходкость и управляемость судов
2.1 Экспериментальная база комплекса гидродинамики судна НГАВТ
3 Разработка методик учета влияния мелководья на ходкость и управляемость судов
3.1 Влияние мелководья на гидродинамические корпусные характеристики судна
3.1.1 Влияние мелководья и кромок фарватера на сопротивление воды движению судна
- Влияние мелководья на сопротивление воды движению судов
- Экспериментальная база комплекса гидродинамики судна НГАВТ
- Влияние мелководья и кромок фарватера на сопротивление воды движению судна
Введение к работе
Актуальность темы. Вождение судов по внутренним водным путям имеет свою весьма сложную специфику. Это стеснённые габариты судового хода по радиусу закругления, ширине и глубине. При этом параметры судового хода постоянно меняются в зависимости от кривизны, ширины и глубины фарватера.
Эти обстоятельства оказывают определяющее влияние на безопасность судоходства и предъявляют повышенные требования как к управляемости судов , так и к качеству профессиональной подготовки судоводителей.
Аналитическое исследование управляемого движения водоизмещающих судов внутреннего и смешанного плавания при таком многообразии внешних определяющих параметров является наиболее сложной из общих задач теории корабля. Эта многовариантность затрудняет создание надёжных методик расчёта и прогнозирования маневренных качеств судов.
Наиболее существенным фактором, определяющим безопасность плавания по внутренним водным путям, является, по мнению автора, адекватный учёт влияния мелководья.
В настоящее время разработаны математические модели, в различной степени учитывающие влияние мелководья на ходкость и управляемость водоизмещающих судов, выделяются работы Басина А.М., Павленко В.Г., Войткунского Я.И., Вьюгова В.В., Гордеева О.И., Тихонова В.И. и др.
Объективный анализ современной научной литературы показал, что математическая модель произвольного движения судна на крайнем мелководье в реке (канале) может быть значительно уточнена, для этого необходимо провести дополнительные экспериментальные исследования движения водоизмещающего судна на мелководье.
Цель диссертационной работы – определить повышение безопасности плавания водоизмещающих судов внутреннего и смешанного плавания при движении на мелководье и вблизи фарватера за счёт уменьшения отрицательного влияния неровности мелководья и кромок фарватера на управляемость водоизмещающих судов.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие научно – технические задачи:
1. Используя общепризнанную структурную математическую модель, провести детальный анализ современных методов определения усилий различной природы, уточнить их физический смысл и провести необходимую корректировку развёрнутой математической модели.
2. Провести дополнительные модельные испытания на крайнем мелководье (ровном и неровном).
3. Разработать уточнённый метод определения гидродинамических усилий, действующих на корпус судна при его маневрировании в условиях стеснённого фарватера.
4. Сконструировать развёрнутую систему уравнений движения судна и исследовать её достоверность.
5. Разработать рекомендации судоводителям по выбору режимов работы судна при движении на мелководье, перекатах и вблизи фарватера.
Методы исследования. В работе широко использовались модельные испытания в циркуляционном и прямом опытовых бассейнах НГАВТ методом «нулевого момента», методы математического анализа, численные методы решения дифференциальных уравнений и обработки экспериментальных данных.
Научная новизна:
1. Проведены систематические испытания моделей судов на ровном и неровном мелководье в циркуляционном и прямом бассейнах НГАВТ.
2. Разработаны методики определения влияния мелководья на гидродинамические характеристики судов.
3. Создана уточненная математическая модель, наиболее реально и физически обоснованно описывающая параметры движения судов на мелководье.
Практическая ценность результатов работы заключается в том, что разработаны рекомендации для судоводителей по выбору режимов движения судна, с целью избежать проявления «эффекта глубокой воды», потери управляемости и его навалу на противоположный берег на мелководье и перекатах ВВП.
Обоснованность и достоверность выполненной работы подтверждается использованием апробированных методов модельных испытаний в опытовых бассейнах, системных методов отработки экспериментальных данных, численных методов решения дифференциальных уравнений, а также удовлетворительным совпадением исследований с натурными испытаниями крупномасштабной модели пр. 576.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Судовождения» и «Теории устройства корабля» и научно – практических конференциях профессорско–преподавательского состава ФБОУ ВПО НГАВТ .
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 81 наименований, изложена на 108 страницах машинописного текста, включая 8 таблиц, 34 рисунка, 2 фото и приложения.
Влияние мелководья на сопротивление воды движению судов
Сопротивление воды движению судна складывается в основном из трех составляющих - трения, формы и волнового.
Сопротивление трения возникает вследствие того, что вода, имеющая свойство адгезии, налипает тонким молекулярным слоем на корпус и, практически, движется вместе с ним. Таким образом, непосредственного трения (эффект возможного замещения одних «пассажирок» другими не изучен). Трение возникает между частицами воды в слое, возмущенном движением судна (пограничном). Касательные напряжения, возникающие при этом, и создают сопротивление трения. Этот вид сопротивления достаточно хорошо исследован В.И. Тихоновым [65].
Сопротивление формы имеет характерное название, так как зависит от формы корпуса. Возникновение этого вида сопротивления имеет двойственный характер. Это сопротивление давлений (разница давлений между носовой и кормовой частью судна), и вихревое сопротивление, зависящее, в основном, от формы кормы. Этот вид сопротивления может быть исследован только путем испытаний моделей судов в гидродинамических бассейнах или лотках.
Для вычисления волнового сопротивления имеются весьма приближённые теоретические решения. По рекам и каналам суда практически движутся в условиях стесненности фарватера по глубине и ширине. При таких условиях картина обтекания водой корпуса судна становится наиболее сложной. Качественное и количественное изменение величин усилий, возникающих на корпусах судов, имеет место вследствие воздействия таких характерных факторов, связанных со стесненностью фарватера, как возникновение встречного потока, значительная деформация водной поверхности, изменение картины обтекания носовой и кормовой оконечностей судна, оказывающихся в непосредственной близости от стенок канала при движении судна с углом дрейфа. В первую очередь увеличивается сопротивление воды движению судна. Влияние мелководья проявляется обычно, когда глубина фарватера кф становится меньше, чем две осадки судна. Влияние кромок судового хода становится заметным, если расстояние от крайней точки судна до кромки становится меньше, чем четыре ширины судна.
Влияние мелководья обычно исследуется на неограниченной по ширине акватории, а влияние кромок судового хода дополнительно определяется в мелководных каналах.
Обстоятельные теоретико-экспериментальные исследования сопротивления движению судна в мелководных каналах различного стеснения выполнены С.Н. Коротковым [35] на основе двумерной математической модели потока и систематических испытаний в опытовом бассейне НИИВТ.
В результате проведенных исследований для приближенного определения гидродинамических корпусных усилий в условиях стесненного по глубине и ширине фарватера разработан следующий метод, который в переработанном В.Г. Павленко и В.В. Вьюговым виде приведен в книге [46]. Для случая движения с учётом дрейфа [11] разработана аналогичная Г методика. Разработанные ими формулы справедливы при = — 0,7, что существенно ограничивает область их применения на перекатах и перевалах реки запас воды под днищем нередко составляет 0,2 - 0,1 м, что соответствует для обычных речных судов th = 0,90 - - 0,95.
Это обстоятельство говорит о необходимости проведения дополнительных исследований движения водоизмещающих судов смешанного плавания на мелководье.
Просадка судов как физическое явление в настоящее время изучена достаточно полно. Она возникает вследствие того, что при движении судна в различных режимах хода скорости обтекания различных областей днищевой части судна возрастают. Это, согласно закону Бернулли, приводит к понижению давления под днищем судна, сила поддержания Архимеда уменьшается, осадка на миделе судна увеличивается. Давление в кормовой оконечности уменьшается в большей степени, что приводит к появлению дифферента на корму. Увеличение осадки судна особенно интенсивно на мелководье, что может привести к касанию днища о грунт и повреждению ДРК. Предельно допустимая осадка Гтах определяется как наименьшая из двух величин: T = hr-AhQ; (1-2) Tmax=hr-AT-Ah, (1.3) где hr - гарантированная глубина судового хода; А/го 0,03/гг - запас воды под днищем, регламентируемый действующими «Правилами плавания»; AT - просадка при движении на мелководье; А/г - запас воды, необходимый для учета возможных неточностей в определении осадки и гарантированной глубины. Определению просадки и безопасных скоростей морских судов на мелководье посвящены работы Баскина А.С. [7], Васькова А.С. [8], Воробьева Ю.Л. [10], [11], Ковалева А.П. [31],КохановаЭ.В. [35], Поданева Ф.И. [44].
Просадка и безопасные скорости речных судов детальным образом исследованы Коротковым С.Н. [35], Полуниным А.М. [5].
Для просадки речных судов в миделевом сечении и в кормовой оконечности А.М. Полуниным предложена практическая методика расчета. Им учтены результаты исследований в НИИВТ [54], в Институте речного флота в Дуйсбурге (ГДР) [79], дифферент значительно уменьшается. Оба фактора примерно компенсируют друг друга, что позвляет использовать формулу (1.3) в практических расчётах.
Экспериментальная база комплекса гидродинамики судна НГАВТ
Комплекс судовой гидродинамики «НГАВТ» имени В.Г. Павленко располагает прямым и циркуляционным опытовыми бассейнами, крупномасштабной самоходной моделью грузового судна, крупномасштабной самоходной моделью толкаемых составов и модельной мастерской.
Циркуляционный опытовый бассейн, построенный в 1967 г. на берегу Обского водохранилища, является также базой для самоходных моделей, испытания которых проводятся как в самом бассейне, так и на акватории водохранилища.
Бассейн представляет собой круговую бетонную чашу внутренним диаметром 20 м и максимальной глубиной 1 м с гладким дном, пронивелированным по уровню свободной поверхности воды. Глубина при испытаниях варьируется степенью наполнения бассейна. Приводная ферма ротационной установки бассейна опирается одним концом на центральную опору, а другим на двухколесную ходовую тележку, катящуюся по рельсу, проложенному по стенке бассейна и пронивелированному по уровню свободной поверхности воды.
Вдоль фермы может перемещаться радиальная тележка, изменяя радиус движения модели, на ней закреплен вертикальный пилон с лимбом, позволяющий варьировать угол дрейфа модели.
Привод фермы тиристорный, оборудован датчиком темпа для регулирования ускорения разгона и торможения модели. Исполнительный двигатель постоянного тока с редуктором установлены на ходовой тележке и обеспечивают вращение фермы с линейной скоростью ходовой тележки до 3 м/с. Привод поддерживает скорость с точностью 0,1% при установившемся дви жении и 1% при движении с ускорением. Средняя скорость движения тележки определяется по времени прохождения четырех мерных участков (милли-секундомеры), мгновенная - тахогенератором. Скорость регистрируется ре-гистрационно - вычислительным комплексом.
Управление движением фермы осуществляется с пульта, размещенного на ферме, на нем же размещается вся измерительная аппаратура, что позволяет оператору непосредственно наблюдать за ходом эксперимента и оперативно вмешиваться в его процесс.
Для успокоения воды, закручиваемой моделью при её движении, предусмотрены специальные устройства, с этой же целью производится реверсирование привода (холостой пробег модели или измерение усилий на заднем ходу).
Измерение усилий на корпусе модели производится с помощью четырех силовых динамометров, представляющих собой выточенную из цельной стальной заготовки коробчатую конструкцию из двух горизонтальных фланцев и трех вертикальных пластин. В боковых вертикальных пластинах выполнены горизонтальные проточки с целью обеспечения 5 - образной деформации средней пластины. На среднюю пластину с двух сторон наклеены четыре полупроводниковых тензодатчика. Фланцами динамометры соединены попарно под углом 90, образуя два двухкомпонентных динамометра, закрепляемых верхними фланцами на общей горизонтальной балке при расстоянии между ними в один метр. На нижних фланцах динамометров укрепляются шарниры для крепления к модели. Балка присоединяется к поворотному пилону тележки с таким расчетом, чтобы ось пилона совпадала с осью заднего динамометра (Дз) и осью шарнира, обеспечивающего модели свободное всплытие, дифферентовку и угловые перемещения. К модели этот шарнир крепится на абсциссе центра масс в плоскости ватерлинии, проходящей через ось предполагаемого гребного винта судна. К нижнему фланцу передней пары динамометров (Дп) закреплена вертикальная балка круглого сечения, проходящая с минимальным зазором между двумя круглыми горизонтальными балками, закрепленными на модели параллельно ее диаметральной плоскости и лежащими в плоскости той же ватерлинии, что и задний шарнир. Таким образом, передний шарнир ограничивает лишь боковые перемещения балки переднего динамометра. Такая компоновка динамометров предпочтительнее традиционного трехкомпонентного динамометра, так как обеспечивает полную «развязку» усилий, устраняя их взаимное влияние и упрощая конструкцию тарировочного приспособления. Продольная сила хи, возникающая при движении модели, определяется как сумма продольных реакций переднего и заднего динамометров хм=хДл+хДз, поперечная как УМ=ГДВ+УЛ, момент относительно центра масс определяется как произведение расстояния между динамометрами 1Д на поперечную реакцию на переднем динамометре мд =ІДЇДП .
Регистрация усилий производится либо традиционно с помощью самописцев типа КСП - 4, либо с помощью специально изготовленного регистра-ционно-вычислительного комплекса.
Прямой опытовый бассейн, расположенный в лабораторном корпусе академии, введен в эксплуатацию в 1975 г. Он представляет собой бетонную чашу длиной 69 м; шириной 6,9 м и максимальной глубиной 3,4 м (глубина варьируется степенью наполнения бассейна). В нем смонтированы три дорожки с четырехколесными несамоходными тележками и подвесными вертикально перемещаемыми гондолами. На гондолах размещены вертикальные пилоны той же конструкции и назначения, что в циркуляционном бассейне.
Тележки приводятся в движение системами «бесконечного» троса с помощью приводов, установленных в торцевой части бассейна (на противоположном торце бассейна - натяжное устройство). Тиристорные приводы, установленные в прямом бассейне, аналогичны установленному в циркуляции онном бассейне.
Для измерения усилий на моделях используется та же измерительная аппаратура и РВК. Для измерения скорости движения модели используются миллисекундомеры, измеряющие время прохождения шести мерных участков, а также тахогенераторы.
В стенках бассейна и его дне имеются специальные пазы, используемые для монтажа стенок каналов, а также при необходимости и подвесного дна. Бассейн оборудован волнопродуктором и волногасителем. Конструктивно предусмотрена возможность моделирования течения вдоль бассейна.
Кроме традиционных методов модельных испытаний в циркуляционном бассейне НГАВТ применяются несколько разработанных В.В. Вьюговым оригинальных методов - нулевого момента, (на спокойной воде, рисунок 2.1), комплексного момента (на течении), экспресс-метод, метод «паравана», рисунок 2.2.
Влияние мелководья и кромок фарватера на сопротивление воды движению судна
При движении судна на мелководье вследствие увеличения его эффективного удлинения и увеличения полноты эпюры поперечной нагрузки возрастают линейные составляющие поперечной силы и момента. Нелинейные составляющие поперечной силы и момента возрастают вследствие уменьшения относительного запаса воды под днищем (h0)/T, затрудняющего поперечное обтекание корпуса и увеличивающего отрывную составляющую коэффициента поперечной силы.
При движении судна по оси канала больщой стесненности (щирина канала менее девяти ширин судна) при неизбежном его зарыскивании в ту или другую сторону дополнительная стесненность фарватера по ширине оказы-. вает влияние, аналогичное влиянию мелководья, то есть происходит резкое увеличение гидродинамических сил и моментов, зависящее от степени стесненности фарватера, расстояния до кромки судового хода и уклона стенки канала.
Если при движении в канале или реке судно придерживается кромки судового хода и если при этом оно движется параллельно кромке с нулевым или малым положительным углом дрейфа (нос судна дальше от кромки, чем корма), скорость протекания воды между судном и кромкой вследствие местного стеснения потока возрастает, а давление падает (наиболее значительно в районе кормы). В результате на судне развивается дополнительная поперечная сила YKpi направленная к кромке (сила подсасывания) и дополнительный момент Мкр, стремящийся развернуть нос судна от кромки. Это явление носит название «эффекта свободной воды».
При движении судна вдоль стенки с большим положительным углом дрейфа проявляется эффект подтормаживания потока в зоне между корпусом и кромкой и давление в этой зоне повышается. Дополнительная поперечная сила в этом случае направлена от кромки, точка ее приложения смещается в носовую часть судна, следовательно, дополнительный момент сохраняет свой знак, по-прежнему обусловливая «эффект глубокой воды».
Дополнительные усилия могут быть весьма значительными, «эффект глубокой воды» наиболее ярко проявляется в случае неровностей кромки судового хода и при ходе против течения. Как показывает опыт судовождения (в том числе автора по малым рекам), нос судна отбрасывает так стремительно, что рулевой не успевает выровнять курс судна, и оно наваливается носовой частью на противоположный берег реки, при этом существует опасность повреждения движительно-рулевого комплекса, так как при этом корма судна может навалиться к кромке канала или берега.
Исследование этого эффекта весьма удачно может быть проведено с использованием смонтированного в бассейне мелководного стола (см. п. 2.2).
Влияние мелководья и кромок судового хода обычно учитывают в виде коэффициентов, являющихся сомножителями к коэффициентам гидродинамических корпусных усилий на глубокой воде.
Анализ поправок на влияние мелководья, приведенных в [60] в виде графиков (рис.1У/3 и pHc.IV/4), представлен в таблице. 3.1. Анализ тех же поправок, аппроксимированных В.Г. Павленко и приведенных в [45] (формулы 5.2.26 - 5.2.27), представлен на рисунке 3.1 в виде относительного плеча
Анализ данных таблицы 3.1 показывает, что, по данным [45], гидродинамические усилия на мелководье возрастают таким образом, что точка приложения их главного вектора при прямолинейном движении с углом дрейфа смещается все далее и далее в направлении оси х, а при криволинейном движении демпфирующая составляющая гидродинамических усилий смещает точку приложения главного вектора все далее и далее в сторону кормы судна.
Анализ графиков рисунка.3.1 показывает, что по данным [51] гидродинамические усилия и плечо главного их вектора на мелководье возрастают таким же образом, как и в таблице 3.1, что противоречит физическому смыслу и результатам проведенного исследования [16] (см. рисунок. 3.2). 1Щ Ч %
Таким образом, разрабатывая метод расчета гидродинамических усилий на мелководье и в мелководном канале, автору пришлось детально и критически проанализировать материалы многочисленных исследований, поверяя адекватность метода путем расчета относительного плеча центра давления и путем расчета диаграмм управляемости судов на мелководье. Сведения об управляемости судов на мелководье автор заимствовал из результатов испытаний натурных "судов, а сведения об управляемости судов в канале - из опроса опытных судоводителей и собственного опыта судовождения на малых реках.
Эксперимент, проведенный на мелководье методом нулевого момента ЦД, показал, что изменение поперечной силы и момента на мелководье происходит таким образом, что величина плеча ЦЦ на мелководье при равных углах дрейфа и кривизне циркуляции практически не изменяется. Следовательно, при конструировании метода расчета гидродинамических характеристик судна на мелководье необходимо постоянно проводить контрольные расчеты по определению плеча ЦД, придерживаясь полученного выше качественного вывода. Этот вывод подтверждается результатами проведенных автором испытаний методом «нулевого момента».
