Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Экспериментально-расчетная методика определения сил имомента волнового дрейфа 14
1.1 Методика проведения испытаний в маневренно-мореходном бассейне по определению сил и момента волнового дрейфа 14
1.2 Определение структурной зависимости средних составляющих сил волнового дрейфа от кинематических параметров судна и параметров волнения 26
1.3 Определение зависимости структурных коэффициентов от геометрических характеристик судна 48
1.4 Методика пересчета сил и момента волнового дрейфа на нерегулярное волнение заданного спектра 52
Глава 2 Математическое моделирование движения судна в условиях ветра и волнения 59
2.1 Уравнения движения судна в условиях ветра и волнения 59
2.2 Результаты математического моделирования и оценка их достоверности на основании сравнения с результатами физического моделирования и натурных испытаний 66
2.3 Представление результатов математического моделирования ввиде секторных диаграмм управляемости 78
Глава 3 Определение регулярной волны, эквивалентной с точкизрения волновых сил, нерегулярному волнению заданного спектра 85
3.1 Оценка управляемости судна методом прямого физического моделирования в маневренно-мореходном бассейне 85
3.2 Определение эквивалентной регулярной волны 92
Глава 4 Разработка мероприятий по обеспечению управляемостисудна в штормовых условиях 100
4.1 Конструктивные рекомендации по улучшению управляемостисудна в штормовых условиях 100
4.2 Эксплуатационные рекомендации по улучшению управляемости судна в штормовых условиях 105
Заключение 107
Литература 109
- Определение структурной зависимости средних составляющих сил волнового дрейфа от кинематических параметров судна и параметров волнения
- Результаты математического моделирования и оценка их достоверности на основании сравнения с результатами физического моделирования и натурных испытаний
- Определение эквивалентной регулярной волны
- Эксплуатационные рекомендации по улучшению управляемости судна в штормовых
Введение к работе
Безопасность плавания судна в штормовых условиях во многом зависит от способности судна маневрировать и двигаться заданным курсом. Как показывает морская практика, при движении в условиях ветра и волнения судно может потерять управляемость. Потеря управляемости проявляется в том, что судно с переложенным на максимальный угол рулем не может совершить полную циркуляцию, а становится под некоторым углом к ветру и волнению и движется практически прямолинейно с большим углом дрейфа. Движение судна оказывается возможным только в ограниченных диапазонах углов встречи с волной [29], [38], [40], [58], [59], [62].
Потеря управляемости наиболее вероятна при малых скоростях хода (не более 10 уз). При увеличении скорости хода способность судна маневрировать повышается [38], [40]. Однако, обеспечение управляемости за счет увеличения скорости хода не всегда является возможным. Если в открытом море можно увеличить скорость или двигаться в заданном направлении галсами, то при движении в узкостях необходимо двигаться малыми ходами по заданному фарватеру. Для подводных лодок скорость движения которых в надводном положении не больше 10 - 12 уз, потеря управляемости при интенсивности волнения более 5-6 баллов является достаточно типичным явлением [14], [15], [31].
Задачу обеспечения безопасности плавания в штормовых условиях (с точки зрения управляемости) можно разбить на следующие задачи:
- разработка методики прогнозирования маневренных качеств судна в условиях ветра и волнения и построение диаграмм, позволяющих судоводителю определить скорость хода и диапазон курсовых углов к волне, при которых судно может двигаться, сохраняя управляемость. Имея на борту такую информацию, судоводитель может оценить возможности судна при движении к заданной точке маршрута и построить
наилучшую траекторию своего движения, а в случае невозможности такого движения принять решение о штормовом отстое;
- разработка конструктивных мероприятий по обеспечению управляемости судна в условиях ветра и волнения. Как показывает опыт исследований, выполненных в обеспечение проектирования судов различных классов, все мероприятия, направленные на улучшение управляемости (поворотливости) судна на тихой воде, такие как увеличение площади руля или установка на судне рулей повышенной эффективности, одновременно приводит к улучшению характеристик управляемости судна в условиях ветра и волнения. В практике проектирования судов и кораблей существует правило, что для обеспечения управляемости судна площадь руля должна составлять 1,5 - 2,0 % от площади диаметральной плоскости подводной части корпуса судна. Было бы полезным отработать рекомендации по увеличению указанной величины в зависимости от скорости хода и интенсивности морского волнения, при которых должна сохраняться управляемость.
Указанные задачи наилучшим образом могут быть решены методом математического моделирования движения судна, поскольку при этом может быть учтено воздействие на судно ветра и волнения, а также различные режимы работы средств активного управления движением.
Исходные данные для математической модели, включая гидродинамические и аэродинамические характеристики судна, а также средние значения волновых сил наиболее достоверно определяются в результате модельных испытаний.
Основным препятствием на пути исследования характеристик управляемости судна в штормовых условиях методом прямого физического моделирования является практическая невозможность моделирования в условиях опытового бассейна ветра в относительно большой акватории, достаточной для циркуляции модели с небольшим углом пере кладки руля. Имеющиеся в мореходных и шельфовых бассейнах воздуходувки используются, главным образом, при исследовании динамики объектов, работающих в режиме динамического позиционирования или стоящих на якорях.
Вместе с тем, даже в отсутствии возможности моделирования ветра, метод прямого физического моделирования целесообразно использовать для оперативной, качественной оценки особенностей управления движением судов в условиях волнения. Что касается подводных лодок, имеющих в надводном положении сравнительно небольшую парусность, то для них метод прямого физического моделирования может дать также достаточно достоверную и количественную оценку характеристик управляемости в условиях волнения.
Однако методология физического моделирования требует существенной доработки, связанной со следующими обстоятельствами. При наличии в маневренно-мореходном бассейне волнопродуктора нерегулярного волнения, обеспечивающего моделирование реального морского волнения, для оценки возможности выполнения судном того или иного маневра, необходимо выполнить достаточно большое число опытов. Это объясняется необходимостью набора статистики, поскольку время маневра оказывается значительно меньше времени реализации, достаточной для идентификации нерегулярного волнения заданной интенсивности.
Чтобы уменьшить число опытов, испытания лучше проводить на регулярном волнении, эквивалентном с точки зрения средних значений волновых сил и момента нерегулярному волнению заданного спектра.
Задача определения эквивалентного регулярного волнения может быть решена только при известной структурной зависимости сил и момента волнового дрейфа от параметров судна. Также необходимо использование математической модели движения судна в условиях ветра и вол нения, с использованием которой можно выполнить сопоставительные расчеты для нерегулярного и регулярного волнения.
До последнего времени при определении параметров эквивалентного регулярного волнения считалось, что высота регулярной волны должна равняться высоте 3% обеспеченности нерегулярного волнения, а длина регулярной волны равняться средней длине волны спектра. Часть авторов, стремясь получить более оптимистический результат, считали, что надо брать высоту не 3%, а 20% обеспеченности. Однако в обоих случаях получалось, что с увеличением интенсивности волнения моря управляемость судна улучшается, что противоречит морской практике. Таким образом задача определения параметров эквивалентного регулярного волнения до настоящего времени является нерешенной.
Математические модели движения судна на тихой воде, а также в условиях ветра, представлены в ряде работ [13], [28], [43], [60], [63]. Для описания движения судна в условиях волнения их необходимо дополнить выражениями для средних составляющих волновых сил и момента. Существующие экспериментальные данные [10], [12], [23] позволяют определить (или пересчитать с прототипа) средние значения поперечной (боковой) волновой силы и волнового момента только для неподвижного судна (как правило, для добывающих судов и буровых платформ [11], [35], [57]), из-за чего эти величины исторически получили название сил и момента волнового дрейфа.
Даже в относительно свежих публикациях (как отечественных [7], [23], [26], [103], так и зарубежных [84], [85], [86], [87], [104]) посвященных вопросам управляемости, констатируется тот факт, что на данный момент, нет методики расчета волновых сил действующих на судно, маневрирующее в штормовых условиях.
Попытки использования таких данных по волновым силам (не учитывающих скорость хода судна) в математических моделях движения
маневрирующего судна показали существенное несоответствие результатов математического моделирования и результатов натурных и модельных испытаний [68], [69], [70], [79].
Очевидно, что причиной указанного несоответствия является отсутствие в структурных выражениях для сил и момента волнового дрейфа зависимости от скорости движения (точнее от кинематических параметров) судна и направления его движения по отношению к волне.
Таким образом, первоочередной задачей исследования особенностей движения судна в условиях волнения является задача определения сил и момента волнового дрейфа, действующих на маневрирующее судно.
С учетом сказанного, целью диссертационной работы было решение следующих задач:
- разработка расчетно-экспериментального метода определения сил и момента волнового дрейфа, действующих на маневрирующее судно;
- определение структурных выражений для сил и момента волнового дрейфа в зависимости от параметров волнения и кинематических параметров судна;
- определение зависимости коэффициентов структурных выражений для сил и момента волнового дрейфа от геометрических характеристик судна, и, в результате, разработка расчетной методики определения этих сил;
- разработка требований к математической модели движения судна в условиях ветра и волнения, для достоверного моделирования;
- разработка методики определения параметров регулярного волнения, эквивалентного с точки зрения сил волнового дрейфа нерегулярному волнению заданного спектра, для исследования управляемости суд на в условиях волнения в маневренно-мореходных бассейнах, не имеющих волнопродукторов нерегулярного волнения;
- разработка методики определения характеристик управляемости судна в штормовых условиях (с использованием математической модели движения) и представление результатов в виде, удобном для использования судоводителем;
- разработка рекомендаций, направленных на улучшение управляемости судна в условиях ветра и волнения.
Определение структурной зависимости средних составляющих сил волнового дрейфа от кинематических параметров судна и параметров волнения
С использованием методики, описанной ранее, средние значения волновых сил и момента определяются для целого ряда сочетаний параметров п, и, 5R, Р, Qw, A,, h. Сложность аппроксимации зависимостей волновых сил от такого обилия аргументов усугубляется тем обстоятельством, что среди полученных сочетаний п, и, 5R , Р, Q , A,, h отсутствуют группы, в которых все аргументы, за исключением одного, были бы постоянными, что позволило бы определить влияние каждого аргумента по отдельности.
В указанной ситуации определить искомые структурные зависимости можно только приняв те или иные физические допущения, и задавшись видом зависимости от каждого аргумента или комплекса аргументов. Наилучшие результаты при решении задачи указанным образом были получены при принятии следующих допущений: 1) средние значения волновых сил напрямую не зависят от частоты вращения гребного винта, влияние частоты вращения гребного винта проявляется через скорость хода модели; 2) средние значения волновых сил напрямую не зависят от угла перекладки руля, влияние у ла перекладки руля проявляется через угол дрейфа модели и угол встречи с волной; 3) характер зависимости средних значений волновых сил от угла встречи с волной, достаточно хорошо обследованные для неподвижного судна [2], [41], [95] сохраняется при наличии скорости движения; 4) средние значения волновых сил, действующих как на неподвижное, так и на движущееся судно, пропорциональны высоте волны в квад рате и убывают по экспоненте с ростом длины волны [6], [9], [10], [17], [18], [91], [95]. 5) средние значения волновых сил слабо зависят от составляющей скорости движения судна, направленной вдоль гребня волны (перпендикулярно направлению бега волн), (от отношения о /о зависят также частота встречи с волной и параметры качки судна). Некоторые из приведенных выше допущений требуют дополнительных уточнений.
Характер зависимости средних значений волновых сил от угла встречи с волной, обследован для неподвижных судов и морских сооружений. Результаты таких работ, а так же описание используемых экспериментальных установок приводятся в ряде работ и публикаций [9], [63], [91], [96]. Эти экспериментальные установки представляют собой довольно сложные многоэлементные конструкции. В качестве объектов исследования выбирались в основном буровые суда, (платформы, установки), добывающие и геолого-разведовательные суда.
Автором данной работы была разработана и опробована установка, позволяющая с достаточной для практических целей достоверностью определять характер зависимости и количественное значение средних волновых сил от угла встречи модели судна с волной [76], Основным элементом установки является утяжеленный трос (погонный вес которого искусственно увеличен за счет равномерного крепления по длине одинаковых грузов) или достаточно эластичный синтетический трос (рисунок 1.13).
Один конец этого троса крепился за баллер двухкомпонентного динамометра, подвешенного на неподвижной ферме маневренно-мореходного бассейна, а второй крепился к модели.
В процессе проведения испытаний положение точки крепления троса по длине модели (вдоль ДП) относительно ее центра масс варьировалось. Под действием волнения (создаваемого волнопродуктором манев-ренно-мореходного бассейна) модель перемещалась и поворачивалась по курсу до тех пор, пока сила реакции троса не уравновешивала силу и момент волнового дрейфа. Очевидно, что каждому положению крепления троса на модели соответствовало свое равновесное положение, которое и позволяло, зная натяжение в тросе, определить среднее значение действующих на модель волновых сил.
С использованием этой установки был определен характер зависимости средних значений волновых сил от угла встречи с волной для модели судна 60-й серии (рисунки 1.14 — 1.16), а так же модели подводной лодки в надводном положении. Анализ полученных результатов и сопоставление их с материалами [67], [95] показывает, что с достаточно хорошей точностью характер зависимости средних волновых сил от угла встречи судна с волной (Qw) можно описать простыми тригонометрическими функциями.
Для надводных водоизмещающих судов: - продольная сила Xw пропорциональна cos(Qw); боковая сила Yw пропорциональна sin(Qw); - момент Mw пропорционален sin(2 Qw). Характер зависимости волновых сил от угла встречи с волной, полученный с использованием различных экспериментальных установок применительно к надводным судам совпадает.
Входящие в приведенные выражения безразмерные коэффициенты С ,Су ,С являются функциями геометрических характеристик моделей судов. Численные выражения для расчета этих коэффициентов приведены в п.1.3.
Значение коэффициента Ао = 3,3 было получено в результате систематической обработки испытаний моделей судов, а также анализе (аппроксимации) экспериментальных данных приведенных в [9], [67], [69], [95]. В качестве примера, часть результатов представлена на рисунках 1.18-1.25. На этих рисунках приведены экспериментальные данные, полученные для моделей судов без хода (т.е. ип =0), либо для случая, когда
Используемая в формулах экспоненциальная зависимость, а именно X е ь достаточно хорошо применима в диапазоне 1,6 — 0,4-т-0,5, од нако, в области коротких волн с меньшим отношением —. использование этой зависимость может привести в итоге к некоторому завышению сил волнового дрейфа. Причина заключается в ограничении минимальной длины волны в опытовых (маневренно-мореходном и мореходном) бассейнах из-за условий устойчивой работы волнопродуктора [9]. И как
Результаты математического моделирования и оценка их достоверности на основании сравнения с результатами физического моделирования и натурных испытаний
В качестве объекта для физического моделирования была выбрана модель судна 60-й серии, хорошо обследованного в плане традиционных задач управляемости на тихой воде.
Модель судна 60-й серии была изготовлена в масштабе 1:60. Основные геометрические характеристики приведены в таблице 5.
Были проведены буксировочные испытания в циркуляционном бассейне и испытания самоходной радиоуправляемой модели в маневренно-мореходном бассейне на тихой воде и на волнении. По результатам этих испытаний была составлена математическая модель движения судна 60-й серии, полностью отвечающая требованиям указанным в п.2.1. Поскольку стояла задача оценить достоверность математического моделирования и физического эксперимента, то в математическую модель движения не включалась ветровая нагрузка, а волнение считалось регулярным. Это обусловлено техническими возможностями маневренно-мореходного ветер и нерегулярное волнение).
В качестве примера ниже приводятся зависимости безразмерных гидродинамических коэффициентов сил и момента от безразмерной угловой скорости, угла дрейфа, угла перекладки руля и коэффициента нагрузки гребного винта. В данном случае указанные коэффициенты ( х v "т) 0ПРеДелены с учетом работы движительно-рулевого комплекса (руля и гребного винта).
Приведенные выражения (45) - (47) справедливы для углов дрейфа в диапазоне ±70 и углов перекладки руля в диапазоне ±35. Значения угла дрейфа и угла перекладки руля в них подставляются в радианах.
Кривая действия гребного винта , необходимая для расчета величины коэффициента нагрузки СТе, определялась экспериментально.
Силы волнового дрейфа определялись по формулам (5)-(7), а входящие в них коэффициенты по результатам эксперимента имели следующие значения:
А]=0,5 при ип 0. Испытания автономной радиоуправляемой модели проходили на тихой воде и в условии волнения (для четырех сочетаний длин и высот волн, приведенных в таблице 6).
Математическая модель движения судна 60-й серии была реализована на языке программирования Visual Basic [21], [42], предусматривающей численное интегрирование уравнений движения (34). С использованием указанной программы были выполнены расчеты параметров движения модели в условиях, рассмотренных при проведении самоходных испытаний в маневренно-мореходном бассейне. Предварительно точность математической модели проверялась из сопоставления параметров маневрирования на тихой воде. На рисунке 2.2 представлены расчетная и экспериментальная диаграммы управляемости. Как следует из приведенных данных, математическая модель с высокой степенью точности описывает кинематику модели судна 60-й серии на тихой воде.
На рисунках 2.3 - 2.9 представлены траектории движения модели в условиях волнения, полученные в результате расчета и зафиксированные при проведении испытаний. На этих рисунках ио - это скорость движения модели на тихой воде прямым курсом. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными показывает их хорошее качественное сов В подтверждение этому, на рисунках 1.32 и 1.33 приведены экспериментальная траектория движения модели и траектория, полученная расчетом при отсутствии влияния кинематических параметров на величину действующих на судно волновых возмущений (т.е. А 1=0).
Для оценки достоверности математического моделирования движения судна в штормовых условиях были использованы данные по натурным испытаниям корабля пр.11661 К.
Маневренные испытания головного корабля пр.11661К (РК "Татарстан") проводились в апреле 2003 года в акватории Каспийского моря [74]. При проведении этих испытаний высота волны 3% обеспеченности составляла 2,6 м, что соответствовало 5 балльному волнению, скорость ветра - 10-12 м/с, глубина моря - не менее 300 м. Измерение высоты волны производилось с помощью волномерного буя. Траектория движения определялась с помощью космической навигационной системы "Бриз-К" (погрешность координат места 30 м), установленной на корабле.
Испытания показали, что в условиях волнения 5 баллов корабль при минимальной частоте вращения винтов, обеспечивающей скорость хода 4 узла, при перекладке рулей на 15 совершает полную циркуляцию. Натурные траектории записывались на бортовой компьютер.
В дальнейшем, была составлена математическая модель движения корабля пр.11661К в условиях действия ветра и волнения. Эта математическая модель была составлена расчетным способом (с использованием существующих методик [22], [63] и данных по судам прототипам) и в целом соответствовала всем требованиям указанным в п.2.1.Силы волнового дрейфа определялись с использованием выражений (10) - (12) и (31) - (33), а входящие в них коэффициенты имели следующие значения:
На рисунке 2.11 также показана траектория движения корабля полученная расчетом при условии, что ип=0 (или А=0), т.е. в отсутствии
влияния кинематических параметров на волновые силы. Из сопоставления траекторий видно, что качественно расчетные траектории близки (корабль совершает полную циркуляцию), но количественно (по степени
совпадения с натурной траекторией) точнее получается та, когда учитывается влияние кинематических параметров на величину действующих на судно волновых возмущений.
Таким образом, разработанная методика проведения модельных испытаний водоизмещающих судов (и ПЛ) на волнении, а так же предложенная структура средних составляющих волновых сил могут быть рекомендованы для исследования управляемости и обеспечения безопасной эксплуатации судна в штормовых условиях.
Результаты математического моделирования движения судна в условиях ветра и волнения можно представить в виде секторных диаграмм управляемости. Такая форма представления достаточна наглядна для оценки возможности маневрирования судов в штормовых условиях. В последние годы, особенно при выполнении работ связанных с исследованием управляемости ПЛ в надводном положении, результаты представляются именно в виде секторных диаграмм [80], [81]. Эти секторные диаграммы были предложены автором еще в 1993 году. Типичный вид секторных диаграмм управляемости судов в условии действия ветра и волнения представлен на рисунках 2.12 и 2.13.
В качестве примера, на рисунке 2.14 приводится секторная диаграмма управляемости схематизированной ПЛ в штормовых условиях [72].
Оценка управляемости ПЛ при совместном воздействии ветра и волнения производилась с использованием математической модели движения, описанной (в общем виде) в п.2.1. Согласно принятому правилу отсчета углов, нулевое значение курсового угла Qw соответствовало встречному ветру и волнению. Выполненное математическое моделирование показало, что движение ПЛ заданным курсом при действии волнения и соответствующего ему ветра обеспечивается лишь в ограниченных диапазонах изменения угла встречи с волной Qw. На рисунке 2.14 показаны секторные диаграммы курсовых углов ПЛ к ветру и волнению, иллюстрирующие отмеченные диапазоны.
Определение эквивалентной регулярной волны
До настоящего времени при проведении испытаний в маневренно-мореходном бассейне полагалось, что длина эквивалентной регулярной волны Хэкв равняется средней длине волны нерегулярного волнения Хср (формулы для расчета которой в разных источниках несколько отличаются), а высота эквивалентной регулярной волны пэкв равняется высоте волны нерегулярного волнения с некоторой постоянной обеспеченностью q - hqo/o или «значительной» высоте h1/3 (принимаемой в ряде зарубежных стран ) [47], [52], [61].
Мнения относительно значения q расходились, в ходе проведения расчетов и экспериментальных работ использовалось как соотношение пЭкв= Ьз% (т.е. q = 3%), так и h3KB= h2o% (т.е. q = 20%). Следует отметить, что значения 1і2о%, hi/з и h3% связаны следующим образом:
Иногда при проведении испытаний в маневренно-мореходном бассейне полагалось, что высота эквивалентной волны h)KB= h3o/o, а длина эк Против описанного способа задания эквивалентной регулярной волны (А,ЭКв= ср Ьэкв= h3o/o или Ъ.20%) говорит то обстоятельство, что при его использовании силы волнового дрейфа при увеличении интенсивности волнения, начиная с некоторой бальности уменьшаются, а управляемость судна улучшается. Сказанное противоречит здравому смыслу, поскольку спектр волнения высокой интенсивности включает в себя целиком спектр волнения более низкой интенсивности (рисунок эквивалентной регулярной волны пэкв, имеющей длину Хср можно определить следующим образом:
По формулам (53) и (54) была определена высота регулярной волны, имеющей длину А.ср и эквивалентной нерегулярному волнению с расчетным спектром (29). Расчеты выполнялись для судна длинной L=67 м дрейфующего (т.е. ип=0) на волнении интенсивностью 4, 5, 6 и 7 баллов. Результаты соответствующих расчетов представлены в таблице 9. величина эк%. возрастает. На волнении интенсивностью более 6 бал / п3% лов величина h3KB превышает не только h3o/o но и максимальную высоту волны. Это объясняется тем обстоятельством, что по мере увеличения интенсивности волнения средняя длина волны смещается в сторону длинных волн, в то время как силы волнового дрейфа определяются, главным образом, коротковолновой частью спектра.
В связи с изложенным выше, предлагается определять А.экв как длину волны, соответствующую максимуму зависимости Р(со). Зависимость Р(со) является подинтегральным выражением в формулах (30) - (33).
Предложенным способом были определены длины и высоты эквивалентных регулярных волн, для судна 60-й серии. Расчеты выполнялись для трех значений ип=-5 м/с, 0 и 5 м/с. Следует отметить, что результаты расчета эквивалентной волны при ип=0 не зависят от типа судна и таким образом могут быть использованы для всех судов. Результаты расчетов представлены в таблице 10.
Анализ полученных результатов показывает, что определенная предложенным методом длина эквивалентной волны в зависимости от интенсивности волнения и величины ип составляет от 0,64-?іср до 1,5-Л.ср, а высота эквивалентной волны - от 0,38-Пз% до 0,56-пз%, т.е. величины Х)ки и
При изменении значения ип в пределах от -5,0 до 5,0 м/с значение h3KB изменяется примерно на 10%, а значение А,экв - не более чем на 30%.
В связи с этим предлагается считать (при оценки управляемости судна методом прямого физического моделирования) параметры эквивалентной регулярной волны независящей от ип. Конечно, такой подход изначально закладывает погрешность в моделировании нерегулярного волнения, но в противном случае в процессе маневрирования модели судна в опытовом бассейне приходилось бы непрерывно изменять параметры регулярной волны создаваемой волнопродуктором (т.е. механически изменять его настройку), что является невозможным.
Допустимость такого подхода иллюстрируется рисунках 3.1- 3.3, на которых приведены траектории движения модели судна 60-й серии на
Эксплуатационные рекомендации по улучшению управляемости судна в штормовых
Как уже отмечалось ранее, при анализе секторных диаграмм управляемости (п.2.3), при движении судна в штормовых условиях существуют диапазоны курсовых углов, в которых суда не управляются.
Для прохождения таких диапазонов возможны различные маневры, которые, следует признать, не всегда могут быть эффективны. Конкретные рекомендации по управлению судном в штормовых условиях, могут быть разработаны только для определенного судна, исходя из его скоростных возможностей, размерений, загрузки, площади парусности, эффективности движительно-рулевого комплекса, гидрометеорологических условий и района плавания [5], [14], [15], [37], [55]. Безусловно, что опыт и навыки судоводителя играют определяющую роль при управлении судном в штормовых условиях.
Создание исследовательских, навигационных, обучающих тренажеров, средств информационной поддержки как раз и служит обучению и выработке рекомендаций судоводителю по управлению судна в штормовых условиях. Здесь можно отметить, что качество подготовки судоводителей и всестороннее исследование мореходных, маневренных свойств судна в штормовых условиях зависит, в том числе, и от точности моделирования штормовых условий [11], [46], [75], [103].
Используя разработанную методику расчета волновых сил действующих именно на маневрирующее судно можно отработать различные маневры и режимы движения в штормовых условиях, например: - выбор оптимального курса и скорости хода; - движение судна галсами; - маневрирование при парциальной работе гребных винтов; - режим свободного дрейфа для разворота судна до нужного курсового угла; - маневрирование при работе гребных винтов враздрай; - маневрирование при создании дифферента на нос или корму и т.д. Использование перечисленных режимом отдельно и в различным сочетании.
Так, например, на двухвальных судах управляемость в условиях волнения может быть обеспечена при использовании парциального режима работы гребных винтов [1], [27], [64]. Причем этот режим работы достаточно использовать лишь при повороте со встречного волнения на попутное.
Моделирование такого режима, выполненного применительно к судну пр. 21130 (см. п. 4.1) показывает, что для обеспечения поворота судна (при исходной площади рулей и скорости хода 5 узлов) на волнении интенсивностью 5 баллов достаточно уменьшить обороты одного винта на 20 %, увеличив на столько же обороты другого винта.
В результате выполнения диссертационной работы получены еле-дующие новые научные и практические результаты: 1. Установлено, что средние значения волновых сил и момента (силы волнового дрейфа), существенно зависят от скорости движения судна. Использование при математическом моделировании движения судна в условиях волнения значений сил и момента волнового дрейфа, определенных для неподвижного судна, как это делалось до последнего времени, приводит к существенным ошибкам при определении траектории движения судна. 2. Предложена структурная зависимость сил и моментов волнового дрейфа от параметров волнения, скорости и направления движения судна. 3. Разработана методика определения коэффициентов структурных зависимостей для сил и момента волнового дрейфа на основании результатов испытаний автономных самоходных моделей в ма-невренно-мореходном бассейне на регулярном волнении. 4. Получены эмпирические формулы для расчета коэффициентов структурных выражений для сил и момента волнового дрейфа с использованием основных геометрических характеристик судна. 5. Определены длина и высота волны регулярного волнения, эквивалентного с точки зрения сил и момента волнового дрейфа нерегулярному волнению заданного спектра, что позволяет оценить управляемость судна в условиях волнения в результате прямого физического моделирования в маневренно-мореходных бассейнах, не имеющих волнопродукторов нерегулярного волнения. 6. Рекомендовано при выборе руля (тип, площадь, профиль) использовать результаты моделирования движения судна на волнении, поскольку, например, небольшое увеличение площади руля (всего на 15 % ч- 20 %) или использования руля с нетрадиционным профилем (но эффективнее чем руль с профилем NACA той же площади) может привести к существенному улучшению характеристик управляемости судна в штормовых условиях. Александров А.А. и др. Справочник по управлению кораблем. // Москва. Воениздат. 1974. Ананьев Д.М. Поперечная сила и момент рыскания, действующие на судно при его произвольном движении на регулярном волнении. // Сборник трудов XXXVI конференции "Крыловские чтения". 1993. Ананьев Д.М. Проблемы управляемости судов на волнении. // Труды 1-конференции «300-лет Российскому флоту». 1992. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Элементы математического моделирования в программных средах средств MATLAB 5 и Scilab. //СПб. Наука. 2001.
