Введение к работе
І. .
Актуальность темы. Эксплуатация разнообразных морских объектов и сооружений, а также судов различного типа нередко сопровождается аварийными ситуациями, юзшпсающнми в штормовых условиях. Это вызвано тем, что морские п океанские волны оказывают существенное силовое воздействие на плавучие и стгционзрпые объекты, что может приводить к разрушению конструкций, опрокидывзшпо и потоплению судов, гибели людей, разливу на поверхность воды вредных продуктов я прочим нежелательным последствиям. Все это приносит большой экономический и экологический ущерб. Проблема сценки волновых нагрузок в последнее время получила еще большую значимость з связи с интенсивным освоением морского шельфа. Известно, что только в 1956-1977 г.г. ^произошли 44 аварии самоподъемных плавучих буровых установок (СПБУ), каждая из которых принесла убыток более 40 млн. долларов США, причем большинство аварий произошло при попадании установок в шторм.
В штормовых условиях наблюдаются еолны со значительной крутизной' (отношением высоты волн к их длине), которые по своим характеристикам близки к волнам максимально возможной амплитуды (предельным волнам Стокса) и могут разрушаться с образованием областей аэрированной жидкости в виде белых "барашхов" (бурунов), расположенных на переднем склоне волны. Таким образом, предельные и разрушающиеся волны могут служить адекватными моделями реального штормового волнения. Параметры движения частиц жидкости в предельных и разрушающихся волнах существенно отличаются от таковых для линейных (синусоидальных) и слабонелннейных волн, что вызывает принципиальное отличие в их взаимодействии с морскими объектами. В штормовых условиях значительное количество азарий кораблей и судов, а также средств освоения океана и технических сооружений происходит при взаимодействии с разрушающимися волнами. Разрушающиеся волны оказывают существенное влияние на процессы, происходящие в верхних слоях океана. Разрушение волн приводит к преобразованию механической
ЭНерГИН БОЛН В ЭИерПЕО ПОВерХНОСТНЫХ ТеЧСНИЙ, ЯЕЛЯСТСЯ источником
возникновения турбулентности в приповерхностной зоне морей и океанов, вызывает перемешивание океанских слоев с разной соленостью, плотностью, газонасыщением.
Разрушение вызванных движением судна волн приводит к возникновению дополнительного сопротивления, которое может составлять существенную долю общего сопротивления, особенно для транспортных судов с полными обводами. Например, для танкеров сопротивление из-за разрушения носовой подпорной волны может достигать 40 и более процентов от полного сопротивления. Таким образом, определение характеристик предельных и разрушающихся волн представляет собой актуальную проблему как для расчетов прочности и динамики морских объектов, так и при изучении ходкости судов.
Решение задачи об определении характеристик течения жидкости со свободной поверхностью представляет сложную математическую проблему. Существенный вклад в разработку теории гравитационных волн внесли Ралсй, Кельвин, Стоке, Мнчелл, А.И.Нсхрасов, Н.&Кочин, ЛЛСрстенский, МДХаскинд и другие исследователи. До настоящего времени широкое распространение получила линейная теория волн, в которой амплитуда возникающих волн предполагается малой. В линейной постановке задача значительно упрощается, однако, за областью своих допущений ее использование, может приводить к ошибочным результатам. Поэтому для решения многих практических задач, в том числе об определении характеристик предельных н разрушающихся волн, следует использовать нелинейные методы. Большинство из существующих нелинейных численных методов не позволяют в процессе расчета получать предельные волны Стокса, тх. исследование таких волн дополнительно осложнено наличием особых (критических) точек в вершинах. Несмотря на то, что форма периодических предельных волн Стокса на поверхности глубокой жидкости получена Мичеллом еще в прошлом веке, их характеристики для жидкости ограниченной глубины до последнего времени определены не были.
Разрушение волн представляет собой одно из наименее изученных современной гидромеханикой природных явлений. Основные трудности для его теоретического описаная вызваны аэрацией шщкосгн в буруне и наличием процессов диссипация механической анергии, которые делают непосредственно неприменимой модель идеальной жидкости. На протяжении 20-25 последних лет рядом зарубежных исследователей ведется изучение разрушающихся волн, которое носит большей частью вкспериментапьный
характер. Обосновашше методы расчета разрушающихся волн в настоящее время разработаны не достаточно полно.
Диссертационная работа посвящена разработке расчетных методов определения параметров предельных и разрушающихся волн. В качестве одного из примеров практического пркыснеииз разрг.ботаіпйіх методик выполнено исследование волновых нагрузок и сил, воздействукнднх на преграды со стороны предельных и разрушающихся волн, в сравнении с результатами широко используемой линейной теории волн.
Работа выполнялась в рамках на}"тно-исследсвательсхсй тематики ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, что подтверждает актуальность диссертации.
Целью работы является разработка методов расчета поверхностных волн произвольной амплитуды (в тон числе предельных волн Стохса) и разрушающихся волн, а такзе оценка их силового воздействия на преграды.
Методика исследований. Исследования проводились с использованием численного метода, позволяющего определять стацнозарігуго форму свободной поверхности весомой 23ЩКОСТЯ в ходе последовательных приближений. На каждом шаге итерационного процесса прямая и обратнач задачи решались при помощи введения непрерывно ргспрсдслсшпіх гадродинзмнчееккх особенностей я рсшеїгия сс«тгетствующнх интегральных уравнений. Для состгпленкя модели течения гаадхостп в 6ypjne разрушающейся волны использовались опубликованные данные зарубеззгых вкспернментальных работ, а тагзее собственные качественные исследования разрушающихся волн, выполненные автором диссертации в натурных и лабораторных условиях. Определение волновых нагрузок производилось в рангах гипотезы о малости возмущений, вносимых телом в окружающую Еззолксвгннуго яидхость. Все расчеты выполнялись на ЭВМ.
Основные положения и результаты, ;>ьн;осте.шс на зашиту дисссртэтЕи: 1. Нелинейный терацконный численный метод для определения формы свободной поверхности весомой жидкости ггроизвояшой шубины при наличии бесконечных систем периодических ватн, зотсрый ггредстгнляст собой развитие и обобщение известного метода расчета каиггацконных течений, хгредложеЕнсго А.Н.Йбзпоеьш.
-
Решение модельной задачи об определении формы свободной поверхности при истечении весомой жидкости в щель на дне сосуда.
-
Метод и результаты расчета характеристик периодических предельных волн Стокса в жидкости произвольной постоянной глубины.
-
Общий подход для теоретического изучения разрушающихся волн, заключающийся в замене области разрушения фиктивным твердым телом. Стационарные модели разрушающихся волн, созданные в рамках этого подхода.
-
Метод и результаты расчета разрушения одной волны из системы предельных периодических волн Стокса с образованием за разрушающейся волной волн меньшей амплитуды.
6. Результаты систематических расчетов волновых нагрузок и сил,
действующих на обтекаемые преграды со стороны предельных и
разрушающихся волн, в сравнении с данными линейной теории волн.
Научная ношгана диссертации состоит в том, что созданы расчетные методы, позволяющие определять основные характеристики плоского стационарного течения жидкости со свободной поверхностью при любых режимах, в том числе, когда образуются волны максимальной высоты и разрушающиеся волны. Впервые получены формы периодических предельных волн Стокса в жидкости ограниченной глубины. При решении задачи об истечении весомой жидкости в щель определены формы свободной поверхности нового типа, содержащие уединенную предельную волну Стокса. Для изучения разрушающихся волн предложены оригинальный подход, позволяющий использовать идеализацию неяпхей жидкости, и конкретные модели течения жидкости в районе буруна. В нелинейной постановке выполнен расчет разрушения предельных периодических волн Стокса. Произведены систематические вычисления кинематических параметров движения частиц жидкости в предельных и разрушающихся волнах, что сделало возможным выполнение оценок величин волновых нагрузок, действующих со стороны упомянутых волн.
Практическая ценность. Разработанные программы для ПЭВМ и полученные с их помощью данные систематических расчетов скорости и ускорения движения частиц жидкости в предельных и разрушающихся волнах
позволяют в приближении А.Н.Крылона определять величины волновых нагрузок и сил, даіствйющшс па суда, плавучие и стационарные морские объекты со стороны морского еслнсиия. Заложенные в работе основы мстсдоз изучения разрушающихся соли и состазлашыс на их базе программы для ПЭВМ могут быть использованы прч решении и рядз других актуальных практических задач, з первую очередь, о разрушении носовой корабельной волны и определении связанного с этим дополнительного сопротивления дїзихешпо, a Tassc для расчетной сппадазаціш формы носовой оконечности судов с целью его снижения. Определенные в работе характеристики предельных воли Стогса на поверхности жидкости ограниченной глубины позволили уточнить результаты расчета волнового сопротивления судов на мелководье.
Результаты р-.боты целесообразно использовать при решении проблем динаикгн и прочности морских объектов г, штормовых УСЛОВИЯХ.
Апробация работы. Основные результати исследований были дожжены и обсузздены на семи научно-технических конференциях: XXXV а XXXVI Всесоюзные конференции "Крыловскке чтения" (С.-Петербург, 1991 и 1993); V Всесоюзная школа "Гидродинамика больших скоростей" (Чебоксары, 1992); Совещание по численный методам в задачах волновой щародииамнкп (Новосибирск, 1992); ХП Международная школа "Модели механики сплошной среды" (Казань, 1993); П Международная конференция, посвященная ЗОО-летшо Российского флота (С.-Петербург, 1994); Международная конференция по судостроению ISC (С.-Петербург, 1994).
Публтпстпти. По теме диссертации опубликовано восемь работ (перечень публикаций предстазлен в конце автореферата).
Структура и объем работы. Диссертация cocrcirr из Еведешк, гштн глав, заключения, списка литературы (94 вгименованиз) и 60 рисунков. Работа содержит 135 страшщ машинописного текста, включая 10 таблиц.
