Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния методов расчета раскрытия устья разноглубинного трала 8
2. Постановка задачи исследования 37
3. Разработка метода расчета раскрытия устья разноглубинного трала
3.1. Схематизация в виде эллипса 39
3.2. Схематизация в виде прямоугольника 41
3.3. Схематизация в виде прямоугольника, с применением корректирующего коэффициента kd 47
3.4. Схематизация устья трала в виде многоугольника 52
4. Экспериментальное определение раскрытия устья разноглубинных тралов . 54
4.1. Подготовка к проведению эксперимента
4.2. Технические средства проведения экспериментов
4.3. Результаты измерений
5. Экспериментальное определение устья моделей разноглубинных тралов
5.1 Расчет масштабов подобия
5.2. Технические средства проведения экспериментов
5.3. Проведение эксперимента
5.4. Результаты измерений
5.5. Оценка точности результатов
6. Проверка адекватности метода раскрытия устья разноглубинного трала .
6.1. Теоретический расчет натурных тралов
6.2. Теоретический расчет моделей тралов
6.3. Расчет раскрытий устья натурных тралов
6.4. Проверка на адекватность и ее точность 81
7. Определение зависимости формы меридианов канатно-сетной оболочки разноглубинного трала от значений посадочных коэффициентов 84
8. Заключение
9. Список литературы
- Постановка задачи исследования
- Схематизация в виде прямоугольника, с применением корректирующего коэффициента kd
- Технические средства проведения экспериментов
- Проведение эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Горизонтальное и вертикальное раскрытия разноглубинного трала являются основными геометрическими характеристиками орудия лова. Несмотря на то, что тралы эксплуатируются не один десяток лет, до сих пор не разработаны методы расчета основных геометрических характеристик. Вместе с тем, данные о раскрытии устья трала чрезвычайно важны как проектировщикам, так и эксплуатационникам. Только при их наличии можно определить промысловую и техническую эффективность работы орудия лова. В этой связи разработка метода расчета раскрытия устья трала является актуальной задачей.
Степень разработанности темы. В настоящее время отсутствуют качественные аналитические методы расчета формы, геометрических характеристик устья и формы канатно-сетной оболочки трала. Оданко, известно, что существуют закрытые программы, позволяющие с разной точностью определить эти значения: уругвайский TrawlVision от Acruxsoft, датский Computer Assisted Trawl Simulation (CATS), южнокорейский Simutrawl. Определением раскрытия устья тралов с разным успехом занимались и советские ученые: Ф.И. Баранов, А.Л. Фридман, В.П. Карпенко, В.П. Зинченко. Однако, на основе этих исследований автором не удалось разработать метод расчета раскрытия устья разноглубинного трала, пригодный для практического использования
Цели и задачи исследования. Цель выполненных исследований заключается в разработке метода получения аналитических зависимостей горизонтального и вертикального раскрытий устья разноглубинного трала от геометрических и силовых характеристик канатно-сетной части (КСЧ) орудия лова. Для реализации поставленной цели были решены следующие задачи:
- разработать схематизацию КСЧ трала с оснасткой;
- на основании схемы, определить условия равновесия моментов, созда
ваемых силами КСЧ трала;
получитть зависимости, связывающие раскрытия устья разноглубинного трала с его силовыми и геометрическими характеристиками;
провести эксперименты с физическими моделями тралов для последующей оценки адекватности разработанных формул;
провести эксперименты с натурными тралами для оценки адекватности разработанных формул;
на основе анализа полученных аналитических и экспериментальных данных, разработать метод для определения горизонтального и вертикального раскрытий устья разноглубинного трала;
- на основе выполненных экспериментов получить безразмерные данные
о форме меридиана разноглубинного трала;
- осуществить проверку на адекватность предлагаемого метода расчета
формы устья разноглубинного трала.
Научная новизна работы:
впервые разработан метод, который обеспечивает получение значений горизонтального и вертикального раскрытий устья разноглубинного трала с приемлемой для проектной практики точностью;
разработан алгоритм расчета раскрытия устья разноглубинного трала, схематизированного в виде многоугольника.
Теоретическая значимость работы заключается в создании ранее не существующего метода расчета раскрытия устья разноглубинного трала.
Практическая значимость работы заключается в разработке алгоритма расчета геометрических характеристик устья трала, который предназначен для применения в практике проектирования конструкций разноглубинных тралов. Проведенные эксперименты позволяют, помимо определения горизонтального и вертикального раскрытий устья разноглубинного трала, оценить форму меридиана канатно-сетной оболочки трала, что позволяет на основе анализа устанавливать такие конструкции трала, которые смогут обеспечить наилучшие условия захвата и удержания рыбы.
Методология и методы диссертационного исследования.
Для достижения цели использованы:
аналитический метод определения условия моментного равновесия сил, приложенных к канатно-сетной части траловой системы,
экспериментальные методы физического моделирования тралов и эксперименты с натурными тралами в промысловых условиях.
Основные положения, выносимые на защиту: - методы расчета вертикального и горизонтального раскрытия расчета вертикального и горизонтального раскрытия устья разноглубинного трала, и о приемлемой точности результатов расчетов раскрытия.
Степень достоверности и апробации результатов подтверждается проведением морских испытаний с натурными тралами, а также многократными экспериментами с их моделями в гидроканале МариНПО. Полученные результаты свидетельствуют, что ошибка определения раскрытия не превышает 9,15%. Результаты работы внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и аспирантов по направлению "Промышленное рыболовство" при изучении дисциплин "Механика орудий рыболовства" и "Методы исследований в промышленном рыболовстве". Апробация работы осуществлялась в виде докладов на международных научных конференциях и форумах в т.ч. "Инновации в науке, образовании и бизнесе", Морская техника и технологии. Безопасность морской индустрии" – г. Светлогорск, пансионат «Волна» 24-30 мая 2015г.
Декларация личного участия. Автором разработано 2 схематизации: схематизация устья трала в виде прямоугольника и в виде многоугольника. Проанализированы существующие методы расчета раскрытий устья трала. Проведены экспериментальные работы с натурными тралами, рассчитаны и построены модели тралов, а также проведены эксперименты с этими моделями.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения, библиографического списка, четырех приложений. Общий
объем работы составляет 168 страниц машинописного текста, 47 рисунков, 19 таблиц. Список использованных источников состоит из 33 названий, из которых 8 принадлежат иностранным авторам.
Постановка задачи исследования
Представленные соотношения (8) указывают, что вертикальное раскрытие трала зависит от сопротивления траловой сети, ее размеров (длина крыльев) и плавучести кухтылей. Анализ этих зависимостей дает возможность судить о степени влияния каждого из факторов на величину вертикального раскрытия. Из этого анализа следует, что при оснастке трала кухтыля-ми, имеющими только статическую плавучесть, максимум вертикального раскрытия, допускаемый покроем траловой сети, будет иметь место при остановке трала, когда R = 0. Если с трала снять все кухтыли, т. е. при N=0, вертикальное раскрытие равно высоте клячевки, или равно нулю, когда трал клячевок не имеет. Расчет базируется на двух несвязанных между собой схемах. На самом деле вертикальное и горизонтальное раскрытия устья связаны между собой. В этой связи рассматриваемый метод расчета раскрытия устья трала в принципе не может давать приемлемую для практики точность. Но стоит отметить, что это первая из попыток рассчитать раскрытие, и предложена она была до появления разноглубинных орудий лова.
Рассмотрим расчетную схему А.Л. Фридмана (рисунок 6), которая условно в виде ромба представляет собой контур устья разноглубинного трала в проекции на плоскость, перпендикулярную направлению движения. Устье трала схематически представлено в виде нити длиной 4b, которая растягивается силами плавучести и веса N и распорными силами траловых досок Т.
Расчетная схема для устья трала АВ — L — горизонтальное раскрытие; CD = Н — вертикальное раскрытие; АЬ = Р — периметр устья. Из условия равновесия узла А следует, что натяжение нити гн связывается с силой Т равенством Т = 2 гн cos(a:) Аналогично рассматривая узел В, находим N = 2 гн sin(a) Сравнивая выражения, указанные выше, получаем: Т L — = ctq(a) = — N } Н Но Т и N можно выразить в долях от общего сопротивления R всего трала в виде: Т = m R, N = п R, тогда Т m L N n H Из расчетной схемы следует очевидное геометрическое соотношение b = лг+т m P Учитывая, что L = —H и Ь = - из совместного решения двух предыду п 4 щих выражений найдем Р Н = ,1. = 2 И + Ґ—Л2 между концам боры; Величину периметра Р определим следующим образом. Если горизонтальное раскрытие определяют между концами крыльев, то где S — длина верхней подборы; их— посадочный коэффициент по подборе. Р = 2 их сло ячей по пери Если же горизонтальное раскрытие определяют в поперечном сечении по гужу, то где а — шаг ячеи, n — число ячей по периметру сети.
Влияние скорости учитывается величинами Т (распорная сила доски, зависящая от скорости) и N, если подъемные и углубляющие устройства являются гидродинамическими. Однако абстракция, заложенная в расчетной схеме, предопределяет условность расчета в том смысле, что получаемые результаты правомерны лишь тогда, когда значения сил N и Т действительно соответствуют сопротивлению трала R. Рассматриваемая расчетная схема базируется на ряде условностей и допущений. Главным из них является допущение о независимости поперечных сил оснастки, действующих в плоскости чертежа, и продольных сил сопротивления, действующих вдоль вектора скорости. Но по заявлению автора [2] получаемые результаты расчета являются в первом приближении приемле-15 мыми. Отличительной особенностью представленного метода является возможность установить взаимосвязь между горизонтальным и вертикальным раскрытием трала при изменении его оснастки. Однако, эта взаимосвязь малодостоверна по двум причинам: во-первых, из-за нереальной схематизации устья (последнее никогда для донного и разноглубинного тралов не принимает форму ромба); во-вторых, не учитывается действие основных сил на канатно-сетную часть и устья трала – сил гидродинамического сопротивления, которые помимо сил оснастки подбор, определяют раскрытие устья трала. Представленную схему в связи с ее допущениями нельзя использовать в проектной практике.
Особенностью работы В.П. Карпенко [3] является использование различных степеней схематизации (идеализации) механических моделей. В таблице 1 представлена морфологическая карта моделей схематизации передней части трала.
В шарнирно-стержневой модели В. П. Карпенко (рисунок 4) система ОD1В1АВ2D2 находится в равновесии под действием тяги судна, сил тяжести и сопротивления всех ее элементов и сил; которые обеспечивают ей раскрытие. Ваерные канаты ОD1 и и ОD2 могут быть схематизированы либо в виде жестких, весомых, прямолинейных стержней l1 , либо в виде идеально гибких, весомых и нерастяжимых нитей, имеющих равномерно распределенную по длине потопляющую силу G1 и гидродинамическую силу сопротивления R1. Для первого случая схематизации ваера силы G1 и R1 могут быть приложены на середине его длины. Рисунок 4 - Шарнирно-стержневая модель трала В.П. Карпенко
В этом случае угловыми координатами ваерных канатов является угол их раскрытия 1 в плоскости ОD1Д2 и угол наклона этой плоскости 1 к оси ОХ. Все кабельные канаты схематизированы двумя стержнями длинной l2. В их середине приложены силы G2 и R2. Угловыми координатами кабелей являются угол их раскрытия 2 в плоскости D1B1B2D2 и угол наклона этой плоскости 1 к оси ОХ. Элементы каркаса передней части трала схематизируются в соответствии с принимаемой моделью схематизации трала (см. табл 1). Для решаемой задачи считаем угол наклона плоскости трала к оси ОХ равным 3 = О. Угловыми координатами, определяющими раскрытие трала, являются угол 3 (угол между образующей или топенантом трала и осью OX) и угол 4 (угол между подборой и осью ОХ). В т.т. D1 и D2 соединения ваеров с кабелями схематизированы центры масс траловых досок с распорными силами Ry, силами сопротивления Rх и потопляющими силами GD. В т.т. B1 и В2 крыльев трала приложены потопляющие силы углубителей Gг, их сопротивление Rг и составляющие силы сопротивления передней части трала nRтп. В т. А приложена сила сопротивления мешка трала RTM. Все силы сопротивления элементов траловой системы параллельны оси ОХ, распорные силы - оси ОУ, потопляющие (подъемные) силы - оси OZ.
Исходными данными в задаче раскрытия траловой системы являются геометрические размеры всех элементов системы: силы сопротивления и потопляющие (подъемные) силы всех элементов системы и их распределение; распорные силы. Задачей исследования системы являются определение: угловых и линейных параметров раскрытия системы (например: i, 2, і, г, з, и, уD, уВ); угловых и линейных координат расположения основных узлов системы (например: , 2, ХD, Хв, ZD,ZB).
Рассматриваемая система (рисунок 4) под действием приложенных к ней сил будет находиться в статическом равновесии, если для каждого ее элемента (например: узлов D, В, С, А, контура АВ1СВ2 и т.д.) будут соблюдаться условия силового
Схематизация в виде прямоугольника, с применением корректирующего коэффициента kd
Наиболее простыми схемами для определения раскрытия устья донного трала являются схемы, разработанные Ф .И. Барановым [1]. Поэтому начнем поиски необходимой схематизации КСЧ с указанного решения Ф.И. Баранова.
Предположим, что форма устья донного трала в сечении по гужу представляет собой эллипс[27]. Горизонтальное раскрытие донного трала в сечении по гужу зависит от расстояния между распорными досками. Воспользуемся равенством Ф.И. Баранова (5), (рисунок 1). Воспользовавшись выражением (13) можно получить неизвестные значения горизонтального раскрытия донного трала. Для получения значения вертикального раскрытия будем использовать эмпирическую формулу Рамануджана [13] как наиболее точную (максимальная погрешность составляет -0.02%) при соотношении полуосей:0.05 а/Ь 20: Р тг[3(а + Ь) - V(3a + b)(a + 3b)] (14) Используя выражения (13) и (14) получим два уравнения, на основании которых можно найти искомые значения вертикального и горизонтального раскрытий.
Многочисленные расчеты показывают, что погрешность расчетов на основании этого решения достигает 125% . Это происходит потому, что уравнения (13) и (14) не связаны между собой и описывают условия равновесия в разных плоскостях. В то же время практика показывает, что, к примеру, изменение загрузки нижней подборы существенно влияет не только на вертикальное, но и на горизонтальное раскрытие.
Из изложенного следует, что представленный метод относится, во-первых, к донному тралу, а во-вторых, приводит к недопустимо высокой погрешности. Поэтому, необходимо найти иные пути решения задачи. 3.2 Схематизация устья разноглубинного трала в виде прямоугольника
Допустим, что сечение устья разноглубинного трала по гужу представляет собой не эллипс, а прямоугольник (рисунок 13). Были предприняты исследования, цель которых состоит на основе достаточно простой схемы канатно-сетной части разноглубинного трала получить расчётные формулы для определения вертикального и горизонтального раскрытия устья трала. Исходными данными для решения задачи на основе схематизации устья в виде прямоугольника являются геометрические размеры всех элементов системы, основные сосредоточенные и распределенные силы, действующие на узловые точки системы [28,33].
Прямоугольная схема траловой системы Узловыми точками назовем те точки, что расположены на гранях пирамиды OBCSE и к которым приложены силы оснастки и сопротивления орудия лова.
Сетную часть разноглубинного трала схематизируем в виде пирамиды OBCSE с основанием в виде прямоугольника. На рисунке 13 представлена прямоугольная схема устья разноглубинного трала со всеми приложенными силами. Здесь приведены следующие обозначения: Q - подъемная сила гидродинамического щитка; г і - сила сопротивления гидродинамического щитка; г2 - сила сопротивления трала, приходящаяся на каждый кабель; г3 - сила сопротивления траловой доски; Rx - сила сопротивления всей траловой системы; ti - стягивающее усилие по концам крыльев; lt - длинна трала по топенанту; Н - вертикальное раскрытие трала; L - горизонтальное раскрытие трала; - угол между верхними топенантами четырехпластного трала; -угол между двумя боковыми пластями трала; - угол между верхней и нижней пластями трала; О - точка, относительно которой рассматривается условие равновесий моментов, создаваемых силами, приложенными к устью трала.
Условием равновесия системы является равенство нулю суммы моментов всех сил, относительно точки О: 1Мо = 0 (15) Выпишем это условие более подробно: IМ0 = M0(Q) + M0{t,) + M0(t2) + MoOJ + +M0(r2) + M0(r 3)+M0(G)+M0 (G gl)M0 (G,2), где = Q-FO = tx-AO M0(Q M0(h M0(t2 = AF = r2-FC = Г -АК M0(r2 M0(G) = G-AC M, G АО gi О I gi J M0(G g2) = M0(G gl) (17) (18) (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) а FO – расстояние между гайтяном и гужом верхней подборы, AO – вершина пирамиды OBCSE, или осевая линия трала, AF=BT=TE=CK=KS – половина вертикального раскрытия устья трала, FC=AK=LS=BF=AT=LE – половина горизонтального раскрытия устья трала. Подставим выражения (17 - 25) в уравнение моментов (16) и получим: Q-FO + t1-AO-Rx-AK±AF--r2-FC -AK + (G + Ggl+Gg2)-АО = (26) Выразим плечи FO,AO,AK,AF,FC,АО через длину трала по топенанту lt где Р – периметр устья разноглубинного трала при схематизации в виде прямоугольника. Однако для решения уравнения (38) нами использовано не совместное рассмотрение выражений (38) и периметра устья, а следующий метод. Одно из значений раскрытия устья разноглубинного трала задавалось (вертикальное раскрытие, Н) по результатам соответствующих морских экспериментов (см. приложение А, Таблица 11), далее из выражения (38) находилось значение горизонтального раскрытия, L. Погрешности расчетов представлены на графике 1 (погрешность по вертикальному раскрытию равна нулю). Эксперименты проводились с 5 тралами – Скат (113/480 м), Раптор (130/520 м), Супершквал (275/1440 м), Тайфун (385/1300 м)
Минимальная погрешность горизонтального раскрытия имела значение около 10%, а максимальное - 40%. Ошибка возникает в связи с тем, что конструктивная посадка канатных элементов (Ux) по периметру в сечении по гужу в верхней и нижней пластях больше, чем Ux в боковых. Тем не менее, расчеты по методу в виде прямоугольника показали, что точность его хоть и незначительно, но выше, чем у метода по эллипсу. Автором работы было решено усовершенствовать эту схематизацию. 3.3. Схематизация устья разноглубинного трала в виде прямоугольника, с применением корректирующего коэффициента kd. Совершенствование схематизации на рисунке 13 осуществлялось следующим образом. На рисунке 14 устье трала схематизировано прямоугольником BCSE, канатно-сетная часть состоит из четырёх треугольных пластин BCO, CSO, SEO, DEO, точка О обозначает конец мешка трала, Q - подъёмная сила оснастки верхней подборы трала, G - заглубляющая сила оснастки нижней подборы трала, Gg1,2 - силы веса в воде грузов-углубителей, t1,2 - распорные силы, пропорциональные распорным силам траловых досок, r1, 2,3,4,5,6,7 ,8 - силы сопротивления канатно-сетной части трала, приложенные к узловым точкам соответственно B, F, C, D, S, E, T, ltr - длина канатно-сетной части от устья до конца мешка [29].
Технические средства проведения экспериментов
Эксперименты с моделями проводились в гидроканале ЗАО «МариН-ПО». Технические характеристики гидроканала приведены в приложении А.
Для построения моделей тралов «Тайфун», «Супершквал», «Раптор» и «Скат», необходимо рассчитать масштабы линейных размеров. Они определяются, исходя из размеров рабочего участка гидроканала и обеспечения отсутствия влияния стенок и дна на результаты измерений. Открытый сверху рабочий участок имеет размеры: длину – 14, ширину – 3, высоту – 2.5 м. Для обеспечения отсутствия влияния стенок гидроканала установили [12], что рабочий участок должен иметь следующие параметры: высота 1,4 м, ширина 2,4 м и длина 10 м.
Для удобства анализа было решено сделать все модели с примерно одинаковым линейным масштабом подобия CL. Было принято, что масштабы линейных размеров будут находиться в пределах CL =0,014 0,016 или 1:70
Скорость буксировки всех натурных тралов составляет 5 узлов или 1.3 м/с. Скорость потока для проведения испытаний определялась условием попадания числа Рейнольдса в автомодельную область, которая находится в пределах числа. Она составляла 1.2 м/с, что соответствует значению числа Re = 0,9 10-3.
Масштабы диаметра ниток Cd и шага ячеи Ca определены из равенства средних взвешенных значений сплошностей моделей и натуры. Было определено среднее взвешенное значение сплошности натурных тралов, которое составило для «Тайфуна» F0=0.048, «Супершквала» F0=0.023, «Раптора» F0=0.093 и «Ската» F0=0.089. Аналогичные численные значения сплошностей были и для моделей этих тралов. Значение масштаба плотности воды С было принято равным 1, так как эксперимент с моделью проводился в той же среде, что и работа натурного трала. Масштаб коэффициентов сопротивления тралов Ск определялся по формуле: С = ( СЛ )0.07 к ycacvcUxcUyJ где Сд - масштаб кинематической вязкости среды, Са - масштаб шага ячеи, Cv - масштаб движения потока жидкости, Сих и О/у - масштабы подобия коэффициентов посадки. В ходе расчетов получили значения масштаба Ск, находящиеся в пределах 0.99-1.026, что соответствует погрешности в 5%.
Определение подъемной и заглубляющей сил оснастки модели осуществлялось с использованием численного значения силового масштаба CR, определяемого из критерия Ньютона: CRC\ 2 = 1 + 0,05 (47) Отсюда значение силового масштаба подобия определяется как: ck cp cd cf сі CR = p. Опираясь на полученное значение CR , была подобрана оснастка. Ввиду того, что гидродинамические характеристики щитка трала не определяются с достаточной точностью - было решено оснастить верхние подборы моделей пенопластовыми брусками (поплавками), суммарная подъемная сила которых равнялась подъемной силе щитка (приложение В, таблица 17).
Модель Длинамоделитрала,м Линейныймасштаб подобия Силовоймасштабподобия,10Л-4 Н Сплошность модели Число Рейнольд-са Скорость модели Ск «Тайфун» 6.78 0.014 3.006 0.092 993 0.5 1.018 «Супершквал» 4.07 0.014 6.121 0.023 923 1.2 1.026 «Раптор» 4.6 0.012 9.042 0.093 923 1.3 0.99 «Скат» 4.46 0.016 7.729 0.092 923 1.3 1.011
Все испытания моделей проводились в гидроканале АО МариНПО (г. Калининград). Кабельную оснастку модели крепили к ножам (рисунок 19). Рисунок 19 - Передвижные ножи на лабораторной установке в гидроканале
Смотровая труба Обеспечивалось расстояние между ножами для экспериментов с каждой моделью, соответствующее линейному масштабу подобия (CL). Когда скорость течения жидкости в гидроканале достигала заданной величины, проводили съемку горизонтального и вертикального раскрытия в сечениях по длине трала. Полученные данные заносились в таблицы. Испытания проводили по 5 раз с каждой моделью. По указанной методике проводились испытания со всеми моделями. Для измерения горизонтального раскрытия использовалась смотровая труба (рисунки 20 и 21).
Для измерения вертикального расстояния от верхних точек на меридиане до нижних, использовали эклиметр с панорамой Герца (рисунок 22).
Для всех экспериментов измерения проводились в заранее определенных сечениях моделей. Сечения привязывались к определенному ряду набора канатов или к какой-либо стороне съячейки. На рисунке 23 черными линиями изображены эти сечения. Рисунок 23 - Графическое изображение сечений трала В число следующих сечений входили: - по горизонтали: расстояние между крыльями, в сечении по гужу, центральной части сетного набора дели, в начале, середине и конце мотенной части трала, а также в середине мешка. - по вертикали: в сечении по гужу, центральной части сетного набора дели, в начале и конце мотенной части трала, а также в горловине мешка. По длине трала фиксировалось расстояние от гайтяна до каждого измеряемого сечения. схематично изображены сечения трала по вертикали. Для того чтоб оценить форму модели и построить ее меридианы было решено определить краевые точки в заранее определенных сечениях. Регистрирование значений с помощью панорамы Герца проводилось в двух точках – А и В (см рис 24), а также записывалось расстояние от гайтяна до рассматриваемого сечения. Чтобы получить значение положения точки по вертикали, необходимо было «поймать» в перекрестие смотровой трубы край сетной оболочки. Рядом с трубой имелась вертикальная шкала (линейка). Таким образом получены были данные по сечению по вертикали вида (хi ; zi)=(хi ; zi1-zi2). Разница между (zi1-zi2) характеризует вертикальное раскрытие рассматриваемой секции.
Определение горизонтального раскрытия определялось аналогичным образом. Так как расстояния от гайтяна до нужных сечений уже известны (хi), а нахождение их не вызывает труда (съячейки в воде хорошо видны), оставалось только определить крайние точки по горизонтали. На платформе (см. рисунок 25) находится вертикальная смотровая труба с горизонтальной шкалой. Двигая платформу вперед-назад (по/против течения воды) и смотровую трубу вправо-влево, необходимо было поймать перекрестие боковой кромки (шва, топенанта) трала и съячейки в окуляр. Как только это достигалось, записывалось значение, указываемое стрелкой смотровой трубы на горизонтальной шкале. Не двигая платформу, переходили к точке с другой стороны модели и также регистрировали ее положение. Таким образом получены были данные по сечению по горизонтали вида (хi ; уi)=(хi ; уi1-уi2). Разница между (уi1-уi2) характеризует горизонтальное раскрытие рассматриваемой секции. В ходе эксперимента, получали характеристики каждой секции вида: (хi ; уi; zi)=(хi ; уi1-уi2; zi1-zi2), где уi1-уi2=L i, а zi1-zi2=Н i.
Имея значения горизонтального Li и вертикального Нi раскрытия, можно представить каждое сечение трала в виде эллипса, а соединив соответствующие идентичные точки эллипса эквидистантными кривыми, можно получить пространственное представление канатно-сетной оболочки модели трала.
Произведя замеры в сечении по гужу, получим вертикальное и горизонтальное раскрытие устья трала. Каждый эксперимент повторялся еще минимум 4 раза, между каждыми замерами скорость течения воды в гидроканале сбрасывалась до нуля.
Для определения гидродинамического сопротивления модели использовалась тензостанция MIC-2000 с двумя датчиками до 50 Н. Датчики имеют тороидальную форму с двумя крюками. Один крюк цеплялся за нож, а другой за голые концы трала. Измерения проводились одновременно по двум датчикам. Суммой показаний их являлась реакция опор 1 и 2 (рис 26).
Проведение эксперимента
Для определения формы канатно-сетной оболочки разноглубинного трала предположена гипотеза о том, что средний взвешенный посадочный коэффициент влияет на форму канатно-сетной части трала, а от неё зависит сопротивление всего орудия лова [30,31,32].
Определение зависимости формы меридиана канатно-сетной оболочки от значения среднего взвешенного посадочного коэффициента Ux необходимо для решения ряда проектных задач. Первая из них – оптимизация конструктивных характеристик КСЧ трала: значения среднего взвешенного посадочного коэффициента Ux и цикла кройки. Если рабочая гипотеза, указанная выше верна, то с изменением посадочного коэффициента форма меридиана может привести к закрытию входа в мешок. Поэтому при решении задачи оптимизации конструктивных характеристик КСЧ на искомое значение среднего взвешенного посадочного коэффициента потребуется наложение ограничений. Вторая проектная задача заключается в обеспечении такой формы КСЧ трала, при которой имеются наиболее благоприятные условия для захода рыбы в мешок.
Значение коэффициента сопротивления сетной части трала зависит от трёх параметров: числа Re, относительной площади траловой сети F и формы меридиана сетной части, которая определяется средним взвешенным значением угла атаки меридиана к направлению движения трала.
Исследованиями Зын Ван Вэ [16], А. В. Дверника [17], Н. Stengel [18], С. Дудко [19] показано, что для условий работы траловых сетей (Re 103) коэффициент сопротивления сх находится в автомодельной области по числу Re и влияние последнего при определении коэффициента сх может не учитываться. Тогда имеем: cx=f(F0,a) (57)
Исследования, проведенные S. Dudko [19] с конусообразными конструкциями показали, что существует однозначная связь между средневзвешенным фактическим значением угла атаки сетной конструкции, комплексом Р и относительной площадью траловых сетей. Им получена эмпирическая зависимость: «св. = Яр Fo), (58) где комплекс Р определяется количеством пластей (т), средним взвешенным значением посадки (Ux) и циклом кроя (С). р = —т и (59) 2 п (С + 1/2) Из приведенных выше зависимостей следует, что коэффициент сопротивления непосредственно зависит от значений среднего взвешенного посадочного коэффициента и цикла кроя. Ф.И. Барановым установлена связь между внешними нагрузками, приложенными к пространственной сети произвольной формы, и натяжениями, возникающими в её нитях. а = + (60) Равенство (60) представляет собой известное выражение Лапласа, связывающего внешние нагрузки и усилия, возникающие в оболочках. Оно справедливо и для сетей, состоящих из большого числа ячей малого шага. В применении к сетному полотну оно получило название формулы Лапласа-Баранова [20], так как приведённый вывод сделан Ф. И. Барановым.
Как следует из выражения (60), связь между горизонтальными и вертикальными напряжениями в сетной оболочке зависит от посадочных коэффициентов: ay -представляет собой силу сопротивления канатно-сетной оболочки на единицу периметра устья трала. тх —сжимающее усилие, которое меняет форму меридиана.
Итак, если сетное полотно испытывает давление, то при любой его форме справедливо равенство Лапласа-Баранова, при этом должно выдерживаться соотношение (61) , что возможно, если сеть не имеет разрывов. По результатам измерений были рассчитаны средние арифметические значения координат меридианов канатно-сетной части трала в горизонтальном и вертикальном сечениях. Результаты изображены на рисунках 28 и 29. Рисунок 28 Сечение трала по вертикали в размерном виде
По размерным данным получены безразмерные величины следующим образом. За единицу длинны приняли расстояние между гужом и мешком равное 4,96 м, а за единицу диаметра канатно-сетной оболочки принят диа метр мешка, равный 0,08 м. Полученные данные приведены в таблице 10. Таблица 10 Безразмерные величины формы меридианов Ряд измерений Модель №1 Модель №2 Модель №3 расстояние до крыльев меридиан по вертикали меридиан погоризонтали расстояние до крыльев меридиан по вертикали меридиан по горизонтали расстояние до крыльев меридиан по вертикали меридиан погоризонтали гуж 0.368 17.102 13.225 0.323 15.032 13.825 0.469 17.00 12.53 съяч 20. 1 0.436 15.971 12.4 0.421 14.368 12.25 0.489 15.40 11.96 съяч 20. 2 0.48 14.7 10.975 0.457 13.576 11.075 0.51 12.05 11.26 яч 20 центр 0.562 8.699 8.688 0.564 8.444 8.625 0.582 7.781 8.775 съяч 20 /10 0.648 6.108 6.275 0.672 5.035 5.65 0.656 5.646 6.475 яч 10 центр 0.727 3.925 4.112 0.73 3.418 3.538 0.729 3.808 4.363 съяч 10/5 0.799 2.199 2.413 0.787 2.307 2.5 0.796 2.358 2.925 По полученным безразмерным значениям измеренных характеристик построены графики зависимостей безразмерных величин меридиана по горизонтали и вертикали от среднего взвешенного посадочного коэффициента, приведенные на рисунках 28 и 29. На рисунках 30 и 31 показаны зависимости формы меридиана по горизонтали и вертикали в безразмерном виде от длины модели.
График зависимости безразмерной величины меридиана по горизонтали от среднего взвешенного посадочного коэффициента Рисунок 31 График зависимости безразмерной величины меридиана по вертикали от среднего взвешенного посадочного коэффициента
График зависимости формы меридиана по вертикали в безразмерном виде от длины модели Используя метод наименьших квадратов найдем функции, которые описывают зависимости, представленные на рисунках 32 и 33. Результаты выложим в таблицу 11.