Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих исследований в области силовых и конструкционных характеристик траловых распорных досок в системе разноглубинных траловых комплексов 12
2. Влияние гидродинамической распорной силы траловых распорных досок на геометрические и силовые характеристики системы разноглубинных траловых комплексов 19
3. Определение гидродинамической распорной силы траловых распорных досок в системе разноглубинных траловых комплексов 31
4. Анализ конструкций и гидродинамических свойств распорных траловых досок, используемых в промышленном рыболовстве 51
5. Схематизация траловой доски .62
6. Математическое моделирование траловых распорных досок 65
7. Определение зависимости распорной силы траловых досок от удлинения 71
8. Определение зависимости распорной силы траловых досок от толщины профиля 79
9. Определение зависимости распорной силы траловых досок от размеров предкрылков ... 92
10. Определение зависимости распорной силы траловых досок от размеров закрылков 106
11. Методика выбора конструкционных характеристик разноглубинных траловых распорных досок .122
12. Проверка адекватности метода выбора конструкционных характеристик разноглубинных распорных траловых досок из условия обеспечения заданной распорной силы 126
Заключение 134
Практические рекомендации
- Влияние гидродинамической распорной силы траловых распорных досок на геометрические и силовые характеристики системы разноглубинных траловых комплексов
- Анализ конструкций и гидродинамических свойств распорных траловых досок, используемых в промышленном рыболовстве
- Математическое моделирование траловых распорных досок
- Определение зависимости распорной силы траловых досок от толщины профиля
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время большая часть всех мировых выловов морепродуктов осуществляется при помощи траулеров. Согласно данным ФАО за последние 50 лет за счёт применения тралового лова удалось добиться увеличения объёмов добычи более чем в 40 раз [FAO, 2016], и объемы выловов продолжают расти в связи с всевозрастающим спросом на рыбную продукцию, обусловленным общемировой тенденцией увеличения объемов потребления пищевых ресурсов. В связи с этим наиболее благоприятные районы для тралового промысла, находящиеся в освоенной 200 мильной прибрежной зоне, столкнулись с истощением из-за перепроизводства [WWF, 2015]. Для удовлетворения возрастающего объема потребления рыбной продукции и исполнения возложенной на промышленное рыболовство функции обеспечения мировой продовольственной безопасности, осваиваются удалённые акватории мирового океана. Изменившиеся условия эксплуатации требуют дальнейшего эволюционного развития конструкций траловых комплексов и технического совершенствования всех его составляющих.
Современные траловые системы представляют собой технически
сложные многокомпонентные инженерные конструкции, включающие
множество элементов, узлов и агрегатов, которые состоят из разнородных материалов и выполняют индивидуальные задачи, при этом, находясь в постоянном взаимодействии друг с другом. Обеспечение эффективной работы каждого отдельного элемента тралового комплекса и обеспечение слаженности совместной работы всей совокупности компонентов траловый системы, являются сложными задачами как на уровне проектирования, так и на уровне эксплуатации, и определяют конечные показатели эффективности тралового комплекса. Одним из основных компонентов траловых систем является траловые распорные доски. Они задают тралу необходимую рабочую форму и размеры входного устья, обеспечивают его пространственное положение и зону облова, и, таким образом, напрямую влияют на показатели уловистости.
Использование современных траловых досок позволяет траулерам обеспечить
горизонтальную зону облова более 200 м, благодаря чему объем добычи рыбы за
одно траление может составлять порядка несколько сотен тонн. Для
обеспечения высокой производительности траловых комплексов необходимо, чтобы траловые доски с создаваемой на них распорной силой строго соответствовали параметрам проектируемой траловой системы. Несмотря на то, что траловые доски эксплуатируются более столетия, до сих пор не разработана методика расчёта их конструкции исходя из условия обеспечения заданной распорной силы. На сегодняшний день ответ на вопрос – какое виляние оказывают конструкционные характеристики траловых досок на их гидродинамические показатели можно дать лишь, исходя из практического опыта рыболовства прошлых лет.
В этой связи являются актуальными исследования, направленные на определение зависимостей гидродинамических характеристик траловых досок от их конструкционных характеристик. Результаты таких исследований позволят на ранних стадия проектирования оценивать гидродинамические свойства траловых распорных досок и проектировать конструкции траловых досок из условия обеспечения заданной распорной силы.
Степень разработанности темы. В настоящее время отсутствуют
качественные аналитические методы выбора конструкционных характеристик
разноглубинных распорных траловых досок из условия обеспечения заданной
распорной силы. Исследованиям в области траловых досок посвящены труды
многих отечественных и зарубежных учёных [Баранов, 1960; Фонарев, 1962;
Рыкунов, 1970; Агулис, 1971; Карпенко, 1973; Грибовский, 1975;Еремеев, 1975;
Пучкаускас, 1975; Gabriel, 1977; Москаленко, 1977; Листопадский, 1977;
Нуждов, 1977; Stengel, 1983; Фридман, 1983; Савастьянов, 1983; Безус, 1987; Парамонов, 1987; Козлов, 1989; Торохов, 1989; Зайцев, 1989; Мейлус, 2003; Зеленин, 2006; 2006; Ben-Yami, 2010; 2010; Розенштейн, 2010]. Однако на основе произведённых исследований автором не удалось разработать
комплексный метод выбора конструкционных характеристик разноглубинных распорных траловых досок из условия обеспечения заданной распорной силы.
Цели и задачи исследования. Цель выполненных исследований заключается в разработке метода выбора конструкционных характеристик разноглубинных распорных траловых досок из условия их целевого показателя в рамках тралового комплекса - обеспечения заданной распорной силы. Для реализации поставленной цели были решены следующие задачи:
разработана многостержневая схематизация тралового комплекса, на основе которой были установлены связи между элементами системы;
разработана факторная модель взаимосвязи параметров траловой системы, на основе которой были получены эмпирические зависимости, позволяющие определить величину гидродинамической распорной силы траловых распорных досок в системе разноглубинных траловых комплексов;
- дан анализ конструкционных и гидродинамических свойств распорных
траловых досок, используемых в промышленном рыболовстве;
- определены конструкционные факторы, влияющие на
гидродинамические характеристики траловых досок;
- разработана схематизация разноглубинных траловых распорных досок;
- определена зависимость показателя распорной силы траловых досок от:
удлинения, толщины профиля, размеров предкрылков, размеров закрылков;
- разработана экспериментальная установка для определения величины
гидродинамической распорной силы траловых распорных досок в зависимости
от их конструкционных особенностей;
- проведены численная и на физической модели эксперименты по оценки
величины гидродинамической распорной силы траловых распорных досок
различных конструкций;
- разработана методика определения величины гидродинамической
распорной силы траловых распорных досок в зависимости от их
конструкционных особенностей.
Научная новизна работы. Впервые разработан метод выбора
конструкционных характеристик разноглубинных распорных траловых досок из
условий обеспечения заданной распорной силы. Предложена оригинальная идея
определения распорной силы траловых досок в зависимости от величины
предкрылков. Впервые предложены алгебраические уравнения,
характеризующие влияние удлинения траловых распорных досок на коэффициенты относительной гидродинамической распорной и коэффициента гидродинамического качества траловых распорных досок. Разработан способ определения распорной силы траловых досок в зависимости от толщины профиля, а также алгебраические уравнения, характеризующие влияние толщины профиля траловых распорных досок на коэффициенты относительной гидродинамической распорной силы и коэффициента гидродинамического качества траловых распорных досок. Впервые разработаю функциональные зависимости для определения распорной силы траловых досок в зависимости от размеров и положения предкрылков и закрылков.
Теоретическая значимость работы заключается в создании ранее не
существующего метода выбора конструкционных характеристик
разноглубинных распорных траловых досок из условий обеспечения заданной распорной силы. Проведённые изыскания в определяют гидродинамические особенности траловых досок различного удлинения. Получены зависимости распорной силы траловых распорных досок от величины удлинения и толщины профиля, позволяющие осуществить выбор геометрических параметров профиля траловых распорных досок, обеспечивающие заданные гидродинамические показатели, необходимые для успешного функционирования системы тралового комплекса. Результаты исследования предкрылков траловых распорных досок определяют гидродинамические особенности траловых досок, оборудованных предкрылками. Полученные зависимости гидродинамической распорной силы траловых распорных досок с различной толщиной профиля от величины предкрылков и закрылков позволяют определять гидродинамические показатели
траловых досок на ранних стадиях проектирования и рассчитывать рациональную величину длины хорды и положение предкрылков и закрылков. Результаты исследования предкрылков и закрылков траловых распорных досок определяют гидродинамические особенности траловых досок оборудованных закрылками и предкрылками.
Практическая значимость работы заключается в разработке алгоритма
расчета геометрических характеристик траловых досок и их элементов из
условий обеспечения заданной распорной силы, предназначенного для
применения в практике проектирования конструкций разноглубинных тралов.
Результаты выполненных исследований позволяют сформулировать
практические рекомендации проектировщикам разноглубинных траловых досок по величине удлинения траловых досок, толщины профиля траловых досок, размеров предкрылков и закрылков, исходя из значений коэффициентов распорной силы и гидродинамического качества.
Методология и методы диссертационного исследования. Для достижения цели использованы следующие методы:
- аналитический метод определения геометрических и силовых
характеристик разноглубинных траловых распорных досок в системе траловых
комплексов,
- экспериментальные методы физического моделирования
разноглубинных траловых распорных досок,
- методы вычислительной гидродинамики разноглубинных траловых
распорных досок.
Основные положения, выносимые на защиту:
методика выбора конструкционных характеристик разноглубинных распорных траловых досок из условия обеспечения заданной распорной силы, включающая следующие эмпирические зависимости:
- коэффициента качества разноглубинных траловых распорных досок от величины удлинения,
распорной силы траловых досок от величины удлинения,
коэффициента качества траловых распорных досок от толщины профиля,
коэффициента распорной силы от толщины профиля,
угла атаки, соответствующего максимальным показателям распорной силы траловых досок в зависимости от толщины профиля,
коэффициента распорной силы разноглубинных траловых распорных досок от размеров предкрылков,
положения закрылков относительно толщины профиля,
коэффициента распорной силы разноглубинных траловых распорных досок от размеров закрылков.
Экспериментальные данные, получены с помощью вычислительной гидродинамики и испытаний физической модели доски, свидетельствующие об адекватности предлагаемого метода выбора конструкционных характеристик разноглубинных распорных траловых досок из условия обеспечения заданной распорной силы.
Степень достоверности и апробации результатов подтверждается
многократными экспериментами в среде CFD, а также испытаниями физической
модели доски, проведёнными в опытовом бассейне КГТУ. Полученные
результаты свидетельствуют, что ошибка не превышает 2 %. Результаты работы
внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров, магистров и
аспирантов по направлению "Промышленное рыболовство" при изучении
дисциплин "Механика орудий рыболовства", "Методы исследований в
промышленном рыболовстве", "Методы проектирования орудий
промышленного рыболовства". 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".
Декларация личного участия. Автором разработана методика выбора конструкционных характеристик разноглубинных распорных траловых досок из
условия обеспечения заданной распорной силы, включая схематизацию
траловой системы, эмпирические зависимости описывающие влияние
гидродинамической распорной силы траловых распорных досок на силовые и
геометрические характеристики траловой системы, эмпирические зависимости
для определения гидродинамической распорной силы траловых распорных
досок в взаимности от конструкционных характеристик элементов тралового
комплекса. Проанализированы конструкции и гидродинамические свойства
распорных траловых досок, используемых в промышленном рыболовстве. Определены конструкционные факторы, влияющие на гидродинамические характеристики траловых досок. Автором были получены следующие эмпирические зависимости:
распорной силы траловых досок от удлинения,
распорной силы траловых досок от толщины профиля,
распорной силы траловых досок от величины предкрылков и закрылков.
Разработана экспериментальная установка для определения величины гидродинамической распорной силы траловых распорных досок в зависимости от их конструкционных особенностей. Проведены численно и эксперименты с физической моделью доски по определению величины гидродинамической распорной силы траловых распорных досок различных конструкций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 12 разделов, заключения, библиографического списка, трёх приложений. Общий объем работы составляет 198 страниц компьютерного текста, 61 рисунок и 14 таблиц. Список использованных источников состоит из 55 работ, из которых 5 работ принадлежат иностранным авторам.
Влияние гидродинамической распорной силы траловых распорных досок на геометрические и силовые характеристики системы разноглубинных траловых комплексов
Сопоставление результатов расчётных данных полученных с применением формул 1.6 и 1.7 с результатами натурных испытаний плоских траловых распорных досок, которые провёл А.И. Яковлев [Яковлев, 1955], определило высокую точность при вычислении гидродинамического сопротивления и низкую точность вычисления гидродинамической распорной силы. Погрешность при вычислении гидродинамической распорной силы по методике А.Л. Фонарёва достигает 20 %.
В дальнейшем исследование траловых распорных досок в системе траловых комплексов было продолжено Э.М. Рыкуновым [Рыкунов, 1970]. В разработанной им методике расчёта траловые доски рассматривались в системе разноглубинных траловых комплексов. Предложенная им схематизация учитывала вес траловых досок. Гидродинамическая распорная сила R, раскладывалась на продольную составляющую Rx, горизонтальную составляющую Ry, и вертикальную составляющую Rz. Также Э.М. Рыкуновым были проведены исследования различных конструкций траловых досок, в ходе которых было выявлено, что на величину распорной силы существенно влияет форма профиля траловый доски [Рыкунов, 1972]. Результатом проведённых им исследований стала конструкция траловой доски обладающей сегментальным профилем, получившая одноимённое название -траловая доска Рыкунова.
В 1977 г. Otto Gabriel исследовал влияние гидродинамических характеристик траловых распорных досок от их геометрических особенностей [Gabriel, 1977]. На основе проведённых им опытов с крыловидными прямоугольными траловыми досками различных конструкций были получены диаграммы влиянии углов атаки траловых распорных досок на гидродинамические распорные силы. Также был произведён анализ обтекания траловых досок, на основе которого была предложена конструкция траловых досок, оборудованных предкрылками. Дальнейшие исследования влияния конструкционных характеристик траловых распорных досок на их гидродинамические качества производились в НПО промышленного рыболовства Н.Ф. Безусом, В.А. Парамоновым, П.П. Аугулисом, Ю.А. Еремеевым, Ю.Г. Грибовским, Л.В. Пучкаускасам [Аугулис, 1985; Безус, 1987; Парамонов, 1987]. В рамках проведённой работы по анализу практического использования траловых досок различных конструкций на судах отечественного промышленного рыболовства командой исследователей была разработана гидродинамическая компоновка траловой доски, изображённая на рисунке 1.2, которая стала основой конструкции современных разноглубинных траловых распорных досок.
Компоновка траловой доски содержит носовую 1 и кормовую 2 профилированные пластины, укрепленные на стрингерах 3 с образованием зазора между ними, киль 4 и приспособления для крепления ваеров 5 и кабелей 6. Приспособление для крепления ваера 5 представляет собой планку 7, укрепленную на пластине 1 с помощью книц 8 и снабженную отверстиями 9. Приспособления для крепления кабелей 6 представляют собой две группы отверстий 10, размещенных на задней кромке носовой пластины 1. На передней кромке носовой пластины траловой распорной доски 1 укреплен предкрылок 11, а на верхней и нижней кромках траловой распорной доски установлены концевые шайбы 12. Хорда траловой доски соединяет переднюю кромку носовой пластины 1 и заднюю кромку кормовой пластины 2. Рисунок 1.2 - Траловая доска Аугулиса
Расположение щели закрылка траловой распорной доски и ее ширина получены экспериментальным путем в процессе исследований, проведенных в гидроканале и на испытательном полигоне в системе модели трала и на промысловом судне в морских условиях. Наличие продольной щели в кормовой части разноглубинной траловой распорной доски способствует уменьшению гидродинамического сопротивления за счет снижения образуемых за доской турбулентных течений, и присоединённых масс жидкости, замедляющих скорость потока, проходящего с внешней стороны траловой доски. Результаты гидродинамических продувок в гидроканале выявили снижение сопротивления траловой доски и увеличение распорной силы. Так же траловая доска приобретает повышенную продольную и поперечную устойчивость. Приспособление 7 предназначено для крепления ваера 5 и позволяет задавать траловой доске рабочий угол атаки и регулировать крен. Приспособление 10 предназначено для крепления кабелей и позволяет задавать дифферент доски.
В 1980 г. широкий перечень научных исследований по систематизации и описанию работы устройства раскрытия рыболовных тралов было проведено В.П. Карпенко и Ф.Л. Фридманом [Карпенко, 1980; Фридман, 1980]. На базе общей теории устойчивости движения механических объектов В.П. Карпенко были определены условия статической и динамической устойчивости движения распорных устройств трала. Используя аппарат теоретической механики, В.П. Карпенко построил математические модели продольной, вертикальной и путевой статической устойчивости движения траловых распорных досок, а также выполнил экспериментальные исследования физических моделей траловых досок в гидролотке КТИРПХ.
К последним исследованиям гидродинамических характеристик траловых распорных досок можно отнести работы В.А. Наумова и Е.Г. Мейлуса, посвящённые математическому моделированию траловых досок на основе уравнений Навье – Стокса [Наумов, Мейлус, 2003]; работы М.М. Розенштейна, посвящённые оптимальной конструкции траловой доски при проектировании донного трала [Розенштейн, 2010]; работы Ф.Л. Зеленина, описывающие зависимость статической устойчивости прямоугольных цилиндрических траловых досок от их удлинения [Зеленин, 2011].
Несмотря на многочисленные исследования, проведённые с 1947 г. по настоящее время, ни одному из авторов не удалось создать комплексную методику, связывающую конструкционные характеристики траловых досок и гидродинамическую распорную силу, которая по своей сути является конечным целевым показателем в рамках работы траловых досок в системе тралового комплекса. Поэтому разработка методики выбора конструкционных характеристик разноглубинных распорных траловых досок из условия обеспечения заданной распорной силы является нужной и актуальной задачей.
Анализ конструкций и гидродинамических свойств распорных траловых досок, используемых в промышленном рыболовстве
Задача нахождения гидродинамической распорной силы траловых распорных досок в системе разноглубинных траловых комплексов осложняется взаимосвязанностью элементов входящих в формулу 3.1. Так коэффициент лобового сопротивления траловых распорных досок и коэффициент распорной силы траловых распорных досок являются функциями от угла атаки и обусловлены конструкционными особенностями траловых распорных досок, включающими геометрию профиля траловых распорных досок, величину удлинения, гидродинамическую компоновку. На рисунке 3.1 представлена одна из распространённых конструкций разноглубинных траловых распорных досок прямоугольной формы крыловидного профиля =1,6; f=10 %.
Из рисунка 3.1 видно, что с ростом угла атаки происходит увеличение распорной силы, однако при его избыточных значениях поток жидкости срывается и распорная сила падает. Важно чтобы при эксплуатации траловые доски находились в узком заранее просчитанном рабочем диапазоне углов атаки, которые обеспечивают им наибольшее гидродинамическое качество и распорную силу. Вместе с тем, в системе тралового комплекса траловые доски изменяют своё положение, испытывая на себе влияние остальных элементов траловой системы, к которым относятся ваеры и кабели. При прицельном облове, изменении горизонта хода, связанного с огибанием неровностей грунта, спуске и выборке трала, ваера меняют свою длину. Для подбора и настройки траловых досок в системе тралового комплекса и обеспечения работы трала в указанных режимах необходимо уметь определять балансировочные углы атаки траловой доски при изменении длины ваеров. Траловый комплекс представляет собой многокомпонентную формоизменяющую механическую систему, включающую в себя движущееся судно с размещёнными на нём лебедками, стравливающими или наматывающими на себя ваера, на которых закреплены траловые доски, буксируемые в толще воды. Они, в сувою очередь, через кабели буксируют и раскрывают за собой трал. Ввиду этого определение балансировочного угла атаки траловой доски при изменении длины ваеров является сложной задачей, состоящей из нахождения функциональных зависимостей на основе схематизации тралового комплекса и его элементов, геометрических и силовых характеристик, взаимосвязи друг с другом и с внешними факторами, что предполагает введение ряда допущений. На рисунке 3.2 представлена схематизация ваеров и положения траловых досок в системе разноглубинного комплекса.
Здесь судно обозначено точкой С. Разместим в ней центр системы координат таким образом, чтобы ось ОX находилась в плоскости параллельной водной поверхности и была направлена вдоль тралового комплекса противоположно направлению движения судна, ось ОY направлена перпендикулярно оси ОХ, а ось ОZ направлена вертикально вниз и отображает глубину погружения элементов траловой системы, как показано на рисунке 3.2. Начало координат также является расположением траловых лебёдок и верхнего крепления ваеров. В общем виде ваер представляет собой гибкую нить, на которую действуют распределённые по её длине нагрузки, обусловленные силами тяжести и гидродинамическим сопротивлением, что создаёт определённый прогиб ваера. Рисунок 3.2 - Схематизация ваеров и положения траловых досок в системе разноглубинного тралового комплекса
Однако в системе тралового комплекса ваера также испытывают натяжение на своих концах, связанное с сопротивлением траловых досок, трала и работой траловых лебёдок. Степень кривизны ваера выражается отношением распределенных нагрузок к натяжению на его концах, которое является значительно большим, чем распределённые нагрузки. Таким образом, согласно эксплуатационным данным и исследованию Б.А. Альтшуля [Альтшуль, 1990] степень кривизны ваера не превышает 1 % и не будет существенно влиять на показатели тралового комплекса в рамках решения поставленной задачи. Обозначим траловые доски материальными точками DR, DL c координатами YDR, YDL, XD, ZD, тогда ваера будут представлять собой прямолинейные стержни CDR, CDL, положение которых в пространстве однозначно определяется при помощи углов B, B и проекциями на оси координат CYDR, CYDL, CXD, CZD. Система координат, связная с судном и подобным расположением осей широко применяется на практике при проектировании траловых комплексов, а также присутствует в трудах многих российских и зарубежных учёных [Баранов, 1960; Карпенко, 1973; Фридман, 1983; Stengel, 1983; Савастьянов, 1983; Альтшуль, 1990; Зеленин, 2006; Розенштейн, 2010; Ben-Yami, 2010]. При данном подходе угол атаки траловых досок вычисляется относительно направления движения судна, которое совпадает с осью абсцисс.
Математическое моделирование траловых распорных досок
Удлинение траловых распорных досок выражается отношением длины хорды к размаху траловой распорной доски. Данный показатель во многом определяет общие габариты траловой распорной доски и существенно влияет на такие показатели как коэффициент гидродинамического сопротивления, коэффициент распорной силы и гидродинамического качества. С точки зрения гидродинамики идеальными показателями облает крыло бесконечного удлинения. Это связано с тем, что оконечности профиля не столь эффективны как его центральная часть за счёт того, что на кромках происходит перетекание из зоны повышенного с внутренней стороны в зону пониженного давления с внешней стары траловый доски и сопутствующим образованием вихревых потоков. Вышеописанное явление подтверждается экспериментальными данными CFD моделирования линий тока при обтекании траловой распорной доски, полученных в рамках данного исследования и наглядно представлено на рисунке Однако несмотря на очевидные преимущества траловых распорных досок повышенного удлинения на практике максимальные значения данного показателя достигают не более
Данное ограничение в большей степени обусловлено силовыми нагрузками, воздействующими на траловую распорную доску, и показателями статической устойчивости. Ввиду того, что крепления кабелей траловых распорных досок расположены в оконечностях, а крепления ваера в центральной части, повышение удлинение траловых распорных досок приводит к увеличению плечей моментов сил и, как следствие, к возрастанию напряжения материала траловых распорных досок. При повышенных значениях удлинения напряжения внутри конструкции разноглубинных траловых распорных досок могут достигать предала текучести материала, из которого изготовлены траловые доски, что приводит к необратимым деформациям их конструкции.
Также удлинение траловых досок существенно влияет на их габаритные размеры. При равных площадях доски с большим удлинением будут иметь больший размах, что требует больше пространства для их хранения и возможности эксплуатации. Но такое необходимое пространство строго ограниченно размерами траулеров, на которых планируется установка рыбопромыслового тралового комплекса, а увеличение габаритов судна ради оборудования существенно поднимает энерговооружённость судна, увеличивает себестоимость постройки и эксплуатационные расходы, что существенно понижает рентабельность и, таким образом, становится экономически нецелесообразно и неактуально. Анализ статистических данных показал, что рабочий диапазон удлинений траловых досок, применяемых в промышленном рыболовстве, находиться в интервале от 0,5 до 3. Рассмотрим в данном интервале влияние относительного удлинения на гидродинамические характеристики траловых досок [Пелешенко, 2016]. В ходе научного исследования было подготовлено 11 моделей траловых досок с удлинением 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5; 1,75; 2; 2,25; 2, 5; 2, 75; 3 (Приложение А). Каждая модель прошла 31 серию испытаний на скорости 2,4 м/с в диапазоне углов атаки от 0 до 50 с общим шагом 5, и шагом 1 в диапазоне эксплуатационных значений от 25 до 45. Моделирование проводилось методом вычислительной гидродинамики CFD. Для минимизации погрешности, моделирование проводилось с пятисоткратным повторением в среде безграничной жидкости с учётом сжимаемости жидкости, изменений давлений и вязкости в толще жидкости, учётом турбулентных течений включая рассеивания турбулентной энергии в жидкости и изменений характеристики жидкости в условиях турбулентности, моделирования плёночных обтеканий вблизи стенок с расчётом напряжений сдвига поверхности, а также учётом кавитации и сопутствующих изменений течения жидкости. Суммарное количество экспериментальных циклов составляет 170500. Результаты испытаний полученных экспериментальных значений гидродинамической распорной силы представлены в Таблице 7.1, а также в Приложении Б и Приложении В.
Определение зависимости распорной силы траловых досок от толщины профиля
С целью увеличения гидродинамических показателей траловых распорных досок в их конструкции нашли широкое применение закрылки. Закрылки представляют собой поверхность, установленную на задней кромке траловых досок. Впервые положительное влияние закрылков на гидродинамические характеристики профиля было обнаружено К.Д. Вудом в 1938 г.. Исследованиям влияния закрылков на характеристики траловых досок посвящены работы В.П. Карпенко (1980), Ф.Л. Фридмана (1981), Аугулис П.П. (1985, 1988), в которых рассматривалось влияние плоских простых закрылков. Данный тип закрылков, позволяет увеличить радиус кривизны профиля, что приводит к смещению области рабочих углов атаки, увеличению циркуляционного обтекания крыла и за счёт этого происходит увеличение распорной силы. Положительный эффект от данного типа закрылков достигается на плоских прямоугольных траловых досках неприменяемых в условиях современной техники промышленного рыболовства. Траловые распорные доски, выпускаемые в настоящее время, используют сегментальные профили и таким образом эффект от установки простых закрылков соизмерим с увеличением толщины самого профиля. В современных конструкциях траловых распорных досок выпускаемых такими производителями как Thyboron, Hampidjan, Polar Fishing Gear, которыми оборудовано большинство траловых комплексов эксплуатируемых на судах промышленного рыболовства, применяются щелевые закрылки. Схема траловой доски с щелевым закрылком представлена на рисунке 10.1.
Приведённый тип закрылков получил своё название по причине образуемой им щели Yзк между основным профилем и профилем закрылка. Размеры закрылка в конструкции траловых досок эксплуатируемых в настоящей технике промышленного рыболовства находятся в диапазоне (10
Щель позволяет проходить потоку воды из области повышенного давления с внутренней поверхности траловой доски в область низкого давления с внешней стороны траловой доски, что благоприятно сказывается на характере обтекания траловой доски и гидродинамических показателях траловых распорных досок в целом.
В ходе проведённых исследований был произведён расчёт профилей с закрылками и без них. На рисунке 10.3 представлена эпюра обтекания траловых досок без закрылков, на рисунке 10.4 эпюра обтекания траловых досок с закрылками. Проходящая через щель закрылка струя жидкости, взаимодействуя с пограничным слоем, разгоняет его, препятствуя срыву потока с верхней поверхности траловой доски, что приводит к увеличению распорной
Для эффективной работы щелевых закрылков их необходимо размещать на границе зоны нулевого давления верхней поверхности траловых досок, которая является причиной образования кавитации и турбулентных течений снижающих гидродинамические качества и распорную силу. Однако, трудность при проектировании подобного типа траловых досок заключается в том, что зона понижения давления различна при разной толщине профиля и углах атаки траловых досок. В таблице 10.1, рисунке 10.5, рисунке 10.6 и рисунке 10.7 представлены результаты проведённого расчёта обтекания траловых распорных досок с толщиной профиля Bп =0,1 L; Bп =0,15 L; Bп =0,2 в диапазоне рабочих углов атаки = 25, = 30, = 35.
На основе анализа диаграммы обтекания траловых распорных досок представленных на рисунках 10.5, 10.6, 10.7, в соответствии со схемой установки щелевого закрылка, изображённой на рисунке 10.2, была составлена диаграмма, представленная на рисунке 10.8, на которой отображена зависимость положения закрылков Хзк, выраженного как соотношение к длине профиля L, от относительной толщины профиля В и угла атаки траловых распорных досок . Аппроксимируя данные диаграммы, представленной на рис.8, квадратичной функцией получим формулу: Хзк = -0,205+1,898-В+0,019- а+0,346-В2-0,061-В-а-0,0001- а2 (10.1) .1 позволяет, с вероятностью 0,98, определить положение щелевого закрылка относительно оконечности траловой доски. Согласно формуле 10.1 значения Хзк на рабочих углах атаки при Вп = 0,1L, Вп = 0,15L, Вп = 0,2L соответственно равны 0,13L, 0,23L, 0,34L.
В соответствии с рекомендациями ЦАГИ [Серебрийский, 1970], НПО промышленного рыболовства [Агулис, 1975], а также проведённых CFD расчётов, применим величину ширины щели закрылка Вщ = 0,025-L, а длину щели закрылка Ьщ = 0,3 -Ьзк.
Для определения влияния щелевого закрылка траловых распорных досок на величину распорной силы траловых распорных досок было исследовано 3 модели траловых досок с различной толщиной профиля, с определением Хзк согласно формуле 10.1 при значениях а обеспечивающих максимальные показатели распорной силы. Исследуемые модели траловых досок обладают следующими конструкционными характеристиками: - толщина профиля Вп = 0,1-L; (Хтах = 28; Хзк = 0,290-L; Ьзк =0,407-L; Вщ = 0,025-L; Ьщ =0.117Ь; - толщина профиля Вп = 0,15-L; (Хтах = 29; Хзк = 0,300-L; Ьзк =0,430-L; Вщ = 0,025-L; Ьщ =0.130-Ь; - толщина профиля Вп = 0,2-L; (Хтах = 39; Хзк = 0,330-L; Ьзк =0,470-L; Вщ = 0,025-L; Ьщ =0.140-Ь
Каждую модель траловых досок подвергли серии испытаний на углах атаки 0;5;10;15;20;25;30;35;40;45;50, а также с уточняющим интервалом 1 в диапазоне экстремумов с целью определения максимальных показателей распорной силы. Испытания проводились методом вычислительной гидродинамики CFD с использованием аппаратных программных комплексов с параллельным вычислением на основе полной модели Эйлера – Eulerian, моделей DPM и DEM на основе уравнений Лагранжа. Для минимизации погрешности, моделирование проводилось с пятисоткратным повторением в среде безграничной жидкости с учётом сжимаемости жидкости, изменений давления и вязкости в толще жидкости, с учётом турбулентных течений, включая рассеивания турбулентной энергии в жидкости и изменений характеристики жидкости в условиях турбулентности, моделирования плёночных обтеканий вблизи стенок с расчётом напряжений сдвига поверхности, а также с учётом кавитации и сопутствующих изменений течения жидкости. В общей сложности было проведено 49 серий экспериментов, включающих 24 500 экспериментальных цикла. Результаты проведённых расчётов представлены на рисунке 10.9 на котором пунктиром отображены диаграммы коэффициентов распорной силы траловых распорных досок с толщиной профиля 0,1 без закрылков и спешными линями с установленными закрылками; рисунке 10.10 на котором пунктиром отображены диаграммы коэффициентов распорной силы траловых распорных досок с толщиной профиля 0,15 без закрылков и спешными линями с установленными закрылками; 10.11 на котором пунктиром отображены диаграммы коэффициентов распорной силы траловых распорных досок с толщиной профиля 0,15 без закрылков и сплошными линями с установленными закрылками.