Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор исследований по определению гидродинамического коэффициента сопротивления плоской рыболовной сети при установившемся движении 11
1.1 Экспериментальные методы определения силы лобового гидродинамического сопротивления плоских сетей 11
1.2 Эмпирические формулы для расчета силы лобового гидродинамического сопротивления сетного полотна и их эволюция 24
1.3 Анализ скоростей течений в прибрежной зоне морей и рек некоторых рыбопромышленных районов Российской Федерации.. 33
1.4 Постановка задачи исследования 40
ГЛАВА 2 Экспериментальная установка для определения коэффициента гидродинамического сопротивлния 42
2.1 Описание экспериментальной установки и выявление ее возможностей 42
2.2 Разработка методики эксперимента для определения гидродинамического коэффициента сопротивления 52
2.2.1 Экспериментальная оценка величины разгонного участка 53
2.2.2 Оценка влияния ограниченных размеров резервуара на величины гидродинамических коэффициенте 55
Выводы к главе 2 57
ГЛАВА 3 Методика расчета коэффициента гидродинамического сопротивления плоской рыболовной сети при поперечном обтекании 59
3.1 Расчет силы гидродинамического сопротивления плоской сети по экспериментальным данным 60
3.2 Расчет коэффициента гидродинамического сопротивления сетного полотна при поперечном обтекании по экспериментальным данным 62
3.3 Оценка точности измеренных и вычисленных величин при определении коэффициентов гидродинамического сопротивления Сх 65
3.4 Применение методики сглаживания и осреднения реализаций случайной функции для получения коэффициента гидродинамического сопротивления Сх по опытным данным других исследователей в переходной области сопротивления 71
Выводы к главе 3 78
ГЛАВА 4 Полуэмпирическая модель сопротивления плоской рыболовной сети при поперечномобтекании .. 80
4.1 Математическая модель сопротивления для плоской сети в переходной области сопротивления и ее левая граница 80
4.2 Правая граница переходной области сопротивления и анализ зависимостей для коэффициента гидродинамического сопротивления Сх в автомодельной области 86
4.3 Алгоритм расчета коэффициента Сх для плоской сети во всем диапазоне чисел Рейнольдса 92
4.4 Сравнение стандартной кривой сопротивления сетного полотна с формулами других авторов 93
Выводы к главе 4 97
ГЛАВА 5 Использование алгоритма и полуэмпирической модели для определения лобовой силы гидродинамического сопротивления сетного полотна при поперечном обтекании 98
5.1 Блок-схема расчета лобовой силы гидродинамического сопротивления плоской сети при поперечном обтекании 98
5.2 Практическое использование полуэмпирической модели и алгоритма для определения лобовой силы гидродинамического сопротивления полотна ставной сети 101
5.3 Особенности расчета гидродинамического сопротивления рыболовной сети в разных районах промысла 105
Выводы к главе 5 109
Заключение
Список литературы
- Эмпирические формулы для расчета силы лобового гидродинамического сопротивления сетного полотна и их эволюция
- Экспериментальная оценка величины разгонного участка
- Оценка точности измеренных и вычисленных величин при определении коэффициентов гидродинамического сопротивления Сх
- Правая граница переходной области сопротивления и анализ зависимостей для коэффициента гидродинамического сопротивления Сх в автомодельной области
Эмпирические формулы для расчета силы лобового гидродинамического сопротивления сетного полотна и их эволюция
Испытания проводились с 17-ю различными образцами сетей [97].
Приспособление М. Tauti, Miura и Sugii имело некоторые недостатки. Например, трудно было регулировать груз, так как он всё время находился в воде. Замер экспериментальных данных, как указывал М. Tauti, происходил при наличии некоторого течения и качки судна, что в свою очередь влияло на точность замеряемых величин в процессе эксперимента. Следует отметить, что в этих экспериментах использовались преимущественно хлопчатобумажные сети, которые были осмолены каменноугольной смолой. Процесс обте кания сетных образцов при угле атаки 90 П происходил в диапазоне скоростей v = 0,1-0,6 м/с. Судя по графикам для силы лобового сопротивления R = f(v), приведенных в их работе [97], изменение скоростей проводилось только три раза для каждого образца. Поэтому графики на рисунке 1.4 представляют собой ломаные линии, соединяющие экспериментальные точки.
В 1927 г. экспериментатор Miyake [73] продолжил исследования своих соотечественников М. Tauti, Miura и Sugii. Цель исследования заключалась в том, чтобы дополнить экспериментальные данные М. Tauti, которые бы позволили более детально рассмотреть вопрос зависимости между гидродинамическим сопротивлением и посадкой сети. Способ постановки эксперимента был идентичен тому, который использовал М. Tauti,Miyake исследовал сети из манильской бечевки весом 5 г на 1 м, осмоленной каменноугольной смолой. Однако, испытания были не очень удачными, экспериментальных данных было мало. По хаотично расположенным экспериментальным точкам вообще невозможно было установить какой - либо закономерности [75]. Miyaki менял скорость для каждой сети только один раз: минимальная скорость исследования для сети, расположенной перпендикулярно набегающему потоку, была равна 0,135 м/с, а максимальная - 0,57 м/с. Но, как установил Н.Т. Сенин [75], опыты Miyaki, на самом деле, не стали дополнением к исследованиям М. Tauti, так как ему не удалось получить для силы сопротивления ту же зависимость, что у его предшественника. Существенный недостаток работы Miyaki - отсутствие возможности установить по графикам коэффициент сопротивления, так как данные о величинах ячеи испытанных сетных образцов в работе не были зафиксированы.
В 1934 г.М. Tauti продолжил работу по исследованию гидродинамического сопротивления сетей. Следует отметить, что М. Tauti новых экспериментов не проводил. Он анализировал свои ранее полученные экспериментальные данные и данные Miyake. Особое внимание уделил разбору графиков экспериментальных данных, построенных Miayke. Но, как отмечено Н.Т.Сениным[75], экспериментальных данных было столь «недостаточно и они были настолько разноречивы, что при толковании их можно до некоторой степени делать различные выводы из одних и тех же цифр. М. Tauti и Miyaki так и поступали».
В 1935 г. Н.Т. Сенин проводил исследования по определению сопротивления плоских сетей при поперечном обтекании. Устройство, изображённое на рисунке 1.5, использованное в эксперименте, состояло из бамбуковых па-лок диаметром 15 мм, квадратной рамы площадью 10 м . К ней при экспериментальных работах поочерёдно прикреплялись различные сети одинаковой с рамой площадью. Сети имели разные номера ниток и шаг ячеи. В эксперименте использовались четыре сети. Их геометрические характеристики приведены в таблице 1.2.
Н.Т. Сенин [75] испытывал плоские сети, расположенные под углом 90 П к вектору скорости набегающего потока воды. Гидродинамическое сопротивление сетей определялось при трех скоростях: v = 0,133 м/с; v = 0,266 м/с; v = 0,53 м/с. Таблица 1.2- Геометрические характеристики сетей в экспериментах
Экспериментальная установка Н.Т. Сенина, представленная на рисунке 1.5, не работала по принципу машины Атвуда. Тяга рамы осуществлялась лебедкой. Сначала определялась гидродинамическое сопротивление пустой рамки, затем рамки с сеткой. Сопротивление собственно сети определялось как разность сопротивлений рамки с сеткой и рамки без сетки. По поводу проведенных экспериментов Н.Т. Сенин сделал такой вывод, что опыты необходимо продолжать и идти по линии изучения сопротивлений многих сетей с неодинаковыми значениями шага ячеи и разными номерами ниток. Кроме того следует проводить эксперименты с максимальными по площади сетями.По его мнению,испытания образцов сетей в лабораторных условиях требуют очень большой точности замеров и организации эксперимента.
В 1955 г. японец Н. Miyamoto [93] проводил эксперименты в опытовом бассейне размером 70x4x2 м. Образец сетного полотна с коэффициентами посадки ux = иу=0,707 (посадка «в квадрат») натягивался на рамку из металлической трубки диаметром 20 мм. Площадь сетного полотна в плане составляла 1x1 м. Образец буксировался электродвигателем тележки перпендикулярно вектору скорости набегающего потока воды.
Скорость изменялась в пределах v = 0,2-2,5 м/с. Во всех предыдущих экспериментах испытания сетей при таких больших скоростях не проводились. Но была проблема с испытаниями сетей при малых скоростях: создать скорости на установке меньше, чем v = 0,2 м/с не удалось [93].
Экспериментальная оценка величины разгонного участка
В соответствии с поставленной задачей исследования простая и дешевая малогабаритная лабораторная экспериментальная установка была спроектирована и изготовлена [8,20,21,54,55]. Тип установки - гравитационный с использованием принципа действия известной машины Атвуда. Схема установки приведена на рисунке 2.1. Образец рыболовной сети можно перемещать в емкости так, что вектор скорости либо перпендикулярен, либо параллелен его плоскости.
Установка включала в себя: резервуар с водой 1, поперечную связь 2 с направляющими роликами 3, рамку 4 с сеткой 5, шайбу 6, гибкую нить 7, съемный груз переменной массы 8. Резервуар 1 представлял собой емкость в форме параллелепипеда (высота - 1,15 м; ширина - 1,10 м; длина - 1,55 м.), заполненную водой. Поперечная связь 2 - деревянный брус, к которому в центральном и концевом сечениях прикреплены направляющие ролики 3. Экспериментальным объектом являлась металлическая рамка 4, имеющая форму прямоугольника, к которой крепился образец сети 5. С помощью капроновой нити 7, пропущенной через стопорную шайбу 6, установленную в центре тяжести рамки с сеткой, и направляющие ролики поперечной перекладины, рамка с сеткой могла перемещаться по вертикали. На дно резервуара рамка с сеткой опускалась под действием собственного веса. Нить удерживалась в рабочем положении грузом массой 0,1 кг. Для поднятия рамки из резервуара к нити подвешивались дополнительные мерные грузы. Положение статического равновесия рамки с сеткой, находящейся в баке с водой, определялось перед проведением эксперимента с помощью набора мерных
После определения положения статического равновесия при различных массах дополнительных грузов ШіОпределялось время подъема рамки с сеткой до уровня свободной поверхности воды. Когда рамка с сеткой поднималась до уровня свободной поверхности, стопорная шайба 6 ударялась о деревянный поперечный брус 2, что позволяло зафиксировать время окончания подъема. Время подъема измерялось электронным секундомером. Зная время подъема рамки с сеткой, высоту подъема, массы съемных грузов, при кото рых начиналось движение испытуемого объекта, расчетом определи значения гидродинамических коэффициентовсопротивления сетки вместе с оснасткой при различных скоростях. Для получениягидродинамических коэффициентов сопротивлениясобственно рыболовной сетки проводили аналогичные испытания и замеры для рамки без сетки. Затем последующими расчетами влияние оснастки на величины гидродинамических коэффициентов сопротивления сеткиисключали.
На фотографиях рисунка 2.2 и рисунка 2.3 приведены основные части экспериментальной установки: емкость с водой, деревянная поперечная связь с направляющими роликами, гибкая нить с дополнительными съемными грузами.
Емкость с водой и поперечная связь с роликами Важным элементом экспериментальной оснастки являлась специальная рамка, к которой крепилась рыболовная сетка. При постановке эксперимента были использованы две рамки различных размеров. Основные геометрические характеристики рамки №1: форма - квадрат; профиль обода - двутавровый; ширина полки двутаврового профиля - 20 мм; внешняя сторона квадрата- 500 мм.
Фотография рамки №1 с гибкой нитью и стопорной шайбой для поперечного перемещения сетного образца в воде приведена на рисунке 2.4. Материал рамки №1 - дюралюминий.
Рамка №1 была использована на начальном этапе постановки эксперимента для определения возможности получения информации при перемещении опытного образца со скоростью менее v 0,1 м/с [18]. Замеры времени подъема рамки с сетным образцом проводили для каждой массы дополнительного груза по шесть раз, число дополнительных грузов было равно восьми, суммарное число опытов - 48, высота подъема образца со дна бака до уровня на 0,05 м ниже свободной поверхности воды Н = 0,95 м.
Для создания необходимого поля скоростей движения опытного объекта были испытаны три типа сетных образцов, для которых суммарное количество опытов составило 144 единицы. Основные характеристики сеток приведены в таблице 2.1.
Первичная информация, непосредственно получаемая из опыта: ШІ- массы дополнительных грузов, t- время подъема рамки с сеткой или без нее со дна бака до свободной поверхности воды - приведены в ПРИЛОЖЕНИИ А, таблицы А. 1 - А. 4.
Оценка точности измеренных и вычисленных величин при определении коэффициентов гидродинамического сопротивления Сх
Причина большого различия в значениях коэффициентов Cx(Re .), определенных по формуле (1.18) и опытными данными, явилось следствием того, что в [84,85,86] процедура осреднения была проведена по всей совокупности результатов испытания сетей, а не по реализациям случайной функции в переходной области сопротивления.
Используя методику сглаживания и осреднения реализаций случайной функции только для переходной области сопротивления (Re?, = 120-4000; Re = 40-1000) получили другие константы - результат расчета коэффициентов Cx(Rex) по формуле (3.20). Сплошная (3.20) и пунктирная линии (1.18) существенно отличается друг от друга.
К. Уатато1:оисследовал гидродинамическое сопротивление 8-ми образцов нейлоновых сетей [98]. Геометрические характеристики сетных образ-цов: площадь в плане первых двух образцов F = 0,0288 м ; остальных -F = 0,72 м2; у всех сетных образцов Fo = 0,086; их = иу = 0,707.
К. Уатато1:оопределял силу гидродинамического сопротивления в единицах кгс и использовал формулу Rk = bkvnlk. Для того чтобы можно было сравнивать результаты обработки экспериментальных данных К. Yamamoton результаты обработки по методике сглаживания реализаций случайной функции, указанную выше формулу привели к виду (3.7) и получили зависимость, по которой сила сопротивления измерена в ньютонах, Н
Используя методику сглаживания и осреднения реализаций случайной функции в диапазоне чисел Рейнольдса 150 Re 1000 для этих же экспериментальных данных, получили зависимость с другими константами
На рисунке 3.6 сплошной линией представлены результаты вычисления коэффициента лобового гидродинамического сопротивления по формуле (3.22). Штриховая линия - вычисления по формуле (1.22). Авторы [98] искали сглаживающую кривую сразу для всех опытных данных, как будто они принадлежали одной реализации случайной функции, что недопустимо. Это и привело к заметным искажениям.
Экспериментальные данные Т. Kawakami, А.Л. Фридмана, К.Yamamoto представляют собой разные реализации случайной функции. Для каждой реализации автором работы были выведены формулы для определения коэффициента Сх в переходной области сопротивления. Уточненные модификации эмпирических зависимостей приведены в таблице 3.9. Сх І L л і\ л Экспериментальные зависимости [98] коэффициента гидродинамического сопротивления плоских сетей от числа Рейнольдса и кривые сглаживающих зависимостей по формулам (1.22), (3.22)
Формулы для определения гидродинамического сопротивления Сх в переходной области сопротивления Исследователи Старые эмпирические зависимости Уточненные зависимости по методике сглаживания и осреднения реализаций случайной функции Т. Kawakami [92] /тс \0,28 С =16(Э (12) /9Р ч0,19Сх = 8,77() (3.19) А. Л. Фридман [86] 9Р 0,070, = 3( (1.18) Сх = 10,зф 25(з.20) К. Yamamoto [98] С = 4,2 У) (1,22) Сх= 12,9( ) (3.22) Зависимости (3.19), (3.20), (3.22) получены для диапазона чисел Рейнольдса Re = 150-1000. С целью уменьшения количества формул для данной зоны сопротивления продолжили осреднение Сх как случайной функции при одном и том же значении неслучайного аргумента Re по сечению и вывели одну общую зависимость, пригодную к использованию в этом диапазоне чисел Рейнольдса [11,52] Сх = 9,33( )0 216 (3.23)
Далее определили относительные погрешности вычисления Сх в функции от Re в процентах по формуле (3.23) по отношению к исходным зависимостям (3.19), (3.20), (3.22). Графики изменения относительной погрешности вычисления Сх в функции от Re в процентах приведены на рисунке 3.7. Значения погрешностей для переходной области сопротивления (Re?, = 120-4000; Re = 40-1000) с увеличением Яе возрастают, но не превышают 15% [11,52].
Зависимость коэффициентов сопротивления Сх= /(Re) во всем диапазоне чисел Рейнольдса для любого тела носит название стандартной кривой сопротивления [88] или полуэмпирической модели сопротивления. Например, в [72] подробно описана зависимость коэффициента гидродинамического сопротивления от числа Рейнольдса для бесконечного цилиндра. Зона линейного сопротивления цилиндра существует при числах Re 1,5 (нижнее критическое число Яел = 1,5). Автомодельная область сопротивления существует при Re 103 (верхнее критическое число Rea = 103). Переходная область сопротивления цилиндра существует при Ren Re Rea. В соответствии с поставленной задачей исследования в работе была создана полуэмпирическую модель сопротивления зависимости коэффициентов сопротивленияСс= /(Re) от чисел Рейнольдса для плоской рыболовной сети при ее поперечном обтекании [13,14,52,56,61,95].
Правая граница переходной области сопротивления и анализ зависимостей для коэффициента гидродинамического сопротивления Сх в автомодельной области
В качестве примера рассмотрели ставную сеть для лова сельди в прибрежной зоне Охотского моря. Руководящими документами по рыболовству установлен минимальный размер ячеи для вылова сельди -а = 36мм. В этом случае номер артикула сети 355, структурный номер нитки 34/2x3. Диаметр нитки для данного артикула сети определили по формуле (1.48) из [87] - d = 0,7 мм = 0,7-10 "3 м. Сплошность сети определили по формуле (1.49) из [87] - F0 = 0,04. Для Охотского моря [41] скоростной диапазон 0,1 м/с V 0,9 м/с , кинематическая вязкость д ср= 1,5-10 "6 м2-с "\
Создание кривой сопротивления для сети артикула 355 начинаем с определения чисел Рейнольдса в заданном скоростном диапазоне и вычисления числа Re = Rekno формуле (4.7): Rek = 404. Правая граница переходной области определена. Вычислили значения Re = 80-F0 = 3,2 и Re = 400-F0=16. Выбирали формулу, которой можно пользоваться для определения коэффициента Сх в заданном скоростном диапазоне 400 F0 Re Rek или 16 Re 404: формула (3.26) для скоростей 0,1 м/с V 0,8 м/с и (4.6) для скорости V = 0,9 м/с. Вычисленные по формуле (3.26) коэффициенты Сх приведены в таблице 5.3.
Кроме коэффициентов Сх в таблице 5.3 определены силы сопротивления Rx для сети 355 по известной в гидромеханике формуле [46], учтя, что сред-няя плотность воды в Охотском море - 1045 кг/м , площадь ниток сети 355 равна FH=11,4 м2.
Кривая сопротивления в табличной форме построена. Для заданного района промысла и диапазона скоростей была использована одна расчетная формула (3.23).
Изменим район промысла. Для Балтийского моря [41] скоростной диапазон 0,03 м/с V 0,2 м/с . Кинематическая вязкость морской воды# ср= 1,44-10 "6 м2-с-1. Ограничения по числам Рейнольдса и значение Кекостались те же. Коэффициент сопротивления определили по формуле (3.26) для скоростей 0,04 м/с V 0,20 м/с и (3.8) для скорости V = 0,03 м/с. Коэффициенты Сх исилы сопротивления сети 355 для районапромысла - Балтийское море приведены в таблице 5.4.
В диапазоне скоростей течений Балтийского моря сеть 355 также находится в переходной зоне сопротивления. Из сравнения сил сопротивлений, приведенных в таблице 5.3 и 5.4, следует вывод, что в Охотском море сетное полотно нагружено силами сопротивления в большей степени, чем в Балтийском море. Учет особенностей районов эксплуатации позволит спроектировать оснастку орудия рыболовства необходимой конструкции. 1. Разработан алгоритм по определению силы гидродинамического сопротивления Rx для плоской сети как основной конструктивной части ставного орудия лова в практически значимом для условий промысла диапазоне чисел Рейнольдса. 2. Алгоритм соответствует стандартной кривой сопротивления плоской сети, построенной при помощи формул, прошедших обработку по теории случайных функций. 3. Рассмотрен пример расчета силы гидродинамического сопротивления Rx ставного орудия лова с использованием разработанного алгоритма. 4. Выполнен сравнительный анализ коэффициентов Сх, определенных по алгоритму и формуле (1.18), и показано, что формула (1.18) в автомодельной области сопротивления дает большие погрешности. 5. Величина силы лобового сопротивления, действующая на сеть одного и того артикула является функцией района эксплуатации орудия лова: ставная сеть в прибрежных водах Балтийского моря будет загружена меньше, чем в Охотском море.
В результате выполненных в работе исследований по определению гидродинамических характеристик плоской рыболовной сети, расположенной перпендикулярно вектору скорости набегающего потока воды, определены возможности использования уточненных и вновь выведенных зависимостей для определения коэффициента лобового сопротивления во всем практически значимом в промышленном рыболовстве диапазоне чисел Рейнольдса.
l.Ha лабораторной экспериментальной установки, спроектированной автором, были проведены опыты и получены значения гидродинамических коэффициентов сопротивления плоских рыболовных сетей при поперечном обтекании в наименее исследованной до настоящего времени переходной области сопротивления при скоростях движения V 0,1 м/с, что соответствует числам Рейнольдса ReT 150.
2. Применив методику сглаживания и осреднения реализаций случайной функции к обработке своих опытных данных, получили экспериментальную зависимость (3.8), пригодную для определения коэффициентов лобового гидродинамического сопротивления сетного полотна при числах Рейнольдса Re 150; точность определения Сх по формуле (3.8) составляет 5-9,6%.
З.С помощью теории случайных функций был проведен анализ всей доступной экспериментальной информации и определены уточненные эмпирические константы в зависимостях для коэффициента лобового сопротивления плоских рыболовных сетей при поперечном обтекании во всем диапазоне чисел Рейнольдса в функции от двух контролируемых параметров: числа Рейнольдса и сплошности сети.
4. Для коэффициента Сх в каждой зоне сопротивления по методике сглаживания и осреднения реализаций случайной функции были получены уточненные математические зависимости: линейная область сопротивления -формула (4.7), переходная область сопротивления - формулы (3.8) и (3.23), автомодельная область сопротивления - формула (4.11).
5.На базе указанных выше формул была разработана полуэмпирическая модель или стандартная кривая сопротивления зависимости Сх= f(Re) и алгоритм, которые составили основу усовершенствованной методики определения гидродинамического сопротивления Rx плоской рыболовной сети при поперечном обтекании.
6.Из процедуры сравнения стандартной кривой сопротивления сетного полотна с формулами Фридмана-Данилова (1.18) и T.Kawakami (1.20) выявлен диапазон чисел Рейнольдса, в котором этими известными в промышленном рыболовстве формулами можно пользоваться: формула (1.18) - Re =120-1000; формула (1.20) - Re 40.
7.Стандартная кривая сопротивления и алгоритм могут быть применены на практике для расчета сил гидродинамического сопротивления рыболовных сетей при их проектировании.
Перспективы дальнейшей разработки темы: - следует продолжить исследования, направленные на повышение точности определения первичной экспериментальной информации на спроектированной лабораторной установке и получению значений гидродинамических коэффициентов сопротивления плоской сети при продольном обтекании; - используя теорию случайных функций, разработать усовершенствованный метод расчета определения коэффициента гидродинамического сопротивления плоской сети, расположенной под углом менее 90 П к вектору скорости потока воды.