Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы современной науки об управляемости судна 17
1.1. Основные этапы развития теории управляемости судна 17
1.2. Экспериментальная база НГАВТ 19
1.3. Экспериментальная проверка системы допущений при составлении уравнений движения судна на течении 30
1.4. Структурная математическая модель движения водоизмещающе-го судна 33
1.5. Обзор существующих нормативных документов различных классификационных обществ и организаций, регламентирующих навигационные качества судна 48
1.6. Результаты анкетирования судоводителей по выявлению ситуаций, предъявляющих повышенные требования к управляемости судов 59
1.7. Проблемы идентификации математических моделей по данным натурных испытаний судов 63
1.8. Цели и задачи настоящего исследования 68
2. Исследование гидродинамических усилий на корпусах водоизме щающих судов 72
2.1. Теоретико-экспериментальные методы определения гидродинамических усилий на корпусе судна 72
2.2. Анализ экспериментальных методов определения гидродинамических усилий на корпусе судна 86
2.3. Разработка метода расчета гидродинамических корпусных усилий на глубокой воде 103
2.4. Исследование гидродинамических корпусных усилий в условиях стесненного фарватера 135
3. Исследование усилий на ДРК судов 153
3.1. Обзор теоретических методов определения усилий на ДРК 153
3.2. Анализ экспериментальных методов определения усилий на ДРК различных типов 156
3.3. Разработка методов расчета усилий на ДРК различных типов 161
4. Исследование взаимодействия движителя и корпуса судна 182
4.1. Физическая сущность взаимодействия движителя с корпусом судна 182
4.2. Экспериментальное исследование взаимодействия движителя с корпусом судна 188
5. Дополнительная конкретизация математической модели движе ния водоизмещающего судна 202
5.1. Исследование усилий инерционной природы 202
5.2. Определение аэродинамических усилий 205
6. Исследование общей математической модели движения водоиз мещающего судна 218
6.1. Расчетный вид математической модели движения водоизмещающего судна 218
6.2. Оценка достоверности математической модели 236
6.3. Уточнение математической модели движения конкретного судна по данным натурных испытаний 268
6.4. Разработка общих принципов нормирования управляемости во-доизмещающих речных судов 271
Заключение 274
Список использованных источников 278
- Экспериментальная проверка системы допущений при составлении уравнений движения судна на течении
- Анализ экспериментальных методов определения гидродинамических усилий на корпусе судна
- Анализ экспериментальных методов определения усилий на ДРК различных типов
- Экспериментальное исследование взаимодействия движителя с корпусом судна
Введение к работе
Актуальность проблемы. Специфика условий плавания по внутренним водным путям - стесненные габариты судового хода по радиусу, ширине и глубине, частота привально - отвальных операций у причалов и в шлюзах, маневрирование на рейдах и при расхождении со встречными и попутными судами зачастую в условиях ограниченной видимости оказывает определяющее влияние на безопасность судовождения и предъявляет повышенные требования к управляемости судов.
Безопасность плавания по внутренним водным путям во многом зависит от уровня профессиональной подготовки судоводителей, повышение которого осуществляется, в частности, в помощью обучения на судоводи-тельскігх тренажерах. Качество профессиональной подготовки обучающихся зависит, в свою очередь, от точности и адекватности математической модели тренажера.
Создание надежных современных методик расчета и прогнозирования маневренных качеств судов является основной проблемой при разработке «Норм управляемости судов и составов», так как Российским Реч-: ным Регистром нормируются все основные навигационные качества судов внутреннего и смешанного плавания, кроме управляемости.
Адекватность и надежность математической модели важна в случае ее практического применения при проведении судоводительских и технических экспертиз для оценки правильности и своевременности маневров, выполнявшихся судоводителями непосредственно перед совершенной ими аварией.
Снижение объемов путевых работ и уменьшение габаритов пути, наблюдаемое в последние годы, делает чрезвычайно актуальным решение широкого круга проблем, связанных с вопросами повышения безопасности плавания по внутренним судоходным путям.
Несмотря на успехи, достигнутые в области теоии_управляемого движения судна на течении реки по стесненному по ширине и глубине из-t/ вилистому фарватеру, по прежнему актуальными остаются проблемы, связанные с точностью и адекватностью результатов расчета по различным современным математическим моделям.
В теории судовождения много вопросов, не выясненных до конца, решение которых отложено до накопления новых данных, много задач, решение которых только намечено, есть задачи, методы решения которых физически недостаточно обоснованы.
Цель работы.
Диссертационная работа посвящена углубленному изучению гидродинамических аспектов безопасности плавания судов внутреннего плавания. Ее целью является создание математической модели, наиболее реально и физически обоснованно описывающей параметры маневрирования судов и толкаемых составов в специфических условиях их эксплуатации на внутренних водных путях.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
оценить степень точности и физической обоснованности современных методов определения гидродинамических усилий на корпусах судов, их движительно-рулевых комплексах (ДРК), а также методов учета кинематического и динамического взаимодействия ДРК и корпусов судов;
провести систематические испытания несамоходных и самоходных моделей судов и систематические испытания моделей ДРК, наиболее распространенных на современных судах;
провести всесторонние испытания натурных судов;
разработать практические алгоритмизованные методы расчета гидродинамических усилий на корпусах судов и их ДРК с учетом специфики судовождения на внутренних водных путях;
провести идентификацию полученной математической модели по данным натурных испытаний, а также путем систематических расчетов различных классических маневров и маневров, наиболее часто встречающихся в практике эксплуатации судов внутреннего плавания;
Методы исследования. Принципиальной основой выполненных исследований является отказ от бессистемного эмпиризма при разработке и алгоритмизации расчетных методов и синтез результатов детального анализа теоретических и эмпирических методов определения величин, составляющих основные гидродинамические аспекты математической модели движения судна.
В результате проведения теоретических исследований разработаны принципиально новые теоретические ^положения: основные выводы циркуляционно - отрывной теории обобщены в виде функционального ряда зависимостей коэффициентов гидродинамических усилий и относительного плеча зарыскивания от геометрических характеристик судна и кинематики его движения; на основе теории идеального движителя разработаны физически обоснованные структурные формулы для определения гидродинамических усилий на движительно-рулевых комплексах (ДРК) различных типов; на основе теории эквивалентного движителя разработа-
ны физически обоснованные формулы для расчета гидродинамических усилий при взаимодействии ДРК с корпусом судна.
Путем проведения систематических испытаний несамоходных моделей в опытовых бассейнах, в том числе на мелководье, в канале и на смоделированном течении, испытаний крупномасштабной самоходной модели, испытаний моделей движительно - рулевых комплексов различных типов осуществлено практическое решение научной проблемы - разработаны принципиально новые методы расчета гидродинамических усилий на корпусах судов и усилий на движительно-рулевых комплексах, а также принципиально новые методы учета кинематического и динамического взаимодействия ДРК и корпуса судна. При этом были использованы несколько специально разработанных диссертантом методов проведения таких испытаний.
Для построения математической модели управляемого движения судна использованы дифференциальные уравнения движения судна в сносящем потоке (на течении). Конкретизация общих уравнений осуществлена путем проведения систематических модельных испытаний и путем разработки алгоритмизованных методов определения гидродинамических усилий на корпусах судов и их движительно - рулевых комплексах.
Контроль физической обоснованности и достоверности разрабатываемых экспериментально-теоретических методов определения гидродинамических усилий осуществлялся путем проведения систематических модельных испытаний специально разработанными методами.
Адекватность математической модели натурным судам контролировалась путем систематических расчетов на ЭВМ и сравнением с результатами натурных испытаний, проведенных в различных бассейнах России.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
проведен анализ теоретических решений по определению усилий различной природы, действующих на корпус судна и его движители, выявлена их физическая сущность и основополагающие закономерности их изменения при маневрировании судна; теоретические решения использованы при конструировании структурных формул для расчета гидродинамических усилий;
разработано несколько оригинальных методов проведения испытаний несамоходных моделей, позволяющих более детально анализировать процесс управляемого движения судна; наиболее продуктивными из них являются метод нулевого момента, метод комплексного момента, экспресс метод и метод нулевого момента зарыскивания;
установлены основные закономерности изменения угла дрейфа судна в зависимости от кривизны траектории, глубины фарватера, направления и скорости течения;
убедительно доказано, что точка приложения главного вектора гидродинамических корпусных сил расположена в пределах корпуса судна при любых сочетаниях кинематических параметров движения судна и любой глубине фарватера;
- разработан уточненный метод определения гидродинамических
усилий, действующих на корпус судна при его маневрировании, в том
числе в условиях стесненного по глубине и ширине фарватера;
разработаны принципиально новые методы определения усилий на ДРК судна при его маневрировании;
разработаны принципиально новые методы определения коэффициентов взаимодействия движителя с корпусом судна при его маневрировании;
составлена общая математическая модель движения судна на течении;
показано, что положение второй критической точки на диаграмме управляемости существенно уточняется в соответствии с ее физическим смыслом;
подтверждена возможность отказа от необходимости введения в математическую модель идентификатора, условно называемого коэффициентом спрямления потока корпусом судна;
- найдено объяснение физической природы ухудшения управляемости судов на мелководье.
На защиту выносятся:
систематизация закономерностей изменения гидродинамических корпусных усилий, полученных теоретическими методами; теоретические структурные формулы для расчета усилий на движителыю - рулевых органах различных типов;
анализ методик проведения модельных испытаний в опытовых бассейнах по исследованию усилий, действующих на корпус судна, и оценка точности результатов, получаемых при этих испытаниях;
анализ различных современных методов расчета усилий, действующих на корпус судна, с учетом точности методик их определения и систематизации;
несколько оригинальных методов проведения испытаний несамоходных и самоходных моделей в опытовых бассейнах и на открытой акватории;
новый перспективный метод нулевого момента зарыскивания, дающий возможность непосредственно определять абсциссу точки приложения главного вектора гидродинамических сил на корпусе модели;
уточненный метод определения гидродинамических усилий, действующих на корпус судна при его маневрировании, в том числе в условиях стесненного фарватера;
приближенный метод определения гидродинамических усилий, действующих на корпуса судов толкаемых составов при их маневрировании, в том числе в условиях стесненного фарватера;
анализ различных современных методов расчета усилий на дви-жительно-рулевых комплексах судна с учетом точности методик их определения и систематизации;
принципиально новый метод расчета осевых вызванных скоростей винтов и комплексов винт-насадка и метод учета влияния корпуса судна на величину осевых вызванных скоростей;
принципиально новый метод определения усилий на ДРК судна при его маневрировании;
метод определения скорости попутного потока и скоса потока за корпусом судна при его маневрировании;
принципиально новый метод определения продольной силы засасывания, возникающей в кормовой части судна в результате работы движителей при маневрировании судна;
приближенный метод определения поперечной силы засасывания при маневрировании судна;
общая математическая модель движения судна, составленная на основе вновь разработанных методов расчета усилий неинерционной природы и методов расчета характеристик взаимодействия движителя с корпусом судна;
методика идентификации общей математической модели по
данным испытаний конкретного судна в реальных условиях его эксплуа
тации;
алгоритм программы судоводительского планшетного тренажера;
предложения к проекту «Норм управляемости водоизмещающих речных судов».
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная математическая модель движения судна может служить основой для решения широкого круга задач ходкости, управляемости, определения
инерционных характеристик судов, нормирования габаритов пути в реальных условиях эксплуатации на внутренних водных путях.
Математическая модель может быть использована в качестве математического обеспечения судоводительских тренажеров различного типа.
Математическая модель может быть использована для анализа причин аварий при выполнении судами различных маневров при различных путевых условиях и при расхождении со встречными и попутными судами.
Новые методы проведения модельных испытаний могут быть эффективно использованы в опытовых бассейнах научно-исследовательских организаций.
Систематические расчеты по разработанной математической модели могут быть использованы для разработки общих принципов нормирования управляемости водоизмещающих судов и составов.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены во многих бассейнах Сибирских рек при анализе причин аварий и разработке «Справочника маневренных качеств судов и составов». Метод расчета усилий на рулях различных конструкций использован при разработке раздела 6 «Маневренность» IV части Правил Речного Регистра России . Математическая модель использована при создании математического обеспечения судоводительского тренажера фирмы NORKONTROL, установленного в Волжской государственной академии водного транспорта, судоводительского тренажера огонькового типа, установленного в Новосибирской государственной академии водного транспорта и судоводительского планшетного тренажера на базе ЭВМ, используемого в учебном процессе Новосибирской государственной академии водного транспорта.
Основные методы исследований и выводы, полученные в результате разработки математической модели, внедрены в учебном процессе Новосибирской государственной академии водного транспорта при чтении лекций по дисциплинам «Ходкость и управляемость судна», «Теория и устройство судна», «Устройство и оборудование транспортных средств».
Апробация работы. Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-технической конференции НТО СП по экспериментальной гидродинамике судна (Ленинград, 1980), на IV национальном Конгрессе по теоретической и прикладной механике (НРБ, Варна, 1981), на научно-технической конференции НТО СП по проблемам повышения ходкости судов (Ленинград, 1983), на научно-технической конференции НТО СП по экспериментальным методам исследования способов активного воздействия на мореходные качества судов (Ленинград, 1984),
на научно-технической конференции НТО СП по проблемам совершенствования мореходных качеств судов (Ленинград, 1987), на международной научно-технической конференции по проблемам комплексного развития регионов Казахстана (Алма-Ата, 1996), на научно-технической конференции по обеспечению безопасности плавания судов (Н. Новгород, 1999), на научно-технической конференции СПГУВК (С-Петербург, 1999), а также на ежегодных научно-технических конференциях НГАВТ и Западно-Сибирского правления НТО ВТ (Новосибирск, 1971-1999).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 52 статьях (из них 35 в соавторстве) и монографии (см. перечень публикаций в конце реферата). Кроме того, материалы исследований содержатся в 17 отчетах по НИР.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и трех приложений. Содержание диссертации изложено на 294 страницах, включая 120 рисунков и 15 таблиц. Список литературы включает 186 наименований. Приложения содержат расчетные графики, программу для ЭВМ в среде Mathcad 7 Professional и справки о внедрении результатов работы.
Экспериментальная проверка системы допущений при составлении уравнений движения судна на течении
Блок-схема РВК го тока [УПТ] (ВИА-12), разработанного на базе прибора «Топаз - 3.011», до напряжения б В (порогового напряжения срабатывания микросхем аналогово-цифрового преобразователя [АЦП] (СЖ - 12)). Усилитель дооборудован шумопоглощающим фазовым фильтром, гасящим шумы усилителя и «траву» от сигналов динамометров. Информация в виде машинных кодов подается на внешний порт ЭВМ и фиксируется в ее оперативной памяти. Усилитель и преобразователь рассчитаны на одновременное считывание и обработку информации с 12 каналов.
Максимальная частота опроса датчиков 40000 Гц. Максимальное количество циклов (опросов всех задействованных датчиков) измерений может быть не выше 30000, деленных на количество задействованных каналов (ограничение связано с емкостью оперативной памяти ЭВМ). Общее время опроса датчиков задается перед началом пробега, замер может быть прерван в любой момент времени. Тарировочные коэффициенты для усилий вводятся в программу измерения. По окончании пробега информация выводится на экран дисплея в виде графиков или таблиц в функции от времени, отсчитываемому по внутреннему электронному таймеру ЭВМ, позволяя проводить оперативный анализ и предварительные расчеты. Затем информация записывается на магнитную дискету в виде отдельных файлов (средняя длина одного файла - 8 кБ), очищая оперативную память ЭВМ. Последующая обработка информации производится на более быстродействующей ЭВМ IBM PENTIUM.
Прямой опытовый бассейн, расположенный в лабораторном корпусе академии, введен в эксплуатацию в 1975 г. Он представляет собой бетонную чашу длиной 69 м, шириной 6,9 м и максимальной глубиной 3,4 м (глубина варьируется степенью наполнения бассейна). В нем смонтированы три дорожки с четырехколесными несамоходными тележками и подвесными вертикально перемещаемыми гондолами. На гондолах размещены вертикальные пилоны той же конструкции и назначения, что в циркуляционном бассейне.
Тележки приводятся в движение системами «бесконечного» троса с помощью приводов, установленных в торцевой части бассейна (на противоположном торце бассейна - натяжное устройство). Тиристорные приводы, установленные в прямом бассейне, аналогичны установленному в циркуляционном бассейне.
Для измерения усилий на моделях используется та же измерительная аппаратура и РВК. Для измерения скорости движения модели используются миллисекундомеры, измеряющие время прохождения шести мерных участков, а также тахогенераторы.
В стенках бассейна и его дне имеются специальные пазы, используемые для монтажа стенок каналов, а также при необходимости и подвесного дна. Бассейн оборудован волнопродуктором и волногасителем. Конструктивно предусмотрена возможность моделирования течения вдоль бассейна.
Крупномасштабная самоходная модель изготовлена в масштабе 1:10 по прототипу т/х пр. 576, на котором устанавливались ДРК различных типов и по которому имеются данные многочисленных натурных испытаний. Ее стальной корпус изготовлен в виде отдельных водонепроницаемых секций - носовой, кормовой и трех цилиндрических вставок, обеспечивающих варьирование длины модели от 7 до 11 метров; при соответствующей балластировке варьируется ее посадка. Запас водоизмещения обеспечивает размещение на модели необходимого оборудования и приборов, а также двух человек экипажа.
Модель полностью автономна. На ней установлена электростанция АБ-4-0/220-М 1 мощностью 4 кВт, обеспечивающая работу движителей и приборов. На модели предусмотрена возможность установки двух ДРК различных типов: комплексов винт - поворотная насадка, рулей за насадками и открытыми винтами, поворотных колонок и т.д. Такая возможность обеспечивается конструкцией привода ДРК, представляющего собой угловую колонку (передаточное отношение колонки 1:2,12) с вертикально расположенным двигателем постоянного тока номинальной мощностью 2 кВт при напряжении 27 В и номинальной частоте вращения 2500 об/мин. Частота вращения и мощность регулируются изменением напряжения питания.
Для устранения масштабного эффекта, проявляющегося в том, что, при соблюдении геометрического и кинематического подобия движителей, модель не развивает необходимой скорости, на ней предусмотрена возможность установки воздушного винта на динамометре, что предоставляет также возможность измерения сопротивления без привлечения дополнительных буксировочных средств.
Приводы с угловыми колонками подвешены на динамометрах той же конструкции, что и применяемых при испытаниях несамоходных моделей. При этом раздельно измеряются продольные и поперечные силы на винтах и насадках или рулях.
Анализ экспериментальных методов определения гидродинамических усилий на корпусе судна
В современной теории управляемости усилия, действующие на подводную часть корпуса судна, определяемые теоретически или эмпирически, например путем испытаний несамоходных моделей в бассейнах, принято представлять в качестве полных гидродинамических усилий, включающих в себя усилия как инерционной, так и вязкостно - волновой природы, в следующей, вытекающей из теории подобия, форме: Хг = 0,SCxrpLTv2; Yr = 0,5СугpLTv2; Мг = 0CmrpL2Tv2 (2.1)
Согласно теории гидродинамического подобия коэффициенты гидродинамических усилий, называемые гидродинамическими характеристиками. должны быть представлены в зависимости от основных геометрических характеристик судна, кривизны траектории, угла дрейфа и чисел: Фруда Fr = v/yfgL, Рейнольдса Re = vL/v, Струхаля Sh = vt/L, Ейлера Ей - 2р]pro2, однако в современной теории управляемости судна вводятся следующие упрощения. Число Эйлера не рассматривается, если движение судна не сопровождается возникновением кавитации. Влияние числа Струхаля исключают, используя, в частности, гипотезу квазистационарности, согласно которой при неустановившемся движении судна мгновенные значения гидродинамических характеристик при мгновенных значениях кинематических параметров равны их значениям, полученным при соответствующих кинематических параметрах установившегося движения.
Влияние числа Рейнольдса учитывают только при определении величины продольной гидродинамической силы (сопротивления воды движе 73 нию судна), исключая это влияние на поперечную гидродинамическую силу и гидродинамический момент на корпусе судна в предположении об отрывном характере обтекания корпуса судна, движущегося с углом дрейфа.
Влияние числа Фруда учитывают только на продольную гидродинамическую силу, а его влияние на поперечную гидродинамическую силу и гидродинамический момент на корпусе судна учитывают только для относительно быстроходных судов.
Для получения научно обоснованной структуры зависимостей гидродинамических усилий на корпусе водоизмещающего судна от кинематических характеристик его движения, а также для анализа влияния разме-рений и формы корпуса на эти зависимости можно обратиться к приближенной циркуляционно - отрывной теории крыла малого удлинения, развитой применительно к задачам управляемости судна в трудах Г.В. Соболева и К.К. Федяевского /144/,/159/.
Согласно этой теории судно, дублированное относительно ватерлинии, рассматривается как крыло предельно малого удлинения, движущееся по криволинейной траектории с линейной скоростью и, угловой скоростью со и углом дрейфа в центре тяжести /?. Вся поперечная нагрузка на каждый участок длины судна считается суммой двух независимых видов -циркуляционной (обтекание крыла с циркуляцией) и отрывной, возникающей при поперечном обтекании корпуса с отрывом пограничного слоя на скуле и образованием на внутреннем борту зоны пониженного давления.
Циркуляционная составляющая нагрузки инерционной и вязкостной природы определяется теоретически, а для определения отрывной составляющей используются результаты экспериментов с моделями судов. Циркуляционно-отрывная теория позволяет получить следующую структурную формулу для определения коэффициентов гидродинамических корпусных усилий: (2.2) сУг = с;р + cf/ЭД + с + cf РЩ + сс5Щ стг = ф + cf/ДО + elm + с&Щ + сгш\ш\. Согласно выводам линейной теории (теории крыла предельно малого удлинения) коэффициент поперечной силы Суг и коэффициент момента С представляются в виде: Суг = СЦр + Cf со; Стг = О + С:ш, (2.3) где производная коэффициента поперечной силы по углу дрейфа С и производная коэффициента момента рыскания по углу дрейфа С (относительно середины хорды) определяются только относительным удлинением крыла Л. Для судна, как крыла предельно малого удлинения с прямоугольной диаметральной плоскостью и с обводами эллиптической формы, эти производные равны: С = 1, -,!., (2.4) то есть относительное плечо зарыскивания относительно миделя равно: й = СЦС У = 0,5 (2.5) независимо от величины угла дрейфа. Утверждение (2.5) интерпретируется сосредоточением всей поперечной нагрузки на носовом перпендикуляре такого судна, а для учета формы диаметральной плоскости к формулам (2.4) предлагается вводить в виде сомножителей поправочные коэффициенты /159 стр.85/ - c=CjC2c m=mtm2fn3.
Анализ экспериментальных методов определения усилий на ДРК различных типов
Источником ошибок является также необходимость осреднения показаний регистрирующей аппаратуры, так как запись (на самопишущем потенциометре, шлейфовом осциллографе или компьютере) имеет характерный вид так называемой «травы». Эта «трава», являясь следствием проявления вихрей Кармана при обтекании потоком воды корпуса модели и рыскания модели, имеет апериодичный характер. Для уменьшения амплитуды «травы» применяются либо специальные электронные фильтры, либо осредняющие компьютерные программы. При отсутствии специальных средств осреднение производится органолептически, «на глаз».
Очевидно, что полностью устранить рассмотренные источники появления ошибок невозможно в силу их объективности, необходимо лишь тщательнее готовить эксперимент. В частности, для повышения точности установки угла дрейфа можно, отказавшись от традиционного трехкомпо-нентного динамометра, закрепляемого в центре тяжести модели, применить двух опорную систему с двумя двух и однокомпонентными динамометрами, (см. разд. 1.2).
При обработке результатов эксперимента и конструировании метода расчета гидродинамических корпусных усилий необходимо иметь в виду, что наибольшие погрешности возникают в диапазоне малых углов дрейфа (малые значения поперечной силы) и в диапазоне больших углов дрейфа при большой кривизне (малые значения момента).
Таким образом, при обработке и анализе результатов эксперимента нужно учитывать объективную вероятность возникновения систематических и случайных ошибок в их реальном диапазоне, аналитически относясь к результатам эксперимента, проводя контрольные испытания методом нулевого момента и методом нулевого момента зарыскивания, которые разработаны автором в том числе и для этих целей.
Гидродинамические характеристики корпуса судна могут быть определены методом Р.Я. Першица /130/, предложенного им в 1966 г. При использовании этого метода свободно плавающая несамоходная модель оборудуется воздушным винтом. Тяга винта Тв тарируется в швартовном режиме и при движении модели по криволинейной траектории практически не изменяется (при необходимости может быть измерена). Поворачивая ось винта относительно ДП модели на различные углы SR и перемещая винт вдоль ДП на различные расстояния хт от ЦМ, можно получить различные виды движения модели. Измеряя радиус, угол дрейфа и скорость на установившихся циркуляциях, рассчитывают величины гидродинамических корпусных усилий: (2.42) Yr = Тв s mSR + m(\ + kn) cos ft v2j кц, Mr - -xTTB sinSR. Этим методом в НИИВТ в 1975 г. с участием автора были испытаны толкаемые составы при определении параметров циркуляции фото способом/77/. Была отмечена (неосознанная вначале) особенность поведения модели при расположении оси винта в ее кормовой части, заключавшаяся в том, что крутых установившихся циркуляции получить было невозможно. Испытания проводились в режиме вперед из состояния покоя при заранее переложенном винте, то есть выполнялась «циркуляция со стопа». Модель при больших перекладках винта заносило кормой вперед, угол дрейфа по центру масс при этом превышал 90, и установившегося циркуляционного движения не получалось.
При наличии системы радиоуправления движения модели корректнее, видимо, было бы проводить испытания при перекладке винта на установившемся прямом ходу модели.
Для любого циркуляционного бассейна существует зона наименьшей кривизны, достижимой при определенной длине модели. При наличии результатов испытаний в прямом бассейне эта зона перекрывается путем интерполяции кривых коэффициентов усилий (при нулевой кривизне и при минимально достижимой).
В /130/ подробно описывается метод определения гидродинамических усилий при малых значениях кривизны циркуляции, включая нулевую, при испытании моделей в циркуляционном бассейне. Суть метода заключается в интерполяции кривых коэффициентов гидродинамических усилий при нескольких значениях кривизны циркуляции и при положительных и отрицательных углах дрейфа. Предполагается, что коэффициенты гидродинамических усилий, определенные при отрицательных углах дрейфа и положительной кривизне, равны коэффициентам при отрицательной кривизне и положительных углах дрейфа. Интерполяционные кривые при этом проходят через область малой кривизны, включая нулевую.
Автор пытался реализовать этот метод на модели длиной два метра при линейной скорости модели, равной 1 м/с. Плавных кривых, пригодных для качественной интерполяции, получить не удалось, так как зона интерполяции оказалась слишком широкой (сотЬ = 0,22), а также вследствие того, что обтекание модели при углах дрейфа разных знаков имеет различный характер, наблюдался большой разброс экспериментальных точек. В дальнейшем от применения этого метода пришлось отказаться и проводить дополнительные испытания в прямом опытовом бассейне.
В теории ходкости при исследовании сопротивления воды движению судна испытания моделей производятся при широком варьировании их скорости. Пересчет на натуру производится одним из двух способов -Фруда или Хьюза, причем кривые сопротивления как модели, так и натуры не квадратичны относительно скорости их движения. В теории управляемости традиционно считается, что коэффициенты гидродинамических усилий, определенные по результатам модельных испытании, равны соответствующим коэффициентам для натурного судна, то есть предполагается квадратичная зависимость усилий от величины линейной скорости при обеспечении турбулентного режима обтекания. Испытания моделей при этом обычно проводятся при постоянной скорости, определенной из условия равенства чисел Фруда модели и натуры на прямом курсе. Для большей надежности испытания иногда проводят при нескольких скоростях вблизи ожидаемой с последующим осреднением величин коэффициентов гидродинамических усилий.
Для быстроходных судов такие приемы приводят к заметному искажению результатов расчета параметров их движения. Результаты экспериментов, проведенных автором /40/, а также другими исследователями/126/,/148/, убедительно показывают значительную зависимость коэффициентов гидродинамических усилий от величины линейной скорости. Традиционно это явление объясняется влиянием волнообразования на свободной поверхности воды и учитывается введением поправок в виде зависимостей от числа Фруда, особенно для относительно быстроходных объектов.
Экспериментальное исследование взаимодействия движителя с корпусом судна
Таким образом, планирование и проведение экспериментов необходимо производить с учетом физической природы возникновения усилий на ДРК. При обработке результатов экспериментов необходимо дополнительно учитывать возможность проявления систематических ошибок. Если результаты эксперимента противоречат физической природе возникновения усилий на ДРК, необходимо в первую очередь провести анализ условий эксперимента, выявить, устранить или учесть влияние фактора, искажающего результаты эксперимента.
Конструирование методов расчета усилий на ДРК необходимо производить с учетом диапазона проявления случайных ошибок, не полагаясь всецело на математические методы обработки экспериментальных данных.
На речном флоте наиболее распространены одиночные и спаренные рули, многоперьевые системы рулей за открытым винтом, за КВН и поворотные насадки. Исследованию кинематики и динамики этих типов ДРК автор уделил первостепенное внимание.
Экспериментальное исследование усилий на одиночных, двойных рулях и комплексах Энкеля было проведено автором в прямом опытовом бассейне НГАВТ. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 3.1.
Она состояла из двух основных узлов: винтовой колонки (1) и рулевого устройства (2). Оба узла крепились через динамометры (3) к несущей балке, к которой на стойке также крепилась кавитационная плита (5), предназначенная для имитации корпуса судна и предотвращения просасы 162 вания воздуха к винту. Перекладка рулей производилась раздельно с помощью румпелей (4), закрепляемых винтом на неподвижном диске. Изменение угла дрейфа осуществлялось поворотом балки на тубусе тележки. Измерение усилий (продольных и поперечных на винтах и рулях раздельно) производилось, таким образом, в системе координат, связанной с подвижными координатами судна.
Масштаб моделей рулей был продиктован масштабом имевшихся в распоряжении автора моделей четырехлопастных винтов, изготовленных в Сибирском научно - исследовательском институте авиации на станке с ЧПУ для крупномасштабной самоходной модели. Винты правого и левого вращения серии Трооста имели следующие размерения: диаметр D =0,163 м, шаговое отношение Рр/) =0,761, дисковое отношение AE/AQ =0,50. В качестве базовой была выбрана модель комплекса рулей, установленных на пассажирском т/х пр. 302.
Так как диаметр винта этого теплохода равен 1,80 м, масштаб был принят равным 1:11,04. Рули имели прямоугольную форму со следующими размерениями (в метрах): средний руль - высота /ід=0,18, хорда 6 =0,116, толщина tR=0,02, ширина шайб bs =0,031, относительное удлинение XR - hR/bR=l,55, относительная толщина tR = tR/bR=0,\7, относительная ширина шайб bs = bsjbR=0,27\ бортовые рули - /г =0,18, 6 =0,10, tR=0,02, bs =0,031, f#=0,20, bs = 0,31, XR-1,805. Расстояние между баллерами рулей hs=0,082 при относительном расстоянии hs = hs/bR =0,7. Кроме того, были дополнительно изготовлены шесть рулей с измененными за счет хорды относительными удлинениями Ар = 1,0 и 2.0 (средние рули) и Ад = 1,16 и Ад=2,32 (бортовые рули) при сохранении остальных размерных величин. Испытания были проведены с одним средним рулем вне струи и в струе от винта, с двумя бортовыми рулями без винтовой колонки и в струе от винта при параллельной перекладке, с двойным и тройным комплексом
Энкеля без винтовой колонки и в струе от винта при варьировании скорости движения тележки бассейна до v =1,8 м/с (8-10 прохождений).
Вращение винта осуществлялось от электродвигателя постоянного тока мощностью 2,0 кВт, с номинальной частотой вращения 2500 об/мин через угловую колонку с передаточным отношением /=1:2,12. Частота вращения двигателя регистрировалась частотомером 43-32.
При проведении испытаний варьировались углы перекладки среднего руля 3% = 0, ± 5, ± 10, ± 20, ± 30, ± 42. Закон изменения перекладок бортовых рулей относительно среднего близок к линейному, при максимальной перекладке д = 75-42-90 (левый - средний - правый). Для двойных рулей использовался закон среднего - правого рулей. Поворотом тубуса тележки бассейна варьировался угол натекания потока {3R = 0, ± 10, ± 20, ±30. ±40, ±50.