Введение к работе
Актуальность проблемы. Водный транспорт является одним из жизненно важных звеньев в системе хозяйственного комплекса России, от эффективности его работы во многом зависят успехи других отраслей экономики. Трудно переоценить роль речного флота в освоении отдаленных районов Сибири, Якутии, Дальнего Востока, где на огромных просторах сосредоточены колоссальные запасы нефти, газа, цветных металлов и многих других полезных ископаемых. Часто водный транспорт является единственным средством доставки грузов в эти районы, и с его надежностью связано не только нормальное функционирование промышленных объектов, но и возможность выживания людей в сложных климатических условиях Сибири и Крайнего Севера.
Тенденции развития водного транспорта последних десятилетий, направленные на повышение эффективности перевозок, привели к тому, что основное ядро транспортного флота состоит из крупнотоннажных судов, размеры которых максимально используют габариты водных путей. Это обстоятельство заставляет с особым вниманием относиться к проблемам обеспечения безопасности плавания, пренебрежение которыми приводит не только к большим материальным потерям, связанным с аварийностью, но нередко и к гибели людей.
Ограничение затрат на содержание бюджетной сферы производства, наблюдаемое последние годы, привело к сокращению на 30% финансирования служб, осуществляющих путевые работы на реках, следствием которого явилось снижение объемов путевых работ и уменьшение габаритов пути. При этом, если формальное уменьшение глубин и ширин судового хода затронуло в основном реки с невысокой интенсивностью движения, то неформальные (перестраховочные) запасы габаритов исчезли повсеместно и полностью.
Сокращение габаритов делает чрезвычайно актуальным широкий круг вопросов обеспечения безопасности судовождения. Особенно жесткие требования должны быть предъявлены к точности определения безопасных запасов воды под днищем и скоростей при движении на мелководье, повышению мастерства судоводіггелей.
Цель работы. Диссертационная работа посвящена углубленному изучению гидродинамических аспектов безопасности движения судов и составов в мелководных руслах, поиску новых подходов к решению задач взаимодействия водного пути и флота и разработке на этой основе практических методов определения просадки судов, безопасных и допускаемых режимов, способов пересчета результатов модельных испытаний на натурное судно в
различных путевых условиях, а также совершенствованию математического обеспечения навигационных тренажеров.
Методы исследования. Для построения математических моделей использована двумерная теория движения судна на мелководье, разработанная автором на основе подходов, используемых при расчете открытых русловых потоков ("теория мелкой воды") и обобщенных автором на случай движения судна в мелководном русле произвольной конфигурации.
Проверка достоверности математического описания осуществлялась на основе результатов систематических модельных испытаний в руслах различной конфигурации при варьировании в широких пределах геометрии русла, степени стеснения, скорости движения модели.
Кроме того, качество математических моделей контролировалось путем обширных натурных испытаний, проведенных в четырех различных по путевым условиям бассейнах России (р.Обь, р.Енисей, р.Преголя, р.Иртыш).
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
разработана обобщенная теория "мелкой воды", позволяющая описывать напорно-безнапорные течения, наблюдаемые при движении судна в мелководном русле, осуществлена проверка адекватности этой теории;
предложены методы интегрирования уравнений обобщенной "теории мелкой воды" для задач с фиксированными и подвижными границами;
на основе численного моделирования и экспериментальных исследований разработаны методы определения безопасных и допускаемых режимов движения судов и составов в различных путевых условиях;
разработан метод пересчета на натуру результатов модельных испытаний в мелководных фарватерах;
предложен способ расчета естественных речных течений (без судна), необходимый для задания поля скоростей в судоводительском тренажере.
Практическая ценность теоретической части работы заключается в том, что разработанные двумерные математические модели взаимодействия корпуса и руслового потока могут служить основой для решения широкого круга вопросов ходкости, управляемости, безопасности плавания, в том числе для совершенствования методов нормирования габаритов пути, расчета инерционных характеристик и маневренных качеств судна.
Подтверждением эффективности предложенной теории для решения прикладных задач служат разработанные на ее основе методы обоснования безопасных и допускаемых скоростей, а также предложенная методика пересчета результатов модельных испытаний на натуру.
Результаты могут быть использованы в опытовых бассейнах научно-исследовательских организаций при моделировании движения судна на мелководье; в органах, контролирующих безопасность судоходства при
регламентации безопасных скоростей движения судов и составов по рекам и каналам, в пароходства* при определении экономически целесообразных (допускаемых) скоростей движения судов на мелководье, в проектных и производственных гидротехнических организациях при обосновании габаритов водного пути, на судоводительских тренажерах при математическом описании поведения судна в мелководных фарватерах.
Реализация результатов работы. Результаты работы по безопасным и допускаемым скоростям движения судна в ограниченном фарватере внедрены практически во всех бассейнах Сибирских рек (Обь, Иртыш, Енисей, Лена) и на каналах Российской Федерации. Обобщенная теория "мелкой воды" использована при создании новой методики моделирования движения судов на ограниченной глубине, защищенной авторским свидетельством, а также при создании математического обеспечения судоводительского тренажера фирмы NORCONTROL, установленного в тренажерном центре Волжской государственной академии водного транспорта.
Прикладные положения работы внедрены в учебном процессе Новосибирской государственной академии водного транспорта при чтении лекций но дисциплинам "Управление судами и составами", "Ходкость и управляемость"; использованы в учебниках и монографиях различных авторов.
Апробация работы. Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены на XIV Всесоюзной конференции по экспериментальной гидромеханике судна (Новосибирск, 1978), на научно-технической конференции НТО им. А.Н.Крылова (Калининград, 1979), на научно-технической конференции НТО СП Волжско-Камского бассейна (Горький, 1979), на XXXI Крыловских чтениях (Горький, 1983), на семинаре но Мореходным качествам судов НТО им. Крылова (Ленинград, 1984), на III научно-технической конференции Алферьевские чтения (Н.Новгород, 1990), на Международной Сибирской конференции по прикладной и индустриальной математике памяти лауреата Нобелевской премии Л.В.Канторовича (Новосибирск, 1994), на Международном симпозиуме по гидродинамике судна (Санкт-Петербург, 1995), а также на ежегодных научно-технических конференциях НГАВТ и Западно-Сибирского правления НТО ВТ (Новосибирск, 1978-1995).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 29 статьях (из них 15 в соавторстве) и вышедшей в январе 1995 монографии (см. перечень публикаций в конце реферата). Кроме того, материалы исследований содержатся в 10 отчетах НИР.
Структура » объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения. Содержание диссертации изложено на 213 страницах, включая 64 рисунка и 11 таблиц. Список литературы содержігг 198 наименований.