автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Ледовое сопротивление судов с большим коэффициентом общей полноты при взаимодействии с битым льдом

На правах рукописи

Сандаков Михаил Юрьевич

ЛЕДОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СУДОВ С БОЛЬШИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ОБЩЕЙ ПОЛНОТЫ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С БИТЫМ ЛЬДОМ

Специальность 05.08.01 - Теория корабля и строительная механика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК т

Нижний Новгород - 2013

005542187

Работа выполнена на кафедре «Кораблестроение и авиационная техника» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Зуев Валерий Андреевич

Официальные оппоненты: Савинов Владимир Николаевич,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университетим. P.E. Алексеева», профессор

Лобанов Василий Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта», г. Н.Новгород, доцент

Ведущая организация: ОАО «Центральное Конструкторское бюро «Лазурит»,

Защита состоится «26» декабря 2013 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.165.08 по специальности 05.08.01 -Теория корабля и строительная механика- ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева». ,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева».

Автореферат разослан »25 » ноября 2013 года.

Ученый секретарь

г. Нижний Новгород

диссертационного совета

Грамузов Евгений Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Водные просторы соединяют народы нашей планеты, и водный транспорт является инструментом этого соединения. Но не во всех широтах земного шара возможны беспрепятственные водные сообщения в течении всего года. Причиной тому являются ледовые явления, которые затрудняют плавание судов. Продление навигации является важным резервом в развитии работы флота.

Перед российским судостроением встают задачи создания судов, в том числе и баржевых составов способных работать в битых и мелкобитых льдах. Продолжение работ по продлению навигации на внутренних водных путях России позволит добиться следующих результатов:

■ выравнивание сроков начала навигации из-за того, что освобождение водохранилищ ото льда наступает на 8-15 дней позднее, чем на открытых участках рек. Здесь необходимы транспортные суда, приспособленные для успешной работы в ледовых условиях;

■ транспортное освоение малых рек, которое часто связано с возможностью судоходства в период половодья. Поэтому раннее открытие навигации на магистральных реках позволит своевременно доставить грузы к устьям малых рек и вывести продукцию деятельности многих районов, не имеющих к тому же разветвлённой сети железных дорог;

■ прогнозирование затрат и сроков, связанных с выполнением ледовых проводок транспортных судов.

Для решения этих задач исследования ледопроходимости транспортных судов в условиях битых льдов остаются актуальными и по сей день. В настоящее время не существует научно обоснованного подхода к проектированию транспортных несамоходных речных судов приспособленных работать в условиях ледовой навигации. Методы расчёта ледового сопротивления, созданные для транспортных судов, не всегда могут быть корректны по отношению к данному типу судов, ввиду большой полноты корпуса и соотношений главных размерений В/Т = (6-8).

В настоящей работе рассматриваются вопросы создания метода расчёта ледового сопротивления для судов, имеющие коэффициент общей полноты корпуса 5=(0,85~0,98) при работе в битых льдах. В методе расчёта использована математическая модель взаимодействия корпуса заданного судна с мелкобитым льдом, и применён полуэмпирический подход к разработке схемы определения ледового сопротивления.

Целью работы является, разработка метода определения ледового сопротивления судов с полными образованиями корпуса в условиях битых льдов.

Задачи исследования:

" построение феноменологической картины взаимодействия корпуса судна с большим коэффициентом общей полноты;

■ построение математической модели взаимодействия судна с битым льдом;

■ проведение натурных наблюдений за работой судов с полными обводами в условиях битого льда;

■ проведение модельных исследований ледовой ходкости судов с полными обводами;

■ построение алгоритма расчёта ледового сопротивления битого льда движению судам данного типа;

■ оценка влияния отдельных факторов на ледовую ходкость судна.

Объектом исследования являются суда с большим коэффициентом общей

полноты корпуса работающие в битых льдах, а также ледовое сопротивление движению судов с большим коэффициентом общей полноты в мелкобитым льду.

Методы исследования: методы обработки экспериментальных данных, элементы системного подхода при разработке алгоритмов, элементы аппарата аналитической геометрии, численные методы математического анализа.

Научная новизна. Предложен метод расчёта сопротивления мелкобитого льда движению судов с большим коэффициентом общей полноты. Разработаны феноменологическая и математическая модели взаимодействия корпуса судна с битым льдом. Проведены экспериментальные исследования влияния геометрических параметров судов данного типа на ледовую ходкость. Проведены модельные и натурные испытания ледовой ходкости несамоходных судов.

Положения, выносимые на защиту:

■ оценка влияния ледовых условий на ледовую ходкость транспортных судов в мелкобитом льду;

■ физическая модель ледового образования впереди корпуса

судна;

■ математическое описание ледового образования и определение параметров;

■ математическая модель взаимодействия судна с большим коэффициентом общей полноты с мелкобитым льдом;

■ метод расчёта ледового сопротивления движению судна с полными обводами при движении в битом льду;

■ оценка влияния обводов корпуса транспортных судов на ходкость в условиях битых льдов.

Достоверность результатов, полученных в работе, подтверждается хорошим совпадением результатов расчёта с данными натурных и модельных исследований при использовании разработанной информационной базы, а также выполненными статистическими исследованиями с оценкой погрешности результата.

Практическая значимость работы. Разработанная методика расчёта ледового сопротивления судов с большим коэффициентом общей полноты при взаимодействии с битым льдом может использоваться в проектных и научно-исследовательских организациях, также в судоходных компаниях. Результаты исследований использованы в научно-исследовательских работах, выполненных в НГТУ им. P.E. Алексеева, а также нашли применение в учебном процессе кафедры «Кораблестроения и авиационной техники» ФБГОУ ВПО НГТУ им.Р.Е. Алексеева при выполнении магистровских работ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной памяти В.М. Керичева, «Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве» НГТУ им. P.E. Алексеева, Нижний Новгород, 2002 г.; на научно-технической конференции «Транспорт - ХХГ век» Волжская государственная академия водного транспорта (ВГАВТ), Нижний Новгород, 2003 г.; на Ш Всесоюзной молодёжной научно-технической конференции «Будущее технической науки» НГТУ им. P.E. Алексеева, Нижний Новгород, 2004 г.; на научно-методической конференции ВГАВТ, посвящённой 75-летию академии, Нижний Новгород, 2005 г.; на ГУ, У,УГ, УГГГ, ГХ, ХГ Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической, науки», НГТУ им. P.E. Алексеева, Нижний Новгород, 2005, 2006, 2007, 2009, 2010, 2012 г. г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве», НГТУ им. P.E. Алексеева, Нижний Новгород, 2009 г. Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «Кораблестроение и авиационная техника» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. Настоящая работа является продолжением научных исследований, проводимых кафедрой «Кораблестроения и авиационной техники» в области взаимодействия судов во льду, проводимых по программам Минобразования РФ и др.

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано 13 научных работ, в том числе 1 статья, опубликованная в ведущем рецензируемом издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, библиографию из 133 наименований, в том числе 36 на иностранных языках, приложения. Диссертация содержит 157 страниц основного машинописного текста, включая 59 рисунков, 15 таблицы и 15 страниц приложения с рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, определены его цель, положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Российская транспортная сеть постепенно интегрируется в Европейскую систему международных транспортных коридоров. В Европейской части России имеется развитая система внутренних водных путей (ВВП), объединенных в Единую глубоководную систему, позволяющую осуществлять транзитные перевозки на судах смешанного плавания из портов Северного и Балтийского морей в порты Черного, Средиземного и Каспийского морей.

В первой главе диссертации были рассмотрены и проанализированы ледовые условия на внутренних водных путях и показано их разнообразие и изменчивость. Основным природным фактором, определяющим длительность периода судоходства на ВВП России, является ледовый режим водного пути, характеризующийся сроками существования ледяного покрова, а также толщиной льда. Особенностью влияния ледового режима на судоходство является значительная изменчивость сроков наступления ледостава по времени и по участкам водных путей.

На карте РФ (Рис.1) видно, что в продолжительность ледовых явлений на внутренних водных путях России увеличивается в направлении с юго-запада на северо-восток в пределах 130-245 суток, что существенно сказывается на продолжительности работы флота в течении года. Средний период работы флота на ВВП России в течении года последние десять лет представляет следующую картину (Таблица 1).

Дана краткая характеристика условий и приёмов плавания транспортных судов в битых льдах. Показан процесс образования битого льда в речных условиях. Образованию и росту толщины речного льда посвящены работы Стефана, Б. А. Аполлова, Ф. И. Быдина и др. Дана оценка параметров битого льда в зоне проводки судов и

Рис. 1. Распределение продолжительности ледовых явлений в сутках на ВВП России

представлена классификация речного битого льда. Проведён анализ состава флота, работающего в ледовых условиях на внутренних водных путях России. Таблица 1

Средняя продолжительность работы флота в год

Внутренние водные пути Период работы флота (сутки в

год)

р. Волга 221

р. Кама 210

канал Волга-Дон 237

р. Нева 228

о. Онежское, о. Белое 220

р. Обь, р. Иртыш 180

р. Енисей 164

р. Лена 144

Значительная часть транспортного и технического флота представляют суда, имеющие большой коэффициент общей полноты корпуса. Исследованы и анализированы существующие методики расчёта сил ледового сопротивления транспортных судов в битых льдах. Показана актуальность работы, и сформулированы её цель, также определены направления и задачи исследований.

Наиболее полные методы расчёта ледовой ходкости в битых льдах представлены в работах Ю.Н.Алексеева и В.С.Шпакова, А.В.Бронникова, Е.М.Грамузова, В.А. Зуева, Н.В.Калининой, В.И. Кащтеляна, И.И.Позняка и А.Я.Рывлина, Б.П.Ионова, Л.М.Ногида, А.С.Полякова, К.Е.Сазонова, Ю.А.Сандакова, О.Б.Салдаткина, М.Е.Рабиновича, В.А.Тронина, М.С.Яковлева и др. отечественных учёных. Из зарубежных авторов следует отметить работы W.A.Crago, E.Enkvist'a, K.Risca, E.Makinen'a, V.R.Milano. Ю.А.Шиманский предложил способ разделения ледового сопротивления на составляющие, которого затем придерживались многие авторы.

Проведённый сравнительный анализ методик расчёта ледового сопротивления для транспортных судов показал, что созданные ранее методы расчёта не подходят к данному типу судов. Это объясняется фактами наличия во многих методиках тригонометрических функций, которые при углах судовой поверхности близким к 90°, дают расчётные значения ледового сопротивления, стремящиеся к бесконечности. Значительное количество расчётных схем включает в себя коэффициенты, полученные по результатам натурных и модельных экспериментов, определённых для судов с обводами корпуса отличными от данного типа.

Предложена программа исследований ледового сопротивления судов с полными образованиями корпуса в условиях битых льдов:

• на основе натурных наблюдений, экспериментов и литературных источников строится феноменологическая картина взаимодействия корпуса судна выбранного типа с битым льдом.

7

• выделяется масса льда толкаемого судном впереди себя в виде «ледовой наделки».

• описывается математически форма ледовой наделки с учётом допущений.

• на основе модельных и натурных исследований определяются параметры ледовой наделки.

• исходя из анализа составляющих ледового сопротивления, строится математическая модель взаимодействия корпуса судна большой полноты с битым льдом.

• исследуется влияние цилиндрической вставки корпуса, как составляющая часть в сумме ледового сопротивления судна в битом льду.

• Создаётся полуэмпирическая модель расчёта ледовой ходкости судов данного типа в условиях битого льда.

Вторая глава посвящена построению математической модели взаимодействия корпуса судна, обладающего большим коэффициентом общей полноты с битым льдом. Феноменологическая картина взаимодействия разбита на несколько этапов. Описано образование ледового нагромождения впереди судна и дано его определение - «ледовая наделка» (Рис.2).

Ледовая наделка формируется у начала

цилиндрической вставки корпуса и

простирается впереди носовой

оконечности, достраивая корпус судна до

более обтекаемой судовой поверхности, с

точки зрения ледовой ходкости в

мелкобитых льдах. Динамически

„ - _ „ образованная из обломков льда судовая

Рис. 2. Формирование ледяной г ■'

поверхность, раздвигая лёд, движется наделки обломками льда до четверти _

вместе судном. Ледовая наделка

эллипсоида представляет собой динамически

созданное формообразование битого льда, поэтому её параметры будут зависеть от скорости движения судна. На основе натурных наблюдений и теоретических соображений при построении математических моделей была выбрана форма поверхности ледовой наделки в виде четверти трёхосного эллипсоида с учётом граничных условий и некоторых допущений в описании формы наделки:

+ 7Т+-Т- 1

0)

х . ,у а2

О <х<а; -В/2<у<В/2; 0 <г<Т Таким образом, полученное аналитически описание формы ледовой наделки в виде четверти эллипсоида с определёнными параметрами позволяет применить математический аппарат в дальнейших исследованиях и решить задачу аналитически

Далее исследован вопрос о составляющих ледового сопротивления по работам Ю.А.Шиманского, Е.М.Грамузова, Б.П.Ионова, В.А.Зуева и выделена часть по определения сопротивления обломков льда.

= (Ря -АД<?йЯл(фя + /ф11т) + + /Фат) +

+сгрв Пл V2 (Фг + /Фгг) (2)

где- Ф. функции формы геометрии судовой поверхности, обуславливающие потери кинетической энергии движения на притапливание и поворот льдин Фп, на сопутствующее трение Фпт, на импульсное взаимодействие при ударе о льдину Ф.,, потери на трение импульсного сопротивления Ф;гг> потери на гидродинамическое взаимодействие обломков Фг, потери на трение гидродинамической составляющей Ф^-В выражение (2) также входят значения плотности воды и льда р3, ря, толщина льда Л, площадь судовой поверхности /?л, взаимодействующую с окружающим льдом

(площадь поверхности ледяной наделки), значение скорости и некоторые коэффициенты. Коэффициенты формы (функции геометрии) представлены в виде интегральных зависимостей (3), в подинтегральные функции входят направляющие косинусы нормалей к поверхности ледяной наделки пх, п2.

„ в

фй =| /0'п*е1у,

2 В __

Фит = ~/0' - Щ(1у,

Фп = 2/л п*п:ап, Фпт = п^1-пгхйП,

(3)

Фг = |4 п1с1П, Фгг = п141^хйП.

Определение коэффициентов проводилось, как аналитическим, так численным интегрированием. Была произведена проверка значений направляющих косинусов в характерных точках ледовой наделки (эллипсоида). Проведён сравнительный анализ

значений вычисленных функций геометрии ледовой наделки с определёнными ранее для подобной судовой поверхности функциями геометрии корпуса.

Рассмотрено влияние цилиндрической вставки корпуса на ледовую ходкость в битых льдах, с использованием методики К.Е.Сазонова.

В выражение (4) входят: осадка судна Г, длина цилиндрической вставки ¿.^ толщина льда к, разность плотностей льда и воды Др, ускорение свободного падения д и коэффициенты трения льда о корпус судна /5!1 и льда об лёд £.

В третьей главе рассмотрены организация и принципы проведения натурных испытаний судов во льдах. Освещена техника измерения элементов судна и параметров внешней среды при натурных ледовых испытаниях. Представлена методика проведения испытаний и необходимых измерений при натурном эксперименте на Астраханском рейде толкаемого состава с баржой «Наливная-605»проекга Р-167. Дана оценка ледовым и гидрологическим условиям на рейде г. Астрахани во время проведения испытаний. Представлен анализ формирования «суммарной тяги» для толкания баржи с различными толкачами и ледоколами рейда. В процессе натурных испытаний проводились измерения: толщины слоя битого льда, сплочённости битого льда, скорости движения толкаемого состава, частоты оборотов движителей буксиров, угол перекладки руля. Фиксировалась «суммарная тяга» всех буксиров участвующих в ледовой проводке баржи, наличие снега на ледяном покрове, скорость течения реки, формирование ледовой наделки впереди носовой оконечности баржи. Получена зависимость ледопроходимости баржи пр. Р-167 с различной тягой при различной толщине и сплочённости битого льда. На основании результатов натурных ледовых испытаний построены кривые ледового сопротивления в зависимости от скорости движения состава при различных толщинах слоя битого льда.

В ходе натурного эксперимента удалось построить графические зависимости ледопроходимости толкаемого состава. Маршрут движения состава на протяжении всей зимней навигации оставался неизменным, это расстояние между нефтебазой №5 и нефтебазой №6 составляет 14 км.

Используя информацию о ледовых и гидрометеорологических условиях на Астраханском рейде в зимний период 1985-86 годов (см. Рис.4), были получены осреднённые величины толщины слоя битого льда на трассе ледовой проводки состава. Испытания велись с конца декабря до начала марта, и ряд значений результатов измерений был достаточен для осреднения. Используя средние толщины слоя битого льда и величины суммарной тяги, совмещённые по времени каждого рейса толкаемого

(4)

состава, удалось получить графическую зависимость скорости движения состава от этих

двух величин (Рис.5).

Рис. 4. График изменения температур, уровней воды и нарастание ровного льда на Астраханском рейде зимой 1985-86 г.

Тонцина слоя битого іьда (м)

Рис.5. Ледопроходимость баржи пр.Р-167 по результатам натурных испытаний.

По полученным данным, в результате проведенных натурных испытаний баржи пр. Р-167 на Астраханском рейде в условиях битого льда по кривым ледопроходимости, определялась зависимость силы сопротивления движению состава ледового покрова в зависимости от скорости толкаемого состава. Для этого использовалась методика ААНИИ предлагаемая А. Я. Рывлиным и Д. Е. Хейсиным (Рис.6).

Полученные зависимости

ледопроходимости и буксировочные кривые баржи пр. Р-167 по результатам натурных ледовых испытаний использовались автором в дальнейших исследованиях по тематике работы.

В четвертой главе рассмотрены вопросы моделирования движения судов в условиях битого льда. Известно, что моделирование заключается в замене изучения явления в натурных условиях изучением аналогичного явления в модельном эксперименте. При этом основной Рис.6. Зависимость ледового сопротивления смысл моделирования состоит в толкаемого состав от скорости движения при возможности делать заключение о различных толщинах слоя битого льда характере процессов в натурных

условиях по данным модельного эксперимента. На основании представленного анализа сформулированы критерии моделировании движения судна во льдах.

Анализ сил преодоления обломков Ra и условий их подобия позволил установить, что для моделирования в битых льдах при выполнении геометрического подобия необходимо соблюсти условия Fr=idem; рл/рв= idem; f= idem; S= idem.

Представлены теоретические основы ледового модельного эксперимента. На основании анализа критериев геометрического, кинематического и динамического подобия исследованы и проанализированы модели ледяного покрова из битого льда. Выбрана для данного эксперимента модель льда из полиэтилена высокого давления, предложенная В.А.Зуевым, М.Е.Рабиновичем, и принятая в научном мире.

Создана модель судна со сменными носовыми оконечностями и корпусом, приспособленным для наблюдения за движением обломков льда под днищем судна, и разработана методика проведения модельных исследований взаимодействия судов с большим коэффициентом общей полноты и битого льда. Модель для эксперимента представляет собой судно, состоящее из трёх частей. Центральная часть (цилиндрическая вставка) с размерами: длина-1500 мм., ширина-420 мм., высота борта-140 мм.; набор сменных носовых оконечностей, габаритные размеры: длина оконечностей по КВЛ-350 мм., ширина оконечностей - 420 мм., высота борта-140мм.; оконечность с изменяемым углом наклона форштевня к KBJI (Рис.7-10).

r(kh)

h =0,6м =0,51.

■ S 9 6аг 10 лов

h '0,3м

а h»0 15>»

05 1 15 25 35

А-

V—...............

. Модель судна для эасперимента с комплектом сменных оконечностей

Рис.9. Носовая оконечность №2

.и } .) ,

г

Рис.10. Носовая оконечность №3

Модельный эксперимент проводился в. опытовом бассейне НГТУ им Р.Е.Алексеева, для этого на зеркале бассейна был создан ледовый канал и изготовлены необходимые приспособления для проведения испытаний.

По результатам модельных испытаний построены кривые ледового сопротивления для серии носовых оконечностей при различных осадках модели (Рис. 11).

Рис. 11. Кривая ледового сопротивления при различных осадках модели Т (м), сплочённость льда 10 баллов, толщина льда 0,014 м

Проведено исследование формирования и изменения размеров ледовой наделки. По результатам измерений графически определена зависимость отношения длины ледовой наделки к ширине модели от числа Фруда, определённого по ширине модели судна. Проведённые модельные исследования позволили определить природу изменения длины ледовой наделки и, аппроксимировав графическую зависимость, описать аналитически её форму (Рис.12). В результате модельного исследования было завершено определение значений всех полуосей четверти трёхосного эллипсоида, с помощью которого описана форма поверхности ледовой наделки.

Число Фруда, Рг (В)

Рис. 12.Зависимость изменения относительной длины ледовой наделки от числа Фруда.

а = 5-2.61е"7'85рг Ь=~ с=Т (5)

г '

где В - ширина судна, Г - осадка судна относительно действующей ватерлинии С учетом результатов модельного эксперимента и граничных условий уравнение четверти эллипсоида (ледовой наделки) примет вид:

2 2 ? х у* г _

(В-2.61-е-7-85рг)2 + Г£р + Т1 (б)

ы

Имея аналитическое описание, динамически образованной из обломков льда судовой поверхности, используя теоретически описанную модель, представляется возможность определить силы ледового сопротивления битого льда движению транспортного судна с большим коэффициентом общей полноты.

В пятой главе рассмотрена настройка

теоретической модели и создание

полуэмпирического метода расчёта

ледового сопротивления.

При построении теоретической модели

сопротивления битого льда движению

судна неизбежно использовались

математические модели, упрощающие

физическую реальность. При

сравнительном анализе кривых

сопротивления (Рис.13) видно, что

кривые имеют значительное Рис. 13. Анализ результатов натурных испытаний и

расхождение. Поэтому для получения

расчёта ледового сопротивления баржи Р-167.

надежного расчётного метода расчетные зависимости корректировались, с учетом данных натурных испытаний речных барж в ледовых условиях.

Для этих целей использовался, так называемый, полуэмпирический метод, суть которого заключается в том, что составляется условная схема, позволяющая описать аналитически рассматриваемое явление с учетом основных определяющих его факторов и довести решение до простых расчетных формул.

Энергетический подход, использованный для построения теоретической модели, позволяет в общем случае представить ледовое сопротивление в виде

т

м

где&у - искомый эмпирический коэффициент. Если раскрыть все скобки в выражении теоретической модели ледового сопротивления битых льдов, то получится т = 4 члена в уравнении.

Я=к1г^+к2г^+к.Лт + (8)

Уравнение вида (9) линейное относительно коэффициентов называют уравнением множественной линейной регрессии. При вычислении к j использовался метод наименьших квадратов.

Следует отметить, что при накоплении и уточнении данных натурных исследований, коэффициенты могут уточняться, а полуэмпирическая модель перегруппировывается в сторону увеличения членов уравнения (9). В результате определения настроечных коэффициентов и их применения в расчётной схеме, полуэмпирическая методика расчёта становится более надёжна и применима к практическому использования в определении ледового сопротивления битого льда для данного типа судов (Рис.14).

Рис. 14.Сравнительный анализ полуэмпирического метода расчёта.

В завершении главы предложена схема расчёта сил ледового сопротивления битых льдов движению судов большой полноты.

В диссертационной работе приведены различные графики, иллюстрирующие работу математической модели.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Основные результаты работы сводятся к следующему.

1. Предложен результат статистического анализа продолжительности ледовых явлений на территории России.

2. Предложен статистический анализ численности судов, имеющих корпус с большим коэффициентом общей полноты 8=(0,85~0,98), работающих в ледовых условиях на внутренних водных путях.

3. Предложена феноменологическая модель взаимодействия корпуса судна с битым льдом при полных обводах носовой оконечности.

17

4. Предложено описание формы ледовой наделки к носовой оконечности и определены её параметры.

5. Предложено уравнение поверхности формы ледовой наделки в виде 3-х-осного эллипсоида с граничными условиями.

6. Построена математическая модель взаимодействия судна с большой полнотой корпуса и битым льдом.

7. Получены экспериментальные данные натурных и модельных испытаний по ледовой ходкости судов данного типа.

8. Предложена полуэмпирический метод расчёта ледового сопротивления битого льда движению транспортного судна большой полноты.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ а) в изданиях, рекомендуемых Перечнем ВАК РФ:

1. Исследование взаимодействия судов с большим коэффициентом общей полноты и битого льда/ Сандаков, М.Ю., Ионов, Б.П..//Морской Вестник 4(48).- Сант-Петербург.- 2013.-С.97-102 (автор 80%)

б) в других изданиях:

2. Ходкость транспортных судов в сплошных льдах/Сандаков М.Ю.// Мат. конф. «Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве». НГТУ. - Н. Новгород. - 2002. - С.269-275

3. Экспериментальный выбор обводов корпуса несамоходного транспортного судна для эксплуатации в ледовых условиях/Сандаков М.Ю.// Мат. конф. ВГАВТ. - Н. Новгород. - 2003.-С. 147

4. . Обзор ледового режима на внутренних водных путях России/Сандаков М.Ю.// Мат. конф. «Будущее тех. науки». - НГТУ. - Н. Новгород. - 2004. - С.206-207

5. Обоснование обводов корпуса несамоходного судна для работы в битых льдах/Сандаков М.Ю.// Мат. конф. «Транспорт 21 века». - Н. Новгород. - 2003. -С.147-148

6. Проблемы и перспективы учёта ледовых условий в развитии навигации на ВВП/Сандаков М.Ю.// - Труды ВГАВТ. - Н. Новгород. - 2005. - С.252-254

7. К вопросу об определении сопротивления движению плохообтекаемых судов в битом льду/Сандаков М.Ю.// Мат. конф. «Будущее тех. науки». - НГТУ. - Н. Новгород. - 2005. - С.159-160

8. Проведение натурных испытаний нефтеналивной баржи пр. 167 в ледовых условиях совместно с разными толкачами и ледоколами/Сандаков М.Ю.// Мат. конф.

«Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве». - НГТУ. - Н. Новгород. - 2006. - С.151-152

9. Особенности продления навигации на ВВП в новых геополитических условиях/Сандаков М.Ю.// Конф. «Будущее тех. науки». - НГТУ. - Н. Новгород. -2006. -С.169-170

10. Исследование взаимодействия судов большой полноты с битым льдом/Сандаков М.Ю.// Мат. конф. «Будущее тех. науки». - НГТУ. - Н. Новгород. - 2009. - С.219.-

11. Оценка ледовой ходкости баржи пр.Р-167 в битом льду/Сандаков М.Ю.// Мат. конф. «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве». - НГТУ. - Н. Новгород. - 2009. - С.143-144

12. Сравнение методик расчёта силы сопротивления битого льда движению баржи Р-167/Сандаков М.Ю.// Мат. конф. «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве». - НГТУ. - Н. Новгород. - 2009. - С.235-240

13. . Модельные исследования ледовой ходкости судов с большим коэффициентом полноты в битом льду/Сандаков М.Ю., Гущин ЕЛ.// Мат. конф. «Будущее тех. науки». -НГТУ. - Н. Новгород. - 2010. - С.237-238 (автор 85%)

Подписано в печать 22.11.2013. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 849.

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

220

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Р. Е. АЛЕКСЕЕВА

04201456590 Сандаков Михаил Юрьевич

ЛЕДОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СУДОВ С БОЛЬШИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ОБЩЕЙ ПОЛНОТЫ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ

С БИТЫМ ЛЬДОМ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук специальность 05.08.01. «Теория корабля и строительная механика»

Научный руководитель д. т. н., профессор, заслуженный деятель науки РФ

В. А. Зуев

Нижний Новгород 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1 АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ПРЕДПОСЫЛОК ДЛЯ РАСЧЁТА

ЛЕДОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ БИТОГО ЛЬДА ДВИЖЕНИЮ 11 СУДОВ С ПОЛНЫМИ НОСОВЫМИ ОКОНЕЧНОСТЯМИ

1.1 Ледовые условия на внутренних водных путях России, как препятствие судоходству 11

1.2 Краткая характеристика условий плавания в битых льдах 15

1.3 Процесс образования и классификация битых льдов. 20

1.4 Анализ состава флота, работающего в ледовых условиях на внутренних водных путях России 27

1.5 Сравнительный анализ существующих методик расчёта элементов ледовой ходкости для транспортных судов в битых 32 льдах

1.6 Постановка задачи исследования ледового сопротивления движению судов битых льдов 41

1.7 Резюме 42 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

КОРПУСА СУДНА БОЛЬШОЙ ПОЛНОТЫ С БИТЫМ ЛЬДОМ 43

2.1 Физическая картина взаимодействия корпуса судна с битым 43 льдом

2.2 Исходные данные и допущения при построении

математической модели 48

2.3 Описание формы ледовой наделки и определение её параметров 50

2.4 Анализ составляющих ледового сопротивления 52

2.5 Сопротивление обломков льда при движении в поле битого льда 54 2.5.1 Составляющая сопротивления обломков, обусловленная

плавучестью льдин. 56

2.5.2 Сопротивление обломков, обусловленное инерционной 57 составляющей

2.5.3 Сопротивление обломков, обусловленное гидродинамической 58 составляющей

2.6 Чистое ледовое сопротивление 60

2.7 Автоматизированный расчёт коэффициентов формы ледовой 62 наделки

2.7.1 Расчет функций инерционных сил 66

2.7.2 Расчет гидродинамических функций и функций притапливания 67

2.7.3 Проверка вычислений 71

2.8 Влияние цилиндрической вставки на ледовую ходкость 74 транспортного судна в битых льдах

2.9 Резюме 78

3 НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ХОДКОСТИ РЕЧНЫХ БАРЖ В 79

БИТЫХ ЛЬДАХ

3.1 Натурные испытания судов во льдах 79

3.2 Организация и принципы проведения испытаний судов во льдах 80

3.3 Техника измерений элементов судна и параметров внешней 81 среды при натурных ледовых испытаниях

3.4 Методика проведения натурных испытаний судов с большим 84 коэффициентом общей полноты в битых льдах

3.5 Использованная аппаратура 86

3.6 Обработка материалов наблюдений натурных испытаний 91

3.7 Проведение натурного эксперимента по изучению ледовой 92 ходкости толкаемого состава с баржой пр.Р-167 в битых льдах

3.8 Результаты натурных испытаний толкаемого состава с баржой 98 пр. Р-167

3.9 Обработка результатов натурных испытаний баржи пр. Р-167 100

3.10 Резюме 104

4 МОДЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СУДОВ С БОЛЬШИМ 105 КОЭФФИЦИЕНТОМ ОБЩЕЙ ПОЛНОТЫ В БИТОМ ЛЬДУ

4.1 Теоретические основы ледового модельного эксперимента 105

4.2 Модель битого льда 110

4.3 Разработка методики модельного эксперимента 113

4.3.1 Модель ледяного покрова 114

4.3.2 Модель судна 116

4.4 Оборудование и аппаратура использованная в модельном 120 эксперименте

4.5 Проведение модельного эксперимента 122

4.6 Результаты модельных испытаний 126

4.7 Резюме 130

5 ПОЛУЭМПИРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЁТА ЛЕДОВОЙ 132 ХОДКОСТИ СУДОВ С ПОЛНЫМИ ОБВОДАМИ КОРПУСА

В БИТЫХ ЛЬДАХ

5.1 Полуэмпирический метод расчёта ледового сопротивления 132

5.2 Определение настроечных коэффициентов для расчёта ледового 137 сопротивления

5.3 Схема расчёта ледовой ходкости судов с полными обводами при 142 использовании полуэмпирической модели ледового сопротивления в битых льдах полноты в битых льдах

5.4 Резюме 145 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 146 ПРИЛОЖЕНИЯ 147 УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ 167

ВВЕДЕНИЕ

Водные просторы соединяют народы нашей планеты, и водный транспорт является инструментом этого соединения. Но не во всех широтах земного шара возможны беспрепятственные водные сообщения в течении всего года. Причиной тому являются ледовые явления, которые затрудняют плавание судов. Продление навигации является важным резервом в развитии работы флота.

Во многих странах с холодным и умеренным климатом проводятся работы направленные на продление навигации в зимний период. Известен опыт работы по продлению навигации в Канаде, США, Швеции, Финляндии, Германии, Норвегии, Японии и других странах.

Актуальность этих работ остаётся достаточно острой и для России, в связи с увеличением добычи углеводородного сырья на Арктическом шельфе, работой промыслового флота в районах Крайнего Севера, транспортировкой редкоземельных металлов с полуострова Таймыр, охраной наших арктических территориальных водных границ.

В Сибири речной транспорт остаётся основным средством обеспечения меридиональных связей северных районов с широтными железнодорожными магистралями. В бассейнах сибирских рек из-за короткого летнего навигационного периода, недостатка железных и автомобильных дорог актуальность продления навигации не снижается.

На европейской части Российской Федерации рост грузооборота приводит к необходимости продления навигации, как одному из важных резервов удовлетворения потребностей перевозок, поскольку сезонность речного транспорта ограничивает провозную способность, ведёт к увеличению нагрузки на другие виды транспорта.

В сложившейся геополитической ситуации двадцать первого века с

перевозкой грузов важнейшей задачей России является всемирное развитие

внешней экономической транспортной деятельности [72, с. 169].

Благоприятные перспективы для решения этой задачи возникают с созданием

5

на территории России 9-го транспортного коридора в южном направлении от Москвы до Астрахани и Новороссийска. 9-ый коридор, развиваемый в направлении Черного и Каспийского морях, обеспечивает наиболее эффективную транспортную связь Северной и Западной Европы со странами Ближнего Востока. В использовании транспортного коридора органически вписывается Единая Глубоководная Система внутренних водных путей Европейской части России. Учитывая, что тарифы на перевозки водным транспортом существенно ниже железнодорожных и автомобильных, следует прогнозировать полное использование пропускной способности водных путей Европейской части для транспортировки грузов, учитывая наличия ледовых явлений на реках и водохранилищах [69, с.253].

История Волжского речного судоходства связана с использованием буксируемых барж и толкаемых составов в перевозках грузов. Всем очевидна экономическая целесообразность эксплуатации этих судов:

1. низкая строительная стоимость;

2. минимальное количество экипажа или его отсутствие полностью;

3. простота погрузочных операций и т. д.

При развитии транспортных связей Европейской части России, а это интеграция речного флота в 9-ый транспортный коридор, перед российским судостроением встают задачи создания судов, в том числе и баржевых составов способных работать в битых и мелкобитых льдах. Продолжение работ по продлению навигации на внутренних водных путях России позволит добиться следующих результатов:

- выравнивание сроков начала навигации из-за того, что освобождение водохранилищ ото льда наступает на 8-15 дней позднее, чем на открытых участках рек. Здесь необходимы транспортные суда, приспособленные для успешной работы в ледовых условиях;

- транспортное освоение малых рек, которое часто связано с

возможностью судоходства в период половодья. Поэтому раннее открытие

навигации на магистральных реках позволит своевременно доставить грузы к

6

устьям малых рек и вывести продукцию деятельности многих районов, не имеющих к тому же разветвлённой сети железных дорог;

прогнозировать затраты и сроки, связанные с выполнением ледовых проводок транспортных судов.

Для решения этих задач исследования ледовой ходкости транспортных судов в условиях битых льдов остаются актуальными и по сей день.

В настоящее время не существует научно обоснованного подхода к проектированию транспортных несамоходных речных судов приспособленных работать в условиях ледовой навигации. Ввиду того, что данные суда встречаются с ледовыми условиями битого льда, при их проектирования необходима специальная методика, направленная на учёт ледовой ходкости данного класса судов. Методы расчёта ледового сопротивления, созданные для транспортных судов, не всегда могут быть корректны по отношению к данному типу судов, ввиду особенностей форм корпуса и соотношений главных размерений В/Т = (6.. .8).

В настоящей работе рассматриваются вопросы расчёта ледового сопротивления для судов с полными формообразования корпуса, имеющие коэффициент общей полноты 8 = (0,85...0,98) при работе в битых льдах. В исследовании использована математическая модель взаимодействия корпуса заданного судна с мелкобитым льдом, и применён полуэмпирический подход к разработке схемы расчёта ледового сопротивления.

Работы по изучению ледовой ходкости различных типов судов проводятся в Нижегородском государственном техническом университете имени P.E. Алексеева под руководством заведующего кафедрой «Кораблестроение и океанотехника» д.т.н., профессора В. А. Зуева. Настоящая работа является составной частью планов научно-исследовательской работы кафедры, института транспортных систем и университета.

Цель работы. Разработка метода определения ледового сопротивления движению судов с большим коэффициентом общей полноты мелкобитым льдом.

Задачи и методы исследований. Для достижения целей работы решались следующие задачи:

построение феноменологической модели движения корпуса судна с большим коэффициентом общей полноты;

построение математической модели взаимодействия судна с битым льдом;

проведение натурных испытаний судов с полными обводами в условиях битого льда;

проведение модельных исследований ледовой ходкости судов с полными обводами;

построение алгоритма расчёта ледового сопротивления битого льда движению судам данного типа;

оценка влияния отдельных факторов на ледовую ходкость судна. В диссертационной работе использовались методы обработки экспериментальных данных, элементы системного подхода при разработке алгоритмов, элементы аппарата аналитической геометрии, численные методы математического анализа. Для реализации поставленных задач применялись следующие компьютерные пакеты: Excel, AutoCad, MatCad.

Научная новизна. Предложен метод расчёта сопротивления мелкобитого льда движению судов с большим коэффициентом общей полноты. Разработаны феноменологическая и математическая модели взаимодействия корпуса судна с битым льдом. Проведены экспериментальные исследования влияния геометрических параметров судов данного типа на ледовую ходкость. Проведены модельные и натурные испытания по ледовой ходкости несамоходных судов. Предложен алгоритм расчёта ледовой ходкости для судов данного типа.

Практическое значение. Разработан метод определения ледового сопротивления для судов с полными обводами при взаимодействии с битым льдом. Результаты работы позволяют определить тягу и мощность необходимые для толкания несамоходного судна в условиях ледовой навигации. Данный метод расчёта ледовой ходкости несамоходных судов в битых льдах может быть использована в проектных, научно-исследовательских организациях и судоходных компаниях, также может быть применена при обучении студентов. Результаты исследований использованы в научно-исследовательских работах, выполненных в НГТУ им. P.E. Алексеева.

На защиту выносятся:

оценка влияния ледовых условий на ледовую ходкость транспортных судов в мелкобитом льду;

феноменологическая модель ледового образования впереди корпуса судна;

- математическое описание ледового образования и определение его параметров;

- математическая модель взаимодействия судна с большим коэффициентом общей полноты с мелкобитым льдом;

- метод расчёта ледового сопротивления движению судна с полными обводами при движении в битом льду;

оценка влияния обводов корпуса транспортных судов на ходкость в условиях битых льдов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы

докладывались и обсуждались: на Всероссийской научно-технической

конференции, посвящённой памяти В.М. Керичева «Современные

технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве»,

НГТУ им. P.E. Алексеева, Нижний Новгород, 2002 г.; на научно-технической

конференции «Транспорт - XXI век» Волжская государственная академия

водного транспорта (ВГАВТ), Нижний Новгород, 2003 г.; на III Всесоюзной

9

молодёжной научно-технической конференции «Будущее технической науки» НГТУ им. P.E. Алексеева, Нижний Новгород, 2004 г.; на научно-методической конференции ВГАВТ, посвящённой 75-летию академии, Нижний Новгород, 2005 г.; на IV, V,VI, VIII, IX, XI Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», НГТУ им. P.E. Алексеева, Нижний Новгород, 2005, 2006, 2007, 2009, 2010, 2012 г. г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве», НГТУ им. P.E. Алексеева, Нижний Новгород, 2009 г.

Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «Кораблестроение и авиационная техника» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

По теме диссертации опубликовано в открытой печати 13 научных работ [65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77], в том числе 1 статья [77] опубликована в рецензируемом издании, рекомендованном ВАК РФ.

Настоящая диссертационная работа выполнена под руководством заведующего кафедрой «Кораблестроение и авиационная техника», д.т.н., профессора В. А. Зуева. Автор выражает руководителю глубокую признательность за помощь и создание благоприятных условий для выполнения всей работы. Автор также благодарит д.т.н., профессора этой кафедры Е.М. Грамузова за помощь в выполнении многих этапов данной работы.

1. АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ПРЕДПОСЫЛОК ДЛЯ РАСЧЁТА ЛЕДОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ БИТОГО ЛЬДА ДВИЖЕНИЮ СУДОВ С ПОЛНЫМИ НОСОВЫМИ ОКОНЕЧНОСТЯМ

1.1 Ледовые условия на внутренних водных путях России, как препятствие судоходству

Российская транспортная сеть постепенно интегрируется в Европейскую систему международных транспортных коридоров. В Европейской части России имеется развитая система внутренних водных путей, объединенных в Единую глубоководную систему (ЕГС), позволяющую осуществлять транзитные перевозки на судах смешанного плавания из портов Северного и Балтийского морей в порты Черного, Средиземного и Каспийского морей то есть по паневропейскому транспортному коридору № 9 [69, с.253].

По своим эксплуатационным характеристикам и пропускной способности ЕГС значительно превосходит европейскую систему внутренних водных путей (ВВП) Рейн - Майн - Дунай (РМД), где в качестве унифицированных несамоходных судов на всем протяжении Дуная и соединения РМД приняты сухогрузная и наливная баржи (секции) типа «Европа II» со следующими главными размерениями: длина - 76,50 м; ширина - 11,00 м; осадка максимальная - 2,70 м. Габариты водного пути на ЕГС позволяют свободно проводить суда длиной - 140 м; шириной - 16,5 м и с осадкой - 3,5 м. Однако, использование водного транспорта на этом направлении носит сезонный характер (см. Рис.1.1).

Основным природным фактором, определяющим длительность периода судоходства на ВВП России, является ледовый режим водного пути, характеризующийся сроками существования ледяного покрова, а также толщиной льда.

Особенностью влияния ледового режима на судоходство является значительная изменчивость сроков наступления ледостава по времени и по

11

участкам водных путей. Интервалы времени между ранними и поздними датами наступления ледостава достигают 50 суток, а разница между максимальной и минимальной продолжительностью ледостава достигает на водохранилищах 40-50, а на реках 75-85 суток [67, с.206].

4

Рис. 1.1. Карта продолжительности ледовых явлений на внутренних

водных путях Европы Условные обозначения: деление на зоны по средней температуре января от - 24 до - 16 от - 8 до 0 от - 0 до + 8 выше + 8

Изохоры средней продолжительности ледовых явлений на 160

ВВП в сутках

'лермо

Таблица. 1.1

Характеристики ледового режима на внутренних водных путях

Европейской части России

Река, водохранилище Участок Характеристика ледового режима Появление осенних ледовых образований Начало ледостава Продолжительность ледостава, сут. Цата очищения ото льда Наибольшая толщина льда,см

Нева среднее течение ранний (наибол.) средний поздний (меньший) 23.10 18 -19.1 27.12 12.11 5.12 4.01 164 125 86 10.04 30.04 18.05 94 57 23

Горьковское озерная часть ранний