автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Определение сил волнового дрейфа

Введение.

Условные обозначения.

1. Гидродинамическая задача о силах, вызывающих волновой дрейф судов.II

1.1. Обзор и анализ исследований, посвященных проблеме волнового дрейфа . II

1.2. Анализ некоторых новых подходов к решению дифракционной проблемы

1.3. Общие выражения для сил и момента волнового дрейфа.

1.4. Сила и момент волнового дрейфа, действующие на удлиненное судно.

1.5. Общие выражения для возмущающих сил и момента, действующих на судно в горизонтальной плоскости.

2. Определение потенциала скоростей возмущенного волнового движения.

2.1. Вариационные принципы в теории волн и задаче о дифракции волн неподвижным препятствием.

2.2. О вариационной формулировке одной краевой задачи и ее приложении к дифракционной проблеме

2.3. Постановка и решение пространственной задачи о дифракции волн неподвижным препятствием.

2.4. Дифракция волн удлиненным судном.

3. Расчет возмущающих сил и сил волнового дрейфа . . . . 3.1. Методика расчета

3.2. Описание программы.

3.3. Результаты расчетов и их анализ.

3.4. Силы волнового дрейфа на нерегулярном волнении. . .III 4. Экспериментальное исследование волнового дрейфа.

4.1. Краткий обзор существующих методов.

4.2. Методика экспериментальной оценки силы и момента волнового дрейфа.

Знание возмущакшщх сил и моментов, действующих на судно, необходимо па различных стадиях его проектирования и экснлуата-дш. При оценке мореходных качеств и безопасности мореплавания оно позволяет без проведения дорогостоящих испытаний получить расчетным путем данные о кинематике судна в заданных условиях волнения и ветра. При наличии достоверных прогнозов состояния моря и атмосферы, это дает возможность давать рекомендации капитанам судов по выбору оптимальных с точки зрения безопасности, экономичности и комфортабельности курсов, скоростей хода и маршрутов.

Освоение Мирового океана привело в последние года к созданию ряда судов новых типов, таких как плавучие буровые суда, полу-погрухсенные и самоподъемше платформы. Задача обеспечения безопасности плавания и нормальных условий работы технических средств освоения океана тесно связана с проблемой их позиционирования, то есть сохранения определенного положения в пространстве под воздействием внегашх возмущений. Аналогичные вопросы возникают Taise при эксплуатации научно-исследовательских и аварийно-спасательных судов.

В настоящее время наиболее эффективным сродством определения возмущающих сил и моментов является гидродинамическая теория качки /50/. Она базируется на предположении о том, что окружающая судно жидкость рассматривается как невязкая и несжимаемая, а ее движение считается безвихревым. При этом исследуются силы потенциальной природы, а вязкостными составляющими пренебрегают. Такой подход вполне оправдан, так как возмущающие силы и моменты имеют в основном волновую природу.

Анализ расчетных и экспериментальных материалов показывает,что амплитудные значения возыущащих сил и моментов могут быть с достаточной степенью точности определены в рамках линейной Х'ддродшамической теории, базирующейся на предположении о малости амплитуд вызванных волн и колебаний судна и возможности пренебрежения их степенями выше первой. Вместе с тем, слезет отметить, что имеется весьма широкий класс практически важных задач мореходности /¿7 /, ддя решения которых необходимы более точные метода.

Одной из таких задач является определение сил, шзыващих дрейф судов.'Анализ возмущающих сил и моментов, действующи на судно со стороны морского волнения, позволяет сделать вывод о том, что последнее оказывает не только периодическое воздействие, вызывающее колебания судна относительно некоторого положения. Помимо этого имеют место постоянно действующие силы и моменты волновой природы, приводящие к изменению со временем среднего положения судна в пространстве. Величина этих сил мала но отношению к амплитудам соответствующих периодических сил л не превышает 3% последних. Однако, вследствие того, что в горизонтальной плоскости не действуют восстанавливающие силы и моменты, суда могут испытывать значительные перемещения в пространстве даже под действием относительно малых по величине сил волновой природы. Такое явление носпг название волнового дрейфа, а силы и момент, его вызывающие, мы в дальнейшем будем именовать силами и моментом волнового дрейфа.

Знание сил и момента волнового дрейфа является необходимым для решения следуюгдих проблем мореплавания:- обеспечение позиционирования судов и технических средств освоения океана;- оценка безопасности плавания судов вблизи берегов и мелей, в узостях и акваториях с интенсивным движением;- исследование кинематики дрейфа судов, лишившихся хода, спасательных средств, буев и ряда других неуправляемых объектов;- обеспечение швартовки судов в открытом море в условиях шторма и проведения погрузо-разгрузочных работ;- расчет нагрузок па буксирные устройства при буксировке судов, барж, доков, плавкранов.

Исследования зарубежных авторов /62/, /90/ показывают, что силы и момент волнового дрейфа могут быть определены достаточно достоверно в рамках потенциальной теории путем учета квадратов скоростей возмущенного волнового движения и возвышения свободной поверхности жидкости. На базе линейной гидродинамической теории качки Н.Магио /82/ показал, что силы волнового дрейфа имеют в целом дифракционную природу. Наличие вертикальной или бортовой качки судна приводит к тому, что часть волновой энергии затрачивается на поддержание соответствующих колебаний. Поэтому предельные значения сил и момента следует ожидать на некача-ющемся судне; этот факт подтвержден как расчетными так и опытными данными.

Использование имеющихся в настоящее Еремя методик определения характеристик волнового дрейфа, разработанных зарубежными авторами, связано с определенными трудностями и не всегда можрт быть реализовано в инженерной практике. Подробный анализ приведен в первом разделе диссертационной работы. Основное затруднение при проведении расчетов' вызывает определение потенциала скоростей возмущенного волнового движения, связанное с необходимостью решения дифракционной проблемы. Оценка характеристик волнового дрейфа с помощью модельных испытаний е опытоеых бассейнах требует замера малых величин, что предъявляет жесткие требования к экспериментальным установкам и регистрирующей аппаратуре (подробнее смотри раздел 4).

Таким образом, разработка теоретико-расчетных и экспериментальных методов определения сил и момента волнового дрейфа представляет собой актуальную задачу. Изложенное позволяет сформулировать следующие основные цели настоящего исследования:- выеод общих выражений для сил и момента волнового дрейфа, действующих на неподвижное тело произвольной формы в присутствии системы набегающих регулярных прогрессивных волн;- упрощение полученных выражений на базе какой-либо схематизированной гидродинамической модели с целью выявления особенностей характеристик волнового дрейфа;- обоснование возможности определения искомых величин в рамках линейной гидродинамической теории качки;- разработка эффективных методов расчета потенциала скоростей возмущенного волнового движения в произвольной точке пространства;- разработка простых и надежных методов экспериментальнойпригодных,оценки сил еолнового дрейфа, в частности, к использованию в малых опытовых бассейнах.

Решение поставленных задач произведено в настоящей диссертационной работе на основе гидродинамической теории качки и прямых методой математической физики. Достоверность полученных результатов подтверждается сопоставлением с известными решениями других авторов и опытными данными.

На защиту выносятся следующие основные результаты, определяющие научную новизну работы и ее практическую ценность:- расчетные формулы для определения сил и момента волнового дрейфа, действующие на неподвижное тело произвольной формы и удлиненное судно;- выражения для возмущающих сил и момента, действующих на судно в горизонтальной плоскости, с учетом квадратов скоростей возмущеиного Волнового движения и возвышения свободной поверхности;- Еариапионная математическая модель явления дифракции волн неподвижным препятствием судовой формы;- аналитический метод расчета потенциала скоростей возмущенного волнового движения жидкости в произвольной точке пространства;- методика расчета амплитуд поперечно-горизонтальной и вертикальной возмущающих сил и бортового возмущающего момента, действующи:-: на удлиненное судно;- методика расчета поперечной силы и момента волнового дрейфа, действующих на удлиненное судно;- методика экспериментальной оценки поперечной силы и момента волноеого дрейфа;- результаты расчетного и экспериментального исследования характеристик еолноеого дрейфа.

Результаты работы в виде рекомендаций по оценке сил еолноеого дрейфа, алгоритмов и программ внедрены в ряде судостроительных организаций.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Общефизические величины и системы координатр - массовая плотность воды;i - время;^ - ускорение свободного падения;ос,у,2 - декартовые координаты;/?, 9, 2 - цилиндрические координаты;- радиус-вектор;п - вектор внешней нормали к заданной области.

Характеристики суднаi - длина по ватерлинии; В - ширина на миделе; Т - осадка средняя; Бв - смоченная поверхность;7 - вектор внешней к поверхности судна нормали;- контур ватерлинии равновесия судна на тихой воде; р - коэффициент полноты шпангоута;8 - коэффициент общей полноты.

1. Абрамович М., Стигаи И. Справочник по специальным функциям. М., "Наука", 1.7S.

2. Алешков Ю.о. Теория волн па поверхности тяг.елой жидкости. Л., ЛГУ, 1981.

3. Ашик В.В., Богданов A.A., Ыараева И.Б., Шебалов АЛ. Методы построения и согласования судовой поверхности с помощью ЭВМ. Л., "Судостроение", 1278.

4. Банков A.B., Трунин В.К. Определение внешни:: сил, действующих на буровое судно. Тезисы докл.II Всесоюзной конференции "Технические средства изучения и освоения океана", вып.1, Л., IS78, стр.120-121.

5. Васин A.M. Приближенное исследование действия волнения на плавающее судно. Труды ДИШР^, IS52, вы.^УП.

6. Белов В.В., Марченко Д.Ц. , Нуднер И.О., Рахманин H.H. Нагрузки от волн на вертикальную вдлпндрическую преграду, плавающуюна свободной поверхности ;ждкостп конечной глубины. Вопросы судостроения, сер.Проектирование судов, IS8G, еып.24, стр.72-76.

7. Благовещенский С.Н., Холодилип А.Н. Справочник по статике и динамике корабля, т.2 "Динамика /качка/ корабля", Л., "Судостроение" , 1975.

8. Бородай И.К., Вознесенский А.И. Экспериментальное лсследова-ние воздействия регулярных волн на цилиндрические модели. Труды ЦНИИ ш.акад.Л.Н.Крылова, IS67, вып.239, стр.54-71.

9. Бородай И.К., Нецветаев Ю.Л. Качка судов па морском волнении. JI., "Судостроение", 1962.

10. Вознесенский А.И. Теоретические и методологические основы исследования особенностей поведения корабля на морском волнении. Диссертация на соиск.ученой степени доктора техн.наук, Л.,ЦНИИ игл.акад.А.II.Крылова, 1262.

11. Войткунская А.Я. Исследование и разработка способов расчета гидродщнамичеокой части возмущающих сил, действующих на судно при движении на косом регулярном волнении. Диссертация на соиск.ученой степени кандг,.техн.наук, Л. , ЛКИ, 1280.

12. Войткунскик Я.й., Фаддеев 10.И., Федяевский К.К. Гидромеханика. Л., "Судостроение", 1282.

13. Воробьев Ю.Л. Асимптотическая теория продольной качки суднана глубокой воде. Ш, т.11, вып.II, Отд.мат., мех. и кибернетики АН УССР, К., 1275.

14. Воробьев Ю.Л. Гидродинамические силы, действующе на судно при дрейфе и рыскании па волнении. Тезисы докл.Всесоюзно.! НТК по повышению маневренных качеств судов при движении на открытой воде и в ледовых условиях. Л., "Судостроение", 1272, стр.82-83.

15. Гельфанд ИЛЛ., Фомин C.B. Вариационное исчисление, гл., "Наука", 1262.

16. Дыхта В.В. Дифракция поверхностных волн на погруженной пластине. Труды НКИ, 1974, вып.88, стр.104-112.

17. Иванов Л.В., Элис Я.Ы. окспериментальиое исследование гидродинамических характеристик при поперечно-горизонтальных колебаниях и рыскании. Труды ЩШЖ>, 1972, вып. 153.

18. Канторович Ji.В., Крылов В.И. Приближенные метода высшего анализа. 1/1.-Л. , <лизматглз, 1962.

19. Кисина Л.П., Мореншильдт В.А. Экспериментальное исследование возмущающих сил, действующих па цилиндрические модели в условиях регулярного волнения. Экспериментальная гидромеханика судна. НТО СП, 1975, вып.226, стр.88-93.

20. Колмогоров А.II., Фомин C.B. Элементы теории фушсцпй и функционального анализа. 1л., "Наука", 1981.

21. Компьютер верфь - корабль. I., "Судостроение", 1981.

22. Конпор Д., Бреббиа К. Метод конечных элементов в механике жидкости. Л., "Судостроение", 1979.

23. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. 1.1., "Наука", 1974.

24. Лише В.Б. Гидродинамика гребного винта при качке судна. JÏ., "Судостроение", 1975.

25. Луговскин В.В. Нелинейные задачи мореходности корабля. Л., "Судостроение", 19G6.

26. Луговскин В.В., Коларов Т.П. О способах расчета гидродинамической части возыущащих сил в теории качки. Труды ЛКИ, "Гидромеханика и теории корабля", JI., 1980, стр.75-81.

27. Методика определения вероятностных характеристик сил, вызывающих дрейф судов, па основе данных, полученных для регулярного волнения. Отчет ЦНШ игл.акад.А.Н.Крылова, 1983, вып.2С925.

28. Методика расчета качки водоизнещающих кораблей и судов. ОСТ 5.1003-80, 1981.32. 1,1и:шш С.Г. Прямые методы в математической физике. М.-Л., Гостехиздат, I95Ü.

29. Моисеев H.H. Вариационные задачи теории колебаний жидкости и тела с жидкостью. Сб.ВЦ АН ООСР "Вариационные методы в задачах о колебании жидкости и тел с жидкостью", М., 1962.

30. Ремез Ю.В. Инженерная методика расчета возмущающих сил на произвольном курсе судна относительно волн. Труди НЕСИ, 1972, шп.58, стр.3-13.

31. Салькаев A.S. Нщфод'шанические силы, действующие на контур произвольной формы, плаваюшдй на поверхности тяжелой жидкости. Труды ЦНИИ шл.акад.А.Н.Крылова, 1967, вып.238.

32. Салькаев А.8. Определение хндродинамических характеристик бортовой и вертикальной качки. Матер.по обмену опытом НТОСП, 1969, вып.126, стр.155-165.

33. Сретенский JI.H. Теория волновых движений жидкости, м., "Наука", 1977.

34. Стокер дж.Дж. .Волны на воде. М., KJI, 1959.

35. Стренг Г., (¿икс Дж. Теория метода конечных элементов. М. , "Мир", 1977.

36. Травинин С.М. Расчет дифрапщоиных составляющих возмущающих сил при качке судна на косом курсе. Матер, по обмену опытом НТО СП, 1963, вып.39, стр.112-128.

37. Троицкий Б.А. Об одной функция специального типа, и ее применении к описанию распространенных геометрические объектов. Матер, по обмену опытом НТО СП, 1972, еып.174, стр.47-56.

38. Трунин Б.К. Об определении сил еолноеого дрейфа интегрированием гидродинамических давлений. Труда ЛКЙ "Мореходность и управляемость технических средств освоения океана", Л., 1983, стр.72-78.

39. Трунин В.К. О вариационном подходе к решению ^фракционной проблем,!. Труды ЛШ1 "Проблемы гидромеханики и теории корабля", Л. , 1981, стр.94-99.

40. Трунин В.К. Определение возмущающих сил и сил волнового дрейфа. Матер, по обмену опытом НТО СП, 1983, вып.378, стр.46-61.

41. Трунин В.К. Силы еолноеого дрейфа, действующие на неподвижные преграда, пересекающие свободную поверхность. Труды ДКН "Гидродинамика технических средств освоения океана", Л., 1981, стр.115-120.

42. Уизем Линейные и нелинейные волны. М., "?Лир", 1977.

43. Хасшшд м.Д. Гядродгаашгееокая теория качки корабля. LI., "Наука", 1573.

44. Хаскинд 1.1.Д. Давление волн па заграждение. Итбк. с б. института мех. АН СССР, 4, еып.2, К48.

45. Хаскинд М.Д. Дифракция бегущих волн вокруг вертикальной преграды е тяжелой жидкости. Кзв. АН СССР, OIK, 1957.

46. Шехтер Р. Вариационный метод в инженерных расчетах. IL , "Мир", 197I.

47. Юрков H.H. Некоторые вопросы мореходности судов на встречном волнении. Диссертация на соиск.уч.степени канд.техн.наук, Ж!, Д., 1974.

48. Bai K.J. Diffraction of oblique waves by an infinite cylinder. J.Fluid Mech., 1975, 68, N3, pp.513-535.

49. Bai K.J., Yeung R.W. Numerical solutions to free-surface flow problems. 10th. Symp. Nav. Hydrodyn., Cambridge (Mass^ 1974, pp.609-633.

50. Berhault C. An Integro-variational method for interior and exterior free surface flow problems. Appl. Ocean Res», 1980, 2, N1, pp.33-38.

51. Betts P.L. A Variational principle in terms of stream function for free-surface flows and its application to the finite element method. Comput. Fluids, 1979, 7, N2, PP.145-153.

52. Black J.L., Mei C.C., Bray M.C.G. Radiation and scattering of waves by rigid bodies. J.Fluid Mech., 1971, 46, N1,pp.151-164.

53. English J.W., Wise D.A. Hydrodynamic aspects of dynamic positioning. Trans.of North East Coast Inst, of Eng. and Shipbuilders, 1976, 92, N3, pp.53-72.

54. Paltinsen O.M., Loken A.E. Drift forces and slowly varying forces on ships and offshore structures in waves» Norw. Mar. Res,, 1978, 6, N1, pp.2-15.

55. Paltinsen O.M., Michelsen F.C. Motions of large structures in waves at zero Proude number. Int. Symp. Dynamics of Mar. Vehicles and Structures in Waves, Univ. College, London, 1974, PP.99-114«

56. Prank W., Salvesen N. The Prank close-fit ship motion computer program. Nav. Res. and Development Center, 1970, rep.3289.

57. Gerritsma J. Shipmotions in longitudinal waves. Int. Shipbuilding Progress, 1960, 7, N66, pp.49-71.

58. Gerritsma J., Kervin J.E., Newman J.N. Polinomial representation and damping of Series 60 hull forms. Int.Shipbuilding progress, 1962, 9,N95, pp.295-304.

59. Havelock Т.Н. The Drifting force on a ship among waves. Phil. Mag., 1942, 33, N221, pp.467-475.

60. Havelock Т.Н. The Pressure of water waves upon a fixed obstacle. Proc. Royal Soc., London, Ser.A, 1940, 175, pp.409-421.6S. Isshiki H. Variational principles associated with a free surface flow. J SNA, 1977, N166, pp.53-58.

61. Isshiki H. Variational principles associated with shipmotion in waves. Int. Shipbuilding Progress, 1973, 20, N229.

62. Jinnaka T. Some experiments on the exciting forces of waves acting on the fixed ship models« J* Zosen Kiokai,1958, N103, PP.47-57.

63. Kawashima E., Sakao M., Tasaki R. On the external forceacting on the marine reactor due to the ship motion in rough sea. J. Zosen Kiokai, 1959, N105, pp.93-107.

64. Kim C.H., Chou P. Prediction of drifting force and moment on an ocean platform floating in oblique seas. Int. Shipbuilding Progress, 1973, 20, N230.

65. Kim C.H., Dalzell J.P. An Analysis of the quadratic frequency response for lateral drifting force and moment» J. Ship Res., 1981, 25, N2, pp.117-129.

66. Kobayashi M., Shimada K. On the hydrodynamic forces and moments acting on an arbitrary floating body with a constant forward speed. 16th ITTC, Leningrad, 1981, Proc. v.2,pp.114-117.

67. Kudou K., Kobayashi K. The Drifting force acting on a three-dimensional body in waves. JSNA, 1978, v.144, pp.155-162.

68. Lalangas P. Lateral and vertical forces and moments ona restrained Series 60 ship model in oblique regular waves. Davidson Lab., Stevens Inst, of Technology, N.Y., 1963, rep. 920.

69. Maruo H. The Excess resistance of a ship in rough seas. Int. Shipbuilding Progress, 1956, 4, pp.337-345.

70. Molin B. Computations of wave drift forces. 11th ОТО in Houston, 1979, paper 3627.

71. Newman J.N. Diffraction of water waves. Appl. Mech. Rev., 1972, 25, N1, pp.1-14.8G. Newman J.N. The Drift force and moment on ships in waves. J. Ship Res., 1967, 11, N1, pp.51-60.

72. Newman J.N. The Exciting forces on fixed body in waves» J. Ship Res., 1962, 6, N3, pp.10-17.

73. Pinkster J.A. Mean and low-frequency wave forces on semi-submersible, 13th OTC in Houston, 1981, paper 3951.

74. Roberts J.B. Nonlinear analysis of slow drift oscillations of moored vessels in random seas. J. Ship Res., 1981,25, N2, pp.130-140,

75. Seliger P.L., Whitham G.B. Variational principles in continuum mechanics. Proc. Royal Soc., London, Ser.A, 1968, 305, pp.1-25.

76. Suyehiro K. On the drift of ships caused by rolling among waves. Trans. INA, 1924, 66, pp.60-76.

77. Tasai P. Ship motions in beam seas. Rep. of Res. Inst, for Appl. Mech., 1965, v.XIII, N45.

78. Tomonaga Y., Hatakenaka K. Measurements of drifting forces and moment on floating type offshore structures in waves« Trans. Soc. Nav. Arch, of W. Japan, 1980, N59.

79. Troesch A.W* The Diffraction forces for a ship moving in oblique seas. J. Ship Res., 1979, 23, N2, pp.127-139.

80. Tuck E.O. A Systematic asymptotic expansion procedure for slender ships. J. Ship Res., 1964, 8, N1, pp.15-23.

81. Tuck E.O., Kerczek C. The Representation of ship hulls by conformal mapping. J. Ship Res., 1969, 13, N4.

82. Vossers G. Fundamentals of the behaviour of ships in waves. Int. Shipbuilding Progress, 1961-62, v.65-90.

83. Vugts J.H. The Hydrodynamic coefficients for swaying, heaving and rolling cylinders in a free surface. Net. Ship Res. Center, TITO, 1968, rep. 112S,

84. Watanabe Y. Some contributions to the theory of rolling. Trans. INA, 1938, 80, pp.408-432.

85. Webster A.G. The Dynamics of particles. Dover Publ., N.Y., 1959.

86. Wehausen J.V., Laitone E.V. Surface waves. Handbuch der Fhysik, Berlin, 1960, v.9, pp.446-778.

87. V/hitham G.B. A General approach to linear and nonlinear dispersive waves using a Lagrangian. J. Fluid Mech., 1965, 22, N2, pp.273-283.

88. Yeung R.W. Numerical methods in free-surface flows. Ann. Rev. Fluid Mech., 1982, v.14, pp.395-442.

89. Yue D.K.P., Chen H.S., Mei C.C, A Hybrid element method for diffraction of water waves by three-dimensional bodies. Int. J. Numer. Methods in Eng., 1978, 12, N2, pp.245-266.

90. Zienkiewicz O.Z., Bettes P., Kelly D.W. The Finite element method for determining fluid loadings on offshore structures. Chapter 4, Numer. Methods in Offshore Eng., Wiley, 1978.