автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Разработка методов диагностики ледовых качеств ледоколов и судов ледового плавания при их проектировании

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

ИОНОВ БОРИС ПЕТРОВИЧ

УДК 629.124.791

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ ЛЕДОВЫХ КАЧЕСТВ ЛЕДОКОЛОВ И СУДОВ ЛЕДОВОГО ПЛАВАНИЯ ПРИ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИИ

Специальность: 05.08.01 - Теория корабля

05.08.03 - Проектирование и конструкция судов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена на кафедре "Океанотехника и морские технологии" Санкт-Петербургского Государственного Морского Технического Университета, на кафедре "Судостроение" Нижегородского Государственного Технического Университета и в Государственном научном центре РФ — Арктический и антарктический научно-исследовательский институт.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Роннов Е.П.

Доктор технических наук, профессор Ткачук Г.Н.

Доктор технических наук, профессор Шпаков В.С.

Ведущая организация АО ЦКБ "Айсберг" (г.Санкт-Пегербург)

Защита состоится _ 1996 г. в ^ часов на засе-

дании специализированного Совета Д.053.23.04 Санкт-Петербургского Государственного Морского Технического Университета по адресу: 190008, г.Санкт-Петербург, ул.Лоцманская, д.З, в пом. ¿¿Л-^^сЗс?^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан " 1996 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, д.т.н., профессор

В.Б.Амфилохиев

Актуальность темы. Арктика и районы Крайнего Севера издавна являются областью экономических интересов России. В результате сложившейся в настоящее время в нашей стране экономической ситуации возникли серьезные трудности в финансировании проектирования и строительства ледокольного и ледокольно-транспортного флота, что привело к сокращению научных исследований в области ледовых качеств судов. Однако, интерес к развитию полярных районов и мореплавания в арктических широтах не ослабевает. Так, Указом Президента России для разработки нефтяных и газовых месторождений Баренцева моря создано Акционерное общество "Росшельф", включающее большое число предприятий бывшего ВПК. В районах р.Печоры и п-ова Ямал ведутся активные работы по разведке и добыче нефти и газа. В этих работах принимают участие норвежские фирмы Норт Гидро, Стат Ойл, Сага Петролиум, финская компания Метро, американские фирмы Конако, Амоко, Мобил и целый ряд других.

Активно развивается в Арктике туризм. Так АО Мурманское Морское Пароходство регулярно проводит круизные рейсы на атомных ледоколах к Северному полюсу и сквозные высокоширотные плавания из Западного района Арктики к Беренгову проливу. Не ослабевает интерес у отечественных и иностранных компаний к организации грузоперевозок из Западной Европы в Японию и Азиатский регион по Северному Морскому Пути и высокоширотным трассам. В изучении этой проблемы принимают активное участие проектные и исследовательские организации России, а также государственные и частные организации Норвегии, Финляндии, Германии, Канады и США.

Естественно, что реализация указанной задачи с учетом интересов России непосредственно связана с созданием отечественного высокоэффективного специализированного флота, способного осуществлять арктические перевозки в плановые сроки. Однако, существующий арктический флот России не в состоянии справиться с решением указанных задач по целому ряду причин. Среди них главными являются отсутствие современного

ледокольно-транспортного флота и относительно высокий возраст существующих ледоколов при их ограниченной численности. Достаточно сказать, что уже выведен из состава действующего флота а/л "Ленин", приближаются к двадцатилетнему возрасту атомоходы "Арктика", и "Сибирь", а также дизельные ледоколы "Ермак", "Адмирал Макаров" и "Красин". Перешагнули пятнадцатилетний рубеж мелкосидящие ледоколы "Капитан Сорокин", "Капитан Николаев", "Капитан Драницын". Для решения стоящих задач необходимо существенное обновление арктического флота путем создания новых современных ледоколов и ледоколыю-транспортных судов, что невозможно без всесторонних исследований в области ледовой ходкости и проектирования формы корпуса таких судов. Это позволяет считать, что настоящая работа, посвященная разработке новых методов диагностики ледовых качеств судов при их проектировании, является актуальной.

Цель работы заключалась в разработке рекомендаций по проектированию обводов корпуса ледоколов и судов ледового плавания с учетом требований ледовой ходкости и маневренности во льдах на базе модельных и натурных исследований и теоретических методов.

Достижение этой цели связано с решением следующих задач:

1. Разработка теоретического метода определения полного ледового сопротивления и его составляющих при непрерывном движении судна в сплошных льдах, который учитывает в явном виде как влияние главных размерений и формы корпуса судна, так и физико-механических характеристик льда.

2. Исследование динамики судна при работе набегами и разработка расчетных формул по оценке параметров судна и элементов движения при работе набегами.

3. Исследование поворотливости и инерционности ледоколов и судов ледового плавания как при самостоятельном плавании во льдах, так и при проводке транспортного судна ледоколом буксировкой вплотную, а

также разработка расчетных формул, позволяющих оценить их маневренность во льдах.

4. Совершенствование теоретических основ моделирования в ледовом бассейне процесса взаимодействия корпуса судна со льдом, а также методов обработки и оценки результатов модельного эксперимента.

5. Получение надежных натурных данных по ходкости судов в различных ледовых условиях и физико-механическим характеристикам льда.

6. На базе проведенных исследований формулировка рекомендаций по отработке формы корпуса и выбору главных размерений ледоколов и судов ледового плавания с учетом требований ледовой ходкости и маневренности во льдах.

Научная новизна и практическая значимость состоит в комплексном подходе с единых научных позиций к широкому кругу задач, связанных с влиянием формы корпуса ледоколов и судов ледового плавания на их ледовые качества.

В процессе разработки проблемы получены новые результаты:

1. Разработаны способы расчета, позволяющие при проектировании ледоколов и судов ледового плавания определять величину ледового сопротивления в предельных льдах и необходимую мощность силовой установки, оценить влияние размерений и формы корпуса на величину ледового сопротивления. Впервые разработана методика разделения ледового сопротивления на составляющие в модельном эксперименте, на базе которой получены численные значения составляющих сопротивления при движении судна в предельных льдах.

2. Предложена формула для скоростной надбавки ледового сопротивления, позволяющая оценивать ледовое сопротивление судна в сплошных льдах при произвольной скорости движения.

3. Разработаны основы теоретического метода оценки ходкости судна при работе ударами. Разработана методика натурного эксперимента

и впервые проведены широкомасштабные натурные исследования динамики ледокола при работе ударами. Предложены расчетные формулы для оценки параметров динамики судна при работе ударами.

4. Впервые проведены широкомасштабные натурные исследования маневренности ледоколов и судов во льдах. Разработаны расчетные формулы, позволяющие при проектировании оценить возможность совместного маневрирования ледокола и судна при буксировке вплотную.

5. Выполнены натурные исследования ходкости ледоколов в различные периоды навигации и установлены закономерности сезонной изменчивости ледопроходимости.

6. Проведены теоретические исследования проблем моделирования взаимодействия корпуса судна со льдом в ледовом бассейне. Предлагается новый критерий подобия, на базе которого формулируются необходимое и достаточное условия моделирования лабораторного льда,

7. Предложен способ оценки однородности моделированного льда по толщине и прочности, позволяющий, наряду с контролем свойств льда, управлять процессом намораживания, обеспечивая необходимые физико-механические характеристики ледяного покрова. Решена задача по обработке и оценке результатов испытаний модели судна во льдах по параметрам, фиксируемым дистанционным способом (температура намораживания моделированного льда, скорость движения модели).

8. Предложен способ обработки результатов исследований взаимодействия винта со льдом.

9. Выполнены исследования динамического коэффициента трения корпуса судна о лед в модельном эксперименте в широком диапазоне параметров, влияющих на его величину. Получены численные значения динамического коэффициента трения, которые рекомендованы для практических расчетов.

Результаты работы используются предприятиями судостроительной промышленности при создании проектов перспективных ледоко-

лов и судов, предназначенных для работы во льдах. АО Мурманское Морское Пароходство использует полученные результаты в решении практических задач обеспечения арктического мореплавания. Полученные результаты используются в ААНИИ и ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова при оценке ледовой ходкости судов, а также в научных работах, направленных на совершенствование теории и практики моделирования в ледовых бассейнах. Результаты диссертационной работы используются в учебной и научной работе в Санкт-Петербургском Государственном Морском Техническом Университете и Нижегородском Государственном Техническом Университете.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на заседании физико-технической секции Ученого Совета ААНИИ (г.С.-Петербург, март 1979г., октябрь 1980г., март 1986г.), Крыловских чтениях (г.С.-Петербург, октябрь 1979г., май 1983), Советско-японском симпозиуме (г.С.-Петербург, ноябрь 1980г.), Арктической секции ЛБНТОВТ (г.С.-Петербург, май 1981г.), конференциях Волжско-Камского правления НТО им.акад. А.Н.Крылова (г.Н.Новгород, сентябрь 1985г., май-июнь 1989г., ноябрь 1991г.), международных конференциях ICETECH (г.Оттава, июнь 1981г., г.Калгари, май 1984г.,г.Калгари, март 1990г.), IAHR (г.Гамбург, август 1984г., г.Тронхейм, август 1994г.), POLARTECH (г.Хельсинки, октябрь 1986г., гЛулео, март 1994г.), РОАС (г.Сент-Джонс, сентябрь 1991г.). Комплекс научных исследований, куда вошел разработанный автором способ определения составляющих ледового сопротивления при движении ледокола в предельных льдах, был отмечен Премией Ленинского Комсомола в области науки и техники за 1979г.

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 27 статьях и одной монографии.

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..........................................................IО

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................12

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЛЕДОВОЙ ХОДКОСТИ ЛЕДОКОЛОВ И СУДОВ ЛЕДОВОГО ПЛАВАНИЯ................................13

1.1. Теоретические исследования сопротивления льда

движению судов............................................. 14

1.2. Ледовые бассейны и модельные исследования ................ 15

1.3. Натурный эксперимент...................................... 19

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОРПУСА СУДНА СО ЛЬДОМ. ................................ 21

2.1. Сопротивление ровного сплошного льда движению

судов..............................................................................................................21

2.1.1. Движение судна с малой скоростью....................................................22

2.1.2. Движение судна с произвольной скоростью......................................26

2.2. Анализ динамики судна при работе ударами..................................27

2.3. Замечание о сопротивлении битого льда движению

судов...................................................... 32

3. МОДЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХОДКОСТИ СУДОВ ВО

ЛЬДАХ...................................................... 33

3.1. Теоретические исследования проблем моделирования

в ледовом бассейне.......................................... 33

3.2. Метод оценки однородности моделированного

ледяного покрова по толщине и прочности................... 39

3.3. Буксировочные испытания................................... 42

3.3.1. Методика обработки и оценки результатов

модельного эксперимента....................................42

3.3.2. Методика и результаты разделения ледового

сопротивления на составляющие............................. 43

3.4. Методика обработки и некоторые результаты исследований формы кормовой оконечности судна и эффективности защитных устройств............................... 34

3.5 Исследования динамического коэффициента трения

корпуса судна о лед.......................................... 48

4. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХОДКОСТИ СУДОВ ВО

ЛЬДАХ...................................................... 48

4.1. Ходкость судов при непрерывном движении в сплошных льдах и определение коэффициентов

для теоретических моделей .................................. 48

4.2. Сезонная изменчивость характеристик ходкости

в сплошных льдах........................................... 51

4.3. Влияние водоизмещения (осадки) судна на ходкость

в сплошных льдах........................................... 54

4.4. Динамика судна при работе ударами......................... 54

4.5. Маневренность ледоколов и судов во льдах.................. 55

4.5.1. Экспериментальные исследования поворотливости........... 55

4.5.2. Экспериментальные исследования инерционности............ 59

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................... 60

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Я — полное ледовое сопротивление;

Л/ — сопротивление разрушению льда;

Яг — сопротивление притапливашпо и поворачиванию льда;

Из — сопротивление раздвиганию разрушенного льда;

К в — сопротивление воды;

Япр — прямое сопротивление;

Лцц — сопротивление цилиндрической вставки;

Я (V) — скоростное сопротивление;

Ре —тяга гребных винтов;

Ршв — тяга гребных винтов на швартовых;

Т — упор гребных винтов;

То — упор гребных винтов иа швартовых;

Р — сила;

/ — ударный импульс, приложенный к судну со стороны льда;

Ь — длина судна по КВЛ;

Ьи — длина носового заострения судна по КВЛ;

Ьцв — длина цилиндрической вставки;

В — ширина судна на миделе;

Тц — осадка судна носом;

Тк — осадка судна кормой;

й — весовое водоизмещение судна;

1у — момент инерции массы судна относительно оси ОУ;

// — продольная метацентрическая высота;

Ф — угол наклона форштевня к оси ОХ;

а — угол между касательной к КВЛ и осыо ОХ;

р — угол между касательной к шпангоуту и осью ОЪ\

у/ — угол дифферента судна;

V — скорость движения судна;

Fr — число Фруда;

Vk — контактная скорость судна при ударе о лед;

ut, иг — проекции скоростей ЦТ судна на ось ОХ до и после удара;

|VI, н'2 — проекции скоростей ЦТ судна на ось OZ до и после удара;

qt, qi — угловая скорость судна относительно оси OY до и после удара;

(омцс — угловая скорость судна относительно МЦС;

W, а — линейные ускорения;

g — земное ускорение;

t — время;

h —толщина льда;

h — предельная ледопроходимосгь;

hmi — приведенная толщина льда;

w —деформация льда;

/д — динамический коэффициент трения;

oPj — предел прочности льда на изгиб;

ov — предел прочности льда на смятие;

Е — модуль упругости;

G — модуль сдвига;

H в —твердость по Брюннелю;

А — работа разрушения льда;

pic — плотность воды;

pi — плотность льда;

ро - pw - pi

AT — температура намораживания моделированного льда;

Hw — теплота кристализации воды;

Xi —теплопроводность льда;

Од —коэффициент теплоотдачи;

Km — коэффициенты присоединенных масс;

M — масштабный коэффициент, (в формулах 2.19 - 2.22 - масса судна).

Введение.

Две трети границ России омывается морями, которые в различной степени и на разные сроки покрываются льдом. Лед является серьезным препятствием на пути судоходства, что осложняет транспортные связи наиболее экономически развитой Европейской части нашей страны с районами Крайнего Севера, Сибири, Чукотки и Дальнего Востока. Огромные запасы промышленного сырья, энергетические ресурсы, драгоценные металлы содержатся на этих малоосвоенных просторах. Освоение этих богатств и их скорейшее включение в сферу производства и торговооборота— одна из важнейших перспективных задач отечественной экономики, решение которой связано, в первую очередь, с созданием специализированного арктического флота, развитием Северного Морского Пути, освоением высокоширотных трасс.

Из сказанного выше становятся очевидными причины значительной заинтересованности нашей страны в развитии ледоколостроения, а следовательно и науки о взаимодействии корпуса судна со льдом.

Успехи в осуществлении арктического мореплавания по трассе Северного Морского Пути и высокоширотным трассам непосредственно связаны с объемом и уровнем исследований ледовых качеств судов, которые на протяжении ряда десятилетий проводились в России. Учитывая важность и сложность стоящих перед наукой проблем, в 1955 года в ААНИИ был создан первый в мире опытовый ледовый бассейн — уникальное инженерное сооружение для проведения исследований ледовой ходкости судов в лабораторных условиях.

Существенное развитие ледовая проблематика получила в последние два десятилетия. Во многих экономически развитых странах были построены ледовые бассейны и сегодня их насчитывается около трех десятков. Значительно расширился круг задач, решаемых в модельном эксперименте, что привело к созданию новых методик и необходимости совершенствова-

ния основ приготовления лабораторного льда. Появились новые теоретические методы оценки ледового сопротивления судов в различных ледовых условиях. Расширился также круг задач, решаемых в натурном эксперименте, в результате чего были усовершенствованы старые и разработаны новые методики натурных испытаний судов во льдах.

Настоящая работа посвящена обобщению опыта исследований, которые на протяжении последних десятилетий проводились в ААНИИ, разработке новых теоретических и экспериментальных методов оценки ледовой ходкости и проектирования формы корпуса судов, предназначенных для работы во льдах. Настоящая работа является первой за последние четверть века попыткой обобщить и представить в систематизированном виде результаты исследований ледовых качеств судов, значительная часть которых выполнена под руководством и при непосредственном участии автора.

1. Анализ методов оценки ледовой ходкости ледоколов и судов ледового плавания.

В 1968г. вышла в свет монография "Сопротивление льда движению судов" (КаштелянВ.И., Позняк И.И., Рывлин А.Я.), в которой был обобщен и проанализирован опыт начального этапа исследований ледового сопротивления. За прошедшие 25 лет накоплен обширный материал по модельным и натурным исследованиям ледовых качеств судов, а также достигнут прогресс в области теории взаимодействия корпуса судна со льдом.

Основной целью настоящего раздела работы является проведение обобщения и анализа для современного этапа теоретических, модельных и натурных исследований ледовой ходкости судов, а также определение перспективных направлений развития проблематики.

1.1. Теоретические исследования сопротивления льда движению судов.

Первые расчетные методы диагностики ледового сопротивления были посвящены непрерывному движению судна в сплошных льдах. Они строились на предположении об одноконтактной схеме взаимодействия корпуса судна со льдом, в соответствии с которой разрушение ледяного покрова осуществляется только форштевнем. Первые аналитические зависимости для ледового сопротивления были предложены Р.И.Рунебергом (1890) и Афанасьевым (1985). Указанные зависимости позволили впервые провести сравнительную оценку ледовых качеств судов.

Второй этап развития исследований ледовой ходкости судов характеризуется созданием зависимостей, в которых авторы пытались распространить процесс взаимодействия корпуса судна со льдом на носовую оконечность, а также учесть различную природу сил, обуславливающих ледовое сопротивление. А.Кари (1921), Ю.А.Шиманский (1938), И.Янсон (1956), М.К.Таршис (1957), В.И.Каштелян (1958, 1972), А.В.Бронников (1972), М.С.Яковлев (1967), Д.Д.Максутов (1973), И.Левис и Р.Эдвардс (1970), Е.Энквист (1972), Д.Е.Хейсин (1973) и др. предложили зависимости для оценки ледового сопротивления судов в ровных сплошных льдах.

Значительный вклад в развитие ледовой ходкости внесли И.Шварц (1977) и В.Милано (1983), которые провели анализ исследований, отнесенных нами ко второму этапу развития проблематики. Анализ показал существенное расхождение расчетных значений сопротивления и его составляющих, полученных различными авторами, а также их расхождение с данными натурного и модельного экспериментов. В этой связи возникла необходимость в продолжении и развитии исследований.

Третий — современный этап исследований ледовой ходкости судов связан с изучением различных по физической природе сил, определяющих ледовое сопротивление, теоретическим описанием отдельных составляю-

щих и исследованием влияния на их численные значения формы корпуса и главных размерений судна, а также физико-механических характеристик льда. В.К.Елисеев (1968), Х.Доргелох (1976), И.И.Позняк и Б.П.Ионов (1981), З.Б.Сегал (1982), Д.Картер (1983), И.В.Негл (1983), В.А.Зуев (1986), С.Х.Лук (1986), Б.П.Ионов (1988), Г.Линдвист (1989), С.А.Линдстрем (1989, 1990), Е.М.Грамузов (1990), Ю.Н.Алексеев и К.Е.Сазонов (1991) и др. разработали методики оценки составляющих полного ледового сопротивления при движении судна в предельных льдах.

В 1991г. И.Камараинен и в 1993г. автор настоящей работы по плану работ Международного Комитета Опытовых Бассейнов провели анализ и сопоставление современных методов оценки составляющих ледового сопротивления. Анализ показал, что несмотря на существенное развитие теоретических исследований, практически отсутствует экспериментальная проверка удельного веса отдельных составляющих в балансе полного ледового сопротивления, а оценки величины полного ледового сопротивления, выполненные по различным методам, значительно отличаются друг от друга и от экспериментальных данных.

Таким образом, разработка теоретических методов оценки составляющих ледового сопротивления, учитывающих главные размерения, форму корпуса и физико-механические свойства льда, а также их надежная экспериментальная проверка в модельном и натурном экспериментах, являются актуальной проблемой ледовой ходкости судов.

1.2. Ледовые бассейны и модельные исследования.

В настоящее время в различных странах построено и функционирует около 30 ледовых бассейнов (табл.1.1).

Впервые метод модельных испытаний для изучения взаимодействия корпуса судна со льдом-был предложен Л.М.Ногидом.

Табл. 1.1

Основные характеристики опытовых ледовых бассейнов.

Страна н организация- Год Длина Ширина Глубина Примечание

владелец бассейна постройки (и) (м) <м)

1 2 3 4 5 6

Бассейны, применяющие моделированный лед нату] зального состава

РОССИЯ

ДАНИИ (г.С.-Петербург) 1955 13,4 1,85 1,95 Демонтирован

—" — 1990 30,0 5,0 1,75

ЦНИИ им.Крылова 1986 45/35 6,0 1,8/3,8

(г.С.-Петербург)

ГЕРМАНИЯ

Гамбургский НИИ судо- 1958 8,0 1,8 0,9 Демонтирован

строения (г.Гамбург)

II 1972 30,0 6,0 1,2 Частично используется

и 1984 65,0 10,0 2,5/5,0

ФИНЛЯНДИЯ

"ВЯРТСИЛЯ"(ВАДАМ) 1970 39,0 4,8 1,15 Демонтирован

(г.Хельсинки)

"ВЯРТСИЛЯ"(ВАРК) 1983 60,0 6,5 2,3

(г.Хельсинки)

Технический Университет 1988 40,0 40,0 2.8

(г.Хельсинки)

США

КРРЕЛ(г.Гановер) 1958 6,1 6,1 3,7 Демонтирован

н 1977 36,5 9,14 2,1

—" — 1979 36,5 1,22 0,61

—" — 1979 42,7 24,4 0,3

Военно-морской центр 1958 35,0 12,0 6,0

(г.Сан-Диего)

— " — 1960 23,0 9,2 5,1

н _ 1975 33,5 9,14 1,52

Институт гидравлических ис- 1968 12,2 0,61 0,31

следований (шт. Айова)

II_ 1970 6,0 0,9 0,6

и 1981 — — —

АРКТЕК Инк. (шт.Мэриленд) 1970 18,3 2,44 1,22 Демонтирован

—" — 1975 30,0 3,65 1,52

Береговая охрана — 91,4 9,14 4,88

— " — — 61,0 61,0 3,66

КАНАДА

ЭССО РЕСУРСЕС КАН. 1975 55,0 30,5 3,0

(г.Калгари)

АРКТЕК КАНАДА лтд. 1976 30,5 4,9 1,52

(г.Оттава)

н 1980 30,0 7,3 1,2

Страна и организация- Год Длина Ширина Глубина Примечание

владелец бассейна постройки (м) (и) (м)

1 2 3 4 5 6

Национальный исследова- 1981 16,0 7,0 1,2

тельский центр (г.Оттава).

Институт Морской динамики 1985 80,0 12,0 3,0

ЯПОНИЯ

НИИ судостроения (г.Токио) 1980 35,0 6,0 1.8

НИПОН КоКан (г.Тсу) 1983 20,0 6,0 1,2

ИШИКАВАДЗИМА ХАРИВА 1983 — — —

ХЭВИ ИНДАСТРИЗ

(г.Иокогама)

МИТСУБИСИ (г.Токио) 1986 25,0 9,0 2,5

Бассейны с естественным охлаждением

РОССИЯ

НГТУ (Г.Н.Новгород) 1978 15,0 1,65 0,8

Бассейны, применяющие синтетические материалы, имитирующие лед

АНГЛИЯ

Британская корп. по исслед. 1956 76,2/24,4 3,66 1,68 Гидродина-

судов на воздушной подушке мический

КАНАДА

Национальный исслед. центр — 30,0 6,0 1.2 Демонтирован

(г.Оттава)

АРКТЕК КАНАДА лтд — 18,3 4,88 0,7 Демонтирован

(г.Калгарн)

— " — 1981 31,0 7,3 1,4

НИДЕРЛАНДЫ

Нидерландский судостроите- — 100,0 24,0 2,5 Гидродина-

льный бассейн (г.Вагенинген) мический

НОРВЕГИЯ

Технологический ин-т — 7,0 — —

(г.Трондхейм)

США

Корпорация по технологии — 90,0 14,6 4,6 Гидродина-

морских инженерных соору- мический

жений (г.Эскандидо)

АРКТЕК Инк. 1982 25,6 10,7 2,4

В 1948г. В.В.Лавров предложил способ получения в лабораторных условиях однородного льда пониженной прочности, который был назван моделированным льдом, а в 1951г. Ю.А.Шиманский и Л.М.Ногид предло-

жили теоретическое обоснование исследований ледовой ходкости в модельном эксперименте. И.И.Позняк и В.В.Лавров в шугоносном лотке ВНИИ гидротехники провели первые испытания моделей в моделированном льду, которые показали перспективность нового метода исследований ледовой ходкости судов и доказали необходимость создания специальной лабораторной базы для его практической реализации. Такая база, ледовый бассейн, была создана в ДАНИИ в 1955г.

В последние десятилетия значительно расширился круг задач, стоящих перед модельным экспериментом. В этой связи были разработаны новые теоретические подходы и практические методики, направленные на развитие и совершенствование модельного эксперимента в ледовом бассейне.

Наиболее важной и сложной проблемой моделирования является приготовление лабораторного льда, отвечающего требованиям модельного эксперимента. К настоящему времени сформировалось два подхода к решению этой задачи. Первый подход основывается на использовании некоторых стандартных физико-механических характеристик ледяного покрова и поиске состава льда, удовлетворяющего этим характеристикам в соответствующем масштабе. Среди работ, посвященных первому направлению, отметим исследования И.Шварца (1977) и Г.Тимко (1986, 1989). Реализация работ в этом направлении привела к существенному росту размеров чаши ледовых бассейнов, однако, по утверждению самих авторов, не повлияла на качественное улучшение результатов модельного эксперимента.

Второй подход базируется на пересмотре теоретических основ приготовления лабораторного льда и поиске новых характеристик, максимально полно описывающих поведение льда под нагрузкой. Этому подходу посвящены исследования В.А.Зуева и Е.М.Грамузова (1984), В.Б.Белякова (1986, 1990) и Б.П.Ионова (1990, 1991). К настоящему времени этот подход развивается и успешно реализуется в ледовом бассейне НГТУ, а исследона-

ния этой проблемы являются наиболее актуальной задачей в области модельного эксперимента.

1.3. Натурный эксперимент.

Начало натурных исследований ходкости судов можно отнести к 1933-1937г.г., когда Я.Я.Гаккель на п/х "Моссовет", "Челюскин", "Малыгин" и "Ванцетти" впервые провел наблюдения за проходимостью судов во льдах. Первые натурные исследования, содержащие элементы инструментальных наблюдений, были проведены в 1935г. Г.Е.Ротмановым с борта л/к "Красин". Новый этап в развитии натурного эксперимента начался в 1939г., когда кораблеисследовательскому отделению ААНИИ была поручена организация специальных экспедиций для изучения сопротивления льда движению судов. Первая экспедиция состоялась в 1939г. на л/к "И .Сталин" под руководством В.В.Давыдова.

Наибольшее развитие получил натурный эксперимент в последние десятилетия. Программа пополнения и модернизации ледокольного и ле-докольно-транспортного флота выдвинула целый ряд проблем, связанных с проектированием и эксплуатацией судов в ледовых условиях. Кроме того, создание в ААНИИ первого в мире опытового ледового бассейна потребовало организации специальных натурных исследований, направленных на разработку и совершенствование методики моделирования процесса движения судна во льдах.

Отметим вклад А.Я.Рывлина в теорию и практику натурного эксперимента, который в 60-х и начале 70-х годов являлся ведущим специалистом в области натурных испытаний судов во льдах. Под его руководством и при непосредственном участии были проведены многочисленные натурные испытания дизельных ледоколов средней мощности, а также начаты испытания ледокольно-транспортных судов в различных ледовых условиях.

В это период были разработаны основные методические приемы натурных испытаний судов во льдах, созданы специализированные средства измерений, сформулированы основные требования к ледовому полигону для натурных испытаний. Итогом многолетней деятельности в этом направлении явилась монография "Испытания судов во льдах" (1980, А.Я.Рывлин и Д.Е.Хейсин), которая представляет собой практически единственное и достаточно полное обобщение опыта натурных испытаний судов в различных ледовых условиях.

На протяжении последних 15 — 20 лет значительное большинство натурных исследований ходкости судов в арктических льдах проходило под руководством и при непосредственном участии автора настоящей работы. Автор являлся участником более двух десятков арктических экспедиций, в том числе всех специализированных рейсов, где возглавлял натурные исследования проблем ледовой ходкости судов. Отметим в этой связи исследования ходкости ледоколов в тяжелых льдах центральной Арктики: 1977 (а/л "Арктика"), 1978 (а/л "Сибирь"), 1986 (а/л "Сибирь"); исследования динамики судов при работе ударами: 1982 (а/л "Арктика"), 1983 (л/к "Капитан Драницын"), 1984 (л/к "Диксон"); исследования маневренности во льдах: 1984 (а/л "Сибирь", л/к "Капитан Драницын", л/к "Диксон"), 1985 (л/к "Капитан Хлебников", т/к "Самбург", т/к "Ленинск Кузнецкий", т/к "Алейск"); исследования работы ледокола и судна при буксировке вплотную: 1984 (а/л "Арктика" и д/э "Павел Понамарев", а/л "Арктика" и д/э "Капитан Вакула", а/л "Сибирь" и т/к "Ленинск Кузнецкий"); исследования эффективности пневмоомывающего устройства: 1975, 1977 (л/к "Ермак"), 1978 (л/к "Капитан Сорокин") и целый ряд других.

Представленный выше краткий обзор натурных испытаний современных ледоколов и судов, разумеется, не охватывает весь объем и все многообразие исследований проблем ледовой ходкости, а включает в себя лишь небольшое количество оригинальных работ. Вместе с тем представляется, что приведенный краткий обзор вполне отражает важность, сложность и

многообразие задач, которые решаются сегодня в процессе натурных исследований, а также значение натурных исследований для создания современного арктического флота.

2. Теоретические исследования взаимодействия корпуса судна со льдом.

Многообразие ледовых условий, в которых приходится работать ледоколу (судну), делает невозможным создание единой аналитической зависимости для расчета его ледового сопротивления. Поэтому оценка ледового сопротивления осуществляется на базе частных методик для наиболее характерных ледовых условий и методов работы судна во льдах: ровный сплошной лед, в котором судно способно продвигаться с установившейся скоростью; ровный сплошной или торосистый лед, в котором судно способно продвигаться при работе ударами; битый лед с различными характеристиками.

2.1. Сопротивление ровного сплошного льда движению судов.

Главной характеристикой ледовой ходкости судна принято считать его предельную ледопроходимость, т.е. толщину льда, которую способно преодолевать судно при минимальной устойчивой скорости движения (1м/с). При оценке эксплуатационных характеристик ледоколов и ледо-кольно-транспортных судов необходимо располагать методикой оценки скорости судна во льдах различной толщины. Поэтому настоящий раздел разбит на два параграфа, где рассматриваются эти вопросы.

2.1.1. Движение судна с малой скоростью.

При выводе зависимости для ледового сопротивления полагалось, что движение судна с малой скоростью в сплошных льдах, однородных по толщине и прочности, является установившимся. При этом полное ледовое сопротивление представлялось в виде суммы четырех независимых составляющих:

Носовая ветвь ватерлинии задавалась уравнением вида

Сопротивление разрушению льда форштевнем и бортами. При определении Е], на основании анализа разрушающих сил, действующих на элемент судовой поверхности в районе контакта со льдом (рис.2.1), получено два выражения для составляющей разрушения льда: в интегралах

(2.1)

£

= о,57к![ (1'6СО%+°'11) си + к1%1

о о

<±х

(2.3)

31.110

и приближенное в конечном виде

» 2(Р) £ +< Р) Г)

(2.4)

где

(2.5)

(2.6)

Сопротивление, обусловленное притапливаниеи н поворачиванием льда. При определении полагалось, что количество льда, взломанного

Рис. 2.3 Схем» сьл,доа.вт»:гоаа в& ко poje лелоюд» rpi ptíjoirmi аде ve in à дш.

Гие. .2.4 **ч»4л ялгммолв'ст»*« iWiXbAîn^e'.xn* »ctiRR* суд*« С: льдом

судном, пропорционально площади носовой ветви КВЛ (рис.2.2). На основании анализа сил при притапливании и поворачивании разрушенного льда получено также два выражения для К г: в интегралах

0,57^ГУ<1'6СОЗр*°'11)а1П''<*х + 1 запр

I ~2

(2.7)

и в конечном виде

Д3*-0,3К, р0дьвй—(Р) а1па0 + 1даг {(3) (1 +созв0)]

(2.8)

Сопротивление раздвиганию разрушенного льда. При выводе выражения для сопротивления, обусловленного раздвиганием взломанных льдин полагалось, что наклон борта незначительно влияет на эту составляющую сопротивления, а на основании анализа результатов натурных испытаний судов во льдах установлено, что для сравнительно малых скоростей движения (У-1 — 4 узла) закон изменения ледового сопротивления может быть принят линейным. Схема взаимодействия корпуса судна со льдом при раздвигании представлена на рис.2.3.

На основании анализа сил при раздвигании разрушенного льда, получены выражения для Кз:

К3 = 2рядЬВКг,

) сова *} соэа

(2.9)

2 Сдг«0--|

(2.10)

Ледовое сопротивление цилиндрической вставки. При выводе выражения для ледового сопротивления цилиндрической вставки полагалось, что цилиндрическая вставка судна целиком обложена льдом и перемещение льда в вертикальной плоскости отсутствует (рис.2.4). На основании анализа сил, обуславливающих взаимодействие цилиндрической вставки со льдом получено

Сопротивление воды движению судна. Сопротивление воды движению судна во льдах предельной толщины может быть определено с достаточной степенью точности общепринятыми методами. Модельные испытания показали, что сопротивление воды незначительно в общем балансе полного ледового сопротивления, а при скорости V-1 — 4 узла, что соответствует движению судна во льдах, толщина которых близка к предельной, составляет, например, для ледокола средней мощности 0,09% — 1,2% полного ледового сопротивления. Поэтому величиной Ив можно пренебречь и в дальнейших расчетах полагать Яв=0.

Общее выражение для ледового сопротивления и его составляющих при движении судна в сплошных льдах с малой скоростью. Используя полученные результаты, общее выражение для ледового сопротивления при движении судна в ровных сплошных льдах предельной толщины запишется следующим образом: в интегралах

(2.11)

3

г. 2

К-2-*-

ь а

ь 2

а1п($

ёх

2 р„дА 0, 57 У (1' 6

+

(2.12)

£

Ь 3

и приближенное значение в конечном виде

+ 0,1К2радгЬВ1.

(-

Сдай

х[а1(Р)а1по0+^аа(Р) <1+соаа0)] +

+ 0, 5 р0дЬВгГхв\1 * —— згв соза.

2tgtt<¡-

(сда0)г ^

5 ся

(2.13)

2.1.2. Движение судна с произвольной скоростью.

При рассмотрении движения судна в предельных льдах скоростная составляющая считалась пропорциональной скорости движения судна в первой степени. Однако на скоростных режимах движения судов роль скоростной составляющей ледового сопротивления существенно возрастает, поэтому принятая ранее линейная зависимость для этой составляющей будет вносить погрешность в вычисления, величина которой возрастает с ростом скорости судна. Настоящее замечание об увеличении погрешности с ростом скорости судна в равной степени относится и к составляющей Кв. На основании сказанного полное ледовое сопротивление при произвольной скорости движения судна в сплошных льдах представлялось как

д-д^+ЖУ) (2.14)

На основании анализа данных натурных испытаний была установлена структура выражения для составляющей Я(¥).

к(У) ~куЬаУ° (2.15)

При рассмотрении настоящей задачи полагалось, что во льдах падение тяги винтов с увеличением скорости движения судна соответствует аналогичной характеристике на чистой воде. Поэтому при установившемся движении судна во льдах

(2.16)

На основании сказанного выше было получено общее уравнение для движения судна в сплошных льдах

арЛ* [А] +Л ( [В] + [С] ) + ЬаУпКу+УК,-Ряш~0

где [А], [В], [С] определяются из (2.12).

Определение коэффициентов /а, Кг1, К"1, К2, К'г, К"з, Кз, К'з,

К"з, К4, Ку, Ке, т, п производилось на основе обработки данных натурных испытаний ледоколов и судов в ровных сплошных льдах (п.4.1).

2.2. Анализ динамики судна при работе ударами.

В реальных ледовых условиях ледоколу (судну), работающему ударами, приходится преодолевать как ровные поля толстого льда, так и торосистые поля и перемычки. Поэтому, для единообразной оценки ледяного покрова при работе судна ударами предлагается использовать приведенную толщину льда, которая в наиболее общей форме может быть определена по формуле

Наибольшую приведенную толщину льда, которую способно преодолевать судно при работе ударами, будем называть максимальной ледопро-ходимостью.

Единичный цикл работы судна ударами рассматривается состоящим из четырех последовательных этапов: отход — разбег — удар о кромку поля (торос) — изменение посадки и разрушение льда.

Контакт корпуса судна со льдом возникает на третьем этапе работы ударами. При выводе уравнений для этого этапа полагалось, что имеет место плоско-параллельное движение судна. Тогда изменение количества движения и момента количества движения судна вследствие удара в про-

екции на координатные оси определяется следующими уравнениями (рис.2.5)

м(1+кГ1) (и^-и^--^вЛпр М(1 + К„) (к,-^) = лсозр 1Гу(1 + К'55) (дг-д1) 'Псоар +1ав±пР

(2.19)

Замыкающее уравнение кинематической связи определялось из условия отклонения скорости точки на форштевне от линии форштевня при прорезании в сторону положительного направления оси ОХ на угол ср. Тогда в результате преобразований было получена система уравнений

1

1+^55 р*

гт (^Л^+^КИ-К,)

и — ,-.■..,..■■■■--■■—. .. — -т .1.

* +Л

(2.20)

где: р2 = / у/М— радиус инерции массы ледокола относительно оси ОУ;

Четвертый этап движения судна начинается с момента, непосредственно следующего за ударом и длится до момента, когда судно полностью израсходует кинетическую энергию. Полагая движение судна на четвертом этапе плоско-параллельным, получим систему дифференциальных уравнений следующего вида

(2.21)

В результате преобразований (2.21) и с учетом уравнения кинематической связи были получены окончательные уравнения

М( 1 + ^) * = Т0 - - Р ¿др - С,,*-

Jy.il = (т0-Сг*) 1т-вну+Р1 к11г

Z^^Xtgi^f-¿lf)

(2.22)

Проведенные вычисления и анализ показали, что разработанный метод оценки динамики судна при работе ударами достаточно надежно от-

слеживает тенденции изменения характеристик движения, однако для получения численных значений указанных характеристик требуется настройка метода по результатам натурных испытаний. Поэтому было сочтено целесообразным провести измерения в натурных условиях. Полученные в результате измерений кинематические характеристики процесса, а также данные измерений приведенной толщины льда необходимы для получения настроечных коэффициентов в дифференциальные уравнения и для последующей проверки точности вычислений по теоретической модели.

Для исследования этого вопроса была рассмотрена кинематическая схема взаимодействия корпуса судна со льдом (рис.2.6), откуда получено

(2.23)

<5>> (К>) х* (Ко)X

(2.24)

Анализ показал, что прямое измерение ускорений позволяет получить лишь суммарное значение V/ и скоростей вдоль координатных осей X и Z, когда необходимо располагать данными не только о величине суммарной проекции, но и об отдельных составляющих ускорения. Полученные в результате непосредственных измерений составляющие главного вектора ускорений (ЪУа)х и (Мгл)г могут быть проинтегрированы для определения соответствующих составляющих главного вектора скоростей (Ул)х и (Ул)г. Теперь несложно получить величину и направление главного вектора в некоторых точках и положение мгновенного центра скоростей (МЦС) в фиксированный момент времени

При известном дифференте могут быть определены проекции скорости полюса на соответствующие оси, а следовательно и искомые проекции скоростей относительного движения (Уло)х и (Уло)г. Скорость относительного движения Уло позволяет найти еще одну весьма важную величину — мгновенную угловую скорость вращения точки вокруг полюса со в, которая необходима для определения нормальной составляющей ускорения в относительном движении.

Для решения этой задачи уравнение для ускорения точки А записывалось в ином виде, где ускорение полюса выражено через ускорение МЦС:

Я - Кщс + + (2.26)

в.я. в.и. -я в.и. -и '

Решая уравнение (2.23), определяем тангенциальные составляющие ускорений и связанные с ними угловые ускорения Ео и Емцс, а также относительное ускорение 1Уло и ускорение полюса УУо. После двойного интегрирования составляющих ускорения полюса по осям координат X и 2 получаем траекторию перемещения центра тяжести судна в процессе всего набега. Таким же образом определяется траектория МЦС, которая затем представляется в виде зависимостей Хмцс - /(О и 2мцс = /(О- Первая и вторая производные функций позволяют определить соответствующие проекции скорости и ускорения мгновенного центра скоростей.

Из представленного анализа следует, что в процессе экспериментальных исследований необходимо производить регистрацию в течение всего набега угловых перемещений, а также линейных ускорений в двух точках по длине судна.

Общая схема записи продольного ускорения за один цикл представлена на рис.2.7. В соответствии с принятым делением одного цикла работы ударами на этапы, после остановки на переднем ходу судно отходит назад для разбега, затрачивая на это время (о, а на разбег — г р. Точка К соответствует удару судна о кромку льда. После смятия кромки судно

наползает на лед, меняет посадку, разрушает ледяной покров и останавливается. Это время обозначено на рисунке * л.

Предварительный анализ осциллограмм с записью продольных и вертикальных ускорений показал, что зависимости 1Ух- /О) и IVг - /(I) не

характеристик движения ледокола использовался метод численного интегрирования (рис.2.7). На методике и результатах исследований мы остановимся в п.4.4. В настоящем разделе работы отметим, что представленные на рис.2.7 кривые обладают рядом свойств, которые могут быть записаны следующим образом

2.3. Замечание о сопротивлении битого льда движению судов.

Движение в битых льдах с различными характеристиками является относительно частым событием в реальных условиях эксплуатации судов во льдах. Автору известна лишь одна работа, посвященная изучению сопротивления судна в битых льдах. Это работа А.Я.Рывлина, в которой приводится формула для расчета сопротивления в мелкобитых льдах.

Исследования ходкости судов в битых льдах не получили продолжения и развития. Указанное обстоятельство связано с тем, что нормативный характеристикой ледовой ходкости является предельная ледопроходи-мость, и движение в битых льдах не представляет интереса с точки зрения проектирования формы корпуса лидирующих и универсальных ледоколов, которые составляют значительное большинство отечественного ледоколь-

поддаются строгому аналитическому описанию. Поэтому для определения

(2.27)

(2.28)

ного флота. В равной степени это утверждение может быть отнесено и к портовым ледоколам.

В силу указанных причин мы не будем останавливаться на этой задаче, полагая, что при необходимости для приближенных и оценочных расчетов может быть использована формула (2.28).

3. Модельные исследования ходкости судов во льдах.

3.1. Теоретические исследования проблем моделирования в ледовом бассейне.

Анализ теоретических основ моделирования процесса взаимодействия корпуса судна со льдом в различных ледовых бассейнах мира, а также опыта работы этих бассейнов позволил установить, что задача по определению сопротивления льда движению судов в модельном эксперименте состоит из нескольких задач:

— моделирование ледяного покрова;

— моделирование движения судна в лабораторном льду;

— анализ возможности совместного моделирования процессов;

— разработка теоретических принципов и практических методов моделирования.

При исследовании моделирования ледяного покрова рассматривалась наиболее общая задача — моделирование естественного процесса образования льда в натурных условиях. На основании таблицы определяющих параметров было получено девять основных безразмерных комбинации:

(3.1)

Анализ показал, что некоторые из соотношений (3.1) соответствуют уже утвердившимся критериям подобия в задачах теплопроводности с изменением агрегатного состояния. Так, например, соотношение 1п соответствует критерию Био, а 1ю — комбинации критериев Био, Коссовича и Фурье.

На основании равенства критериев (3.1) в модельном и натурном экспериментах при соотношении линейных размеров натуры и модели пропорционально первой степени масштаба были получены формулы пересчета.

Из рассмотрения критерия 1и, характеризующего равенство средних скоростей роста льда в модельном и натурном экспериментах,следует

Анализ исследований теплоты кристаллизации воды в зависимости от солености льда показал, что величина Н»>, при солености льда более десяти промилле, практически не зависит от £/ %о. При 0< & %о Б < 10 имеет место изменение теплоты кристаллизации воды, которое не компенсирует изменение масштаба для ледовых бассейнов малого размера.

Из условия 1п в модельном и натурном экспериментах было получено

Анализ исследований теплопроводности морского льда показал, что величина X / весьма слабо зависит от температуры и солености льда. Указанное обстоятельство позволило принять Л"7=ХЬ и получить

с

(3.2)

(3.3)

Из выражения для 1ю было получено

(3.4)

д Те

(3.5)

Анализ исследований плотности морского льда показал, что изменение температуры и солености льда практически не сказывается на р /. Это позволило считать, что />'";= рЪ и

На основании равенства 1ц и 1а в модельном и натурном экспери ментах было получено

Выше отмечалось, что при исследованиях моделирования движения судна в лабораторном льду рассматривалось движение судна в различных ледовых условиях. В силу принципиального подобия метода решения, а также полученных результатов, остановимся в настоящей работе на рассмотрении установившегося прямолинейного поступательного движения судна в сплошном ровном однородном льду с малой скоростью. Для этого случая была составлена таблица определяющих параметров, откуда получено десять основных безразмерных комбинаций

Было замечено, что достаточно простым преобразованием критерии Ь и 1& могут быть приведены к виду

(3.6)

(3.7)

(3.8)

(3.9)

или

(ЗЛО)

На основании равенства критериев в модельном и натурном экспериментах и с учетом предыдущих выводов были получены формулы пересчета

л» ^-Чм; уя * си

„/ с

Рг-Рх; 01 Ос — =м

о? о Шс

При анализе возможности совместного моделирования различных явлений были рассмотрены критерии (3.1) и (3.8) и сделан вывод, что критерии для моделирования движения судна во льдах и тепловых процессов при приготовлении лабораторного льда не противоречат друг другу. Однако, это не позволило сделать вывод о возможности совместного моделирования процессов. Так, условие (3.2) не может быть реализовано при солености льда более десяти .промилле и практически может быть удовлет-. ворено лишь для масштабов 1:10 — 1:20 при солености льда 0< & %о <10. Кроме того, для моделирования необходимо удовлетворить условие (3.4), для чего требуется увеличить коэффициенты теплоотдачи воздуха и воды в модельном эксперименте, по сравнению с натурой, в М раз, что является технически невыполнимым. Также, в соответствии с (3.6), температура намораживания моделированного льда пересчитывается с натуры пропорционально масштабу в степени 2,5, что требует около 30 суток на подготовку одного поля лабораторного "однолетнего" льда, в масштабе 1:50, при средней температуре намораживания моделированного льда порядка Ю-з оС

На основании представленного анализа был сделан вывод о невозможности использования такого подхода для дальнейшего развития теории и практики моделирования в ледовых бассейнах взаимодействия судов со льдом.

Анализ соотношений, входящих в (3.8) показал, что наряду с традиционными и утвердившимися в практике моделирования критериями, сюда

вошли новые безразмерные комбинации, отражающие специфику моделирования в ледовом бассейне — (3.9) и (3.10), устанавливающие связь между работой разрушения льда и работой массовых сил, наиболее полным выражением которой является 1-критерий. Моделирование по 1-критерию обладает целым рядом преимуществ. Прежде всего работа разрушения является достаточно полной характеристикой поведения льда под нагрузкой, т.к. наряду с действующем усилием учитывает текущую деформацию льда.

Из (3.8) следует, что реализация моделирования по 1-критерию требует геометрического подобия, подобия плотности льда, а также подобия диаграмм работ разрушения льда.

Удовлетворение геометрического подобия принципиальных трудностей не вызывает и успешно реализуется в практике моделирования. Подобие плотности льда достижимо, о чем уже говорилось выше. Для удовлетворения подобия работ разрушения необходимо располагать диаграммами нагружения натурного льда с записью усилия и соответствующей стрелки прогиба в процессе нагружения (рис.3.1).

На основании анализа натурных диаграмм нагружения до разрушения были сформулированы необходимое и достаточное условия моделирования льда по работе разрушения:

— необходимым условием моделирования льда по работе разрушения является равенство площадей, ограниченных кривой Р/Рр = /(1У/УУр), и осью ОХ для диаграммы, полученной в натурном и модельном экспериментах;

— достаточным условием моделирования льда по работе разрушения является равенство первых производных функций Р/Рр - /(Ш1Ур), полученных в натурном и модельном экспериментах.

(3.12)

Анализ показал, что реализация необходимого условия моделирования принципиальных трудностей не вызывает. Реализация достаточного условия требует серьезных исследований и разработок по созданию технико-технологических мероприятий, направленных на выполнение этого условия. Результаты этих исследований и разработок в настоящей работе не рассматриваются, т.к. являются предметом большой самостоятельной работы. Отметим лишь, что одна из работ в этом направлении завершена и успешно реализуется в ледовом бассейне НГТУ.

3.2. Метод оценки однородности моделированного ледяного покрова по толщине и прочности.

Анализ показал, что практически всегда имеется некоторый разброс геометрических и физико-механических характеристик моделированного ледяного покрова как по длине, так и по ширине ледового бассейна. Это объясняется изменениями теплового режима, различной степенью обрастания батарей шубой, неравномерным распределением центров кристаллизации по поверхности воды. Неоднородность ледяного покрова снижает точность модельного эксперимента, поэтому, определение степени однородности приготовленной моделированной среды, осуществление контроля за ней, а также оценка результатов эксперимента имеют принципиальное значение.

На основании многочисленных исследований процесса нарастания моделированного льда было установлено, что толщина моделированного льда может быть аппроксимирована зависимостью

При анализе влияния неоднородности льда на ходкость рассматривался наиболее распространенный вид исследований — испытания при непрерывном движении модели при постоянной тяге в моделированном

сплошном ледяном поле, неравномерном по толщине и прочности. Эта неравномерность характеризовалась отклонением толщины и прочности о?, и су, которые в свою очередь приводят к изменению скорости движения модели, характеризуемой сг,.

Влияние ел, и су на а, рассматривалось раздельно. Вероятность того, что при движении в неоднородном по толщине моделированном ледяном покрове модель не остановится, определялась

(3.14)

ЩМ^О, С) = 1 -Р{Иу/0, С)

Было получено выражение для дисперсии скорости, при которой обеспечивается непрерывное движение модели с вероятностью неостановки \У(М, ю,1) и с учетом прохождения модели по длине бассейна не менее трех длин корпуса с установившейся скоростью движения

+ (3.15)

6 2 2пгтЬ

На основании анализа зависимости, устанавливающей связь между скоростью непрерывного движения судна и толщиной сплошного льда, была получена формула для дисперсии толщины ледяного покрова, выраженной через текущие значения температуры намораживания моделированного льда

(а г

Л0 + 0,16 (с2 - с1)

Из (3.13) было определено выражение для предельно допустимых отклонений температуры намораживания, которое приводит к некоторым предельно допустимым отклонениям толщины моделированного льда, которые, в свою очередь, гарантируют непрерывное движение модели с некоторой наперед заданной вероятностью \У.

(3.17)

Анализ результатов модельных испытаний л/к "Москва" и д/э "Амгуэма" во льдах с различным значением прочности на изгиб позволил установить вид зависимости У=/(а/). На основании указанных результатов была получена формула для дисперсии прочности моделированного льда

Экспериментальные исследования предела прочности моделированного льда на изгиб в реальном для ледового бассейна диапазоне температур позволили установить связь между прочностью и температурой намораживания. На основании этих исследований была получена формула для предельно допустимых отклонений температуры намораживания моделированного льда, которые приводят к некоторым предельно допустимым отклонениям прочности моделированного льда, которые, в свою очередь, гарантируют непрерывное движение модели с некоторой наперед заданной вероятностью V/.

Таким образом, в результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований было получено два выражения для предельно допустимых отклонений температуры намораживания моделированного льда (3.17) и (3.19), каждое из которых гарантирует непрерывное движение модели с некоторой вероятностью УУ (рис.3.2). Для контроля за градиентом температуры намораживания выбирается меньшее из двух значений а>, обеспечивая тем самым требования по предельно допустимым отклонениям как толщины моделированного льда, так и его прочности (табл.3.1).

6 (\Г)*ггЩ.

(3.18)

(3.19)

58 (У*)32аЛа£

Табл. 3.1

Расчетные значения ст, (°С), обеспечивающие непрерывное движение модели л/к "Москва" (масштаб 1:50) с вероятностью IVп предельных льдах при температуре намораживания модельного льда -11°С.

W- 0,99 W- 0,9 W=0,8 1F=0,7

a t=f(Gh) 0,06 0,09 0,12 0,16

0t=f(On) 0,18 0,27 0,36 0,49

3.3. Буксировочные испытания.

3.3.1. Методика обработки и оценки результатов модельного эксперимента.

На практике в результате буксировочных модельных испытаний ледовой ходкости чаще всего строятся зависимости типа V-f(h) при Ре -comí с целью определения предельной ледопроходимости судна. Строго говоря, указанная зависимость нелинейна. Однако, анализ результатов многочисленных модельных испытаний показал, что коэффициент корреляции между величинами И и Л близок к единице, что позволило проводить линейную аппроксимацию результатов модельных испытаний.

Для построения экспериментальной линии регрессии производилась оценка коэффициента корреляции между величинами V и h, для чего рассматривались результаты ряда испытаний, итогом каждого из которых являлись величины М«и М ,¡ (i = 1,2,...). В качестве несмещенных оценок центров распределения h и V и дисперсий а2/, и а2, принимались эмпирические средние и дисперсии

V* Ъ с

г,

, ь ( л ^ t> п \2

В качестве несмещенной и состоятельной оценки корреляционного момента ц и принимался эмпирический корреляционный момент тц

На основании полученных результатов определялся эмпирический коэффициент корреляции, а также уравнение эмпирической прямой регрессии. Это уравнение при значении Vй =1 м/с позволило определить величину Л= !щр

* (1л i*" V

(3.22)

щ b а \ ( тг* Ъ с

'"¿¡£§''№•355*

Полученная с помощью (3.22) величина hnp являлась оценкой hnp. Далее определялся доверительный интервал для неизвестного параметра hnp при неизвестном а с некоторой надежностью Р. Полученные результаты позволили определить, с какой вероятностью Р перекрывает экспериментальный интервал истинное значение hnp.

j. , (3.23)

C(P;JD-I) „ >дт<°»») ~длр1 ^ ¿>

3.3.2. Методика и результаты разделения ледового сопротивления на составляющие.

Основной целью настоящих исследований являлось определение удельного веса составляющих в балансе полного ледового сопротивления и сопоставление результатов модельного эксперимента с расчетными значениями составляющих по формулам (2.12) и (2.13).

При проведении модельных исследований однородность ледяного покрова контролировалась по методу, изложенному в п.3.2, при этом значения т , сг„ и а, соответствовали вероятности неостановки модели ^=0,85 — 0,9.

Разделение ледового сопротивления на составляющие в модельном эксперименте проводилось для модели ледокола "Москва", выполненной в масштабе 1:50.

На первом этапе экспериментальных исследований составляющих строились вспомогательные кривые У-/(Н) при различных значениях Ре и постоянных а/ 11/1.

Затем на основании полученных данных была построена зависимость Я=/(!0 для скорости движения натуры Ун- 1 м/с.

Для нахождения величины составляющей Ятр были проведены испытания модели с различными покрытиями подводной части корпуса при постоянных значениях Рс =17н и а/ =0,34 хЮ5 Па. Результаты испытаний модели в виде кривых У=/(11) представлены на рис.3.3. Из представленных результатов следует, что численное значение составляющей, обусловленной внешним трением в балансе сопротивления для предельной ледопро-ходимости модели л/к "Москва" при— 0,08 равно Ятр = 5,1н (рис.3.5-а).

Для определения численного значения составляющей сопротивления разрушению льда в ледовом бассейне испытывалась модель во льдах с различным значением су =0,2-105 , 0,34-Ю5, 0,58-Ю5 Па, при постоянных значениях Рс -17н и/г =0,08.

Результаты испытаний в виде кривых У=/(Ю приведены на рис.3.4.

На рис.3.5-6 приведен график зависимости Я=/(сг/) для модели л/к "Москва" в предельных льдах, построенный по экспериментальным данным. Как следует из графика, приведенного на рис.3.5-6, численное значение составляющей сопротивления, обусловленной разрушением льда, равно Я1 =7,9н.

Ту&ал 1ШСММТ1 B'fOfrfa) «pe k-t&nl

-— p«CUHM шиш

—■■'О lltMPMDUUM 1МЧШ

c\ 1

\ ч i

V \

\

\ •

\ r ы-

г \\

\ \

А К ч \ ;

\ 1ч

3.0 &*рй«тмоспм« ммюи «&>;»*>» грЛмшс

•«hic» при диком« под»*» */* "tec«»** • ft«TVi tuu: J-»*HTV« ¿-»«KTV в^ру^змн* MTuто»;

' MMMMI (,**лк«я КОЛ); «-««"TV ОбОДОМ***« Л4»КЛ>* IHJ-

»J «ei К

Расчетные значения ледового сопротивления и его составляющих, полученные с помощью зависимостей (2.12) и (2.13), практически совпадают. Поэтому при сопоставлении результатов расчета и модельного эксперимента может быть использована любая из указанных формул.

На рнс.3.6 представлены результаты модельного эксперимента и данные расчета изменения величины полного ледового сопротивления л/к "Москва" в зависимости от динамического коэффициента трения льда о корпус.

Расчетные и экспериментальные (пересчитанные с модели на натуру) кривые изменения полного ледового сопротивления л/к "Москва" в зависимости от предела прочности льда на изгиб представлены на рис.3.7.

Расчетные и экспериментальные значения составляющих полного ледового сопротивления ледокола "Москва" при движении во льдах предельной толщины приведены,втабл.3.2.

Табл. 3.2

Составляющие полного ледового сопротивления ледокола типа "Москва" при движении в предельных льдах.

Составляющие сопротивления ЯЛЯ я2/я Яг/Я Ятр/Я

Яс,/Я ЯГа/Я Я,/Я Я/*/Я Я,/Я Я/у/Я

Расчет по (2.12) % 34,3 14,8 28,0 11,2 8,6 3,1 29,1

49,1 39,2 11,7

Расчет по (2.13) % 36,1 15,1 26,3 10,6 9,1 2,8 28,5

51,2 36,9 11,9

Эксперимент, % 46,5 40,6 12,9 30,0

3.4, Методика обработки и некоторые результаты исследований формы кормовой оконечности судна и эффективности защитных устройств.

О форме кормовой оконечности судна и эффективности защитных устройств можно судить на основании анализа результатов взаимодействия движительно-рулевого комплекса со льдом.

На основании анализа многочисленных результатов натурных и модельных исследований было установлено, что взаимодействие движителя со льдом представляет собой нестационарный процесс, который может быть исследован только с помощью методов математической статистики. Для этого необходимо располагать достаточным числом независимых прямых измерений реализации процесса ХО), которые проводятся, как правило, на базе модельного эксперимента. Реализациями указанных процессов являются осциллограммы (магнитные ленты и т.д.) с записью изменения оборотов, момента и упора гребных винтов.

В результате т прямых измерений Х(1) получают серию чисел, каждое из которых является мгновенным значением измеряемой величины Х1' ••■Ха1> Х}' ХЛ'Х> —хс1> — ' Хк> ••• > Ха, (3.24)

Для достижения заданной точности обработки результатов эксперимента, ось ординат, соответствующая абсолютным значениям измеряемой величины, разбивалась на зоны С-процентной обеспеченности

(3.25)

Результатом вычислений является статистический ряд оценок математического ожидания относительного падения оборотов (упора, момента)

(^)Ш--Ш- (3-26)

которые характеризуются некоторой длительностью / /, .....г к и отвечают условию (3.25).

Вероятность появления событий с характеристиками (3.26)

ЕВ с, п ЕЕс, п ГЕс* (3-27)

**—..........г"4

'о ао ■'о

Окончательный результат вычислений представляется в виде графика Р/-а /(Х<Х0 -X /.к/Хо).

Сопоставление результатов испытаний с различными формами корпуса и защитными устройствами позволяет сделать вывод об эффек-

тивности того или иного конструктивного решения (рис.3.8). Так, например, вероятность падения оборотов на 10% на переднем ходу при незащищенных винтах равняется 0,45, а с использованием защиты — 0,10.

3.5. Исследования динамического коэффициента трения корпуса судна о лед.

Исследования динамического коэффициента трения проводились при буксировке стандартного образца (диаметр 160 мм) по моделированному льду ледового бассейна, которые сопоставлялись с данными натурных исследований.

В процессе модельных испытаний использовались образцы изготовленные из различных материалов (дерево, сталь, латунь и др.) с разнородными покрытиями (грунт, лак, смола и др.). В процессе исследований изучалось влияние на Динамический коэффициент трения скорости скольжения, удельного давления и температуры воздуха. Результаты указанных исследований приведены на рис.3.9 — 3.11. Из представленных данных следует, что результаты измерений в натурном и модельном экспериментах практически совпадают, а для расчетов ледового сопротивления может быть рекомендовано среднее значение/^ =0,08.

4. Натурные исследования ходкости судов во льдах.

4.1. Ходкость судов при непрерывном движении в сплошных льдах и определение коэффициентов для теоретической модели.

Исследования ходкости судов во льдах при непрерывном движении являются наиболее распространенным видом натурного эксперимента. Эти исследования проводились на протяжении ряда десятилетий на всех ледоколах и практически на всех ледокольно-транспортных судах, построенных как в СССР, так и за рубежом для СССР. Основной

be. 4.1 Оф! «uicKWKTi «I« f*-conti

.-....... »емршмкт

Ж ____ Ив форфд* ( 2.12 )

ho. 4.3 КрШЛ |шсшв«| 00&р9ГШ*ши) д«доход* ткг* в£рмис" от годаямы ди! ВрК Г »I i

---расчет

9 * « ахы>«рп*«кт

...... **>vc:.txi ' ;

&стс»Ясет<* вал*»'1Ф51г. ■ „■,'

Кркввл saaacBocTf еоореткмеяи двдмвха tina ibes»" oí «лоту лда • го* if * Ï м/с. .....—- - pacwj О - »ксдврэдеят'.

Ю

&a*e¿uú За пи 6 <S7?toc

0.4 о, S с16 h, 'м "

Рас. 4.2 Крхмл »икекыостя еопротшиеш ледохода tu« "Добрыкя Нджгтгч" от топала лххл вря Г* I м/с

- - расчет

* - эхсвврв«е«гт

целью указанных исследований являлась экспериментальная проверка ле-допроходимости, апробация новых инженерных решений, совершенствование теоретических методов оценки ледового сопротивления и методов моделирования в ледовом бассейне взаимодействия корпуса судна со льдом.

Для определения численных значений коэффициентов математической модели (п.2.1.1) использовались результаты натурных испытаний л/к "Москва" в ровных сплошных льдах (рис.4.1). В результате обработки результатов указанных испытаний было получено: Л7 =0,011, К'} =0,015, ЯЧ =0,011, Я, =0,5, К'г=\А, К"2=0,5, /0 = 1,4, Я'*=1,1, Я"з = 1,66.

Для проведения расчетов по формулам (2.12) и (2.13) необходимо также располагать данными о пределе прочности льда на изгиб и динамическом коэффициенте трения (п.3.5).

Проверка результатов расчета ледового сопротивления по формулам (2.12) и (2.13) для ледоколов различных классов по данным натурных испытаний этих ледоколов представлена на рис.4.1 — 4.4 и показала удовлетворительную сходимость результатов расчета и натурного эксперимента.

Определение величины коэффициента К.4 проводилось из условия сплошного облегания подводной части корпуса судна разрушенным льдом. На основании анализа было получено

4 2Т+В

Расчеты показали, что даже при Я>=1,0 и увеличении длины судна за счет цилиндрической вставки на 25%, величина ледового сопротивления ледокола типа "Москва" возрастает всего на 5 — 6%. Поэтому было принято решение определять /О в соответствии с (4.1), допуская тем самым весьма незначительную ошибку в оценке ледового сопротивления в безопасную сторону, величина которой лежит в пределах погрешности натурного эксперимента.

Для определения показателей степени т, л и величины коэффициента Кг также использовались кривые сопротивления л/к "Москва". На основании обработки натурных данных было получено: К, =150, т =1,86, п =1,26. Проверка формулы для произвольной скорости движения судна в ровных сплошных льдах проводилась для современного ледокольно-транспортного судна типа СА-15. Анализ результатов расчета по (2.17) и натурного эксперимента показал удовлетворительную сходимость расчетного и экспериментального значений ледового сопротивления (рис.4.5).

4.2. Сезонная изменчивость характеристик ходкости в сплошных льдах.

Исследования ходкости судов при непрерывном движении в различные периоды навигации осуществлялись на протяжении ряда лет. Поэтому представляла интерес оценка влияния срока эксплуатации судна на его предельную ледопроходимость. Такая оценка позволила определить изменение ходкости судов с увеличением срока эксплуатации и исключить соответствующую ошибку при оценке влияния на ходкость периода навигации. •

Для оценки влияния срока эксплуатации на ледовую ходкость использовались результаты испытаний а/я "Сибирь" в один и тот же период навигации при проведении высокоширотного рейса 1978г. и научно-практического рейса 1987г. (рис.4,6). Из анализа указанных данных следует, что величина предельной ледопроходимости а/л "Сибирь", корпус которого периодически покрывался "Инертой", за 9 лет эксплуатации осталась практически неизменной, и введение поправок на шероховатость при анализе изменения ходкости судов в различные периоды навигации не требуется.

Из рассмотрения кривых ходкости л/к "Капитан Драницын", полученных в различные периоды навигации в разные годы, следует, что предельная ледопроходимость ледокола с августа по апрель существенно уменьшается (рис.4.7). Величина указанного уменьшения предельной ле-

и",«/«

4,0

\ " \

\ X. Д

\\~ 1 V \

•

0,2 0,4 0,0 0,6

Р*а.4.Э Зь»чс*мосТк 1>пяе«мд суля» T*nt Л-lo or

«пиотогс «Ii«: í - этелер»*™»"»"« imkaioctis г - ptt4»T»io« звечеяче !t?ei(íw«?. aeAûnpoiHHMûcti to /2.12/¡

3 - рьметим зьаис*аос1ь, подучежш» яо /2.1?/

Рис. 4 6 3*iwe**0ci> if' íít*L 1 */я "C*flnpv" при имсиылл^ьой иовности УУ I - ют №3 г. ; 2 - м*я I»/ г.

Ни

t b 1 i

4 1 1

i h

Í i

f V /

0 / У 1

/ /

У J f

У

У

iT.w/e

4,0 if, м/с

о.а n/hT

Рис. 4.8 Зикскыость скорэстя ддеявнхл Jcju>*a«b от мочностк

ГЭД ю » pujMuml то типы, I - К .¡0,4.0,6», го; г - к .(О.эЬЛ.МЩ^,; 3 -MO,9,I,o)k.f

'о. S,

А-Ъ,

Fke. 4.7 Ссоостидейх« Irptux ir.JlK ) л/к "К«»твд Сорокин"

2 - »/* Copo»*" t**pt ISô3r.);

3 - »/* *Kinnr»H Cop>«*»" (»rm**» tow- *

I.Q

допроходимости составляет 25%. Это изменение предельной ледопрохо-димости является следствием изменения физико-механических характеристик льда. Исследования процесса изменения физико-механических характеристик льда были проведены автором на дрейфующей станции "Северный Полюс-29" (СП-29) с августа 1987г. по апрель 1983г. Некоторые результаты этих исследований представлены в табл. 4.1.

Табл.4.1

Средние относительные значения физико-механических характеристик льда по малым образцам.

Месяц Средняя температура воздуха (Т^~снс гг11 О сж о/ Я11« н1.

(<Т сж)о (оу)о (Я".)о

август -5,5 0,53 1,0 — — —

сентябрь -6,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

октябрь -16,4 1,24 1,15 1,14 1,33 1,06

ноябрь -29,4 2,47 1,69 1,43 1,75 1,36

декабрь -32,7 2,64 1,69 1,64 1,85 1,45

январь -30,0 2,19 1,39 1,50 1,74 1,33

февраль -29,4 2,29 1,53 1,36 1,71 1,34

март -36,3 2,70 1,71 1,57 1,90 1,49

апрель -34,6 2,73 1,63 1,57 1,78 1,40

Совместный анализ рис.4.6, 4.7, и табл.4.1 показал, что изменение температуры воздуха в течение годичного цикла приводит к соответствующему изменению физико-механических характеристик льда, которые в свою очередь вызывают изменение скорости движения судна в сплошных льдах. Этот вывод, по всей видимости, можно принять как вполне достоверный, поскольку при исследовании физико-механических характеристик льда на малых образцах было выполнено около шести тысяч испытаний, а экспериментальные данные, подтверждающие изменение скорости судов в течение годичного цикла во льдах одинаковой толщины получены практически для всех современных типов ледоколов.

4.3. Влияние водоизмещения (осадки) судна на ходкость в сплошных льдах.

В рамках программы пополнения отечественного ледокольного флота на основании решения трех министерств (МСП, ММФ и МСМ) под руководством автора были проведены натурные исследования ледовой ходкости а/л "Арктика" с различным водоизмещением в ровных сплошных льдах различной толщины при непрерывном движениии ледокола с установившейся скоростью. Исследования проводились при двух значениях осадки, при этом разница между максимальным и минимальным водоизмещением судна составляла 1400т. Результаты указанных испытаний представлены на рис.4.8.

Из приведенных результатов следует, что натурные испытания не выявили влияния водоизмещения (осадки) на ходкость ледокола в сплошных ровных однородных льдах с установившейся скоростью, подтвердив тем самым результаты исследований этого вопроса в ледовом бассейне ААНИИ.

Указанные результаты исследований были использованы при проработке проекта ледокола лидера и при проектировании мелкосидящих атомных ледоколов типа "Таймыр".

4.4. Динамика судна при работе ударами.

На основании анализа динамики судна при работе ударами (п.2.2) была разработана методика натурных исследований, которые были проведены на ледоколах типа "Арктика" (0=23000т.), "Капитан Сорокин" (0= 14600т.) и "Мудьюг" (0=5400т.). Указанная методика основывалась на прямом измерениии линейных ускорений и угловых перемещений в двух точках по длине судна. В настоящее время экспериментальных данных о кинематике судна при работе ударами недостаточно, что не позволяет за-

вершить работу по созданию теоретической модели. Поэтому была разработана еще одна методика обработки данных натурных испытаний, позволяющая на базе имеющейся информации разработать способ оценки влияния водоизмещения и элементов движения при работе судна ударами.

На первом этапе производился предварительный анализ осциллограмм с записью продольных и вертикальных ускорений и методом численного интегрирования строились зависимости У=ДЪ) и 5=/0) (рис.2.7).

Следующим этапом обработки экспериментальных данных являлось построение зависимости контактной скорости судна от длины разбега У«=/(ЯР) (рис.4.9).

На третьем этапе, с помощью кривых £ л -/(Ук) (рис.4.10), строились зависимости И т -/(Vк) при =сош (рис.4.11).

Настоящая методика была реализована на всех ледоколах указанных типов. На основании обработки и анализа полученных натурных данных были получены обобщающие зависимости, отражающие связь водоизмещения и энерговооруженности с характеристиками ходкости судна при работе ударами (рис,4.11 — 4.14).

4.5. Маневренность ледоколов и судов во льдах.

4.5.1. Экспериментальные исследования поворотливости.

Экспериментальные исследования поворотливости во льдах проводились на ледоколах и судах различного класса, мощности и водоизмещения. Методика указанных исследований заключалась в прямом измерении характеристик траектории движения на циркуляции во льдах различной толщины.

На рис.4.15 представлены графики зависимости диаметра циркуляции ледоколов типа "Арктика" и "Капитан Сорокин" от толщины ровного сплошного льда. На основании анализа указанных исследований был сформулирован вывод о существенной зависимости диаметра циркуляции

О__________ ■----- О —-.....гг .....

0-.

о / 0

/

/

bic. 4.9 Экспериментальная MSKCKttOCTt КОНТККТНО* СКОРОСТИ ОТ ДДИШ ря.^бег« ДЛЯ */к "Лмнсои"

.¡о IM ISO И» 250

с. 4.10 --------------------юятыгтно« с«ор.=™ " ч™ « »«« ри«"»«

дм ж/к "Диксон"

сл 05

zí Ж 3>

г,о

О.г 0,3 0.4 0,3 0,1/ 0,7 O.t) 0,9 1,0 К , « Рис. 4.II гксгер.н.нтклкн.л ¡^.»сншсть koktwthoK екоростя от паш «.д. д,, i/, "Í.KCOH"

0.4

? >

г 3 ! & /

í —-___ V

\_íL

UXX) 1(Ш) 15000 200О0 Р, т

h<c.4.I2 ?*в*с*ноеть энерговооруженности ЛйДОКОЛОВ ОТ »одоклнменнл. !--r«MTiK Ьор>н»*-, г--Дккем«", 3--I10C«».-, 4--KKIWTM Сорок««', Ь-Чмош",

лркгям .

гоооо э

Р*с.4ЛЭ ?»шсюлсть иисстллкмой ладопуоходимост* к о* »одоижмещсиия ледоколов О- я/ж "Диксон", Д - к/к "К*питкм Сорокин", О - */л "Лркткм"

0., и/сг с «А

0,>

0,5 , 1,0 1,3 г,о г,о л;/г, Вт/т

Ь<С. *•■ - ?»виеиюетк Среднего ускорения и конткктиоЯ скорости кадоколок от »иергоюорукекиос-д - к/к "Диксон", а - */к "Напитки Сорокин", О ~ "Арктика"

5.0-

А

I

А

I

/

!

V / •

орб /ч^ / ✓

/

/

/

1.0©-----

ч Л

0 0,2 0,4 0,0 0,6 1,0 1,2 1,4 1.6 К.»

Рис. 4.15 гмвслюё« вп*эсктвлумого диаметр» «кркухлци* дадоколо» я суд01 от тохщккы яьдс: 3 - цирку лликл «/* "Сибирь" чвре* ПЕ;

2 - «кркултом л/к *Клл»»*я Хлвбихко»" черв? ПБ;

3 - цирхуллция т/к "меяск" • випа льдах сплоченности»

3 ■ 9-30 баллов черея ПБ; < - цкркудлцк* т/х "Ерий А>лгодрс*й" мере? ПБ."

СП

-N1

ледокола от толщины преодолеваемого льда. Этот вывод является новым, т.к. ранее считалось, что относительный диаметр установившейся циркуляции при заданном угле перекладки руля практически не зависит от толщины льда.

На рис.4.15 представлены также результаты испытаний в сплошных льдах на циркуляции судна ледового плавания типа "Юрий Долгорукий", которые подтверждают сделанный автором вывод о существенной зависимости диаметра циркуляции от толщины льда.

В крупно-мелко битых льдах сплоченностью 9 — 10 баллов были проведены испытания на циркуляции танкера малого водоизмещения типа "Алейск" (рис.4.15). Результаты указанных испытаний позволили распространить вывод о зависимости диаметра циркуляции от толщины льда на битый лед.

В процессе натурных исследований маневренности судов во льдах изучалась также работа ледокола и судна тандемом. Было отмечено, что характерным режимом работы тандемом на циркуляции является первоначальная прокладка ледоколом канала и последующая проводка транспортного судна по каналу буксировкой вплотную. На основании анализа указанного режима работы была разработана формула, позволяющая определить максимальную длину буксируемого судна из условия его вписывае-мости в канал за ледоколом без разрушения кромок канала

£с<шах> =\/(в*--0с> (4 2)

Формула (4.2) может использоваться на начальной стадии проектирования при выборе главных размерекий транспортного судна ледового плавания, а также при формировании каравана (тандема), способного работать в различных ледовых условиях.

4.5.2. Экспериментальные исследования инерционности.

Экспериментальные исследования инерционности во льдах проводились на ледоколах различного класса и при проводке транспортных судов буксировкой вплотную. Методика исследований базировалась на прямом измерении продольных ускорений ледокола от начала движения до полной остановки во льдах.

Инерционные испытания тандема производились при буксировке ледоколом большой мощности судна ледового плавания водоизмещением 26 тыс.т. Методика исследований, как и для одиночного ледокола, базировалась на прямом измерении продольных ускорений, а перемещение определялось численным интегрированием. В результате обработки указанной информации были получены экспериментальные зависимости, аналогичные рис.4.10. Эти зависимости позволили определить длину выбега тандема в функции от начальной скорости торможения и толщины льда, а также оценить влияние водоизмещения буксируемого судна на длину выбега во льдах.

Специальные инерционные испытания тандема позволили определить усилия, возникающие между ледоколом и судном при торможении. Такой режим испытаний позволил сымитировать внезапную потерю скорости тандема, например, при столкновении лидирующего ледокола с толстым многолетним льдом. Принимая для расчетов максимальных усилий ускорения, полученные при инерционных испытаниях ледокола большой мощности, работающего набегами и массу судна 26 тыс.т., получили Ртах =0,426 м/с2 - 26 1О6 кг = 12 Ми

Максимальные ускорения тандема, состоящего из мощного ледокола и судна того же водоизмещения, зарегистрированные в процессе натурных испытаний, составили 0,23 м/с , а следовательно реальные усилия 6,0 Мн.

Анализ результатов натурных инерционных испытаний позволил рекомендовать полученные значения усилий для использования при про-

ектировании ледоколов и судов ледового плавания. Указанные результаты были положены в основу при проектировании нового буксирного устройства для мощных ледоколов нового поколения.

5. Заключение.

Основные итоги работы сводятся к следующему:

1. Проведено обобщение и выполнен анализ теоретических, модельных и натурных исследований ледовой ходкости судов. На основании анализа сформулированы и рассмотрены наиболее актуальные и перспективные направления развития исследований.

2. Разработан способ расчета, позволяющий при проектировании ледоколов и судов ледового плавания определять величину составляющих ледового сопротивления в предельных льдах, оценить влияние элементов судна и его формы на величину ледового сопротивления и необходимую мощность силовой установки. Впервые разработана методика разделения ледового сопротивления на составляющие в модельном эксперименте. В ледовом бассейне проведены исследования составляющих и получены их численные значения при движении судна в предельных льдах. Показано, что они удовлетворительно согласуются с расчетами. Проверка разработанного метода по данным натурных испытаний ледоколов 5-и типов в предельных льдах показала, что результаты расчета и натурного эксперимента удовлетворительно согласуются между собой.

3. Предложена формула для скоростной надбавки ледового сопротивления, учитывающая нелинейный характер зависимости сопротивления от скорости, которая позволяет оценить ледовое сопротивление при произвольной скорости движения судна в сплошных льдах. Сопоставление результатов расчета и натурных испытаний показало, что результаты

расчета удовлетворительно согласуются с данными натурного эксперимента.

4. На основании теоретического анализа динамики судна при работе ударами сформулированы задачи исследований в натурном эксперименте. Впервые проведены широкомасштабные натурные исследования динамики ледоколов различных типов при работе ударами. Разработаны расчетные формулы и сформулированы рекомендации для проектирования по оценке параметров судна и элементов движения при рабо ге ударами.

5. Впервые проведены обширные натурные исследования маневренности арктических ледоколов и судов ледового плавания во льдах. Разработаны расчетные формулы для проектирования, позволяющие оценить возможность совместного маневрирования ледокола и судна при буксировке вплотную. Предложена формула для определения максимально допустимой длины судна из условия его вписываемости в канал за ледоколом.

6. Проведены натурные исследования по оценке влияния водоизмещения судна на ходкость в сплошных •. льдах, а также сезонной изменчивости ледопроходимости в сплошных льдах. Установлена роль водоизмещения и физико-механических характеристик льда в изменчивости ледопроходимости судов в сплошных льдах.

7. Проведены теоретические исследования проблем моделирования в ледовом бассейне взаимодействия корпуса судна со льдом. Предложен новый критерий подобия, на базе которого сформулированы необходимое и достаточное условия моделирования лабораторного льда. Предложен способ оценки однородности моделированного льда по толщине и прочности, позволяющий наряду с контролем свойств льда, управлять процессом намораживания, обеспечивая необходимые физико-механические характеристики ледяного покрова. Решена задача по обработке и оценке результатов испытаний модели судна во льдах по пара-

метрам, фиксируемым дистанционным способом (температура намораживания моделированного льда, скорость движения модели). Предложен способ обработки результатов исследований взаимодействия винта со льдом.

8. В ледовом бассейне выполнены исследования динамического коэффициента трения корпуса судна о лед в широком диапазоне параметров, влияющих на его величину. Получено численное значение динамического коэффициента трения корпуса о лед, которое рекомендовано для использования в практических расчетах.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Ионов Б.П. Способ определения величины ледового сопротивления и его составляющих при движении ледокола с малой скоростью. //Тезисы докладов на Крыло.вских чтениях 1979г., Л.:Судостроение, 1979, с.15-16.

2. Ионов Б.П. Способ оценки однородности моделированного ледяного покрова по толщине и прочности. //Тезисы докладов на Крылов-ских чтениях 1979г., Л.'.Судостроение, 1979, с.16-17.

3. Каштелян В.И., Ионов Б.П., Ильчук А.Н. Оценка ледопрохо-димости ледоколов и транспортных судов ледового плавания на начальной стадии проектирования. /ГГр./Аркт. и антаркт. науч.-исслед. ин-та, 1981, т.376, с. 22-26.

4. Ионов Б.П. Оценка однородности моделированного ледяного-покрова. //Тр./Аркт.и антаркт. науч.-исслед. ин-та, 1981, т.376, с.48-55.

5. Свистунов Б.Н., Ильчук А.Н., Ионов Б.П. Исследования работы ледокола с системой пневмообмыва (ПОУ) при форсировании торосистых льдов. //Тр./Аркт. и антаркт. науч.-исслед. ин-та, 1981, т.376, с. 85-88.

6. Ионов Б.П. Аналитический способ расчета составляющих ледового сопротивления и его экспериментальная проверка. //Тр./Аркт. и антаркт. науч.-исслед. ин-та, 1981, т.376, с. 141-150.

7. Ионов Б.П., Дубов A.A., Леднев В.А. Методика экспериментальных исследований ходкости ледоколов при работе набегами. //Тезисы докладов на Крыловских чтениях 1983г., Л.Судостроение, 1983, с. 71-72.

8. Ионов Б.П. Оценка влияния формы корпуса и главных раз-мерений ледокола на перераспределение составляющих в общем балансе ледового сопротивления.//Тр./Аркт. и антаркт. науч.-исслед. ин-та, 1985, т.391,с. 22-32.

9. Ионов Б.П. Обработка и оценка результатов модельного эксперимента в ледовом бассейне.//Тр./Аркт. и антаркт. науч.-исслед. ин-та, 1985,т.391, с.102-109.

10. Ионов Б.П. Оценка однородности моделированного льда но прочности. //Тр./Аркт. и антаркт. науч.-исслед. ин-та, 1985, т.391, с.109-113.

11. Ионов Б.П., Дубов A.A., Леднев В.А. Экспериментальные исследования ходкости ледоколов при работе набегами//В сб: Проектирование средств продления навигации, Горький, 1986, с.23-39.

12. Вол A.A., Ионов Б.П., Леднев В.А. О механизме облипания судов во льдах. //Бюллетень САЭ, 1987, т. 109, сл42-45.

13. Ионов Б.П. Ледовое сопротивление и его составляющие. //Л.: Гидрометеоиздат, 1988, 80с.

14. Ионов Б.П. Натурные исследования ходкости а/л "Сибирь" в различные периоды навигации. //В сб: Результаты первой научной экспедиции в приполюсном районе на атомном ледоколе "Сибирь", Л.:Гидрометеоиздат, 1990, с.163-173.

15. Ионов Б.П., Старшинов В.А., Макеев А.Н. Экспериментальные исследования усилий при буксировке транспортных судов во льдах. //"Судостроение", 1990, N3, с. 17-19.

16. Ионов Б.П., Головчанский Ф.И., УтусиковЮ.Д. Экспериментальные исследования маневренности ледоколов и судов во льдах. //В сб:

Проектирование, теория и прочность судов, плавающих во льдах, Горький, 1990, с. 44-55.

17. Ионов Б.П., Колбатов П.В., "Утусиков Ю.Д. Способ расчета скоростей автономного движения транспортного судна в сплошных льдах (на примере судна типа СА-15)./В сб: Проектирование, теория и прочность судов, плавающих во льдах, Горький, 1990, с. 55-65.

18. Ионов Б.П. Оценка влияния срока и сезона эксплуатации на ледовую ходкость судов.//В сб: Проектирование,теория и прочность судов, плавающих во льдах, Н.Новгород, 1994.

19. Poznyak 1.1., lonov В.P. The Division of Icebreaker Resistance into Components. //STAR'81, Symposium, Proceedings, SHAME, Ottawa, Canada, 1981, p.249-253.

20. Ionov B.P. Theoretical Studies of the Re-distribution of Ice Resistance Components Depending on the Icebreaker Hull Shape Main Dimensions. II IAHR'84, Ice Symposium, Proceedings, vol.3, Hamburg, Germany, 1984, p.315-323.

21. Ionov B.P., Dubov A.A., Lednev V.A. Experimental Studies on Icebreakers Ramming Performance. // ICETECH'84, International Conference, Supplement, SHAME, Calgary, Canada, 1984, p. R1-R12.

22. Ionov B.P., Utusikov Yu.D., Golovchansky F.I. Experimental Study of Manoeuvrability of Icebreakers and Ships in Sea Ice. // POLARTECH'86, International Conference, Proceedings, vol.3, Helsinki, Finland, p.53-60.

23. Ionov B.P., Golovchansky F.I., Belyakov V.B. Theoretical and Experimental Studies on Modelling in Ice Basins. II ICETECH'90, International Conference, Supplement, SHAME, Calgary, Canada, 1990, p.Dl-D24.

24. Ionov B.P., Belyakov V.B. Energetic Approach to the Modelling of Resistance oflcebreaking Craft Motion in Level Ice. // POAC'91, International Conference, Proceedings, vol.1, St-John's, Canada, 1991, p.666-685.

25. Zuev V.A., Gramuzov Ye.M., Ionov B.P. Power Approach to Investigation of Ice-Ship Interaction. II POAC'91, International Conference, , vol.1, St-John's, Canada, 1991, p.728-746.

26. Jones S.J., Riska K., Abdelnour R., Beljashov V.A., Ettema R„ Hellmann J.-H., Ionov B.P., Takekuma F. Final Report and Recommendations to the 20th ITTC, Proceedings 20th ITTC, San Francisco, California, USA, vol.1, 1993, p.469-503.

27. Zuev Y.A., Gramuzov Ye.M., Ionov B.P., Degtjar M.B. Theoretical and Experimental Studies of Interaction of Hovercraft Icebreaker Platforms with Ice Cover. // POLATECH'94, International Conference, Proceedings, Lulea, Sweden, 1994, p.69-96.

28. Zuev V.A., Gramuzov Ye.M., Ionov B.P. Theoretical Modelling of Ice Resistance of Ships. II IAHR'94, Ice Symposium, Proceedings, Trondheim, Norway, 1994, p.905-928.