автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Разработка методов расчета и исследование качки судна в мелководных стесненных фарватерах

V

.V

Д{/ На правах рукописи

л)

и

Со Мое Аунг

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧКИ СУДНА В МЕЛКОВОДНЫХ СТЕСНЕННЫХ ФАРВАТЕРАХ

Специальности: 05.08.01 - Теория корабля и строительная механика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ПАП 2014

Санкт-Петербург 2014

005548085

Работа выполнена на кафедре теории корабля ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент, Семенова

Виктория Юрьевна

Официальные оппоненты

Разумеенко Юрий Васильевич, доктор технических наук, профессор, ВУНЦ ВМФ BMA им. адмирала Кузнецова Н.Г. « Военно-морской политехнический институт», профессор.

Живица Сергей Григорьевич, кандидат технических наук, ФГУП «Крыловский государственный научный центр», ведущий научный сотрудник.

Ведущая организация ФАУ «Российский морской регистр судоходства» , г. Санкт-Петербург.

Защита состоится_«17» июня 2014_в 14:00

на заседании диссертационного совета Д.212.228.01 ,

созданного на базе СПбГМТУ по адресу: г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3 , ауд. з | з

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте СПбГМТУ http://www.smtu.ru

Автореферат разослан_

Отзывы просим направлять в 2-х экземплярах по адресу:

по почте - 190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3, СПбГМТУ (отдел ученого секретаря).

при наличии электронной подписи - e-mail: disser@smtu.ru

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Несмотря на значительный прогресс в мировом судостроении и эксплуатации флота, ряд существенных вопросов проблем мореходности представляются исследованными в недостаточной степени. К одному то таких вопросов относится определение гидродинамических характеристик судна и амплитуд его качки в условиях стесненного фарватера (в канале, параллельно причалу).

Рост перевозок в прибрежных районах морей и в мелководных акваториях, грузовые операции, проводимые у причальных комплексов в портах в условиях волнения, обеспечение эффективной швартовки крупнотоннажных судов связаны с определенной опасностью повреждения судна и даже причального комплекса. Корректное определение характеристик качки судна в условиях стесненного фарватера позволит обеспечил, безопасность проведения перечисленных работ и уменьшить возможность повреждения судов.

Плавание в условиях фарватера, ограниченного не только по глубине, но и твердыми вертикальными границами ведет к существенному изменению мореходных качеств судов. Данное обстоятельство связано с изменением распределения гидродинамических давлений на смоченной поверхности судна, вследствие чего изменяются в количественном и качественном отношении суммарные гидродинамические силы, действующие на судно со стороны

окружающей его жидкости.

Существующие в настоящее время в российской практике методы расчета гидродинамических характеристик качки судна в условиях стесненного фарватера в основном базируются на решении двумерной задачи. Кроме этого, большинство работ ограничено определением коэффшшентов присоединенных масс и демпфирования. Очевидно, что решение трехмерной гидродинамической задачи о качке судна параллельно причалу (параллельно вертикальной стенке) и в канале ( параллельно двум вертикальным стенкам) является

актуальной проблемой.

ЦЕЛЬЮ настоящей диссертационной работы является разработка методов и программ расчета качки судна на мелководье параллельно вертикальной стенке , имитирующей причал, и качки судна в канале ограниченной глубины на основании трехмерной потенциальной теории. Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи :

• Разработка трехмерного численного метода и соответствующих программ расчета качки в условиях ограниченного вертикальными границами фарватера;

• Проведение сравнительных и систематических расчетов гидродинамических коэффициентов, возмущающих сил, дрейфовых сил и амплитуд качки параллельно вертикальной стенке и в канале;

• Исследование влияния на перечисленные величины таких факторов как:

❖ Изменения расстояния между судном и вертикальной границей;

❖ Изменешм ширины канала;

❖ Изменешм относительной глубины фарватера.

. Сравнение влияния количества вертикальных границ на гидродинамические характеристики качки при прочих равных условиях МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В диссертации использованы аналитические методы гидродинамической теории качки, методы вычислительной математики.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА;

1. Разработан трехмерный численный расчетный метод для определения качки судна на мелководье параллельно вертикальной стенке;

2. Впервые проведено систематическое исследование влияния изменения расстояния между судном и вертикальной стенкой на характеристики качки судна в условиях мелководья.

3. Разработан трехмерный численный расчетный метод для определения качки судна в мелководном канале;

4. Проведено систематическое исследование влияния изменения ширины канала, места расположения судна по ширине канала, а также количества вертикальных преград на характеристики качки.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И ВЫВОДОВ подтверждается корректностью математических выкладок, обоснованностью используемых допущений, результатами экспериментальной проверки разработанных методов и алгоритмов, сравнением с некоторыми результатами других авторов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ Основным практическим результатом данной диссертации является разработка трехмерных численных методов и соответствующего программного комплекса для расчета качки судна в условиях различных стесненных фарватеров. Теоретические положения работы, а также полученные в ней практические результаты могут быть использованы :

1) в задачах нормирования остойчивости судов смешанного типа «река-море»;

2)для решения других проблем безопасности мореплавания, таких как: оценка качки заякоренных судов в портах и каналах, в задачах динамики ошвартованных у причала судов; анализ движения судов в штормовых условиях в условиях фарватера ограниченной глубины

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Результаты работы были внедрены на кафедре теории корабля СПбГМТУ и в Российском морском регистре судоходства.

АППРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные положения и результаты диссертации были доложены на конференции НТК XI.V "Крыловские Чтения" (Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидродинамики), С.- Петербург 2013

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 5 работ. Из них 1 работа в личном авторстве, доля автора в остальных 50%. В рецензируемых научных изданиях перечня Минобрнауки России опубликованы 4 статьи. Из них 1 работа в личном авторстве, доля автора в остальных- 50%.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, списка литературы, включающего 66 наименования. Общий объем работы составляет 160 страницу, в том числе 116 рисунков и 1 таблицу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Метод расчета качки судна на мелководье параллельно вертикальной стенке.

2. Результаты исследования влияния изменения расстояния между судном и вертикальной преградой на гидродинамические характеристики качки судна

3. Метод расчета качки судна в мелководном канале

4. Результаты исследования влияния ширины канала, места расположения судна в канале на характеристики качки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и основные задачи исследований, приводится краткое содержание работы по главам. В первой главе проводится обзор зарубежных и отечественных работ по методам исследования качки судов в канале и параллельно вертикальной преграде. Обосновываются цели настоящей работы.

В отличие от качки судна в безграничной жидкости, число работ, посвященных решению задач гидродинамики качки судов в жидкости с твердыми вертикальными границами

весьма ограничено. Одним из первых подобных исследований является работа Степанова В.А. в которой предпринята попытка построения гидродинамической теории качки судов, движущихся на отмели параллельно линии берега. К сожалению, рассматриваемая работа ограничена только теоретическими разработками.

В работах Воробьева, Капустянского, Bay, Demirel были рассмотрены двумерные методы определения присоединенных масс различных тел в прямоугольном канале и вблизи вертикальной стенки. В работе Takaki представлено двумерное решение задачи о продольной качке судна в канале.

Анализ всех этих работ показал значительное влияние вертикальных стенок на гидродинамические коэффициенты присоединенных масс , демпфирования , возмущающие силы как в качественном так и в количественном отношении.

Существующие работы, в которых предпринята попытка решения данной задачи в трехмерной постановке ограничены объектами исследования. В них отсутствует изучение влияния изменения глубины акватории, а также расстояния между объектом и вертикальной стенкой на все перечисленные характеристики качки. Кроме того, в некоторых из этих работ

отсутствует учет качки вообще.

В связи с этим, основной целью настоящей диссертационной работы является разработка методов и программ расчета качки судна на мелководье параллельно вертикальной стенке , имитирующей причал, и качки судна в канале ограниченной глубины на основании трехмерной потенциальной теории и проведение систематических исследований влияния расстояния между судпом и вертикальной преградой на характеристики качки. Во второй главе формулируются и решаются задачи о качке судна на мелководье параллельно вертикальной стенке и о продольной качке в канале ограниченной глубины. Приводится описание численных методов решения данных трехмерных задач.

В параграфе 2.1 рассматривается общая постановка задачи о качке судна параллельно вертикальной стенке. Приводятся гршшчные условия, необходимые для решения задачи. В соответствии с линейной теорией качки судна, искомый потенциал Ф можно представить в виде следующей суперпозиции:

где

ф0 = г), Q-e~lat -потенциал набегающего волнения.

. g cosh up (С + h) j цп (g cos p+n sin p)

ФО -Г-г e

со coshn0h

6 j=l

Потенциалы движения жидкости должны удовлетворять следующим условиям

а2 Ф д2Ф д2Ф .

—Г+—Г + —Г = 0' д^2 дт\ ее,2

а2 8 Ъ

— = и, cos(n, 4) + U2 cos(n, л)+u3 cos(n, Q + U4 [л cos(n, Q-Q cos(n, л)] + Эп

+ U5 [С cos(n, Q-S, cos(n, О] + U6 [£, cos(n, л) - Л cos(n, E)], _ о л -> Нп (параллельно вертикальной стенке)

ал 4

(2)

(3)

(4)

(5)

ЭФ Вк-

-= 0, Т]->±—— (в канале)

Эг| 2

ЭФ

— = 0, С,-*-К (7)

Э£

В параграфе 2.2 приводится описание численного метода решения задачи о качке судна параллельно вертикальной стенке. Для решения данной задачи используются методы интегральных уравнений и зеркальных отображений.

Искомые потенциалы, в соответствии с теоремой Грина, представляются следующим образом : П Б

„,_ „ . - ч 1 1 72(к + у)е-кьсо5ЬкК + Ь)со5Ьк(С, +Ь),

С(!;,^1,11,?]) = -+-+Р- . . ■■■ -■■■ -^0(кК)<1к

г Г[ * кБшЬкЬ-усозЬкЬ

(Ц^-У2)со5ЬЦО(С + Ь)СО5ЬЦОК1+Ь) ' (9)

+ --—---^(ноЮ,

со2

При этом Цо определяется из уравнения НоМо^ = — = V

ё

-тц,^)" функция Грина , получе!шая в результате применения метода

зеркального отображения

Неизвестная интенсивность источников т|.Ов (8) определяется из

соответствующей системы интегральных уравнений.

" 1

1 И=1-6

^0 1 j=7 '

[15 =

(Ю)

Эп

В параграфе 2.3 приводится описание разработанного численного метода решения задачи о качке судна в канале ограниченной глубины. В этом случае неизвестные потенциалы ищутся в виде:

Ф|(5.л.е)=^Я^(51.Л1.С1) £ от(5.1|,«1,Л1,С1)К, (11)

5 т=—со

со

Функция = Ст^Я^.^ьЛт^!)» ~(~5)Ш'П1","т Вк представляет собой функцию

т=-со

Грина в канале.

Функцию Ок можно представить в виде следующей суперпозиции: 0к = 0 + 0Ы+0М + 0р, 02) где

М0

0Ы= Е ст + 1сга 03)

-М0-1 М]

Ом= £ ст1+ X

(14)

п=-М1 т=Мо+1

Для определения функций , входящих в (13 ) и ( 14) используются выражения (15 ) и ( 16 ) (у2 -^)со5Ьцо(; + Ь)со5Ьц0С;1 +Ь)

)«. + у (15)

00 ГМк + V21 С05 ^к К +11) соэ йк + 4^-' , 7 -:--К0(цкДт),

к=1 (цк+у

(у2-ц^)со51,цо(г;+ь)со5ьц0(г;,+ь)

= -> .-С6)

Функция в' представляет собой сумму зеркальных отображений, находящихся на бесконечном удалении от начала координат. В настоящей работе используется специальный способ ее вычисления, позволяющий избежать использования бесконечных рядов . Данный способ основан на асимптотической аппроксимации функции Грина на бесконечном удалении от судна.

с/ = Л0(С,С,).СХ -Н

где

. 71

(17)

(18)

. 71 I—

С = е"'^;Х = Цо(4-5!);В = ЦоВк

(У2-мо)СО5ЬЦ0К + Ь)СО5ЬЙОК1+11) ,10. = - / 2 2\,- ( }

У1 = М,-(т1-т11)/(2Вк);

У2 = М,+(г1-г1,)/(2Вк); (20)

¥3 = М1 + 1/2-(л + гц)/(2Вк); ¥4 = М1 + 1/2 + (г1 + т11)/(2Вк) 2®У; оо -1/2

. 2ШУ; ™ 1/2 -У,1 / \ 1 е г 1' е

12(У:,В)= , Г-г-^31 (22)

21 -1 ' л/2яВ В р 1-е

Для обеспечения точности расчетов количество членов рядов выбираются следующим образом:

М0 =1 + Ьи(7Ь/Вк);

/ N (23)

М1 = 2(1 + 1т(7(10Т)/Вк)) + 1

В случае произвольного расположения судна по ширине канала в решении изменится определение величины Г)т .При четных значениях ГП

Пш=(-1)ПЧ+тВк, (24)

а при нечетных значения Ш Г|т будет определяться как

т]ш=(-1)тт11+т Вк+(Вк2-Вк1); (25)

Вк2, Вк1 - расстояния между судном и каждой из стенок канала Вк2 + Вк1 = Вк

Неизвестная интенсивность источников (11) определяется из соответствующей

системы интегральных уравнений

5 да

■ = 7 . (26)

(27)

В параграфе 2.4 рассматривается определение амплитуд качки и сил волнового дрейфа при качке судна в стесненном фарватере

Гидродинамические коэффициенты присоединенных масс, демпфирования, а также возмущающие силы определяются по хорошо известным формулам.

= р|/(-°>к !т<?] - и^-Ксф^^МЗ.

Б

Система уравнений качки судна имеет вид.

(М + >.и)58 +Х13С8 +Я15\)/ + ди48 + М1ЗСв +М15Ч' + *12Л8 +^140 + ^1бХ + Ц12Ле +И140 +

+ИбХ = РВ1еЧак'

(М + >.22 )л8 + >-240 + ^2бХ + И22Л8 + ^24® + М2бХ + >-21^ + + V + + И23?В +

(М + Х33К8 +Х35(|> + М33?8 + + ^35^ + -рб8Хг»|/ + +Я.з2Л8 +Х34ё+ (28)

+ЦбХ + Мз2Пе + Ш40 + М36Х = Рвзе_"°к1

(^+я.44 )ё+а.42Л8+х46х+ц44ё+ц42лв + ц46х+оь0е+х4 + х43£8 +х45ч>+ц4148 +

+И4З48 +И45Ч» = рВ4е_1Шк'

+ Х55 )ч> + Х5 + Х53^8 + ц55у + ц5 + + ОН0у - Р8Э • Х( + Х52лг + Х540 +

+ ^52Пг + Н540 + ИбХ = РВ5С "°х

+ х66 )Х + *62П8 + >-640 + РббХ + И62П8 + С 640 + + + ^65Ч> + + ИбзС8 +

+ц65Ч/ = Рв6е",Юк' Ее решение имеет вид:

Л8=Л8о 5т(шк1 + бп);

яп(юк1 + 8?); (29)

в = 0о5т(Ш)с1+56); Ч» = Ч>о ят^И-б,,,); Х = х051п(шк1 + 5Х)

Следует отметить, что при качке судна параллельно вертикальной стенке необходимо учитывать взаимодействие всех шести видов колебаний. То же самое относится и к случаю произвольного расположения судна по ширине канала.

При расположении судна посередине канала остаются только уравнения продольной качки ^ Разработанный комплекс профамм позволяет также определять силы волнового дрейфа, возникающие при качке судна в стесненном фарватере. . Данные силы являются нелинейными силами второго порядка, но полностью определяются на основании решения линейной задачи качки.

Определение дрейфовых сил и моментов производится по формулам

По

ь[с8 + (0у-4/х)]

эф™ ЭФ*4

■ЙСЙ + р

аас I 4

1- '6 ' " адц

По

ас ос,

йсБ + р -- хч/ + уО) +

«о

54 54 ЭФ«

а

дц дт\ Л

(30)

н[се+(еу-ч<х)]

'По

^'(гхпХВ^Я

ах,

дфО 5Фт

дС, дС,

(г X п)аэ + р -1| СвС^е - хч/ + уО)

а54 'Б 1 " дЩ

(дфт дФ(1> дФ(1) -+---

дх\ дг| ■)ах(Тхп)<В-

«0

"о

54

ЭфГС а

(31)

-- Г 21Агг\уй(со5ес(а^))(Тхп)(11. Л »

Где

_ 1 дФ 8 81

-Сг+ХиьЧ'-Уи'ьб;

С=о

р = -Рё(С6 - хш,V - у шь10)-- р—;

а = (0,Ч>,Х)

В третьей главе проводится исследование качки судна на мелководье параллельно вертикальной стенке. Осуществляется апробация результатов, полученных при использовании разработанного метода и соответствующей программы.

Расчеты качки по разработанным методу и программе проводились для разных типов судов и объектов, характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 Характеристики объектов__'_

Название объекта Ь В Т д а

Полусфера 20 20 10 0.524 0.785

Танкер 310 47.17 18.9 0.85 0.9

Баржа 150 50 10 0.9833 1

Судно 60й серии 113.23 17.42 6.97 0.6 0.706

Сухогруз Новгород 138 20.6 9 0.681 0.788

Транспортное судно 110 14.67 4.95 0.681 0.797

Рис. 1. Пример аппроксимации смоченной поверхности

В целях апробации разработанных метода и программы расчета качки судна параллельно вертикальной стенке, полученные результаты для танкера и полусферы были сопоставлены с экспериментальными и расчетными данными ОогЦпегэзеп и Л Х1а Из приведенных на рис2-3 результатов видно их отличное согласование.

25 т ---,Нч=16.5,расчет автора

20 - 4 15

10 5 0

-5 -10

-15 -20

ч X ,Нр=16.5,эксп. ОогШегаеп

N ^ ——- ,Нр=16.5,расчет автора

,На=16.5,эксп. ОоЛтегаеп

5 и о о о о

1 с

XV

0,5

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

30 1 25 20 15 10 5 0 -5

---^ ,Нц=25.75,расчет

автора X Н ,Нч=25.75,эксп. ОогЧгпег55еп

-/"я ,Ня=25.75,расчет

автора О Ръ ,Нч=25.75,эксп. ОоЛтегаеп

-Й « « <*•»■ » « .с

0 0,5

1,5

2 2,5 3 3,5

__

Рис 2. Значение коэффициентов присоединенных масс и демпфирования для танкера в сравнении с

экспериментом ОоПтегаеп

2 -1,5 1 0,5 0

—*ч.

■ -Нд/()=10.5 расчет автора — Нч/й=10.5 расчет Х1а 1.

Ч-—V

0,5

1,5

1А 1,2 -

га,1

0,8 -0,6 0,4 -0,2 О

гч <Л

(\ \ / ' С V-

\г

■--Нц/с^=10.5_расчет автора

......Нч/й=10.5_расчет

0,5

—г 1,5 в

Рис.3. Значения вертикальной возмущающей силы и продольной силы волнового дрейфа для неподвижной полусферы в сравнении с расчетами 1 Хт.

В параграфе 3.1 проводится исследование влияния изменения расстояния между судном и вертикальной стенкой на значения коэффициентов присоединенных масс, демпфирования, возмущающих сил и амплитуды качки.

На рис.4,5 приведены результаты расчетов коэффициентов присоединенных масс и демпфирования в зависимости от изменения расстояния до вертикальной стенки.

Полученные результаты показали, что при некоторых значениях безразмерных частот присоединенные массы имеют отрицательные значения. Подобные результаты вызваны не недостатками метода, а связаны с наличием стоячих волн между корпусом судна и стенкой, которые приводят к изменению поля скоростей, а следовательно и к изменению гидродинамических характеристик судна. Кроме этого, происходит сдвиг максимальных значений присоединенных масс в зону больших частот при уменьшении расстояния до стенки. Максимальные значения коэффициентов демпфирования также увеличиваются при уменьшении расстояния 6, и сдвигаются в область высоких частот

При качке судна паралелльно вертикальной стенке все шесть видов колебаний становятся взаимосвязанными и возникает необходимость рассчитывать 21 коэффициент присоединенных масс и демпфирования. На рис.5 приведены результаты расчетов некоторых из них. Видно, что данные коэффициенты увеличиваются по абсолютному значению при приближении к стенке. Их максимумы также сдвигаются в область больших частот при уменьшении расстояния между судном и стенкой.

10 8 б 4

_2

ЛзО -2 -4 -6

- • Н_ч=8.25

......Н_ч=16.5

— • -Н_ч=25.75 -——Н^=33

--— Н_ч=41-25

--без стенки

30 25 20 15 10

О

-5 -10 -15 -20

0 12

40 35 30 25 _ 20 Л- 15 10 5 О -5

— • Н_д=8.25

......Н_д=16.5 д

_ . -Н_д=25.75 . _

—-Н_ч=33 '

----Н_ч=41.251 I

--без стенки »

¿Л ч

1 ., 2 з 6)

70 60 50 40 [/*» 30 20 10 О -10

У

I

г

\ -

■ Н_ч=8.25 • Н_д=16.5

- Н_д=25.75

- Н_д=33

— Н_д=41.25

— без стенки

0 12

Рис 4. Значения коэффициентов демпфирования и присоединенных масс в зависимости от изменения Нц при Н/Т=1.2 для танкера

10 — - Н_я=8.25

8

6 --Н_д=25.75

4 ----Н_д=33

? -Н

Дц) /'

// /

-2

-4 '' • г

-6

-8

1 2

- • Н_ч=8.25

.......Н_д=16.5

V--Н_ч=25.75

----Н_ч=33

--Н_ч=41.25

— без стенки

1 2

Рис 5. Значения коэффициентов демпфирования для танкера в зависимости от изменения при постоянном Н/Т=1.4

0,02 0,015 0,01 0,005 /^Л г \\\ \ — - Н_Ч=9 --Н^=18 ----Н ц=27 1 -Ня=36 в--без стенки /Ч У Уду % 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 — • Н_д=9 .......Н 4=13.5 • \--Н я=18 ' '----Н_С|=27 .•/Ч '. -Н_р=36

0 1 ИУ!1/Е) 2 3 4 0 1 а»ЦЦе) 2 3 4

0,0002 _ 0,00015 " 0,0001 -0,00005 0 -■Н 4=9 .....Н_Ч=13.5 л П — -н_ч=18 ; • А ;; ---Н 4=27 Л ' / 1 1 1 -н_ч=збЛ \ \ 1 \ ' \ --без ст^Тд *. . 1 1 0,01 0,008 0,006 МТ| 0,004 0,002 - • Н_ч=9 --Н_ч=18 \ ----Н_Ч=27 1 -Н_Ч=36 % --без стенкй \ л

1 шлДЦ/Е) 2 3 4 0 1 2 3 4

Рис 6. Значения возмущающих сил в зависимости от изменения расстояния до стенки Нц для сухогруза Новгород при Н/Т = 1.2 и 0=180

Для зависимостей возмущающих сил возможно наличие нескольких максимумов. В большинстве случаев происходит юс сдвиг в зону больших безразмерных частот при

уменьшении расстояния до стенки (рис.6)

На встречном волнении, из-за несимметричного обтекания, возникают поперечная возмущающая сила, кренящий и разворачивающий мометы. Их амплитуды увеличиваются при уменьшении расстояния между судном и стенкой.

12 — • н_ч=9 9 — • Н_ч=9

10 4 2 - -Н_ч=18 — — Н_я=27 — Н_ч=36 --без стенки «ГТ*^ 2с! Л 1 / в а 7 6 5 4 3 2 1 — - н_р=18

0 1 оэУ(17е) 2 3 4 0 1 ш!/(1/б) 2 3 4

Рис 7. Значения АЧХ качки сухогруза Новгород в зависимости от изменения Щ при НЛ-1.2 и 0=90

э

'I —

Нд-9 Н_р=13.5 Н_ч=18 - Н_ч=27 Н_ч=3б без стенки

1 2

1 «^(1/6) 2

0,14 0,12

г од а 0,08

0,06

0,04

0,02

\

— • Н_р=9

.......Н_р=13.5

--Н_д=18

----Н_д-27

-Н_Ч=36

V — — -без стенки

ч". • V \ \ ,,------

л

А

1 еи/(1/§) 2

Рис 8. Значения АЧХ качки сухогруза Новгород в зависимости от изменения Нч при Н/Т=1.2 и р=180

Расчеты амплитудно-частотных характеристик различных видов качки показали, что :

При расположении судна лагом, наличие стенки в большей степени влияет па амплитуды вертикальной качки. При приближении судна к стенке происходит удаление резонансных амплитуд в область высоких частот. В случае бортовой качки значительного смещения резонансных амплитуд не происходит, однако в ряде случаев, имеет место их увеличения при приближении и вертикальной стенке, (рис.7)

На встречном полнении возникают иопсречно-горизонтальная, бортовая качка и рысканье, обусловленные наличием соответствующих возмущающих сил и взаимодействия всех шести видов колебаний. Амплитуды данных видов колебаний небольшие, однако они возрастают при приближении к стенке, (рис. 8)

В работе также проводилось исследование влияния изменения относительной глубины на все рассмотренные выше характеристики при постоянном расстоянии до стенки. Анализ полученных результатов показал, что уменьшение глубины Н/Т приводит к увеличению и характерному сдвигу максимальных значений коэффициентов присоединенных масс, демпфирования, возмущающих сил в область низких частот.(рис9)

20 - • Н_т=1.2 8 — • Н Т=1.2

15 / . .......Н_Т=1.35 / • --Н Т=1.5 6 .Л - -Н Т=1.6

_10 5 : .Ф. ——н_т=2 / /л-\ -Н_Т=6 4 0 -2 ----Н_Т=2 -н_т=з — • - НТ-7.5

0 1 2 3 4 1 ИУ(1УЙ2 3 А

Рис.9. Влияние Н/Т на коэффициенты демпфирования, присоединенной массы, амплитуды качки,

возмущающие силы.

В параграфе 3.2 проведено исследование влияния вертикальной стенки на дрейфовые силы.

Анализ полученных результатов показал, что при уменьшении расстояния между судном и вертикальной стенкой значения сил волнового дрейфа увеличиваются и происходит смещение их максимальных значений в сторону высоких частот (рис.10). Силы волнового дрейфа могут иметь по „два" характерных резонансных пика, обусловленных влиянием резонансных амплитуд вертикальной и бортовой качки. На соответствующих частотах происходит многократное увеличение сил волнового дрейфа при приближении к вертикальной преграде. На встречном волнении влияние вертикальной стенки приводит к появлению

составляющих поперечной силы Fd„ и моментов Mdx и М<Ц которые отсутствуют в

условиях неограниченного фарватера

Рис. 10. Значения сил волнового дрейфа в зависимости от изменения расстояния до вертикальной стенки Hq для танкера при Н/Т=1.2 и ß=90 Независимо от расстояния до вертикальной стенки и курсового угла уменьшите относительной глубины Н/Т приводит к значительному увеличению всех шести компонент сил волнового дрейфа (рис. 11)

1

0,5 0

i -0,5

-1,5 -2

; -2,5

Ч V J -Н_Т=1.

uW(L/g)'

.......Н_Т=1.4

--Н_Т=1.6-.

—н"т-|/'X ~ ---нГт^Х»^- 1 -

M\'(L/g)

Рис.11. Влияние Н/Т на дрейфовые силы.

В четвертой главе рассматриваются результаты расчетов продольной качки судов в канале ограниченной глубины.

В целях апробации разработанных метода и программы расчета качки судна в канале было проведено сопоставление результатов расчетов вертикальных возмущающих сил и продольной силы волнового дрейфа, действующих на неподвижную полусферу с результатами расчетов и экспериментов .1 Х1а для трех относительных ширин канала Полученные сопоставления приведены на рис.13 из которых видно отличное согласование результатов для всех относительных ширин.

Из представленных графиков видно, что при качке в канале объект может иметь несколько резонансов. Волновые числа и частоты, соответствующие резонансным режимам определяются как

и =пл/Вк,п = 1,2,3,4.. О

(32)

Следовательно, уменьшение ширины канала будет отодвигать резонансы в зону больших частот (рис 12а ), и наоборот, при увеличении Вк данные явления будут иметь место уже в зоне низких частот (рис 12 б)

Рис. 12. Значения вертикальных возмущающих сил и продольных сил волнового дрейфа для полусферы при различных относительных ширинах канала

В параграфе 4.1 приводится исследование влияния ширины канала на значения коэффициентов демпфирования, присоединенных масс , возмущающих сил, амплитуд качки и сил волнового дрейфа. Характерные результаты расчетов приведены на рис. 13-17 для различных типов судов

2 1,5 ¡45 0,5 0 - • ВК=66-5 50 40 30 10 0 — • ВК=66.5 .......ВК=83 1 --ВК=101.5 / \ ----ВК=116 -ВК=132.5

-0,5 1 2 3 4 0 1 Ш^СУв) 2 3 4

Рис 13. Значения коэффициентов демпфирования в зависимости от изменения ширины канала для ____баржи при Н/Т=1.4____________

Рис.14. Значения коэффициентов присоединенных масс в зависимости от изменения ширины канала для сухогруза Новгород при 1ЬТ=1.35

Рис. 15. Значения возмущающих сил и моментов в зависимости от изменения ширины канала для сухогруза Новгород при Н/Т=1.5

Рис. 16. Амплитудно-частотные характеристики продольной качки сухогруза Новгород в зависимости от изменения ширины канала при Н/Т=1.35

Рис.17. Значения сил и моментов волнового дрейфа в зависимости от изменения ширины канала для

сухогруза Новгород при Н/Т=2

Анализ результатов показал, что уменьшение ширины канала приводит к увеличению значений коэффициентов демпфирования, возмущающих сил и моментов и сдвигу их максимальных значений в область больших частот.

Коэффициенты присоединенных масс при вертикальной качке могут принимать отрицательные значения при уменьшении ширины канала на всем диапазоне частот, увеличиваясь тем не менее но абсолютной величине.

Изменение ширины канала никак не влияет на амплитуды продольно-горизонтальной качки, в диапазоне относительных частот СТ < 2 амплитуды вертикальной и килевой качки также не зависят от изменения ширины канала. При увеличении частот происходит сдвиг их максимальных значений амплитуд в зону больших частот при уменьшении ширины канала.

Силы волнового дрейфа, также как и в случае расположения судна параллельно вертикальной стенке, имеют несколько „пиков" . При уменьшении ширины канала происходит сдвиг этих „пиков" в зону больших частот (рис 17 ). Кроме этого, происходит некоторое увеличение значений сил и моментов по абсолютному значению в зоне частот ТП >0.5. В зоне частот ТП <0.4 изменение ширины канала при одновременном увеличении относительной глубины практически не влияет на значения сил и момента волнового дрейфа. В параграфе 4.2 рассматривается исследование влияния скорости на характеристики продольной качки судов в канале. С этой целью расчеты проводились для относительных скоростей движения Ргн=0.1 и 0.2 на встречном и попутном волнении.Расчеты проводились для различных ширин канала и различных относительных глубин. На рис.18 приведены характерные результаты расчетов амплитудно-частотных характеристик продольной качки.

Полученные результаты позволили сделать следующие выводы :

1)Увеличение скорости на встречном волнении приводит к значительному уменьшению амплитуд продольно-горизонтальной качки (ПГК). На попутном волнении, наоборот, амплитуды ПГК возрастают при увеличении скорости независимо от ширины и относительной глубины канала;

2) На встречном волнении происходит сдвиг резонансных амплитуд вертикальной и килевой качки в зону низких частот при увеличении скорости. При этом, в большинстве случаев, происходит увеличение самих значений резонансных амплитуд.

3) При качке на попутном волнении увеличение скорости приводит к смещению резонансных амплитуд в зону высоких частот и существенному уменьшению их значений .

14

12 \

10

8 V

^ 6 V

Я„ "

2

0

• Ргн=0.1

• ■Ргн=0 -Рги=0.2

1 <^(1/в) 2

3,5 3 2,5 2

^1,5

о

-0,5

1 <^(1Уе) г

1,4

1,2

1

0,8

гх 0,6

0,4

0,2

0

• Ргн=0.1 ..•Ргн=0 -Ргн=0.2

V I

1 шяЩг) 2

Рис 18 АЧХ продольной качки сухогруза Новгород в канале в зависимости от изменения скорости

(Н/Т=1.5, ЬеПа=180,ВК=38.6)

В параграфе 43 приводится исследование влияния произвольного положения судна по ширине канала на характеристики качки.

Судно может располагаться не только посередине канала, но и в произвольном положении по его ширине, т.е. ближе к левой или правой стенке канала. С целью изучения влияния произвольного положения судна по ширине канала расчеты коэффициентов присоединенных масс, демпфирования, возмущающих и дрейфовых сил, амплитуд качки проводились при различных значениях расстояния между ДП судна и стенкой канала.

Анализ полученных результатов показал, что удаление судна от середины канала и приближение его к стенке значительно влияет на все коэффициенты демпфирования и присоединенные массы. Уменьшение расстояния между судном и стенкой канала приводит к

увеличению всех коэффициентов демпфирования.

Наибольший эффект уменьшения расстояния до одной из стенок канала проявляется в появлении поперечных возмущающих сил и моментов Рул , Муэ , М\'х при продольной качке на встречном волнении. Данные силы увеличиваются по мере уменьшения расстояния между судном и стенкой.

Изменение положения судна по ширине канала и приближение его к одной из вертикальных стенок приводит к появлению поперечных видов качки, отсутствующих в случае

расположения судна по центру канала.

Амплитуды данных видов колебаний не велики по сравнению с амплитудами поперечной качки судна, расположенного лагом к волнению. Тем не менее, они возрастают при приближении судна к левой или правой стенке канала (рис.19).

Рис. 19. Влияние положения судна по ширине канала на амплитуды качки для баржи (НЛГ=2, Ье«а=180,ВК=83)

В параграфе 4.4 приводится исследование влияния количества вертикальных границ на характеристики продольной качки при прочих равных условиях. Для этого расчеты проводились для трех видов фарватера ( рис.20 ).

а)

н

б)

7777777тттгттггггггттпт77тг

Hq

н

////////) ЦП/-/////'"/1ПГ//11 /////////и/1 /////////'HI If/Ill Рис.20. Виды фарватеров ( мелководный, с одной вертикальной преградой, канал)

с одной стенки в канале без стенки

20 15

¡Hi

1 wV(L/g) 2

/ Y\

1 u>V(L/g) 2

• одна стенка

• в канале -без стенки

Рис.21. Влияние количества вертикальных стенок на значения коэффициентов демпфирования для сухогруза Новгород (НЛМ.35, ЬеПа=180,ВК=38.6,Рг=0)

Ту

0,12 <ü 0,08

р

0,06 0,04 0,02 0

• одна стенка »•»в канале -без стенки

V

ЧЛ

\ч

1 wV(L/g) 2

0,02 0,015

0,01

Mv.

f

0,005

/ V-Ä

• одна стенка >•• в канале -без стенки

1 wV(L/g) 2

Рис.22. Влияние количества вертикальных стенок на амплитудные значения возмущающих сил для транспортного судна (Н/Т=2, Ье«а=180,ВК=30.67,рг=0)

1,2 1

0,8 Б 0,4 0,2 0

Ii

'■'Л \\

• одна стенка • ••8 канале

• без стенки

Ч\

1 (tfV(L/g) 2

~>s -

•Л

• одна стенка •• в канале -без стенки

ч

uW(l/g) ■

Рис 23 Влияние количества вертикальных стенок на амплитуды продольной качки баржи (Н/Т 1.4,

bena=180,BK=66.5,Fr=0)

Увеличение количества вертикальных стенок приводит к увеличению коэффициентов демпфирования в диапазоне частот а^Щ < 2 и к их уменьшению при дальнейшем увеличении частоты, увеличению возмущающих сил и моментов (рис.21).

Сравнения результатов расчетов возмущающих сил и моментов для трех фарватеров представлены на рис.22. Из приведенных графиков видно значительное увеличение амплитудных значений возмущающих сил и моментов в зависимости от увеличения количества вертикальных стенок.

Значительное увеличение коэффициента демпфирования в канале (рис.21) приводит к уменьшению амплитуд вертикальной и килевой качки в зоне частотo^/ZTg < 2 (рис.23) по сравнению с амплитудами в нестесненном фарватере. В зоне частот ajlTg >2 при вертикальной качке в канале , наоборот, имеет место резкое увеличение амплитуд , связанное со значительным уменьшением коэффициента демпфирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Таким образом, основные результаты настоящей диссертационной работы заключаются в следующем:

1) Проведен анализ сущестъующнх расчетных методов определения гидродинамических характеристик качки судна в условиях стесненного вертикальными границами фарватера ( в канале, параллельно причалу и т.д.) . Показана необходимость разработки трехмерного численного метода для решеши данной задачи.

2) Решена пространственная потенциальная задача о качке судна на мелководье параллельно вертикальной стенке. Разработан численный расчетный метод и программа, позволяющие рассчитывать инерциошю-демпфирующие, возмущающие силы, амплитуды качки судна и дрейфовые силы. В целях апробации, произведены сравнения получештых результатов с экспериментальными и расчетными данными.

3) На основании проведенных систематических расчетов выполнено исследование влияния изменения расстояния между судном и вертикальной стенкой на коэффициенты присоединенных масс, демпфирования, возмущающих сил, амплитудно-частотные характеристики различных видов качки и силы волнового дрейфа. Показано значительное влияние уменьшения данного расстояния, проявляющееся в многократном увеличении перечисленных характеристик по сравнению с соответствующими расчетами в открытом фарватере, смене знака присоединенных масс и сдвигу максимальных значений всех характеристик в область высоких частот независимо от глубины фарватера.

4) Рассмотрены особенности расчета качки судна параллельно вертикальной стенке. Показано, что наличие одной твердой границы приводит к взаимодействию всех шести видов колебаний судна между собой и необходимости расчета всей матрицы коэффициентов присоединенных масс и демпфироватшя. При качке на встречном волнении параллельно стенке возникают поперечные возмущающие силы и кренящие моменты, а также соответствующие виды поперечной качки, отсутствующие без учета стенки.

5) Решена пространственная потенциальная задача о продольной качке судна в канале ограштченной глубины. Разработаны соответствующий численный метод и программа расчета. Проведена апробация полученных результатов.

6) Выполнено исследование влияния ширины канала на коэффициенты присоединенных масс, демпфирования, возмущающие силы, дрейфовые силы и амплитуды продольной качки судна. Показано значительное увеличение всех перечисленных величин при уменьшении ширины канала и относительной глубины.

7) Проведены систематические расчеты качки судна при произвольном положении по ширине канала. Показано, что смещение судна от середины канала и приближение его к одной из стенок приводит не только к увеличению всех гидродинамических коэффициентов, но и к появлению на встречном и попутном волнении поперечно-горизонтальной, бортовой качки и рысканья.

8) Выполнено исследование влияния количества твердых вертикальных границ на характеристики качки. Показано значительное влияние степени стесненности фарватера на коэффициенты присоединенных масс, демпфирования, возмущающие силы и амплитуды продольной качки.

В дальнейшем, разработанные численные методы и программы могут быть использованы при разработке алгоритмов расчета и исследований качки заякоренных судов в портах и каналах, в задачах динамики ошвартовашшх у причала судов.

Список публикаций по теме диссертации: В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ :

1) Со Мое Аунг Определение сил волнового дрейфа при качке судна параллельно вертикальной преграде на мелководье. Морской Вестник, Специальный выпуск N1 (124),2012, с.25-28( автор-100%)

2) Со Мое Аунг, Семенова В.Ю. Исследование влияния вертикальной стенки на гидродинамические характеристики судна при его качке на мелководье. Морские интеллектуальные технологии N 3 (17), 2012, с.41-45 ( автор-50%)

3) Со Мое Аунг, Семенова В.Ю Исследование продольной качки в канале ограниченной глубины. Морские интеллектуальные технологии, N 3( 21),2013 ,19-24. ( автор-50%)

4) Со Мое Аунг , Семенова В.Ю О влиянии произвольного положения судна по ширине канала на характеристики качки . Морские интеллектуальные технологии, N 4( 22),2013 ,35-40. (автор-50%)

Прочие издания:

5) Со Мое Аунг, Семенова В.Ю Определение гидродинамических характеристик качки судна в условиях стесненного фарватера. Материалы Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Наследие академика А Н. Крылова: история и современность», Чебоксары 2014, 154-160, (автор-50%)

Издательство СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 03.04.2014. Зак. 4641. Тир.ЮО. 1,1 печ. л.

Минобрнауки России ФГБОУ ВПО „Санкт-Петербургский государственный морской

технический университет"

На правах рукописи.

04201460105

Со Мое Аунг.

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧКИ СУДНА В МЕЛКОВОДНЫХ СТЕСНЕННЫХ

ФАРВАТЕРАХ

05.08.01- Теория корабля и строительная механика .

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических

наук.

Санкт-Петербург 2014.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ

ЗАДАЧИ КАЧКИ СУДНА В ЖИДКОСТИ С ТВЕРДЫМИ

«

ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ГРАНИЦАМИ....................................................................8

ГЛАВА2. ОПИСАНИЕ МЕТОДА РЕШЕНИЯ..................................................28

2Л Постановка трехмерной задачи качки судна на мелководье вблизи вертикальной стенки.....................................................................................................28

2.2.Определение функции Грина и потенциалов скорости при качке судна вблизи вертикальной стенки.....................................................................................34

2.3.Определение функции Грина и потенциалов скорости при качке судна в канале................................................................................................................................49

2.4 Определение амплитуд качки и сил волнового дрейфа............................53

ГЛАВА 3 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ КАЧКЕ СУДНА ПАРАЛЛЕЛЬНО

ВЕРТИКАЛЬНОЙ СТЕНКИ................................................................................59

3.1 Влияние вертикальной стенки на коэффициенты присоединенных масс и демпфирования, возмущающие силы и амплитудно-частотные характеристики качки судов.....................................................................................62

3.2 Влияние вертикальной стенки на дрейфовые силы......................................97

ГЛАВА 4 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК КАЧКИ СУДНА В КАНАЛЕ..........................................110

4.1 Исследование влияния ширины канала на коэффициенты демпфирования и присоединенные масс, возмущающих и дрейфовые силы и амплитуды продольной качки...............................................................111

4.2 Влияния скорости на гидродинамические характеристики качки судна в канале..............................................................................................................................122

4.3 Влияние произвольного положения судна по ширине канала на характеристики качки.................................................................................................132

4.4 Влияние количества вертикальных стенок на характеристики продольной качки судна...........................................................................................141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................153

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................155

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на значительный прогресс в мировом судостроении и эксплуатации флота, ряд существенных вопросов проблем мореходности представляются исследованными в недостаточной степени. К одному из таких вопросов относится определение гидродинамических характеристик судна и амплитуд его качки в условиях стесненного фарватера ( в канале, параллельно причалу).

Рост перевозок в прибрежных районах морей и в мелководных акваториях, грузовые операции, проводимые у причальных комплексов в портах в условиях волнения, обеспечение эффективной швартовки крупнотоннажных судов связаны с определенной опасностью повреждения судна и даже причального комплекса. Корректное определение характеристик качки судна в условиях стесненного фарватера позволит обеспечить безопасность проведения перечисленных работ и уменьшить возможность повреждения судов.

Плавание в условиях фарватера, ограниченного не только по глубине, но и твердыми вертикальными границами ведет к существенному изменению мореходных качеств судов. Данное обстоятельство связано с изменением распределения гидродинамических давлений на смоченной поверхности судна, вследствие чего изменяются в количественном и качественном отношении суммарные гидродинамические силы, действующие на судно со стороны окружающей его жидкости.

Существующие в настоящее время в российской практике методы расчета гидродинамических характеристик качки судна в условиях стесненного фарватера в основном базируются на решении двумерной задачи. Кроме этого, большинство работ ограничено определением коэффициентов присоединенных масс и демпфирования. Очевидно, что решение трехмерной гидродинамической задачи о качке судна параллельно причалу ( параллельно вертикальной стенке) и в канале ( параллельно двум

вертикальным стенкам) является актуальной проблемой, обладает научной новизной и практической ценностью.

В связи с этим, целью настоящей диссертационной работы является разработка методов и программ расчета качки судна на мелководье параллельно вертикальной стенке , имитирующей причал, и качки судна в канале ограниченной глубины на основании трехмерной потенциальной теории. Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи :

• Анализ существующих методов расчета гидродинамических сил, возникающих при качке судна в стесненном фарватере;

• Разработка трехмерного численного метода и соответствующих программ расчета качки в условиях ограниченного вертикальными границами фарватера;

• Проведение сравнительных и систематических расчетов гидродинамических коэффициентов, возмущающих сил, дрейфовых сил и амплитуд качки параллельно вертикальной стенке и в канале;

• Исследование влияния на перечисленные величины

♦> Изменения расстояния между судном и вертикальной границей;

♦> Изменения ширины канала;

♦> Изменения относительной глубины фарватера.

• Сравнение влияния количества вертикальных границ на гидродинамические характеристики качки при прочих равных условиях

Методической и теоретической основой для исследования послужили аналитические и численные методы гидродинамической теории качки, методы прикладного программирования.

Наиболее существенные результаты и научная новизна работы состоят в разработке новых расчетных методов и основанных на них надежных программных продуктов, позволяющих проводить расчеты качки водоизмещающих объектов в условиях стесненного фарватера..

Достоверность научных положений и выводов, полученных в настоящей работе, подтверждается корректностью математических выкладок, обоснованностью используемых допущений, сравнениями с численными и экспериментальными результатами других авторов. Практическая ценность настоящей диссертации заключается в следующем:

■ Разработка метода расчета и соответствующей программы для определения характеристик качки судна на мелководье параллельно вертикальной стенке;

■ Разработка метода и программы расчета продольной качки судна в канале ограниченной глубины.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации были представлены на конференции «ХЬУ Крыловские чтения», 2013 гг.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Во введении отмечается актуальность и новизна разработки методов расчета качки судов в стесненных фарватерах.

В первой главе проводится обзор зарубежных и отечественных работ по методам исследования качки судов в канале и параллельно вертикальной преграде. Обосновываются цели настоящей работы.

Во второй главе формулируются и решаются задачи о качке судна на мелководье параллельно вертикальной стенке и о продольной качке в канале ограниченной глубины. Приводится описание численных методов решения данных трехмерных задач.

В третьей главе проводится исследование качки судна на мелководье

параллельно вертикальной стенке. Осуществляется апробация результатов,

полученных при использовании разработанного метода и соответствующей

программы. Результаты численных расчетов приводятся в сравнении с

имеющимися экспериментальными данными. Проводятся систематические

расчеты с целью изучения влияния изменения расстояния между судном и

б

вертикальной стенкой на коэффициенты присоединенных масс и демпфирования, возмущающие силы , амплитуды различных видов качки , силы волнового дрейфа.

В четвертой главе рассматриваются результаты расчетов продольной качки судов в канале ограниченной глубины. Проводится апробация результатов, полученных по разработанной программе. Выполняются исследования влияния ширины канала, скорости хода, положения судна по ширине канала на гидродинамические характеристики качки. Проводится оценка влияния количества вертикальных преград на качку судна.

В заключении приводятся основные результаты и выводы по всей работе.

ГЛАВА1. ОБЗОР МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ КАЧКИ СУДНА В ЖИДКОСТИ С ТВЕРДЫМИ ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ГРАНИЦАМИ.

В отличие от качки судна в безграничной жидкости, число работ, посвященных решению задач гидродинамики качки судов в жидкости с твердыми вертикальными границами весьма ограничено. Одним из первых подобных исследований является работа Степанова В.А. [22,23] в которой предпринята попытка построения гидродинамической теории качки судов , движущихся на отмели параллельно или перпендикулярно линии берега, над существенно неровным дном или в жидкости конечной глубины в присутствии вертикальной стенки. Решение задачи о качке судна на отмели построено в рамках линейной теории волн в предположении об отсутствии их отражения от линии берега. Имеющее место в реальных условиях существенно нелинейное явление разрушения волн на линии берега моделируется логарифмической особенностью в потенциале скоростей. Степановым В.А. сформулированы краевые задачи для потенциала скоростей возмущенного движения жидкости , вызванного изолированным источником, расположенным под свободной поверхностью жидкости, занимающей одну из следующих областей : отмель, водоем с существенно неровным дном или подводным препятствием, водоем конечной глубины с вертикальной стенкой. При этом особое внимание уделено случаям наличия в составе границ области определения искомой функции неподвижной или движущейся прямоугольной вертикальной пластины , оставляющей за собой полубесконечную полосу разрыва касательных скоростей . Контур указанной неподвижной пластины или движущейся пластины вместе с примыкающей к ней полосой разрыва касательных скоростей является линией ветвления потенциала скоростей источника . В указанных случаях при формулировке краевой задачи постулировано поведение функции в окрестности линии ее ветвления. В данной работе получено также выражение для потенциала

скоростей изолированного источника, движущегося на отмели параллельно линии берега или над существенно неровным дном. Кроме этого, сформулированы краевые задачи для потенциалов скоростей возмущенного волнового движения, вынуждаемого качкой судна , движущегося на отмели , над существенно неровным дном или в жидкости конечной глубины в присутствии твердой стенки. Построены решения сформулированных задач и получены выражения для потенциалов скоростей возмущенного движения жидкости. К сожалению, рассматриваемая работа ограничена только теоретическими разработками. Какие-либо результаты расчетов в ней отсутствуют.

В работе Воробьева П.С., Павленко В.Г. [6],[7] с помощью метода Блоха Э.Л. и Гиневского А.С.[3] были проведены систематические расчеты присоединенных масс трехосных эллипсоидов , движущихся в канале прямоугольного поперечного сечения . На основе этих расчетов, результаты которых представлялись графически, был предложен метод определения присоединенных масс речных судов.

Капустянский С.М., Марченко Д.В. [11] провели численное исследование зависимости присоединенной массы прямоугольного понтона в прямоугольном канале . Ими рассматривалась присоединенная масса Я22. Ширина канала , отнесенная к осадке понтона 1/Т==14,8, относительная глубина канала Ь/Т=0,2 , относительная ширина понтона В/Т=4. В процессе счета менялось расстояние понтона от стенки канала. Оригинальность данного исследования определяется двумя обстоятельствами :

1. Граничное условие на свободной поверхности рассматривалось в виде

— ь Ь(р = 0;при этом параметр Ь изменялся от 0 до оо;

дг

2. Исследовались отрывная и безотрывная схемы обтекания.

В результате выполненных расчетов установлено, что при всех значениях b присоединенная масса , полученная при безотрывном обтекании в 1,7 раза больше соответствующей величины при отрывном обтекании.

В работе Воробьева IO.J1. [8], [9] проведено теоретическое исследование изменения посадки судна при его поступательном движении с постоянной скоростью параллельно бровкам морского подходного канала. В предположении о том, что мелководье является значительным, а судно -удлиненным ,решена краевая задача для потенциала возмущенных скоростей жидкости , определены гидродинамические вертикальная и поперечная силы, дифферентующий момент и момент рысканья. Найдены изменения посадки движущегося судна по сравнению с его посадкой при отсутствии хода. Дана упрощенная методика определения погружения оконечностей судна, идущего в подходном канале к морскому порту. Решение задачи осуществлено методом сращиваемых ассимптотических разложений (САР). Качка судна в данном исследовании не рассматривалась.

Среди зарубежных работ одними из первых в рассматриваемом направлении являются работы Fujino M., Bai K.J.. В работе Fujino M. [31] приведены расчеты присоединенных масс колеблющегося прямоугольного понтона вблизи плоских стенок. Постановка задачи отличается граничным условием на свободной поверхности , где в предположении весьма большой

частоты колебаний используется условие ср = О вместо — = 0 . Допустимость

dz

указанного условия следует из общих соображений о постоянстве давлений и малости возмущений свободной поверхности. Приведены результаты расчетов присоединенных масс при горизонтальных и вертикальных колебаниях понтона вблизи вертикальной стенки в зависимости от изменения относительного расстояния до вертикальной стенки для различных относительных глубин канала. Полученные результаты показывают значительное увеличение обеих присоединенных масс Л,, и /ц3 при

одновременном уменьшении относительной глубины и расстояния до вертикальной стенки.

В работе Bai K.J. [26],[27] решена двумерная задача определения присоединенных масс Л,2 для цилиндрических тел различных форм в прямоугольном канале. Задача решена с помощью метода конечных элементов для двух предельных значений частот со=0 и со=оо .Присоединенные массы определены для круглого , прямоугольного , треугольного цилиндров и цилиндра, имеющего в сечении форму Льюиса. Полученные Bai результаты приведены для различных отношений ширины канала и ширины цилиндра Ь/а и глубины канала к осадке d/c. Из приведенных в работе таблиц значений присоединенных масс видно, что уменьшение относительных ширины и глубины канала приводит к значительному увеличению данных величин. Например, для прямоугольного

цилиндра при со=0 и Ь/а=1.1 имеем ^ ^с—!-—1.725; при со=0 и d/c=1.05

À22(d le = 1.1)

^ ^а—î—^ = 2.468. В случае бесконечной частоты со=оо и Ь/а=1.1 получено Л22(Ыа = 1.5) 3 J

-- = 1.187, в то время как для со=со и а/с=1.05 -- = 16.67.

À22(d/c = 1.1) ^ Л22(Ь/а = \.5)

Аналогичные результаты получены и для других форм цилиндров. Таким образом, при увеличении частоты в большей степени влияет изменение относительной ширины канала, а при со=0 влияние относительной ширины и глубины сопоставимы.

Изложенный в работе метод позволяет также определять присоединенные массы и для цилиндров , расположенных в произвольной точке канала.

Исследование Demirel V., Wang S. [29] посвящено решению двумерной задачи о плавающем теле произвольной формы в прямоугольном канале.

При построении решения область, занимаемая жидкостью была разделена на

и

две зоны- внутреннюю и внешнюю. Для поиска решения во внутренней зоне авторами использовался метод конечных элементов, во внешней зоне -аналитическое выражение для потенциала скорости движения жидкости . Для реализации решения во внутренней области авторы используют

простейшую функцию Грина вида G{x.y.^rf) = — \nR .

2тг

В рассматриваемой работе приведены результаты расчетов коэффициентов присоединенных масс и демпфирования при вертикальных и горизонтальных движениях понтона прямоугольной формы для различных отношений относительных глубины и ширины канала в широком диапазоне изменения частот , в отличии от ранее рассмотренных работ. Полученные результаты Demirel, Wang показывают, что уменьшение относительной ширины канала приводит к возрастанию всех гидродинамических коэффициентов особенно в зоне низких частот. Авторами также проведено исследование влияния величины сдвига прямоугольного понтона относительно оси прямоугольного канала е . Численными расчетами показано, что данная величина практически никак не влияет на коэффициенты демпфирования и присоединенные массы при вертикальных движениях. В случае горизонтальных движений , в�