автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Разработка новой технологии генерации нерегулярного волнения и проведения модельного мореходного эксперимента в опытовом бассейне

Введение.

Глава 1. Методы описания и моделирования нерегулярного волнения.

1.1.0 необходимости испытаний моделей судов на нерегулярном волнении.

1.2. Описание морского волнения.

1.2.1. Спектральный метод.

1.2.2. Статистический метод.

1.2.3. Гидродинамический метод.

1.2.4. Энергетический метод.

1.2.5. Синтез методов описаниц'щрскдго врлцения.

1.3. Средства и способы воспроизведения нерегулярного волнения.

1.4. Допущения, принятые при исследовании волнового процесса, воспроизводимого в опытовом бассейне.

1.4.1. Стационарность.

1.4.2. Эргодичность.

1.4.3. Линейность.

1.4.4. Двухмерность волнения.

1.5. Использование метода огибающей для описания структуры волнения.

1.6. Постановка задачи.

Глава 2. Использование метода частотной модуляции и система управления волнопродуктором для генерации нерегулярного волнения.

2.1. Общие соотношения методов амплитудной и частотной модуляции и применимость их к воспроизведению процессов с узким спектром.

2.2. Принцип воспроизведения спектра нерегулярного волнения методом частотной модуляции.

2.3. Определение параметров, необходимых для реализации способа воспроизведения нерегулярных волн.

2.4. Генерация управляющего сигнала для волнопродуктора.

2.5. Численное моделирование нерегулярного волнения.

2.5.1. Исходные данные.

2.5.2. Особенности численного моделирования.

2.5.3. Подготовка управляющего сигнала.

Глава 3. Особенности волнового поля мореходного бассейна и определение передаточных функций системы «волнопродуктор - волнение» для генерации нерегулярного волнения.

3.1. Общие определения.

3.2. Исследование волнового поля и экспериментальное определение передаточных функций волнопродуктора.

3.3. Экспериментально-теоретическое определение передаточных функций.

Глава 4. Нерегулярное волнение в мореходном бассейне.

4.1. Управляющий сигнал и трансформация нерегулярного волнения

4.1.1. Исследование изменения спектра волнения путем корректировки управляющего сигнала волнопродуктора.

4.1.2. Исследование трансформации волнения во времени.

4.1.3. Получение нескольких реализаций.

4.1.4. Увеличение длины реализации.

4.1.5. Получение волнения с другими характеристиками.

4.2. Анализ распределений элементов смоделированного волнения

Глава 5. Технология подбора волнения для проведения мореходных испытаний моделей судов.

5.1. Факторы, учитываемые при подборе волнения для испытаний моделей судов.

5.1.1. Замер волнения в процессе проведения мореходных испытаний.

5.1.2. Сращивание реализаций.

5.1.3. Регистрация нерегулярного волнения при проведении испытаний на ходу.

5.1.3.1. Способ регистрации волнения.

5.1.3.2. Корректировка процедуры генерации нерегулярного волнения

5.1.3.3. Тест стационарности.

5.1.4. Особенность подбора волнения при исследовании качки моделей морских сооружений с системами позиционирования, а также при замере силовых характеристик.

5.2. Процедура моделирования нерегулярного волнения.

5.2.1. Спектр волнения.

5.2.2. Порядок подбора волнения.

Глава 6. Технология испытаний моделей судов при движении на нерегулярном волнении.

6.1. Методика проведения эксперимента.

6.1.1. Получение исходных данных для моделирования волнения и движения судна.

6.1.2. Технология подбора волнения.

6.1.3. Определение требуемого числа пробегов и их учет при подготовке управляющего сигнала для волнопродуктора.

6.1.4. Проведение эксперимента и сбор информации.

6.2. Расчет спектральных и статистических характеристик процессов по результатам наблюдений.

6.2.1. Расчет спектральной плотности.

6.2. 2. Расчет распределений элементов случайного процесса.

6.3. Результаты испытаний моделей судов на нерегулярном волнении.

6.3.1. Испытания модели рыболовного судна.

6.3.2. Испытания модели судна на воздушной подушке.

Одной из важнейших характеристик судна, определяющих его поведение и эффективность использования на волнении, является мореходность. Она зависит, прежде всего, от подверженности судна раскачивающему действию волн. Интенсивная качка приводит к ряду негативных последствий. В основном это возникновение инерционных перегрузок в конструкциях корпуса судна и установленном на нем оборудовании, затруднение работы судовых систем и устройств, снижение безопасности судна в отношении опрокидывания при действии на него внешних возмущений, а также ухудшение обитаемости.

С качкой судна непосредственно связана и его заливаемость в условиях волнения. Основными причинами, вынуждающими судоводителя выбрать менее тяжелые и безопасные условия плавания, изменить курс или снизить скорость, являются интенсивная качка, поступление воды на палубу, удары носовой или кормовой оконечности о воду (слеминг) и ухудшение режима работы гребного винта. К этому добавляется также увеличение буксировочного сопротивления судна, вызванное действием волн.

Таким образом, проблема обеспечения судну высокой мореходности является весьма важной в системе его проектирования. Именно поэтому в настоящее время общепризнанной считается необходимость экспериментальной проверки принимаемых технических решений с позиции мореходности. Наиболее рациональный путь - проведение испытаний в опытовом бассейне на физических моделях в условиях, максимально отражающих реальную морскую обстановку, особенно в части волнового климата.

В последнее десятилетие в ведущих гидродинамических центрах мира (MARIN в Голландии (Вагенинген), MARJNTEK в Норвегии (Трондхейм), SSPA в Швеции (Гетеборг), HSVA в Германии (Гамбург), DTMB в США (Вашингтон)) четко прослеживается тенденция создания новых технологических средств, обеспечивающих моделирование сложных явлений динамики судов и инженерных сооружений применительно к реальным условиям плавания. Большое значение при этом придается имитации нерегулярного волнения. Возможность генерирования в опытовом бассейне нерегулярного волнения, моделирующего морские волны, имеет принципиальное значение, поскольку позволяет непосредственно в эксперименте учитывать реальный характер внешнего воздействия вплоть до экстремальных ситуаций.

Неслучайно лидер в области гидродинамического эксперимента на Западе — Голландский Институт MARIN, который активно формирует техническую политику Западного сообщества в вопросах научного сопровождения разработки проектов судов и объектов океанотехники, в 1999 году закончил строительство специализированного опытового мореходного бассейна в г. Вагенинген. Главная особенность нового бассейна состоит в возможности проведения модельных гидродинамических испытаний плавучих объектов как в режиме транспортировки груза морем, так и в режиме стоянки в открытом море при разнообразных операциях нефтедобычи. При этом учитывается влияние морского волнения и других внешних воздействий (ветра, течения).

Проблема воспроизведения волновых условий при модельных испытаниях решалась в ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова в течение ряда лет. В 1962 - 68 гг. в лаборатории мореходности института был разработан и изготовлен волнопродуктор, генерирующий двухмерное нерегулярное волнение при помощи амплитудной модуляции колебаний волнообразующего тела (получены авторские свидетельства №№ 601588, 735704, 957034, 1051400). Наличие такого волнопродуктора существенно расширило возможности мореходного бассейна в области гидродинамического эксперимента. Однако созданная экспериментальная установка обладает по своим возможностям существенными ограничениями — испытания на нерегулярном волнении могут проводиться только на очень коротком и мелководном участке опытового бассейна. Как было показано выше, в настоящее время возможность проведения таких испытаний уже не покрывает потребности рынка. Требуется оценивать мореходность плавучих объектов не только на мелководье без хода, но и на глубокой воде, как во время проведения морских операций, так и в процессе перехода в зону работ. Следовательно, возникает необходимость проведения испытаний на нерегулярном волнении на ходу.

В связи с этим было принято решение о переоборудовании существующего в глубоководной части бассейна механического секционного волнопродуктора для генерации двухмерного нерегулярного волнения.

Целью настоящей диссертационной работы является создание новых технологических возможностей для проведения гидродинамических исследований на моделях. Они должны включать в себя методы и средства создания нерегулярного волнения с заданными спектрами в опытовом бассейне, а также методы испытаний моделей судов при движении на таком волнении.

В первой главе работы кратко рассмотрены основные методы описания нерегулярного волнения, показаны используемые в настоящее время средства и способы воспроизведения волнения в опытовых бассейнах, а также выполнена постановка задачи для выполнения работы.

Во второй главе рассмотрены основные соотношения способов воспроизведения нерегулярного волнения как случайного колебательного процесса с заданным энергетическим спектром. В главе также описан разработанный способ воспроизведения нерегулярного волнения с помощью частотной модуляции колебаний щитов волнопродуктора и выполнено численное моделирование волнения на персональном компьютере (ПК) с целью подтверждения эффективности способа.

В третьей главе отражены результаты исследования волнового поля бассейна путем проведения испытаний на регулярном волнении. В результате эксперимента определено влияние конструкции чаши бассейна на трансформацию волнового поля, определены передаточные функции мореходного бассейна. На основании полученных экспериментальных данных выведено аналитическое выражение для любой точки бассейна по длине.

Четвертая глава посвящена определению соответствия статистических и спектральных характеристик смоделированного и натурного нерегулярного волнения. В результате исследования даны заключения по вопросам применимости волнения для проведения мореходных испытаний. В главе описаны результаты опытов по генерации нерегулярного волнения при помощи частотной модуляции. Приведены реализации созданного волнения и произведена оценка спектральных и статистических характеристик.

В пятой главе описана технология подбора нерегулярного волнения при проведении мореходных испытаний. Определены основные факторы, влияющие на подбор нерегулярного волнения. Данные факторы

10 обусловлены как особенностями динамики чаши бассейна, так и особенностями исследуемых объектов.

В шестой главе описаны методические основы проведения мореходных испытаний судов на нерегулярном продольном (встречном или попутном) волнении на ходу. Однако большинство положений данной методики может быть распространено и на испытания моделей судов без хода. В качестве примера приведены результаты испытаний моделей рыболовного судна и судна на воздушной подушке (СВП) на нерегулярном волнении.

После переоборудования волнопродуктора и выполнения данной работы мореходный бассейн ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова стал первым в России, где есть возможность проведения буксировочных испытаний моделей судов на нерегулярном волнении на ходу в широком диапазоне скоростей.

Заключение

Работа имела целью формирование и реализацию новых технологических возможностей для исследования поведения судов и плавучих сооружений применительно к реальным волновым условиям. Первый этап заключался в создании нерегулярного волнения в глубоководной части мореходного бассейна ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова на основе модернизации существующего электромеханического волнопродуктора регулярных волн. В результате последний получил возможность работать как в регулярном, так и в нерегулярном режимах. Разработка обеспечила возможность моделирования главной особенности внешнего воздействия в морских условиях — его случайного характера. Второй этап состоял в разработке методики проведения мореходных испытаний моделей судов и морских сооружений на нерегулярном волнении на ходу.

Таким образом, оказалось возможным проведение испытаний моделей судов при задаваемых значениях скорости хода и энергетическом спектре нерегулярного волнения в диапазоне от 2 баллов (М 1:10-1:4) до 8 баллов (М 1:50 - 1:120) и более при соответствующем уменьшении масштаба модели.

В работе получены следующие результаты.

1. Исследована возможность применения различных методов модуляции для генерации нерегулярного волнения. Для генерации нерегулярного волнения применительно к поставленной задаче был выбран способ частотной модуляции. Частотная модуляция не требует сложного механического оборудования, что упрощает конструкцию волнопродуктора. Более того, при помощи частотной модуляции можно получить нерегулярное волнение на волнопродукторе регулярного волнения при его небольшом дооборудовании устройством для изменения частоты вращения в реальном времени.

2. Разработан принцип воспроизведения спектра нерегулярного волнения. Нерегулярное волнение воспроизводится в опытовом бассейне путем синтеза гармонических составляющих по заданному энергетическому спектру волнения. Способ отличается от ранее известных тем, что гармонические составляющие моделируемого волнения задаются поочередно в случайном порядке во времени при постоянной амплитуде колебания волнообразующего тела. При этом оказывается возможным влиять на групповые свойства моделируемого волнения.

3. Определены передаточные функции от волнопродуктора к волновому полю мореходного бассейна. Установлено, что волновое поле бассейна существенно меняется по его длине, и это необходимо учитывать при проведении испытаний.

4. Произведены наладочные работы и испытания волнопродуктора для генерации нерегулярного волнения разной интенсивности в бассейне при помощи частотной модуляции.

5. Исследована трансформация волнения во времени и в пространстве, установлены оптимальные режимы работы волнопродуктора. Произведено сопоставление спектральных и статистических характеристик смоделированного и натурного нерегулярного волнения. Результаты испытаний подтвердили соответствие характеристик волнения заданным, и, как следствие, возможность использования принятого способа генерации волнения с целью проведения испытаний моделей судов.

6. Разработана методика проведения испытаний моделей судов на нерегулярном волнении. Разработана технология подбора волнения с заданными характеристиками. Исследована возможность проведения испытаний движущихся моделей на встречном и попутном волнении. Определены способы замера волнения при испытаниях моделей на ходу и установлен способ обработки результатов эксперимента.

Существенной особенностью разработанной технологии испытаний моделей судов является не только возможность получения достоверных данных о качке объектов с учетом проявления нелинейных эффектов. Важно и то, что такая технология приводит в ряде случаев к сокращению времени получения параметров качки моделей даже в тех случаях, когда a priori есть уверенность в линейном характере колебаний, поскольку отпадает необходимость проведения трудоемких испытаний на серии регулярных волн различной частоты для дальнейшего использования спектрального метода.

В процессе выполнения работы были выпущены 6 научно-технических отчетов №№ 39149 (1997), 39544 (1997), 40123 (1998), 40166 (1998) по теме A-VII-234 «Теоретические и экспериментальные исследования в области совершенствования и прогнозирования ходовых и мореходных качеств судов в условиях волнения» и №№ 40254 (1999) и 40264 (1999) в рамках НИОКР «Разработка новой технологии гидродинамических исследований перспективных движительно-рулевых комплексов большой мощности с круговым изменением вектора тяги и оборудуемых ими судов и плавсредств в условиях нерегулярного волнения» (шифр «ДРК-Перспектива»). Кроме того, выпущен ряд отчетов по контрактным и предконтрактным работам, выполняемых с использованием данной разработки. По результатам работы подана заявка на изобретение «Способ воспроизведения нерегулярных волн в опытовом бассейне», по ней получено уведомление о положительном результате формальной экспертизы и выдаче патента.

Очевидно, что результаты данной работы являются только начальной стадией в моделировании волновых условий. В последующем, по мере накопления опыта работы на нерегулярном волнении, появления новых типов объектов исследования и экспериментального оборудования, работы по созданию нерегулярного волнения будут продолжены. Результатом их должны быть как усовершенствование способа воспроизведения нерегулярного волнения, так и разработка системы критериев оценки качества моделирования нерегулярного волнения и установление более полного объема исходных данных по волнению, который необходимо включать в техническое задание на проведение испытаний.

В результате выполнения работы мореходный бассейн ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова стал единственным в России гидродинамической

193 лабораторией, где возможно проводить буксировочные испытания моделей судов на нерегулярном волнении в широком диапазоне скоростей.

1. Абатуров С. Б. Генерирование плоского нерегулярного волнения с помощью модулированных по амплитуде колебаний щита волнопродуктора. Труды ЦНИИ им. А. Н. Крылова, вып. 239. JL: Судостроение, 1967.

2. Абатуров С. Б. Исследование возможности создания нерегулярного волнения в бассейне с помощью щитового волнопродуктора. Труды ЦНИИ им. А. Н. Крылова, вып. 232. JL: Судостроение, 1966.

3. Абатуров С. Б. Теория и расчет волнопродуктора щитового типа для генерирования нерегулярного волнения в опытовом бассейне. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. ЦНИИ им. А. Н. Крылова, 1969.

4. Абезгауз Г. Г., Тронь А. П. и др. Справочник по вероятностным расчетам. М.: Воениздат, 1970.

5. Авторское свидетельство СССР, 601588, G 01 М 10/00.

6. Авторское свидетельство СССР, 735704, Е 02 В 1/02.

7. Авторское свидетельство СССР, 921943, В 63 В 9/02.

8. Авторское свидетельство СССР, 957034, G 01 М 10/00.

9. Авторское свидетельство СССР, 958891, G 01 М 10/00.

10. Авторское свидетельство СССР, 1051399, G 01 М 10/00.

11. Авторское свидетельство СССР, 1051400, в 01 М 10/00.

12. Ар лей Н., Бух К. Введение в теорию вероятности и математическую статистику. М.: Изд-во иностранной литературы, 1951.

13. Афремов А. Ш. Теория секционного волнопродуктора. Труды ЦНИИ им. А. Н. Крылова, вып. 167. Л.: Судпромгиз, 1961.

14. Басин А. М. Качка судов. М.: Изд-во «Транспорт», 1969.

15. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Изд-во "Мир", 1974.

16. Благовещенский С. Н., Холодилин А. Н., Справочник по статике и динамике корабля. Т. 2, Л.: Судостроение, 1975.

17. Бородай И. К., Нецветаев Ю. А. Качка судов на морском волнении. Л.: Судостроение, 1969.

18. Бородай И. К., Нецветаев Ю. А. Мореходность судов. Л.: Судостроение, 1982.

19. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике. М.: Наука, 1981

20. Бунимович В. И. Флюктуационные процессы в радиоприемных устройствах. М.: Изд-во "Советское радио" , 1951.

21. Быков В. В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике. М.: Изд-во "Советское радио", 1971.23 .Ветровые волны: Сборник статей/Под ред. Ю. М. Крылова. М.: Изд-во иностранной литературы, 1962.

22. Вознесенский А. И., Нецветаев Ю. А. Нормированный энергетический спектр морского волнения. Труды НТО Судостроительной промышленности, вып. 47,1963.

23. Давидан И. Н., Лопатухин Л. И. и др. Ветровое волнение в Мировом океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1985.

24. Давидан И. Н., Лопатухин Л. И. и др. Ветровое волнение как вероятностный гидродинамический процесс. Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

25. Дунин-Барковский И. В., Смирнов Н. В. Теория вероятностей и математическая статистика в технике. М.: Изд-во технико-теоретической литературы, 1955.

26. Ивановский С. Л. Использование метода частотной модуляции для генерации нерегулярного волнения в опытовом бассейне. //Тезисы докладов конференции «XXXIX Крыловские чтения».-СПб: 1999.

27. Ивановский С. Л. Проблемы создания нерегулярного волнения в опытовых бассейнах и ее решение в мореходном бассейне ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова.// Сборник статей семинара молодых специалистов. ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова СПб ГМТУ.-СПб: 1998

28. Ивановский С. Л. Результаты моделирования нерегулярного волнения в глубоководном опытовом бассейне. Труды ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, вып. 294, 2000.

29. Кочин Н. Е., Кибель И. А. и др. Теоретическая гидромеханика. М.: Физматгиз, 1963.

30. Крылов Ю. М. Статистическая теория и расчет морских ветровых волн. Труды ГОИН, вып. 42, 1958.

31. Лакомб А. Энергия моря. Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

32. Ламб Г. Гидромеханика. М-Л: ОГИЗ Гостехиздат, 1947.

33. Лившиц Н. А., Пугачев В. Н. Вероятностный анализ систем автоматического управления. М.: Изд-во "Советское радио", 1963.

34. Лопатухин Л. И., Микулинская С. М. и др. Статистическая достоверность режимных характеристик волнения. Журнал «Судостроение», №5-6, 1994.

35. Лопатухин Л. И., Рожков В. А. Анализ совместных распределений элементов волн. «Труды ЦНИИГМИ МЦД», вып. 1, 1974.

36. Луговский В. В. Динамика моря. Л.: Судостроение, 1976.

37. Методика расчета качки водоизмещающих кораблей и судов. ОСТ 5.1003-80.

38. Морской энциклопедический словарь: В трех томах/Под ред. В. В. Дмитриева. Л. СПб.: Судостроение, 1990 — 1994.

39. Перспективы развития мирового торгового флота на период до 2000 г. Журнал «Судостроение», №1,1994.

40. Пустыльник Е. И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: "Наука", 1968.

41. Рахманин Н. Н. Спектральные свойства морского волнения, используемые при исследовании мореходных качеств кораблей. Труды Океанографической комиссии АН СССР, т. 9, 1960.

42. Рахманин Н. Н. Энергетический спектр морского волнения. Труды ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, вып. 126,1958.

43. Свешников А. А. Прикладные методы теории случайных функций. М.: "Наука", 1968.

44. Справочник по теории корабля: В трех томах/Под ред. Я. И. Войткунского. Л.: Судостроение, 1985.

45. Сретенский Л. Н. Теория волновых движений жидкости. М.: «Наука», 1977.

46. Унковский В. А. Теория вероятностей. Военмориздат, 1953.

47. Филлипс О. М. Динамика верхнего слоя океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

48. Харкевич А. А. Спектры и анализ. М.: Изд-во физжо-математический литературы, 1962.

49. Хаскинд М. Д. Гидродинамическая теория качки корабля. М.: «Наука», 1973.

50. Яглом А. М. Введение в теорию стационарных случайных функций. -Успехи математических наук, т. 7, вып. 5,1957.53:Arthur R. S. Variability in Direction of Wave Travel in Ocean Surface Waves. Ann. N.Y. Acad. Sci., v. 51, 1949.

51. Bertorello C., Boccadamo G., Cassella P. High Speed Displacement Crafts: Comparision of Seakeeping and Comfort Characteristics between Monohull and Catamaran. Proc. IMAM 2000, Ischia, Italy, 2000.

52. Biesel F. Wave Machines. Proc. First Conference on Ships and Waves, Hoboken, NG, 1954.

53. Bretschneider C. L. Revision in wave forecasting. Techn. Mem. Beach Erosion Board, 1958.

54. Burling R. W. The spectrum of waves at short fetches. Deutsche Hydrogr. Zeitschrift, 12, H. 2-3,1959

55. Generating irregular waves. Trans. Inst. Mar. Ingnrs, No.9, 1953.

56. Hess G. D., Hidy G. M., Plate E. J. Comparision Between Wind Waves at Sea and in the Laboratory. Journal of Marine Research, vol. 27, No. 2,1969.

57. Miles J. On the generation of surface waves by turbulent shear flows. -Journal of Fluid Mech. 7, No. 3, 1960

58. Moskowitz L. Estimation of the power spectrum for fully developed seas for wind speed of 20 to 40 knots. Journal Geophys. Res., vol. 69, No.24, 1964.

59. Newmann G. On ocean wave spectra and a new method of forecasting windgenerated sea. Techn. Mem. Beach Erosion Board, No.43, 1953.

60. Physical Sciences. A Wiley Interscience Publication, John Wiley and Sons, N.Y., Brisbane, Toronto, Singapore, 1994.

61. Phillips O. M. The equilibrium range of waves by turbulent wind. Journal of Fluid Mech. 2, No. 5, 1957.

62. Pierson W. and Moskowitz L. A proposed spectral form for fully developed wind seas based on the similarity theory of S. A. Kitaigorodsky. Journal Geophys. Res., vol. 69, No.24,1964.

63. Van Lammeren and G. Vossers. Development of a Seakeeping Laboratory for the Netherlands Ship Model Basin. International Shipbuilding Progress, No. 2, 1955.

64. Van Lammeren and G. Vossers. The Seakeeping Laboratory of the Netherlands Ship Model Basin. International Shipbuilding Progress, No. 29, 1957.

65. Wen S. C. Generalised wind wave spectra and their applications. Scientia Sinica, v. IX, No.3, 1960.

66. Значительная высота волнения1. Пирсона-Московитца

67. Средний период волнения Продолжительность реализации122 м 11.4с 60 мин