автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Влияние мелководья и кромок фарватера на управляемость водоизмещающих судов

На правах рукописи

00502ио/і

ЧЕРЕПАНОВ ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ МЕЛКОВОДЬЯ И КРОМОК ФАРВАТЕРА НА УПРАВЛЯЕМОСТЬ ВОДОИЗМЕЩАЮЩИХ СУДОВ

Специальность 05.22.19 Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

5 АПР 2072

Новосибирск - 2012

005020677

Работа выполнена в

ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Научный руководитель: доктор технических наук, профес-

сор Вьюгов Виктор Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Палагушкин Борис Владимирович

доктор технических наук, профессор Клементьев Александр Николаевич

Ведущая организация: ФБОУ ВПО Морской Государст-

венный Университет им. адмирала Невельского Г.И

Защита состоится 27 апреля 2012 года в 1430часов в ауд. 227 на заседании диссертационного совета Д 223.008.02 при ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» по адресу: 630099, г. Новосибирск, ул Щетинкина, 33, ФБОУ ВПО НГАВТ (тел./факс: (383) 222-49-76. E-mail: nqavt@nas.ru) или ese_sovet@mail.ru)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Автореферат разослан « » /Л 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета {№Михайлова Т.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вождение судов по внутренним водным путям имеет свою весьма сложную специфику. Это стеснённые габариты судового хода по радиусу закругления, ширине и глубине. При этом параметры судового хода постоянно меняются в зависимости от кривизны, ширины и глубины фарватера.

Эти обстоятельства оказывают определяющее влияние на безопасность судоходства и предъявляют повышенные требования как к управляемости судов , так и к качеству профессиональной подготовки судоводителей.

Аналитическое исследование управляемого движения водоизмещаю-щих судов внутреннего и смешанного плавания при таком многообразии внешних определяющих параметров является наиболее сложной из общих задач теории корабля. Эта многовариантность затрудняет создание надёжных методик расчёта и прогнозирования маневренных качеств судов.

Наиболее существенным фактором, определяющим безопасность плавания по внутренним водным путям, является, по мнению автора, адекватный учёт влияния мелководья.

В настоящее время разработаны математические модели, в различной степени учитывающие влияние мелководья на ходкость и управляемость во-доизмещающих судов, выделяются работы Васина A.M., Павленко В.Г., Войткунского Я.И., Вьюгова В.В., Гордеева О.И., Тихонова В.И. и др.

Объективный анализ современной научной литературы показал, что математическая модель произвольного движения судна на крайнем мелководье в реке (канале) может быть значительно уточнена, для этого необходимо провести дополнительные экспериментальные исследования движения водо-измещающего судна на мелководье.

Цель диссертационной работы - определить повышение безопасности плавания водоизмещающих судов внутреннего и смешанного плавания при движении на мелководье и вблизи фарватера за счёт уменьшения отрицательного влияния неровности мелководья и кромок фарватера на управляемость водоизмещающих судов.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие научно - технические задачи:

1. Используя общепризнанную структурную математическую модель, провести детальный анализ современных методов определения усилий различной природы, уточнить их физический смысл и провести необходимую корректировку развёрнутой математической модели.

2. Провести дополнительные модельные испытания на крайнем мелководье (ровном и неровном).

3. Разработать уточнённый метод определения гидродинамических усилий, действующих на корпус судна при его маневрировании в условиях стеснённого фарватера.

4. Сконструировать развёрнутую систему уравнений движения судна и исследовать её достоверность.

5. Разработать рекомендации судоводителям по выбору режимов работы судна при движении на мелководье, перекатах и вблизи фарватера.

Методы исследования. В работе широко использовались модельные испытания в циркуляционном и прямом опытовых бассейнах НГАВТ методом «нулевого момента», методы математического анализа, численные методы решения дифференциальных уравнений и обработки экспериментальных данных.

Научная новизна:

1. Проведены систематические испытания моделей судов на ровном и неровном мелководье в циркуляционном и прямом бассейнах НГАВТ.

2. Разработаны методики определения влияния мелководья на гидродинамические характеристики судов.

3. Создана уточненная математическая модель, наиболее реально и физически обоснованно описывающая параметры движения судов на мелководье.

Практическая ценность результатов работы заключается в том, что разработаны рекомендации для судоводителей по выбору режимов движения судна, с целью избежать проявления «эффекта глубокой воды», потери управляемости и его навалу на противоположный берег на мелководье и перекатах ВВП.

Обоснованность и достоверность выполненной работы подтверждается использованием апробированных методов модельных испытаний в опытовых бассейнах, системных методов отработки экспериментальных данных, численных методов решения дифференциальных уравнений, а также удовлетворительным совпадением исследований с натурными испытаниями крупномасштабной модели пр. 576.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Судовождения» и «Теории устройства корабля» и научно — практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФБОУ ВПО НГАВТ .

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 81 наименований, изложена на 108 страницах машинописного текста, включая 8 таблиц, 34 рисунка, 2 фото и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении сформулированы направления исследований, обоснована их актуальность и правомерность избрания в качестве темы диссертации.

В первой главе исследовано влияние мелководья на сопротивление воды движению судов, просадку, пропульсивные качества судов, их ходкость и управляемость, сформулированы цели и задачи исследования.

Сопротивление воды движению судна складывается в основном из трех составляющих - трения, формы и волнового.

Сопротивление трения возникает вследствие того, что вода, имеющая свойство адгезии, налипает тонким молекулярным слоем на корпус и, практически, движется вместе с ним. Таким образом, непосредственного трения воды о корпус нет. Трение возникает между частицами воды в слое, возмущенном движением судна (пограничном). Касательные напряжения, возникающие при этом, и создают сопротивление трения.

Сопротивление формы имеет характерное название, так как зависит от формы корпуса. Возникновение этого вида сопротивления имеет двуликий характер. Это сопротивление давлений (разница давлений между носовой и кормовой частью судна), и вихревое сопротивление, зависящее, в основном, от формы кормы. Этот вид сопротивления может быть исследован только эмпирически, путем испытаний моделей судов в гидродинамических бассейнах или лотках.

Для вычисления волнового сопротивления имеются весьма приближённые теоретические решения. Практические расчёты основываются на результатах экспериментальных исследований.

По рекам и каналам суда практически движутся в условиях стесненности фарватера по глубине и ширине. При таких условиях картина обтекания водой корпуса судна становится наиболее сложной. Качественное и количественное изменение величин усилий, возникающих на корпусах судов, имеет место вследствие воздействия таких характерных факторов, связанных со стесненностью фарватера, как возникновение встречного потока, значительная деформация водной поверхности, изменение картины обтекания носовой и кормовой оконечностей судна, оказывающихся в непосредственной близости от стенок канала при движении судна с углом дрейфа. В первую очередь увеличивается сопротивление воды движению судна. Влияние мелководья проявляется обычно, когда глубина фарватера становится меньше, чем четыре осадки судна. Влияние кромок судового хода становится заметным, если расстояние от крайней точки судна до кромки становится меньше, чем четыре ширины судна.

Влияние мелководья обычно исследуется на неограниченной по ширине акватории, а влияние кромок судового хода дополнительно определяется в мелководных каналах.

Обстоятельные теоретико-экспериментальные исследования сопротивления движению судна в мелководных каналах различного стеснения выпол-

нены С.Н. Коротковым на основе двумерной математической модели потока и систематических испытаний в оцытовом бассейне НИИВТ.

В результате проведенных исследований для приближенного определения сопротивления в условиях стесненного по глубине и ширине фарватера разработан метод, переработанный В.Г. Павленко и В.В: Вьюговым. Разработанные ими формулы справедливы при th = Т^ф < 0,7 (4 - относительная

глубина фарватера; Т- средняя осадка судна; - глубина фарватера) тогда как на перекатах и перевалах реки запас воды под днищем нередко составляет 0,2 ^ 0,1 м, что соответствует для обычных речных судов

th =0,90 -г 0,95.

Это обстоятельство говорит о необходимости проведения дополнительных исследований.

Просадка судов как физическое явление в настоящее время изучена достаточно полно. Она возникает вследствие того, что при движении судна в различных режимах хода скорости обтекания различных областей днищевой части судна возрастают. Это, согласно закону Бернулли, приводит к понижению давления под днищем судна, сила поддержания Архимеда уменьшается, осадка на миделе судна увеличивается. Давление в кормовой оконечности уменьшается в большей степени, что приводит к появлению дифферента на корму. Увеличение осадки судна особенно интенсивно на мелководье, что может привести к касанию днища о грунт и повреждению движительно рулевого комплекса (ДРК).

Предельно допустимая осадка определяется как наименьшая из нескольких величин - запаса воды под днгацем, регламентируемого действующими «Правилами плавания», рассчитанного для гарантированной глубины судового хода, просадки судна при движении на мелководье и запаса воды, необходимого для учета возможных неточностей в определении осадки и гарантированной глубины.

Просадка и безопасные скорости речных судов детальным образом исследованы Коротковым С.Н., Полуниным A.M., Степанюком Е.И., Сухоме-лом Г.И.

При прямолинейном и произвольном криволинейном движении судна между его движительно - рулевым комплексом и кормовой частью существует весьма сложное взаимодействие. Характер и степень этого взаимодействия зависит от формы кормовой оконечности судна, типа ДРК и его геометрических и кинематических характеристик. Это взаимодействие определяет про-пульсивные качества судна, которые оцениваются коэффициентом полезного действия движителя, коэффициентом попутного потока, коэффициентом засасывания при прямолинейном движении и при произвольном маневрировании. Наблюдается также скос потока в районе ДРК, при прямолинейном движении и при произвольном маневрировании, обусловленный формой кормы. При маневрировании возникает поперечная сила засасывания.

Исследования показывают, что мелководье, даже крайнее, практически не оказывает влияние на характеристики винта в свободной воде (без присутствия корпуса), а пропульсивные качества существенно изменяются.

Попутный поток зависит от полноты кормовой оконечности корпуса и осевой вызванной скорости движителя. Отношение величины скорости ос-редненного по диску движителя осевого попутного потока к скорости судна называют коэффициентом попутного потока.

При ложкообразной форме кормы величина скоса потока определяется в основном коэффициентом общей полноты кормовой половины корпуса судна. При санеобразной форме кормы скоса потока практически нет, флюгер совершает апериодические колебания относительно нуля.

Исследуется и вводится в методики расчетов поперечная сила засасывания на корпусе судна.

Таким образом можно констатировать, что взаимодействие движителей с корпусом судна в настоящее время исследовано достаточно полно.

Инерционные характеристики исследуются при неустановившихся режимах движения судов - разгоне (из состояния покоя до набора полной скорости), выбеге (с полного или долевого хода до практической остановки при выключенных движителях), активном торможении (с полного или долевого хода до практической остановки при реверсе движителей). При этом рассчитываются путь и время выполнения маневра. Инерционные характеристики определяются либо путем проведения натурных испытаний, либо расчетом. Для этого разрабатывают методики вычисления присоединенных масс при продольном и поперечном движении, присоединенных статических моментов и присоединенных моментов инерции. В практических расчетах обычно используются безразмерные характеристики - коэффициенты присоединенных масс. Для практических расчетов коэффициентов присоединенных масс составляются аппроксимационные формулы. На мелководье инерционные качества судна существенно изменяются. Опыт применения разработанных методик при расчетах инерционных характеристик судов показал их удовлетворительную точность.

О влиянии мелководья на устойчивость судна на курсе в настоящее время существует два взаимно противоположных мнения:

- судоводители единодушно указывают на дестабилизирующее влияние мелководья на устойчивость судна на курсе при движении по руслу реки; исследователи, основываясь на этом мнении, соответствующим образом идентифицируют свои математические модели;

- судоводители единодушно указывают на стабилизирующее влияние мелководья при движении по ровному мелководью, имеющему место в основном ниже бара в Обской губе или зоны выклинивания реки в водохранилище; большинством исследователей эта оценка оспаривается.

Как хорошо известно исследователям, при движении судна на мелководье вследствие увеличения его эффективного удлинения и увеличения полноты эпюры поперечной нагрузки возрастают линейные составляющие попе-

речной силы и момента. Нелинейные составляющие поперечной силы и момента возрастают вследствие уменьшения относительного запаса воды под днищем, затрудняющего поперечное обтекание корпуса и увеличивающего отрывную составляющую коэффициента поперечной силы.

Эти выводы подтверждаются результатами проведения модельных испытаний, проводящихся, как правило, на ровном мелководье. Выводы подтверждаются, но лишь частично.

Дело в том, что исследователи при обработке результатов испытаний не оказывали должного внимания положению на диаметральной плоскости СДП) судна точки приложения главного вектора гидродинамических корпусных сил (по теории крыла - центра давления).

Сведения об управляемости судов на мелководье автор заимствовал из результатов испытаний натурных судов, а сведения об управляемости судов в канале - из опроса опытных судоводителей и собственного опыта судовождения на малых реках.

Таким образом, выстраивается линия исследования для уточнения методов расчета гидродинамических характеристик на крайнем ровном мелководье и создания метода корректного учета влияния кромок судового хода на гидродинамические характеристики судна и, как следствие, создания уточненной математической модели произвольного движения судна.

Во второй главе исследовано влияние ровного мелководья на ходкость и управляемость судна. Описана экспериментальная база комплекса гидродинамики судна НГАВТ. Рассмотрены гидродинамические аспекты корпусных характеристик судна на мелководье.

Приведены результаты испытаний несамоходного судна в прямом и циркуляционном бассейнах на ровном мелководье. Проведены экспериментальные исследования модели самоходного судна в прямом и циркуляционном бассейнах на ровном мелководье. Особенное внимание было уделено проведению экспериментальных исследований влияния неровности фарватера на ходкость и управляемость судна.

В настоящее время в современной гидромеханике судна оценки влияния мелководья на абсциссу главного вектора гидродинамических корпусных сил (ГВГКС) или абсциссу центра давления (ЦЦ)) носят противоречивый характер. При ровном мелководье, какое, как правило, моделируется в опытовых бассейнах, гидродинамические усилия увеличиваются таким образом, что ЦЦ смещается в положительном направлении абсциссы судна. Это указывает на дестабилизирующее действие мелководья (ровного) на теоретическую устойчивость судна на курсе. Этот вывод согласуется с оценками судоводителей - на мелководье судно более рыскливо.

При движении судна по оси канала большой стесненности (ширина канала менее девяти ширин судна) при неизбежном его зарыски-вании в ту или другую сторону дополнительная стесненность фарватера по ширине оказывает влияние, аналогичное влиянию ровного мелководья, то

есть происходит резкое увеличение гидродинамических сил и моментов, зависящее от степени стесненности фарватера, расстояния до кромки судового хода и уклона стенки канала.

Если при движении в канале или реке судно придерживается кромки судового хода и если при этом оно движется параллельно кромке с нулевым или малым положительным углом дрейфа (нос судна дальше от кромки, чем корма), скорость протекания воды между судном и кромкой вследствие местного стеснения потока возрастает, а давление падает (наиболее значительно в районе кормы). В результате на судне развивается дополнительная поперечная сила Укр, направленная к кромке (сила подсасывания), и дополнительный момент Мкр, стремящийся развернуть нос судна от кромки. Это явление носит название «эффекта глубокой воды».

При движении судна вдоль стенки с большим положительным углом дрейфа проявляется эффект подтормаживания потока в зоне между корпусом и кромкой и давление в этой зоне повышается. Дополнительная поперечная сила в этом случае направлена от кромки, точка ее приложения смещается в носовую часть судна, следовательно, дополнительный момент сохраняет свой знак, по-прежнему обусловливая «эффект глубокой воды».

Дополнительные усилия могут быть весьма значительными, «эффект глубокой воды» наиболее ярко проявляется в случае неровностей кромки судового хода и при ходе против течения. Как показывает опыт судовождения (в том числе автора по малым рекам), нос судна отбрасывается так стремительно, что рулевой не успевает выровнять курс судна, и оно наваливается носовой частью на противоположный берег реки.

«Эффект глубокой воды» до сих пор детально не исследовался. Для учета такого эффекта необходимо проведение специального эксперимента с замером гидродинамических усилий в нестационарном режиме при изменении угла между ДП судна и кромкой судового хода. Именно такое сочетание параметров приводит к наблюдаемому судоводителями поведению судна в условиях его движения по крайне ограниченному судовому ходу.

Это обстоятельство побудило автора, имеющего многолетний опыт вождения различных судов при различных навигационных условиях, произвести дополнительные исследования.

С этой целью были проведены испытания несамоходной модели в циркуляционном и прямом бассейнах на глубокой воде и ровном мелководье. Была использована модель грузового теплохода, изготовленная по теоретическому чертежу современного сухогрузного теплохода пр. 1743 «Омский», но с соотношениями главных размерений, соответствующими соотношениям т/х пр.576 (для соответствия с размерениями крупномасштабной самоходной модели и сопоставления результатов исследований с натурными испытаниями).

: Исследования проведены при различных осадках и углах дифферента методом «нулевого момента». При проведении эксперимента вычислялись следующие кинематические характеристики движения модели: скорость модели, угол дрейфа, радиус циркуляции.

При установившемся движении модель автоматически устанавливалась под определенным углом дрейфа, который фиксировался оператором по лимбу, установленному на подвеске.

В точке подвески в поточной системе координат с помощью предварительно оттарированных динамометров определялись продольная и поперечная силы. Так как в уравнениях произвольного движения судна используется система координат, связанная с судном, производился пересчет.

Таким образом, как показали предварительные испытания, судно, при наличии дифферента на корму, становится теоретически более устойчивым на курсе и движется на прямом курсе со все меньшим углом дрейфа, занимая меньшую полосу судового хода.

Эти выводы согласуют науку с авторским опытом вождения судов в условиях широкого ровного мелководья на многокилометровых участках Обской губы ниже Надымского и Хаманельского баров.

Вопрос о причинах рыскания судов на перекатах и перевалах реки еще подлежал рассмотрению.

Для оценки влияния мелководья на абсциссу ЦД в бассейне была смонтирована площадка длиной 18 м, шириной 2,4 м, высотой 1 м. Площадка была смонтирована в районе 2/3 длины бассейна. Таким образом, за один проход модели измерялся ее угол дрейфа на глубокой воде и на мелководье. Испытания убедительно показали, что мелководье оказывает на модель стабилизирующее действие, причем настолько значительное, что угол дрейфа резко уменьшается от, к примеру, 15° на глубокой воде до нуля на мелководье. Модель при этом по инерции поворачивается на другой борт. Для предотвращения этого эффекта была применена двухостровная схема подвески, когда на круговом шарнире закреплялся двухкомпонентный динамометр для измерения продольной и поперечной сил, а на щелевом шарнире (в сторону кормы) устанавливался динамометр для измерения поперечной силы. Испытания производились в несколько заходов вблизи нулевого показания поперечного динамометра в щелевом шарнире.

Площадка по ходу модели приподнималась под определенным углом, для исследования влияния уменьшающегося равномерного мелководья. Испытания не обнаружили «эффекта глубокой воды».

Для исследования «эффекта глубокой воды» на площадке был установлен с правого борта откос берега под углом 45° . Эффект проявил себя с полной своей наглядностью. При движении модели на глубокой воде поперечной силы и момента нет. При входе модели на площадку поперечная сила (с точностью измерений) практически не изменялась, но момент, даже при установленном нулевом угле дрейфа резко увеличивался.

Изменение поперечной силы и момента на мелководье происходит таким образом, что величина плеча ЦД на мелководье при равных углах дрейфа (Р) и кривизне циркуляции практически не изменяется. Следовательно, при конструировании метода расчета гидродинамических характеристик судна на мелководье необходимо постоянно проводить контрольные расчеты по определению плеча ЦД, придерживаясь полученного выше качественного вывода. Этот вывод подтверждается результатами проведенных автором испытаний методом нулевого момента.

На рисунке 1 приведены величины относительного плеча ЦЦ по результатам испытаний на глубокой воде (сплошная линия) и мелководье при Т / Иф =0,67 (штриховая линия).

""О 5 10 15 Ї) 25 30 Р

Рисунок 1 - Относительное плечо ЦЦ по результатам испытаний.

Аналогичный вывод был получен при оценке влияния канала на позиционные и демпфирующие корпусные характеристики водоиз-мещающих судов, которые представлены в виде соответствующих коэффициентов и соотношений их величин в мелководном канале и на глубокой воде.

«Эффект глубокой воды» наблюдается также при прохождении судном переката реки, когда судно излишне близко подходит к одной из кромок корыта переката и отрыскивает от нее.

В основе жалоб судоводителей на плохую управляемость судов на мелководье и плохую устойчивость на курсе лежит, в частности, проявление данного эффекта.

Практика вождения судов на практически равномерном мелководье, наблюдаемом, например, в районе Хаманельского и Надымского баров р. Обь протяженностью в несколько километров, (по наблюдениям автора) не вызывает особых нареканий на устойчивость судна на курсе.

Результаты же исследований на ровном мелководье показывают, что оно оказывает стабилизирующее действие на теоретическую устойчивость судна на курсе. Этот вывод противоречит оценкам судоводителей, на-

блюдающим в практике известный «эффект глубокой воды». Этот эффект неоднократно наблюдался автором при вождении судов по рекам, например, по Иртышу, Пуру и притокам Оби.

При проведении экспериментов по исследованию «эффекта глубокой воды» фиксировалась абсцисса ЦД относительно нулевого теоретического шпангоута, скорость модели и угол дрейфа. Поскольку при расчетах произвольного движения судна угол дрейфа и радиус циркуляции рассчитывается по траектории движения центра масс, соответствующим образом определялась абсцисса центра давления относительно центра масс.

При установившемся движении модель автоматически устанавливалась под определенным углом дрейфа, который фиксировался оператором по лимбу, установленному на подвеске.

Планирование исследований показало, что времени на это полнофакторное исследование потребуется чрезвычайно много. Поэтому автором было принято решение о разработке приближённого метода расчёта гидродинамических характеристик корпуса судна при его движении в условиях неравномерного по ширине судового хода.

В третьей главе разработана методика учёта влияния ровного мелководья на сопротивление воды движению судна и его гидродинамические корпусные характеристики.

При движении судна на мелководье вследствие увеличения его эффективного удлинения и увеличения полноты эпюры поперечной нагрузки возрастают линейные составляющие поперечной силы и момента. Нелинейные составляющие поперечной силы и момента возрастают вследствие уменьшения относительного запаса воды под днищем (кф-Т)/Т, затрудняющего

поперечное обтекание корпуса и увеличивающего отрывную составляющую коэффициента поперечной силы.

При движении судна по оси канала большой стесненности (ширина канала менее девяти ширин судна), при неизбежном его зарыскивании в ту или другую сторону дополнительная стесненность фарватера по ширине оказывает влияние, аналогичное влиянию мелководья, то есть происходит резкое увеличение гидродинамических сил и моментов, зависящее от степени стесненности фарватера, расстояния до кромки судового хода и уклона стенки канала.

Характер влияния мелководного канала на гидродинамические усилия и плечо зарыскивания качественно противоположен характеру влияния мелководья. Этот вывод подтверждается результатами проведенных автором испытаний методом «нулевого момента».

Таким образом, разрабатывая метод расчета гидродинамических усилий на мелководье и в мелководном канале, автору пришлось детально и критически проанализировать материалы многочисленных исследований, поверяя адекватность метода расчета относительного плеча центра давления и диаграмм управляемости судов на мелководье. Сведения об управляемости

судов на мелководье автор заимствовал из результатов испытаний натурных судов, а сведения об управляемости судов в канале методом экспертной оценки - из опроса опытных судоводителей и собственного опыта судовождения на малых реках.

Влияние мелководья и кромок судового хода обычно учитывают в виде коэффициентов, являющихся сомножителями к коэффициентам гидродинамических корпусных усилий на глубокой воде.

Коэффициенты влияния мелководья и кромок судового хода представляют в виде:

Ср.ик = Су1'\к/Су!> =СтРШІСтІ> И СБМК ~ С)Ш1к/СуО =СтОМКІСтО > то есть в виде соотношений их величин в мелководном канале и на глубокой воде, рис. 2, 3.

'РМК

1

о

03

Рисунок 2 - Коэффициент влияния мелководного канала СРМж на позиционные характеристики: 1- Ьк =0; 2- Ьк =0,1; 3- Ьк =0,2; 4- Ьк =0,33 Сл

'ОМК 4

Л

и

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.3 0.6 0.7 0.3 Рисунок 3 - Коэффициент влияния мелководного канала СОМж на

демпфирующие характеристики: 1-Ьк = 0; 2-Ьк = 0,1; 3-^ = 0,2; 4-Ьк = 0,33

В результате проведенных исследований разработан упрощенный метод расчета гидродинамических корпусных усилий на мелководье и в мелко-

13

водном канале по тем же структурным формулам, как и для глубокой воды, с введением сомножителей Срмк, Сдмк к коэффициентам позиционных и демпфирующих гидродинамических усилий.

Величины коэффициентов влияния мелководного канала при = О получены путем экстраполяции эмпирических графиков.

Стеснение по ширине оценивается соотношением площади свободного сечения потока с борта в сторону берега 5 к площади миделя

5 = Б/Бм

Сопротивление воды движению судна пр. 576 оценивается следующими аппроксимационными формулами

Л, = V • (11,30 -62,4 • /А + 227,3 • ГА2 -330,6 • $ +183,7 •

(1.1 )

К2 = V2 • (о,6 + 8,06 • -199,9 • г * +18,3 ■

я3 Цо,83-о,54-0(2'вд4);

Здесь у, м/с - скорость судна;

th - относительная глубина фарватера. Коэффициент момента на корпусе судна оценивается коэффициентом

1

1

(1.2)

5-60000' 60000 V

Ниже приведен график зависимости коэффициента к от относительной площади в (Рисунок 4).

Эта методика позволяет рассчитывать гидродинамические характеристики корпуса судна при его движении на мелководье и в мелководном канале.

2 і

1

\

\ \

Л

о.г о.4 о.б о,8

Рисунок 4 - Коэффициент влияния стенки канала 14

Четвертая глава посвящена разработке уточненной математической модели произвольного движения судна по ровному мелководью и в условиях неровного мелководного фарватера с учетом течения. Установлено, что причиной рыскания судна на мелководье являются неровности фарватера. Приведены результаты систематических расчетов различных маневров судна на течении реки в условиях неровного мелководного фарватера. Детально исследован «эффект глубокой воды»

Для приведения к расчетному виду структурная математическая модель произвольного движения судна конкретизируется путем использования методов определения входящих в нее усилий инерционной и неинерционной природы. Конкретная форма математической модели зависит от того, какие маневры предполагается рассчитывать с ее помощью, какие кинематические характеристики использованы в методах расчета усилий.

Структурные уравнения движения судна имеют следующий расчетный

вид:

—т( 1 + ки )соз /3

а

Л

т{ 1 + кп )уби1 Р + ту со 8т Р

- т( 1 + ки )(С>уу + Сю(о)~ тСуаС* - м(1 + кп )Сх(}Схх = = ТЕ-Хд-Ха-Х

(1.3)

—— т{\ + к22) вт Р - -Щ- т{\ + к22)Vсоэ ¡3 + тЬк26 + ск т ш

+ шшС0$р -тСюСХу + т{ 1 + ки)(ух -СХ(; ){СУХ + Сх)-

-т(\ + к22)СюСуу -т(1 + к22Щух-Схосо) + тЬк26(Схха-СууСху) =

=У*+га-Уя-У;>

—Зг (1 ■+ к66) зш Р -Щ-шИ^ со зр - т1к2ь{Схух +

Л ш ш

+СуУу-СХ(хо)+ткк26{уу -СЮ){С>-Сх)-^(1 + к66Щ-Сх)-Сху = = Мд-Ма+1К¥н+П.

(1.4)

(1.5)

Для приведения уравнений (1.3)-(1.5) к канонической форме, пригодной для решения этих уравнений на ЭВМ, и упрощения дальнейших выкладок введем обозначения:

л-п =т(\ + ки)соБр; х22 = /и(1 + £п>зт/); Хх =ТЕ -Хд-Ха-ХК -1 ^ ^

-тттр + т{\+к{,+ Су(,(о)+тСуССух + т( 1+кп)Сх0Схх; ]

Угг = т{\ + ¿22)усоз/3; ><33 = т1к1Ь\ У} =уд ~Уа -УК-У-тгсоСовр+тС^С;-т(1 + ки)(ух-СЮ)(СУХ + +С*)+т{\+к22)СюСуу +т(\+к22){Схуух -Сч,ю)-т1к2в{Схт-С$Сху);

тп =т1к1ЬйпР\ т22 = у/и/^б соб/З; тъъ = 32(\+к(ЛУ, М, = Мд-Ма +1РУК + 1У+т1к26(Схуух ++Суууу-С^а)-'пйкфу-СЮ)(С;-ф + У2(1 + к66)(С{-Сх)Сху ++(х/ххСх(Сх +ср

с учетом введённых обозначений уравнения (1,6)-(1.8) принимают вид: (Ь ¿р _ <Ь> (¡ю

(1.7)

(1.8)

л

л

-т.

¿9

•т

Л 22~Ж Л Система уравнений (1.9) должна быть разрешена относительно неизвестных производных. Из первого уравнения следует:

(¡р

(¡р

+ т

с1(0

33"

■Мх.

(1.9)

Л Л

X,

22

А

*и

(1.10)

Подставив полученное выражение во второе и третье уравнения, полу-

чаем:

"Лг

сф

Л ¿Р (1ф „

-У22-77 + Узз — = Уь

£¡1

л

Х22

-т.

¿1 л

(1Р (1(0 , ,

(1.11)

Совместное решение системы (1.11) при введении дополнительных обозначений:

а=х\\у\ +Х\У\ 1 \Ь=-Х1 ху22-ух,Х22; с=х,,А/, +Х1т1 ¿¿=-хпт22-тп (1.12) позволяет получить выражения для производной по углу дрейфа:

с1а

ар л

(1(0

в-*иЛ ар С-ЖЦИзз-

Л

(1.13)

Ъ Л (1

Решение выражений (1.13) при введении дополнительных обозначе-

нии:

хп(Ьт33 - ф^У Ь ' хи

(1.14)

позволяет получить выражение для производной по угловой скорости, а затем и для остальных производных. Система уравнений (1.14) приводится, таким образом, к канонической форме:

йм сів . сію ,,ч

¥ = И = "^" (Ы5)

Система канонических уравнений (1.15) решается на ЭВМ одним из методов последовательных приближений, наиболее точным из которых является метод Рунге - Кутта - Фильберга с автоматическим выбором шага при задаваемой оператором точности вычислений на каждом шаге.

Задача определения величины угла курса % и координат центра тяжести х0 и }'() судна, движущегося по произвольной траектории, решается с помощью дополнительных дифференциальных уравнений:

± = а>; ^1 = ус05(%_/3); = (Х-Р)- (1-16)

йі <& ш

Скорость перекладки рулевых органов задается либо в соответствии с паспортной характеристикой судна, либо по норме - 2 градуса в секунду.

Режим работы главных двигателей и движителей задается в соответствии с паспортной характеристикой двигателя и реверс - редуктора (при его наличии) с учетом возможного их износа.

Сопротивление воды движению судна и упор движителей задаются в виде формул, аппроксимирующих кривые сопротивления и располагаемого упора, полученных либо в результате испытаний (натурных или модельных), либо расчётным путём.

Результат расчетов математической модели выводятся на печать в виде таблиц или графиков для любой из переменных в любом сочетании (в зависимости от текущего времени или друг от друта).

Рисунок 5 - Эффект глубокой воды (отрыскивания от берега) при х = 0,1

Сравнение выполненных исследований с натурными испытаниями судна пр. 576 подтверждает выполненные автором исследования, представленные в табл. 1.

Таблица 1 - Сравнение результатов расчёта с натурными

испытаниями пр. 576 (8К = 35°)

Параметр V, м/с и, с"1 ш Г

Натурные испытания 2,78 0,0172 0,663 23,2 330

Расчёт 2,81 0,0170 0,658 22,9 337

Отклонение, % 1,1 -1,2 -0,7 -0,3 2,1

Из проведённых модельных испытаний в опытовьтх бассейнах НГАВТ и из многолетнего практического судоводительского опыта работы на судах смешанного плавания автором разработаны следующие рекомендации судоводителям при движении по мелководью, перекатам и вблизи фарватера внутренних водных путей:

1. При подходе судна к мелководному участку реки, к перекату судоводителю необходимо снизить скорость движения своего судна, при движении вверх до 40% мощности, вниз - до 30% мощности. Причём режим работы двигателей нужно выбирать с учётом того, чтобы судно оставалось управляемым. Такой режим работы двигателей находится обычно в пределах выше минимальных оборотов, но ниже средних оборотов. Увеличение режима работы двигателей при движении на мелководье приводит к увеличению нагрузки на двигатели, но не к увеличению скорости. Движение судна на мелководье с большой скоростью приводит к просадке судна кормой.

2. Снижение скорости судна должно осуществляться заблаговременно до подхода к мелководному участку, перекату. При резком снижении скорости с режима полного хода до малого хода при нахождении судна уже на мелководье возможна просадка носовой части корпуса судна. Так как при резком уменьшении хода судна его догоняет созданная при движении судна кормовая волна, которая способна приподнять кормовую часть судна, делая дифферент судну на нос.

3. При движении судна вверх по течению вблизи берегов, откосов каналов, если позволяет ширина судового хода, суда не должны приближаться близко к кромке берега. Если ширина судового хода не позволяет движение судна на достаточном расстоянии от берега, либо если судно осуществляет расхождение с другим судном и вынуждено отклониться близко к кромке берега, то судоводителю необходимо снизить скорость заблаговременно. Иначе возникают условия создания аварии или эксплуатационного происшествия. Так как при движении судна вверх на полном ходу близко у кромки берега произойдёт отрыскивание носовой части судна от берега и возможны: навал носовой части на противоположный берег, посадка судна на мель, повреждение движительно-рулевого комплекса, столкновение с другим судном.

4. Если же судно на полном ходу приблизилось близко к кромке берега и произошло отрыскивание носовой части судна от берега, судоводитель должен осуществить перекладку руля в сторону этого берега, не убавляя полного хода до тех пор, пока судно не выровняется вдоль берега. Уменьшение скорости в период потери управляемости приведёт к снижению управляемости судна и к потере времени, которое в экстремальных условиях бывает особенно необходимо.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выполненной работы

1. Проведены систематические испытания модели судна на ровном и неровном мелководье методом «нулевого момента». Для этого была использована модель сухогрузного теплохода смешанного плавания пр. 1743 «Омский».

2. Разработана методика определения влияния мелководья на гидродинамические характеристики водоизмещающих судов.

3. Создана математическая модель, наиболее реально и физически обоснованно описывающая параметры маневрирования судов в различных условиях их эксплуатации, при прохождении мелководных участков и на перекатах.

4. Проведено сравнение выполненных исследований с результатами натурных испытаний судна пр. 576.

Результаты выполненных исследований подтверждаются результатами натурных испытаний судна пр. 576.

5. Разработаны рекомендации для судоводителей по выбору режимов движения судна, а также движению на мелководье, перекатах и вблизи фарватера (с целью избежать проявления «эффекта глубокой воды»).

Таким образом, решение поставленных в диссертационной работе задач позволило достичь основных целей диссертационного исследования -повышения безопасности движения водоизмещающих судов на мелководье.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Черепанов Ю.Н.Экспериментальное исследование влияния мелководья на абсциссу главного вектора гидродинамических корпусных сил судна / Ю.Н. Черепанов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск, 2008.-№1. - С. 132-133.

2. Черепанов Ю.Н. Влияние неровности фарватера на гидродинамические корпусные характеристики судна. / Ю.Н. Черепанов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск, 2010.-№1.-С. 128-130.

Список публикаций по теме диссертации

1. Черепанов Ю.Н. Влияние мелководья на управляемость судов / В.В. Вьюгов., Ю.Н. Черепанов // Материалы научн-практ. конф. - Красноярск, 2002. - С.4-5.

2. Черепанов Ю.Н. Предварительные результаты испытаний модели судна в циркуляционном бассейне на крайнем мелководье / В.В. Вьюгов, Ю.Н. Черепанов // Судовождение-2002 / Сб. научн. тр. НГАВТ. -Новосибирск, 2009. - С. 67-73.

3. Черепанов Ю.Н. Исследование гидродинамических характеристик судна в циркуляционном бассейне на мелководье/В.В.Вьюгов, А.Ю. Кононенко, Ю.Н. Черепанов // Судовождение-2002 / Сб. научн. тр. НГАВТ. - Новосибирск, 2002. - С. 110-114.

4. Черепанов Ю.Н. Исследование плеча зарыскивания на модели судна в прямом и циркуляционном бассейнах /В.В.Вьюгов, Ю.Н. Черепанов // Материалы научн.-техн. конф., 2003. - Ч. 2 НГАВТ. - Новосибирск, -С. 9-10.

5. Черепанов Ю.Н. Экспериментальное исследование гидродинамических усилий на корпусе судна на мелководье в опытовых бассейнах НГАВТ / В.В.Вьюгов, А. Ю. Кононенко, Ю.Н. Черепанов // Материалы научн.-техн. конф. НГАВТ. - Новосибирск, 2003. Ч. 2. - С. 16-17.

6. Черепанов Ю.Н. Экспериментальное исследование гидродинамических усилий в прямом опытовом бассейне НГАВТ на корпусе судна / Ю.Н. Черепанов И Судовождение-2006 / Сб. научн. тр. НГАВТ. - Новосибирск, 2007 .- С. 126-128.

7. Черепанов Ю.Н. Экспериментальное исследование гидродинамических усилий в прямом опытовом бассейне НГАВТ на корпусе судна / Ю.Н. Черепанов // Сибирский научный вестник / НГАВТ, Новосибирск, 2007. - С. 69-70.

8. Черепанов Ю.Н. Экспериментальные исследования гидродинамических усилий на корпусе судна / Ю.Н. Черепанов II Материалы научн.-техн. конф. НГАВТ. - Новосибирск, 2007. Ч. 2. - С. 13-14.

9. Черепанов Ю.Н. О влиянии мелководья на управление судном / Ю.Н. Черепанов // Материалы научн.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава НГАВТ «Водный транспорт России вчера, сегодня, завтра» - Новосибирск, 2009. - С. 174-175.

Ю.Черепанов Ю.Н. Исследование судов в условиях неровного мелководья / В.В. Вьюгов, Ю.Н. Черепанов // Сборник научных трудов «К 200-летию со дня рождения Вильяма Фруда». - НГАВТ. Новосибирск, 2011.-С. 56-59.

Подписано в печать 22.03.2012 г. Бумага офсетная № 1, формат 60*84Ш6, печать трафаретная - Riso. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №18. Бесплатно

Отпечатано в издательстве ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного Транспорта» (ФБОУ ВПО НГАВТ), 630099, Новосибирск, ул. Щетинкина, 33.

61 12-5/3247

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФБОУВПО

«НОВОСИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА»

УДК 627.712.5:629.12.075

Черепанов Юрий Николаевич

ВЛИЯНИЕ МЕЛКОВОДЬЯ И КРОМОК ФАРВАТЕРА НА УПРАВЛЯЕМОСТЬ ВОДОИЗМЕЩАЮЩИХ СУДОВ

Специальность 05.22.19 «Эксплуатация водного транспорта, судовождение»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

На правах рукописи

научный руководитель -доктор технических наук,

профессор В.В. Вьюгов

Новосибирск 2012

ПРИНЯТЫ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Геометрия судна

дрк- движительно-рулевой комплекс; дп - диаметральная плоскость; ввп - внутренние водные пути; цм— центр масс;

I

квн- комплекс винт-насадка; Ь - длина судна, м; в - ширина судна,м;

т,тн,тк - осадка судна средняя, носом и кормой, м; н,н' - высота борта и надводного борта, м;

ьв = ь/в, вь= в/ь, вт - в/т, т1=т/ь - соотношения главных размерений; v - водоизмещение судна, м3;

5, а, рм - коэффициенты полноты - водоизмещения, ватерлинии, миделя; . ан,ак - коэффициенты полноты носовой и кормовой половины грузовой ватерлинии;

<ук = 28к/ьт - коэффициент полноты кормовой половины диаметрального

батокса - площадь кормовой половины диаметрального батокса); хс=хс/Ь - относительная абсцисса центра величины (от миделя); = т/кф - относительная глубина фарватера;

1Я=1Я/Ь - относительное расстояние от ДРК до центра масс ( 1К - абсолютная величина); ув - расстояние от оси гребного вала до ДП, м; ах - площадь проекции надводной части на плоскость миделя, м2; ау - площадь проекции надводной части судна на его диаметральную плоскость, м2;

□ - площадь смоченной поверхности судна, м2;

С1А - характерная площадь надводной поверхности судна, м2.

Геометрия и кинематика движения судна

t - время, с;

и0 - скорость судна на прямом курсе на глубокой тихой воде, м/с;

и - скорость движения ЦМ судна при маневрировании, м/с;

их, иу - проекции скорости ЦМ судна на подвижные оси судна, м/с;

иХо, иуо - проекции скорости ЦМ судна на неподвижные оси, м/с; оа,ик - абсолютная и кажущаяся скорость ветра, м/с; У а > 7 я -абсолютный и кажущийся угол ветра, рад; со - угловая скорость судна на тихой воде, с"1; Р - угол дрейфа в ЦМ судна на тихой воде, рад.; X - угол курса, рад.;

кк- коэффициент спрямления потока в районе ДРК;

Як - мгновенный радиус кривизны траектории ЦМ судна, м;

Яц - радиус установившейся циркуляции, м;

х0,у0 - координаты центра масс в неподвижной системе, м;

С - скорость течения, м/с;

ис,(ос,Рс - кажущиеся скорость, угловая скорость и угол дрейфа на течении, м/с, с"1, рад; .

схс, сус - проекции скорости течения на неподвижные оси в точке, соответствующей ЦМ судна, м/с; сжо,суо,сх,су, - проекции скорости течения на неподвижные и подвижные

оси в неподвижной системе координат, м/с;

, сху1,сц ,с*,сух с;, суу- изменения продольной и поперечной составляющих скорости течения вдоль неподвижных и подвижных осей, 1/с.

Динамика судна

т - масса судна, кг;

О О

Т- кинетическая энергия судна, кг-м /с ; Р - главный вектор неинерционных корпусных сил, Н;

^хх^уу^г " моменты инерции погруженного объема относительно плоскостей

уОг, хОг и момент инерции масс судна относительно оси Сгг, кг-м ; Л11,Я22,Я2б,Я66 присоединенные массы, присоединенный статический момент

и присоединенный момент инерции, кг, кг-м, кг-м2; хк,ук,мк - корпусные усилия, действующие на подводную часть корпуса

судна, Н, Н-м;

хг,уг,мг - гидродинамические усилия, действующие на подводную часть

корпуса судна, Н, Н-м; ха,уа,ма - аэродинамические усилия, действующие на надводную часть

корпуса, Н, Н-м; сх , суг, стг - коэффициенты гидродинамических усилий;

сх ,су ,ст - коэффициенты аэродинамических усилий; 1Д=1Д/Ь - относительная абсцисса центра давления (1Д - абсолютная величина);

Л

р=1000 - массовая плотность пресной воды, кг/м ;

л

ра = 1,226 кг/м - массовая плотность воздуха;

_С. л

v = 1,57 -10 - кинематический коэффициент вязкости воды, м /с.

Геометрия ДРК

- количество движителей и рулевых комплексов; гк - количество рулей в одном рулевом комплексе;

ак,а!к,а"я, - общая площадь руля, площадь руля вне струи и в струе от движителя, м2;

- высота, хорда и толщина руля, м;

як=к2к/ак, tr=tr/br ь8=ь8/ьк- относительное удлинение, относительная

толщина руля и относительная ширина шайбы руля; £> - диаметр гребного винта, м; а0 - площадь диска гребного винта, м2; Рр/В - шаговое отношение гребного винта; Ае/Аъ - дисковое отношение гребного винта; гл - количество лопастей винта; 10=10/О - относительная длина насадки; ав,рв - коэффициенты раствора и расширения насадки.

Кинематика ДРК

п - частота вращения движителя, 1/с;

уу ,м> - осевая вызванная скорость свободного движителя и с учетом влия-

а0 &

ния корпуса; м/с;

м?р,]Ут - коэффициенты номинального и эффективного попутного потоков на прямом курсе;

- коэффициент эффективного попутного потока при маневрировании судна;

иА = б>(1 - скорость натекания воды на движитель, м/с;

3 - иА/пО - относительная поступь движителя;

80 - угол перекладки руля и поворотной насадки, рад.; tn - время перекладки руля или поворотной насадки, с; IЗк - геометрический угол дрейфа в месте расположения ДРК, рад.; (Зя - действительный угол дрейфа в месте расположения ДРК, рад.

Динамика ДРК

тр:, тт - полный упор /' - го винта, полный упор /' - го комплекса винт-насадки (КВН), Н;

те - полезный упор (тяга) /' - го движителя, Н;

Ч " номинальный и расчетный коэффициенты засасывания на прямом курсе и при маневрировании судна; Ур - стабилизирующая сила на движителе, Н;

Х^, Г^ - продольная и поперечная силы на /' - м рулевом органе, Н;

х3 ,у3 - продольная и поперечная силы засасывания на корпусе судна от

действия I -го ДРК, Н; ст,стт - коэффициент нагрузки по упору винта и КВН.

Двигатель

- номинальная мощность двигателя, кВт;

пс - частота вращения двигателя, 1/с;

1Р - момент инерции вращения i -го движителя и валопровода относительно

оси гребного вала, кг-м ;

1 ~ 2 Я44 - присоединенный момент инерции движителя, кг-м ;

'р!

сор^ - угловая скорость вращения движителя, 1/с; Окр " крутящий момент со стороны двигателя, Н-м;

- момент, приложенный со стороны жидкости к движителю, Н-м.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Вождение судов по внутренним водным путям имеет свою весьма сложную специфику. Это в первую очередь - стесненные габариты судового хода по радиусу закругления, ширине и глубине. При этом параметры судового хода постоянно меняются в зависимости от кривизны судового хода, неровности рельефа и наклона дна.

Эти обстоятельства оказывают большое влияние при плавании судов по внутренним водным путям и предъявляют повышенные требования как к управляемости судна, к качеству его постройки, так и к качеству профессиональной подготовки судоводителей.

Одной из важнейших задач повышения безопасности плавания при движении судов по внутренним водным путям является улучшение подготовки судоводителей. Как показывает статистика, много аварий и эксплуатационных происшествий происходит по вине судоводителей. Такие эксплуатационные происшествия как посадки на мель и навалы зачастую происходят из за незнания судоводителями всех факторов различной природы действующих на судно и влияющих на его управляемость на разных мелководных участках внутренних водных путей.

Аналитическое исследование управляемого движения водоизмещаю-щих судов при таком многообразии внешних определяющих параметров является наиболее сложной из общих задач теории корабля. Эта многовариантность затрудняет создание надежных методик расчета и прогнозирования маневренных качеств судов.

Для разрешения задачи создания надежных методик расчета и прогнозирования маневренных качеств судов необходимо создать математическую модель, наиболее реально и физически обоснованно описывающую параметры маневрирования судов в различных условиях их эксплуатации. Наиболее существенным фактором, определяющим безопасность плавания по внутрен-

ним водным путям, является, по мнению автора, адекватный учет влияния мелководья, в том числе неравномерного.

В настоящее время разными исследователями разработаны математические модели, в различной степени учитывающие влияние мелководья на ходкость и управляемость водоизмещающих судов, среди них выделяются работы Басина A.M. [3], [5], [7], [9], Войткунского Я.И. [59], Вьюгова В.В. [11], [15], [16], Павленко В.Г. [37],[38], Гордеева О.И.[25], Тихонова В.И. [65] и др.

В современной литературе содержатся противоречивые оценки влияния мелководья и стенок канала на теоретическую устойчивость судна на курсе и на его поворотливость. В частности, в работе [3] сказано: «При движении судна параллельно вертикальной (далее и наклонной) стенке с нулевым или малым углом дрейфа (далее большим) возникает момент, стремящийся развернуть нос судна от стенки (так называемый «эффект свободной воды»)». Методики для определения этих моментов не приведены.

Объективный анализ материалов современной научной литературы показал, что математическая модель произвольного движения судна на крайнем мелководье и в реке (канале) может быть значительно уточнена как путем более критического подхода к применяемым методам определения усилий различной природы, так и путем проведения дополнительных экспериментальных исследований. Расчеты по уточненной математической модели могут при этом привести не только к количественным уточнениям характеристик различных маневров, но, вероятно, и качественным выводам, упущенным при использовании уже имеющихся математических моделей.

Этот факт побудил автора к проведению дополнительных систематических исследований для уточнения математической модели произвольного движения судов путем теоретического и экспериментального исследования гидродинамических усилий на их корпусах и движителях в условиях крайне-

го мелководья, то есть создания надежного инструмента для расчета маневренных характеристик судов, обеспечивающих безопасность плавания.

Этому и посвящена настоящая диссертационная работа, состоящая из введения, четырех разделов, заключения и приложений.

Цель диссертационной работы - определить повышение безопасности плавания водоизмещающих судов внутреннего и смешанного плавания при

движении на мелководье и вблизи фарватера за счёт уменьшения отрица-

«

тельного влияния неровности мелководья и кромок фарватера на управляемость водоизмещающих судов.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие научно - технические задачи:

1. Используя общепризнанную структурную математическую модель, провести детальный анализ современных методов определения усилий различной природы, уточнить их физический смысл и провести необходимую корректировку развёрнутой математической модели.

2. Провести дополнительные модельные испытания на крайнем мелководье (ровном и неровном).

3. Разработать уточнённый метод определения гидродинамических усилий, действующих на корпус судна при его маневрировании в условиях стеснённого фарватера.

4. Сконструировать развёрнутую систему уравнений движения судна и исследовать её достоверность.

5. Разработать рекомендации судоводителям по выбору режимов работы судна при движении на мелководье, перекатах и вблизи фарватера.

Методы исследования. В работе широко использовались модельные испытания в циркуляционном и прямом опытовых бассейнах НГАВТ методом «нулевого момента», методы математического анализа, численные мето-

ды решения дифференциальных уравнений и обработки экспериментальных данных.

Научная новизна:

1. Проведены систематические испытания моделей судов на ровном и неровном мелководье в циркуляционном и прямом бассейнах НГАВТ.

2. Разработаны методики определения влияния мелководья на гидродинамические характеристики судов.

3. Создана уточненная математическая модель, наиболее реально и физически обоснованно описывающая параметры движения судов на мелководье.

Практическая ценность результатов работы заключается в том, что разработаны рекомендации для судоводителей по выбору режимов движения судна, с целью избежать проявления «эффекта глубокой воды», потери

управляемости и его навалу на противоположный берег на мелководье и пе-« __

рекатах ВВП.

Обоснованность и достоверность выполненной работы подтверждается использованием апробированных методов модельных испытаний в опыто-вых бассейнах, системных методов отработки экспериментальных данных, численных методов решения дифференциальных уравнений, а также удовлетворительным совпадением исследований с натурными испытаниями крупномасштабной модели пр. 576.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались , на заседаниях кафедры «Судовождения» и «Теории устройства корабля» и научно - практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФБОУ ВПО НГАВТ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

На защиту выносятся:

— новая методика практического расчёта гидродинамических корпусных характеристик в условиях движения на мелководье;

— общая математическая модель движения водоизмещающих судов, с учётом влияния мелководья и кромок фарватера;

— рекомендации судоводителям для выбора режимов движения судов в условиях мелководья и близости кромок фарватера.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Теории и устройства корабля» Новосибирской государственной академии водного транспорта. Систематические экспериментальные исследования проведены в прямом и циркуляционном опытовых бассейнах НГАВТ на несамоходных моделях.

и

1. ОБЗОРНЫЙ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ МЕЛКОВОДЬЯ НА ХОДКОСТЬ И УПРАВЛЯЕМОСТЬ СУДОВ

Мелководье - это ограниченная глубина воды под днищем судна, влияющая на его манёвренность. Это влияние тем значительней, чем меньше относительная глубина воды кф/Т.

1.1 Влияние мелководья на ходкость судов

1.1.1 Влиянйе мелководья на сопротивление воды движению судов

Сопротивление воды движению судна складывается в основном из трех составляющих - трения, формы и волнового.

Сопротивление трения возникает вследствие того, что вода, имеющая свойство адгезии, налипает тонким молекулярным слоем на корпус и, практически, движется'вместе с ним. Таким образом, непосредственного трения (эффект возможного замещения одних «пассажирок» другими не изучен). Трение возникает между частицами воды в слое, возмущенном движением судна (пограничном). Касательные напряжения, возникающие при этом, и создают сопротивление трения. Этот вид сопротивления достаточно хорошо исследован В.И. Тихоновым [65].

Сопротивление формы имеет характерное название, так как зависит от формы корпуса. Возникновение этого вида сопротивления имеет двойственный характер. Это сопротивление давлений (разница давлений между носовой и кормовой частью судна), и вихревое сопротивление, зависящее, в основном, от формы кормы. Этот вид сопротивления может быть исследован только путем испытаний моделей судов в гидродинамических бассейнах или лотках.

Для вычисления волнового сопротивления имеются весьма приближённые теоретические решения.

По рекам и каналам суда практически движутся в условиях стесненности фарватера по глубине и ширине. При таких условиях картина обтекания водой корпуса судна становится наиболее сложной. Качественное и количественное изменение величин усилий, возникающих на корпусах судов, имеет место вследствие воздействия таких характерных факторов, связанных со стесненностью фарватера, как возникновение встречного потока, значительная деформация водной поверхности, изменение картины обтекания носовой и кормовой оконечностей судна, оказывающихся в непосредственной близости от стенок канала при движении судна с углом дрейфа. В первую очередь увеличивается сопротивление воды движению судна. Влияние мелководья проявляется обычно, когда глубина фарватера кф становится меньше, чем две осадки судна. Влияние кромок судового хода становится заметным, если расстояние от крайней точки судна до кромки становится меньше, чем четыре ширины судна.

Влияние мелководья обычно исследуется на неограниченной по ширине акватории, а влияние кромок судового хода дополнительно определяется в мелководных каналах.

Обстоятельные теоретико-экспериментальные исследования сопротивления движению судна в мелководных каналах различного стеснения выполнены С.Н. Коротковым [35] на основе двумерной математической модели потока и систематических испытаний в опытовом бассейне НИИВТ.

В результате проведенных исследований для приближенного определения гидродинамических корпусных усилий в условиях стесненного по глубине и ширине фарватера разработан следующий метод, который в переработанном В.Г. Павленко и В.В. Вьюговым виде приведен в книге [46].

Для случая движения с учётом дрейфа [11] разработана аналогичная

Г

методика. Разработанные ими �