CC BY
34
_ *
УДК 630 378.33
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ СОРТИМЕНТНЫХ ПЛОТОВ
К. С. Подойницын, А. Ю. Мануковский, О. В. Завершинская
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
Мауи 1964@mail.ru
Теоретические исследования гидродинамических сопротивлений, возникающих при буксировке плота, были произведены для шести типичных видов формирования плотов, используемых для сплава по р. С. Двина и ее притокам.
Моделирование производилось с помощью программного обеспечения, разработанного в Воронежской государственной лесотехнической академии.
В качестве базовых видов формирования были взяты плоты при стандартном размере пучка 6,5х2,65х1,32 м:
1) 9 пучков по ширине, 40 пучков по длине;
2) 12 пучков по ширине, 45 пучков по длине; 3) 14 пучков по ширине, 50 пучков по длине; 4) 16 пучков по ширине, 55 пучков по длине; 5) 18 пучков по ширине, 60 пучков по длине; 6) 20 пучков по ширине, 70 пучков по длине.
Так же были приняты следующие характеристики:
1) Условия сплотки - штиль, среднее волнение; 2) Ветер тихий, легкий 0,53 м/с; 3) Моделирование проводилось при скоростях буксировки 0,2-0,9 м/с; 4) Параметры волны: а) высота 0,05-0,15 м; б) длина 2-8 м; 5) Скорость течения 1,6 м/с; 6) Коэффициент полнодревесности
0,63; 7) Тип используемого буксира Т-63М; 8) Длина бревен ¿=6,5 м; 9) Соотношение осей поперечного сечения пучка c=b/h=2^; 10) Объемы пучка 11,3 м3; 11) Объемный вес древесины уд=0,8 т/м3.
Проанализируем изменение общего сопротивления движению плота R (Н) от скорости буксировки иб (м/с) для плота 9х40 пучков (табл. 3.1), где Rш - сопротивление движению плота на спокойной воде, учитывающее сопротивление формы, Н; Rh, - дополнительное сопротивление от волнения, Н; Rв - ветровое сопротивление, Н.
Таблица 1
Данные, полученные с помощью программы для определения зависимости сопротивлений движению плота R (Н) от скорости буксировки иб (м/с) для плота 9х40 пучков
№ т т и, м/с R, Н Rш, Н ARh, Н
1 2 3 4 5 6 7
1 7,16 19 0,2 397684,26 152031,84 167,85
2 7,01 0,25 418228,88 160595,36 170,09
3 6,83 0,3 439336,32 169393,5 172,34
4 6,65 0,35 461006,55 178426,25 174,59
Окончание табл. 1
1 2 3 4 5 6 7
5 6,48 0,4 483239,6 187693,63 176,83
6 6,32 0,45 506035,44 197195,62 179,08
7 6,17 0,5 529394,1 206932,22 181,33
8 6,02 0,55 553315,55 216903,45 183,57
9 5,87 0,6 577799,82 227109,29 185,82
10 5,70 0,65 602846,88 237549,75 188,07
11 5,57 0,7 628456,76 248224,82 190,31
12 5,44 0,75 654629,43 259134,52 192,56
13 5,32 0,8 681364,92 270278,83 194,81
14 5,19 0,85 708663,2 281657,75 197,05
Согласно данным табл. 1, с увеличением скорости движения силы сопротивления возрастают.
Зависимость сопротивления движению плота R (Н) от скорости буксировки иб (м/с) согласно законам гидродинамики представлена параболой. При расчете сопротивления движению тела в жидкости основополагающим является сопротивление формы. Рассматривая движение плота, прибегают к ряду допущений, вводя в расчет коэффициент сопротивления формы, потому увеличение силы сопротивления от скорости движения допускается считать линейным [1].
При имитации процесса были учтены силы сопротивления от ветра, возникающего при этом волнения поверхности воды и грубый расчет сопротивления формы. Как видно из полученных данных (табл. 1), наиболее значительным является именно сопротивление формы Rш, влияющее на выбор типа буксира и их количество. При
этом сопротивление движению от волнения Rh в допустимых условиях сплотки незначительно и зависит в первую очередь от параметров волны, а именно, от амплитуды. Данный параметр можно не учитывать в расчетах для малых рек и оптимальных условиях сплотки при скоростях ветра до 6-8 м/с, но при буксировке по водохранилищам и озерам, где высота волны может доходить до 1,5 м, данный параметр необходим [4].
Сила сопротивления ветру Rв так же является немаловажной, так как именно сила, с которой действует ветер, может содействовать сносу плота на мель, что ведет так же к увеличению количества буксиров, поэтому сплотка в ветреную погоду с силой ветра в 4 балла по шкале Бофорта и более не рекомендуется из-за больших затрат на транспортировку и опасности возникновения аварийной ситуации [2].
Зависимость сопротивления движению плота R (Н) от скорости буксировки
U6 (м/с) для остальных типов плотов имеет схожую природу. Анализируя каждый тип плота, нами было выявлено, что максимальное гидродинамическое сопротивление возникает в головной части плота и увеличивается так же с увеличением ширины плота. Это объясняется тем, что при обтекании тела жидкостью возникающие в пограничном слое напряжения согласно законам гидродинамики максимальны в лобовой его части и зависят полностью от формы тела, угла соприкосновения, шероховатости и площади смоченной поверхности.
Уменьшение гидродинамического сопротивления позволит отказаться от привлечения дополнительных технических средств буксировки, для выбора которых и необходим расчет сопротивления движению плота.
Оптимальным решением для уменьшения гидродинамического сопротивления может служить уменьшение ширины плота или же его гидродинамического сопротивления в головной части путем установки гидродинамического обтекателя.
Анализируя зависимость сил сопротивления движению R (Н) от скорости буксировки U6 (м/с) для плотов различных типов, мы пришли к выводу, что для уменьшения сил сопротивления возможно применение гидродинамических обтекателей.
В качестве среды моделирования процесса была выбрана САПР «Freeship+» с открытым исходным кодом и лицензией, являющаяся бесплатным аналогом таких программ как MultySurf, MaxSurf, FastShip, AutoShip, NavCAD, Rhino Marine, Aveva
для автоматизированного проектирования судов, барж и т.д.
Для моделирования взяты данные типовых плотов. Для каждого типа плота в среде САПР «FreesЫp+» был разработан гидродинамический обтекатель. На рис. 1 представлен гидродинамический обтекатель в среде САПР для типового плота 9х40 пучков, шириной 24 м, длинна обтекателя 12 м.
Обтекатель представлен сборноразборным каркасом, образующим заданную форму и обтянутым высокопрочным материалом (прорезиненный кевлар). Возможность разбора конструкции позволяет многократно использовать обтекатель в период сплотки. Способность обтекателя держаться на плаву позволяет буксировать его отдельно от плота.
Методика расчета гидродинамического сопротивления движению сортиментного плота с гидродинамическим обтекателем основана на расчете сопротивления буксировки сцепки грузовых барж. В нашем случае мы применяем различные коэффициенты шероховатости обтекателя и самого плота, что позволяет произвести точный расчет сопротивления движению нашего плота.
Рис. 1. Гидродинамический обтекатель в среде САПР для типового плота 9х40 пучков, шириной 24 м
Произведем анализ зависимости сопротивления движению R (Н) от скорости буксировки иб (м/с) для типового плота 9х40 пучков с установленным гидродинамическим обтекателем [3].
Анализируя базовый вариант сортиментного плота и плота с установленным головным гидродинамическим обтекателем, мы выявили значительные преимущества второго перед первым. Рассмотрим совмещенный график зависимости сопротивления движению плота R (кН) от скорости буксировки иб (м/с) для плота 9х40 пучков с головным гидродинамическим обтекателем и без него (рис. 2).
Рис. 2. Совмещенный график зависимости
сопротивления движению плота R (кН) от скорости буксировки иб (м/с) для плота 9х40 пучков с головным гидродинамическим обтекателем и без него
Как видно из графика, установка гидродинамического обтекателя в разы уменьшает сопротивление движению: практически в два раза на максимальных скоростях буксировки и в пять раз при минимальной скорости буксировки. Это означает, что за счет установки гидродинамического обтекателя возможно увеличить скорость буксировки, следовательно, увеличить число рейдов в период сплотки.
Одним из преимуществ плота с гидродинамическим обтекателем является плавное увеличение сопротивлений движению при возрастании скорости, что уменьшает вероятность обрыва буксировочных тросов.
Выводы
Уменьшение гидродинамического сопротивления позволит отказаться от привлечения дополнительных технических средств буксировки, для выбора которых и необходим расчет сопротивления движению плота.
Оптимальным решением для уменьшения гидродинамического сопротивления может служить уменьшение ширины плота или же его гидродинамического сопротивления в головной части путем установки гидродинамического обтекателя.
Библиографический список
1. Подойницын К.С., Мануковский А.Ю. Подготовка древесины к сплаву, повышение ее плавучести // Сб. Лес, наука, молодежь. Воронеж, 2008. 12 с.
2. Патякин В.И., Дмитриев Ю.Я., Зайцев А.А. Водный транспорт леса / М.: Лесная пром-сть, 1985. 336 с.
3. Мануковский А. Ю. Теоретические и экспериментальные исследования влияния водной доставки лесоматериалов на экосистемы водоемов // Известия Санкт-
Петербургской лесотехнической академии. 2005. № 172. С. 55-59.
4. Мануковский А.Ю. Состав водорастворимых веществ и их влияние на режим водоемов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2004. С. 260262.
