CC BY
14УДК 659.62
В.А. Лобанов, профессор, доцент, д.т.н., ФГБОУВО «ВГУВТ» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
САЕ-ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЬДОВ В ЛЕДОВЫХ КАНАЛАХ
Ключевые слова: ледокол, движительно-рулевой комплекс, ледовые условия, ледовый канал, САЕ-система, конечноэлементное моделирование.
В статье произведена статистическая обработка натурных данных по распределению льдов в ледовых каналах. С использованием САЕ-технологий исследован процесс прокладки ледовых каналов в сплошных льдах многовинтовыми мелкосидящими ледоколами. Выявлены качественные особенности и проведены количественные оценки степени раздробленности и сплочённости льдов в подготовленных каналах для различных режимов работы судна и его движителей. Проведён сравнительный анализ натурных и экспериментальных данных.
Введение
Натурные и экспериментальные исследования эксплуатации флота во льдах показали, что в наборе наиболее значимых аргументов при прогнозировании основных ледовых качеств судов следует учитывать степень раздробленности и сплочённости ледяного покрова [1-12].
Научно-техническая работа автора связана с оценками ледовых качеств судов внутреннего и смешанного река-море плавания. Ряд серий этих судов имеет ледовые классы по нормативам Российских Регистров (морского и речного). Подавляющее большинство флота данной группы по установленным ледовым категориям не превышает неарктический уровень «1се-1» («Лёд-40»). При этом таким судам разрешено плавание лишь в мелкобитых и тёртых льдах толщиной не более полуметра. Однако натурные наблюдения и моделирование работы указанных категорий судов демонстрируют их ощутимую ограниченность по ходкости и управляемости даже в разрешённой водоледяной среде. Так, уже в сплочённых мелкобитых льдах предельной толщины (по установленному ледовому классу) существует высокая вероятность потери способности самостоятельного движения [3, 4, 6]. Относительная эффективность и безопасность ледовой эксплуатации судов категории «1се-1» обеспечивается лишь в условиях тёртых льдов и ледяной каши.
Ускоренному созданию приемлемых ледовых условий для работы флота с низкими (неарктическими) ледовыми категориями способствует применение ледокольных средств с многовальными движительными комплексами. При этом в качестве характерного примера такого средства для внутренних водных путей и прибрежных морских акваторий следует отметить мелкосидящий ледокол проекта 1191 типа «Капитан Евдокимов». Серия этих ледоколов, построенная в 80-е годы прошлого века, активно эксплуатируется и в настоящее время.
Высокая (для речного судна) мощность энергетической установки этого дизель -электрохода равномерно распределена между четырьмя винтами, вращение которых внутрипарно противоположно (по два движителя с каждой стороны от диаметральной плоскости в корме). Однако этот априорно установленный режим обеспечивает лишь симметрию гидродинамических нагрузок в условиях чистой воды. Автором не обнаружено каких-либо натурных, экспериментальных подтверждений или методических рекомендаций для обоснования выбора данного режима работы винтов в ледовых условиях. При этом логично предположить, что в наборе возможных сочетаний вра-
щения винтов ледокола существует вероятность оптимального режима по критерию качества получаемого ледового канала.
Кроме того, натурные наблюдения за ледовой эксплуатацией этого проекта показали, что активно измельчает сплошной ледяной покров во время прокладки канала сам корпус судна, возможно определяя степень раздробленности результирующей среды. А модельные испытания в ледовых опытовых бассейнах корпуса ледокола по характеру его обтекания льдами позволяют предположить слабый уровень взаимодействия винтов со льдом [11]. Поэтому также имеет право на существование гипотеза о возможной избыточности движителей, не дающей явного эффекта дополнительного фрагментирования льда.
Авторский опыт показывает, что при отсутствии надёжных эмпирических данных или аналитических решений проверка данных гипотез и поиск упомянутого режима могут быть реализованы с использованием САЕ-технологий [13]. Ниже это продемонстрировано итогами очередной серии САЕ-моделирования процесса прокладки ледового канала в сплошных льдах многовинтовым мелкосидящим ледоколом.
Модель
Теоретические основы САЕ-моделирования проблем речной и морской ледотех-ники (типы и формулировки конечных элементов, модели материалов, алгоритмы контактного взаимодействия, конечноэлементное разбиение, приёмы снижения ре-сурсозатратности задач) разработаны автором в монографии [5].
Приведённый ниже анализ выполнен по результатам САЕ-симуляции нескольких вариантов движения ледокола с допустимыми сочетаниями вращения движителей в различных динамических и ледовых условиях. В расчётах варьировалась толщина льда (0,4-0,75 м), начальная скорость ледокола (0,5-4,0 м/с), законы управления судном («с одерживанием», «без одерживания»). Относительная длина и ширина поля сплошного льда во всех вариантах незначительно колебалась в пределах 3,5 длины и 6,0 ширины судна соответственно.
Пример общей исходной модели показан на рис. 1. Укрупнённо состав движи-тельно-рулевого комплекса (ДРК), форма его элементов и их расположение приведены на рис. 2. Основные расчётные параметры даны в табл. 1.
Рис. 1. Пример исходной модели прокладки канала (1 - ДРК ледокола; 2 - корпус судна; 3 - поле сплошного льда)
.х.
Рис. 2. Модель ДРК ледокола (1 - руль; 2 - баллер руля; 3 - гребной винт: 4 - валопровод)
Таблица 1
Расчётные характеристики модели
Параметр Единица измерения Величина
Ледокол:
Длина м 73,0
Ширина м 16,0
Осадка м 2,5
Коэффициент общей полноты 0,75
Угол наклона форштевня к горизонту градус 17,0
Угол наклона борта цилиндрической вставки к горизонту градус 12,0
Длина цилиндрической вставки % 41,0
Руль:
Тип - подвесной, полубалансирный
Длина м 2,5
Высота м 2,2
Максимальная толщина м 0,7
Гребной винт:
Диаметр м 2,0
Шаг м 1,5
Число лопастей 4
Дисковое отношение 0,7
Номинальный момент на валу кн-м 35,0
Номинальная частота вращения об/мин 260,0
Упор «на швартовах» кН 102,0
Действие судового ДРК, гидродинамические нагрузки на корпусе судна и ледяном покрове были описаны узловыми силами в соответствии с рекомендациями работ [3-6]. При этом в целях сглаживания флуктуаций частоты вращения винтов из-за неравномерности внешних нагрузок на них моделировался следующий закон регулирования: наибольшая частота вращения движителя не должна превышать 30 % от номинального значения (табл. 1); падение оборотов винта ниже номинального уровня
должно компенсироваться увеличением крутящего момента на валу, но не более, чем на 10 % от номинала (табл. 1).
Натурные данные
Обзор научной литературы по исследованиям характера распределения битых льдов в судоходных ледовых каналах показал, что для условий внутренних водных путей изучение данного предмета не отличается ни регулярностью, ни всесторонностью. Наиболее полное обобщение эпизодических данных (периода активизации «продления навигации») и попытка их статистической оценки приведены в работе [10]. Так, для «нахоженных» ледовых каналов (количество проходов судов не менее трёх, рис. 3а, 3б) в ней приведена экспоненциальная кривая плотности вероятности для протяжённости (степени раздробленности) мелкобитых и тёртых льдов толщиной 0,3-0,6 м (кривая 3, рис. 3в).
б
Рис. 3. Качественное и количественное описание «нахоженного» ледового канала (а, б - состояние канала по данным фотоматериалов натурных ледовых испытаний судов; в - вероятностные кривые распределения льдов)
Однако анализ обнаружил математическую некорректность этой кривой, так как её интегральная функция (функция распределения) превышает единичный уровень даже в границах анализируемого диапазона протяжённости льдин (до 20 м) (кривая 5, рис. 3в). Поэтому при утверждении автора, что 80% льдин не превосходят в плане четырёхметровый размер, его данные математически верно должны быть описаны кривой распределения 4 (рис. 3в). При этом наиболее достоверно этому распределению отвечает гистограмма 2 (рис. 3в), которой соответствует непрерывная кривая плотности вероятности 1 (рис. 3в).
В отношении исследуемого ледокола проекта 1191 автором не обнаружено каких-либо публикаций с количественным описанием ледового канала, проложенного им в сплошном льду. На данном этапе можно судить лишь качественно о состоянии ледяной среды, образующейся за этим судном при прохождении сплошного ледяного покрова. В качестве примера это состояние демонстрируют фотоматериалы, приведённые на рис. 4.
в
а
Рис. 4. Качественное состояние ледового канала за ледоколом проекта 1191 (а, б - толщина льда 0,4-0,6 м; в, г - толщина льда около 1,5 м)
По анализу данных рис. 4 можно утверждать, что во всём «рабочем» диапазоне толщин ледяного покрова за движущимся ледоколом образуется сильносплочённая (9-10 баллов) среда из мелкобитых, тёртых льдов и ледяной каши. С ростом толщины
льда (рис. 4в, 4г) увеличивается насыщенность канала укрупнёнными ледяными образованиями, однако, их средняя протяжённость редко превосходит 10 м.
Качественное рассмотрение натурных данных (рис. 3а, 3б, 4) с высокой достоверностью позволяет сделать допущение об аналогичности «первичного» канала за ледоколом проекта 1191 и «нахоженного» среднестатистического ледового канала, количественно описанного в работе [10]. При этом функции распределения льдов в «нахоженном» канале (рис. 3в, кривая 4) и в «первичном» канале за исследуемым ледоколом допустимо в первом приближении отождествить.
САЕ-эксперименты
Характерные примеры САЕ-симуляции прокладки ледового канала ледоколами данного типа при различных режимах их работы (в том числе и режимах вращения движителей) показаны на рис. 5, основные характеристики льда и режимов работы судов объяснены в табл. 2.
д
Рис. 5. Качественное состояние «модельных» ледовых каналов для различных режимов работы ледоколов проекта 1191
Таблица 2
Основные характеристики льда и режимов работы ледоколов (к рис. 5)
№ рис. Толщина льда, м Количество ледоколов Режим управления ледоколами Режим вращения винтов Режим работы ледоколов
а 0,5 1 с одержива-нием натурный встречная околка судна
б 0,5 1 без одержива-ния противоположный натурному попутная околка судна
в 0,5 2 с одержива-нием натурный уступом на прокладке канала
г 0,75 2 с одержива-нием натурный противоположный натурному борт к борту на прокладке канала
д 0,5 1 с одержива-нием левобортные - по часовой стрелке, правобортные - против прокладка канала
Примечания:
1. При натурном режиме вращения левобортный наружный винт вращается по часовой стрелке, левобортный внутренний - против часовой стрелки.
2. Соответствующие винты противоположных бортов имеют вращение, зеркально отражённое относительно диаметральной плоскости судна.
Качественный обзор результатов САЕ-моделирования подтверждает хорошую сопоставимость натурных (рис. 4) и «модельных» ледовых каналов (рис. 5), прогнози-
руя в последних сплочённую среду мелкобитых и тёртых льдов. Количественные САЕ-оценки влияния режимов работы движителей на характеристики этой среды не выявили корреляции этих параметров. При этом следует отметить, что численные эксперименты продемонстрировали практически непрерывный контакт ДРК ледокола с ледяным покровом, обтекающим судно. Причём это справедливо для всего реального диапазона «ледовых» скоростей хода. Это подтверждается анализом осциллограмм частоты вращения винтов и скоростного характера результирующих ледовых нагрузок на ДРК ледокола (рис. 6 и 7).
Рис. 6. Временной характер частоты вращения движителей ледокола проекта 1191 (А, Э - внешние винты; В, С - внутренние винты)
Velocity, m/s
Рис. 7. Скоростной характер ледовых нагрузок на ДРК ледокола проекта 1191 (А - на движителях; B - на рулях)
Тем не менее, основная доля разрушения и измельчения сплошного льда приходится на корпус ледокола. В качестве примера это можно продемонстрировать данными рис. 8.
Рис. 8. Сравнение ледовых нагрузок на движителях и корпусе ледокола проекта 1191 (кривые А, С - суммарные нагрузки на корпусе; кривые B, D - суммарные нагрузки на винтах)
Анализ зависимостей (рис. 8) показывает, что уровень суммарных ледовых нагрузок на корпусе ледокола почти на порядок превосходит аналогичный параметр у движителей (рис. 8, сравнение кривых C и D). Этим можно объяснить малозначимое влияние режима работы ДРК судна на характер распределения льдов в канале.
Статистический анализ результатов численных экспериментов подтвердил вывод о зависимости характера распределения льдов в канале от их толщины, который был сделан по качественному обзору натурных наблюдений (рис. 4). Так, для тёртых льдов (как наиболее «комфортной» среды для судов категории «Ice-1») это продемонстрировано данными рис. 9.
Рис. 9. Обеспеченность тёртых льдов в канале за ледоколом проекта 1191
Однако кривую, приведённую на рис. 9, вряд ли корректно экстраполировать на более толстые льды. Она требует уточнения по результатам дополнительного, гораздо более ресурсопотребляемого моделирования, что, к сожалению, пока недоступно вычислительной системе автора. Для реального «эксплуатационного» диапазона толщин льда внутренних и прибрежных морских судоходных путей европейской территории России (0,4-0,6 м) корреляция распределения льдов в канале за ледоколом с их толщиной малозначима (рис. 9, разброс экспериментальных значений обеспеченности немногим более 5,0%). Поэтому среднестатистическая функция распределения, полученная в результате обработки данных САЕ-моделирования, с достаточной оправды-ваемостью применима для этих условий. В качестве таковой функции допустимо использовать кривую экспоненциального распределения с параметром, равным 0,5 (рис. 10, кривая 3, гистограмма 1).
12 3 4
Рис. 10. Обеспеченность льдов в канале за ледоколом проекта 1191
Также в подтверждение этой применимости на рис. 10 продублированы обработанные данные статьи [10] о распределении льдов в «нахоженном» канале (кривая 4 и гистограмма 2). Сопоставление модельной и натурной функций распределения (рис. 10, кривые 3 и 4, гистограммы 1 и 2) показывает их удовлетворительную сходимость. Так, например, по обеспеченности тёртых льдов в канале их расхождение находится в пределах 10%.
Выводы
1. В исследованных ледовых условиях уровень суммарных ледовых нагрузок на корпусе ледокола почти на порядок превосходит аналогичный параметр у движителей, чем можно объяснить малозначимое влияние режима работы ДРК судна на характер распределения льдов в канале.
2. Статистический анализ результатов численных экспериментов подтвердил вывод о зависимости характера распределения льдов в канале от их толщины.
3. Численные эксперименты продемонстрировали практически непрерывный контакт ДРК ледокола с ледяным покровом, обтекающим судно, для всего реального диапазона «ледовых» скоростей.
4. Статистическое описание ледовой среды в канале за ледоколом допустимо производить кривой экспоненциального распределения с параметром 0,5.
Список литературы:
[1] Ионов Б.П., Грамузов Е.М. Ледовая ходкость судов. 2 издание, исправленное. - СПб.: Судостроение, 2014. - 504 с., ил.
[2] Каштелян В.И., Позняк И.И., Рывлин А.Я. Сопротивление льда движению судна. - Л.: Судостроение, 1968. - 238 с.
[3] Лобанов В.А. Ледовая ходкость сухогруза смешанного плавания//Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №4 (17) [Электронный ресурс]. - М. 2013. - с. 1-12. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/72tvn413.pdf, свободный - Загл. с экрана.
[4] Лобанов В.А. Ледовая ходкость танкера река-море плавания с нетрадиционными носовыми обводами//Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №1 (14) [Электронный ресурс]. - М. 2013. -Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/55tvn113.pdf, свободный - Загл. с экрана.
[5] Лобанов В.А. Оценки ледовых качеств судов с применением CAE-систем: монография / В.А. Лобанов. - Н. Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2013. - 296 с.
[6] Лобанов В.А. Совместное маневрирование судов во льдах на малых расстояниях // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» 2014. № 6. - с. 1-29. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/104TVN614.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/104TVN614
[7] Разработать требования к транспортным судам для обеспечения их работы в ледовых условиях и при устойчивых отрицательных температурах воздуха. Заключительный отчёт о научно-исследовательской работе по теме №XV-2.2/77-396. Научные рук. - Баев А.С., Малый П.А. -Л.: ЛИВТ, 1980. - 209 с.
[8] Рывлин А.Я., Хейсин Д.Е. Испытания судов во льдах. - Л.: Судостроение, 1980. - 208 с., ил. - ИСБН.
[9] Сазонов К. Е. Управляемость судов во льдах: методы определения ледовых сил, действующих на движущийся по криволинейной траектории корпус, и зависимости показателей поворотливости судов от характеристик корпуса и внешних условий : диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук : Специальность 05.08.01 - теория корабля и строительная механика / Гос. науч. центр РФ. - Санкт-Петербург, 2004. - 285 с.
[10] Сандаков Ю.А. Об определении полного ледового сопротивления речных судов в битых льдах // Тр. ГИИВТА. Судовождение на внутренних водных путях. Горький, 1971. Вып. 116. ч. 2. с. 85-89.
[11] Тронин В.А. Повышение безопасности и эффективности ледового плавания судов на внутренних водных путях: диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук: специальность 05.22.16 - Судовождение / Горький, 1990. - 414 с.
[12] Эксплуатационно-технические испытания транспортных и ледокольных судов в ледовых условиях с разработкой предложений, обеспечивающих их круглогодовую эксплуатацию. Отчёт о научно-исследовательской работе по теме №XV-3.2/794147. Научные рук. - Тронин В.А., Богданов Б.В. - Горький.: ГИИВТ, 1981. - 262 с.
[13] Hallquist J.O. LS-DYNA 950. Theoretical Manual. Livermore Software Technology Corporation. LSTC Report 1018. Rev. 2. USA, 2001. - 498 p.
CAE-STUDIES OF ICES DISTRIBUTION IN ICE CHANNELS
V.A. Lobanov
Key words: icebreaker, propulsion and steering complex, ice conditions, ice channel, CAE-system, finite element modeling.
In the article statistical processing of natural data on distribution of ices in ice channels is made. With the use of CAE-technologies the process of ice channels creation by multiscrew shallow-draft icebreakers in solid ices is studied. The authors revealed the qualitative features and conducted quantitative assessments of ice fragmentation and concentration degree in prepared channels for different modes of vessel operation and its propulsion. Comparative analysis of natural and experimental data is carried out.
Статья поступила в редакцию 20.10.2017 г.
