CC BY
56
УДК 531.001.362
В. Л. Земляк, М. В. Канделя, Н. О. Баурин, А. А. Ламаш, А. П. Пекарь
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАТОРОШЕННОГО ЛЬДА ОТ ДВИЖЕНИЯ ПОДВОДНОГО СУДНА
В работе исследовано влияние продольных и поперечных торосов на деформированное состояние ледяного покрова от движения под ним подводного судна. Определен характер разрушения льда и картина трещинообразования при разрушении тороса изгибно-гравитационными волнами генерируемыми судном.
Ключевые слова: подводное судно, лед, торосы, изгибно-гравитационные волны.
При воздействии ветра и подледных течений в ледяном покрове могут возникать процессы сжатия, приводящие к формированию заторо-шенных участков. При появлении необходимости всплытия подводного судна (ПС) в случае возникновения аварийной ситуации либо при выполнении различных маневров в заторошенном ледяном покрове могут быть использованы гидродинамические нагрузки [1], т. к. традиционный метод всплытия в схожих условиях трудно применим. При этом волноводный режим распространения генерируемых ПС изгибно-гравитационных волн (ИГВ) в ледяном покрове будет соответствовать максимальному значению волнового сопротивления, действующего на погруженное тело в результате генерации поверхностных волн [2]. Также установлено, что различные ледовые условия, в которых может переЗемляк Виталий Леонидович — кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой технических дисциплин (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, г. Биробиджан); e-mail: vellkom@list.ru.
Канделя Михаил Васильевич — кандидат технических наук, Заслуженный машиностроитель РФ (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); e-mail: vellkom@list.ru.
Баурин Никита Олегович — аспирант, техник лаборатории «Ледотехники» (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); е-mail: baurin79@mail.ru.
Ламаш Александр Андреевич — студент (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, г. Биробиджан); е-mail: romka0394@mail.ru.
Пекарь Антон Павлович — студент (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, г. Биробиджан); е-mail: vellkom@list.ru.
Работа выполнена в рамках проекта № 487 задания на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания вузу № 2014/422.
© Земляк В. Л., Канделя М. В., Баурин Н. О., Ламаш А. А., Пекарь А. П., 2014
29
мещаться подводное судно, могут оказывать существенное влияние на параметры генерируемых им изгибно-гравиганионных волн [3; 4].
Ранее авторами в работе [5] исследовалось напряженно-деформированное состояние ледяного покрова, имеющего продольные и поперечные заторошенные участки. В предложенной численной модели использовалась неразрушаемая модель ледяного покрова в вице упругой пластины [6].
Целью работы являлось исследование влияния продольных и поперечных торосов на деформированное состояние ледяного покрова от движения под ним подводного судна, а также определение характера разрушения льда и картины трещинообразования.
Подготовка к проведению экспериментальных исследований
Экспериментальные исследования проводились в опытовом ледовом бассейне лаборатории «Ледотехники» Приамурского государственного универстета имени Шолом-Алейхема размерами LxBxH=10x3xl м [7].
Для проведения опытов была спроектирована и изготовлена необходимая оснастка и сформирован измерительный комплекс для регистрации колебаний модельного льда. Скорость буксировки модели определялась с помощью оптоэлектрических датчиков П-образной формы. Профили взволнованной поверхности льда записывались лазерными датчиками перемещений LAS-Z компании WayCon (Германия), расположенными над траекторией движения модели. Профили ИГВ записывались с помощью программы Test.viewer 2.34. Программа сохраняла полученный массив данных в файл формата Excel. Движение модели ПС осуществлялось с помощью сервопривода СПШ20 компании Сервотех-ника (Россия). Максимальная скорость перемещения модели составила 2,7 м/ с. Масштаб моделирования Аг=1:100 выбирался исходя из размеров ледового бассейна, при этом длина бассейна обеспечивала выход на стационарный режим движения модели ПС. Ширина была достаточной для исключения влияния отраженных от боковых стенок канала волн на основную волновую систему. Модель ПС соответствовала субмарине с полным подводным водоизмещением после пересчета на натуру Dn=12000 т и относительным удлинением корпуса Lm/Bm=8 (Lm=1,1 м — длина судна, Bmn — ширина судна). Носовая часть модели имела полные обводы эллипсовидной формы, кормовая — заостренную вытянутую форму. Для придания ей нулевой плавучести и положительной остойчивости при движении под модельным льдом в корпус модели укладывался твердый балласт. Для создания технически гладкой поверхности корпус модели шпаклевался и окрашивался. Запряжка модели ПС в буксировочную систему производилась посредством карабинов, соединяющих буксировочный трос с узлами крепления, расположенными в оконечностях корпуса (рис. 1) [8].
30
Моделирование изгибно-гравитационных волн в естественном льду выполнялось в соответствии с известной методикой моделирования [9].
Рис. 1. Общий вид модели подводного судна
При использовании естественного льда в качестве модельного тол-шина моделируемого ледяного покрова будет равна
Л л4/3 0-1/3
Л = Л1 К ,
где Ль — масштаб моделирования по толщине льда; Л/ — геометрический масштаб; Ла — масштаб моделирования по напряжениям.
Модель ледяного покрова приготавливалась в ледовом бассейне намораживанием льда заданной толщины естественным холодом при температуре воздуха t = -(4 — 18)0С. Предел прочности модельного льда на изгиб определялся в соответствии с рекомендациями работы [10] (табл.).
Таблица
Наиболее вероятные значения прочности пресноводного льда на изгиб
Температура, 0 С -(0-5) -(5-10) -(10-20)
Ou, МПа 1,0-1,6 1,6-1,9 1,9-2,1
Торосы моделировались условно, путем вмораживания в ледяной покров полос льда заданной ширины. Ширина отдельных заторошенных участков для поперечных торосов составила Ьы=0,2 м, Ъьс2=0,4 м, Ьм=0,6 м, для продольных Ьи=0,2 м. Расстояние между соседними участками варьировалось в диапазоне 1ьс=0,2 —1,4 м для поперечных и /н=0,2 — 0,4 м для продольных. Толщина торосов принималась кьп=0,055 м (рис. 2—3).
31
Рис. 2. Моделирование поперечного заторошенного участка шириной bho3= 0,6 м
Рис. 3. Моделирование двух поперечных заторошенных участков шириной bhd= 0,2 м при Ьс=0,8 м
32
Исследование деформированного состояния сплошного ледяного покрова
На первом этапе была выполнена серия экспериментов по исследованию деформированного состояния сплошного льда при движении под ним ПС с различной скоростью.
Прогибы льда определялись по профилям, записанным датчиками вертикальных перемещений (рис. 5). Основные результаты экспериментов после пересчета на натуру приведены на рис. 6. Из графиков видно, что при скорости порядка 21,5 м/ с (после пересчета на натуру) во льду формировались ИГВ наибольшей интенсивности. Характер разрушения ледяного поля после прохождения нагрузки показан на рис. 7 — 8.
Рис. 5. Профили изгибно-гравитационных волн после пересчета на натуру (сплошной лед Ып=1,8 м)
со, л-г
з
о _____
12 16 20 24 28 у, м/с
Рис. 6. Зависимость прогибов сплошного льда Ьп=1,8 м от скорости перемещения подводного судна после пересчета на натуру
33
Рис. 7. Поле сплошного льда Ыш=3 мм после прохождения модели со скоростью Ош= 1,7 м/с
Рис. 8. Поле сплошного льда Ыш=3 мм после прохождения модели со скоростью Ош = 2,3 м/с
34
Исследование деформированного состояния заторошенного ледяного покрова
Далее исследовалось влияние торосов на деформированное состояние заторошенного ледяного покрова и эффективность его разрушения ИГВ. Основные результаты показаны на рис. 9 — 11. Эксперименты показали, что наличие во льду заторошенных участков приводит к значительному снижению ледоразрушающей способности ИГВ. Характер образования трещин также зависел от положения и количества торосов
(рис. 12).
Рис. 9. Зависимость прогибов льда Ы=1,8 м от ширины поперечных заторошенных участков после пересчета на натуру
Рис. 10. Зависимость прогибов льда Ы=1,8 от расстояния между двумя продольными заторошенными участками после пересчета на натуру
35
¿J, м 10
' 20 40 60 80 100 120 Ш, М
Рис. 11. Зависимость прогибов льда Ы=1,8 от расстояния между двумя поперечными заторошенными участками
Рис. 12. Характер разрушения льда Ы=3 мм, имеющего один (а) и два (Ь) поперечных тороса
Стоит отметить, что в случае разрушения тороса ИГВ во льду возникали не только магистральные, но также и продольные трещины, распространяющиеся вдоль направления движения модели (рис. 13).
36
Рис. 13. Образование продольной трещины при разрушении тороса ИГВ
Выводы
В работе получены следующие результаты:
• установлено, что прогибы в заторопленном ледяном покрове могут уменьшаться от 5 до 40 % в зависимости о количества, размера и расположения торосов относительно траектории движения судна;
• эксперимента льно установлен характер разрушения затор огненного ледяного покрова, показано, что во льду при разрушении торосов могут образовываться не только магистральные, но и продольные трещины, распространяющиеся вдоль направления движения судна.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Козин В. М., Онищук А. В. Ледоразрушающая способность изгибно-гравита-ционных волн от движения объектов. Владивосток: Дальнаука. 2005. 191 с.
2. Земляк В. Л., Козин В. М., Самар Е. А. Исследование волнового сопротивления подводного судна при движении под ледяным покровом / / Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Математика, механика, информатика. 2013. Т. 13. № 2. С. 45—50.
3. Козин В. М., Земляк В. Л. Безопасность всплытия подводного судна в сплошных льдах в условиях мелководья / / Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 10. С. 6 — 9.
4. Козин В. М., Земляк В. Л., Верещагин В. Ю. Влияние снежного покрова на параметры изгибно-гравитационных волн в ледяном покрове / / Прикладная механика и техническая физика. 2013. Т. 54. № 3(319). С. 134— 140.
5. Земляк В. Л., Козин В. М., Баурин Н. О. Влияние торосов на напряженно-деформированное состояние льда от движения подводного судна / / Вестник ПГУ им. Шолом-Алейхема. 2013. № 2(13). С. 54—69.
6. Kozin V. M., Zemlak V. L., Chizhiumov S. D. Mathematical Model of Ice Sheet Deformation Caused by Submarine Motion / / Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference ISOPE-2010. Beijing, 2010. Pp. 1171—1176.
37
7. Земляк В. Л., Баурин Н. О., Курбацкий Д. А. Лаборатория «Ледотехники» // Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. 2013. № 1(12). С. 068-077.
8. Zemlyak V. L., Kozin V. M., Baurin N. O., Petrosyan G. V. Influence of Peculiarities of the Form of a Submarine Vessel on the Parameters of Generated Waves in the Ice Motion / / Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference Сер. «Proceedings of the 24rd International Offshore and Polar Engineering Conference, ISOPE 2014» 2014. Pp. 1135-1140.
9. Козин В. М., Земляк В. Л. Физические основы разрушения ледяного покрова резонансным методом. Комсомольск-на-Амуре: ИМиМ ДВО РАН, ПГУ им. Шолом-Алейхема. 2013. 249 с.
10. Петров И. Г. Выбор наиболее вероятных значений механических характеристик льда // Труды ААНИИ. 1976. Т. 331. С. 4-41.
•Jc -Jc -Jc
Zemlyak Vitaliy L., Kandelya Mikhail V., Baurin Nikita O., Lamash Alexander A., Pekar' Anton P.
EXPERIMENTAL STUDY OF HUMMOCK ICE DEFORMATION STATE CAUSED BY SUBMARINE VESSEL MOTION
(Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan)
This paper presents a study of the influence of longitudinal and transverse ridges on the strain state of the ice cover caused by the underneath submarine movement. The character of breaking the ice and the crack formation pattern in the process of ice hummock destruction caused by flexural-gravity waves generated by vessel was defined.
Keywords: submarine; ice; hummocks; flexural-gravity wave.
References
1. Kozin V. M., Onishchuk A. V. Ledorazrushayushchaya sposobnost' izgibno-gravita-tsionnykh voln ot dvizheniya ob"ektov (Ice-Breaking Capacity of Flexural-Gravity Waves Produced by Motion of Objects), Vladivostok, Dal'nauka. 2005. 191 p.
2. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Samar E. A. Study on Wave Resistance of a Submarine Moving Under an Ice Cover [Issledovanie volnovogo soprotivleniya podvodnogo sudna pri dvizhenii pod ledyanym pokrovom], Vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo universiteta. Serija: Matematika, mehanika, informatika, 2013, vol. 13, no.2, pp. 45—50.
3. Kozin V. M., Zemlyak V. L. Safety Emersion of a Submarine in Compact Ice Under the Condition of Shallow Water [Bezopasnost' vsplytiya podvodnogo sudna v sploshnykh l'dakh v usloviyakh melkovod'ya], Bezopasnost' Zhiznedeatel'nosti, 2010, vol. 10, pp. 6 — 9.
4. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Vereshchagin V. Yu. Influence of Snow Cover on the Parameters of Flexural-Gravity Waves in Ice Cover [Vliyanie snezhnogo pokrova na para-metry izgibno-gravitatsionnykh voln v ledyanom pokrove], Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2013, vol. 54, no. 3, pp. 458 —464. DOI: 10.1134/S0021894413030152
5. Zemlyak V. L., Kozin V. M., Baurin N. O. Influence of Hummocks on Stress-Strained State of the Ice From The Movement of the Submarine [Vliyanie torosov na napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie l'da ot dvizheniya podvodnogo sudna], Vestnik Priamurskogo gosudarstvennogo universiteta im. Sholom-Aleykhema, 2013, no. 2(13), pp. 54 — 69.
38
6. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Chizhiumov S. D. Mathematical Model of Ice Sheet Deformation Caused by Submarine Motion, Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference ISOPE-2010, Beijing, 2010, pp. 1171 —1176.
7. Zemlyak V. L., Baurin N. O., Kurbackiy D. A. «Laboratory Ice technology» [Laboratoriya «Ledotekhniki»], Vestnik Priamurskogo gosudarstvennogo universiteta im. Sholom-Aleykhema, 2013, no. 1(12), pp. 068—077.
8. Zemlyak V. L., Kozin V. M., Baurin N. O., Petrosyan G. V. Influence of Peculiarities of the Form of a Submarine Vessel on the Parameters of Generated Waves in the Ice Motion, Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference. «Proceedings of the 24th International Offshore and Polar Engineering Conference, ISOPE 2014», 2014, pp. 1135 — 1140.
9. Kozin V. M., Zemlyak V. L. Fizicheskie osnovy razrusheniya ledyanogo pokrova rezonansnym metodom (Physical Fundamentals of Ice Cover Destruction Resonance Method), Komsomol'sk-na-Amure, Birobidzhan, 2013. 249 p.
10. Petrov I. G. The Choice of the Most Probable Values of Mechanical Characteristics of Ice» [Vybor naibolee veroyatnykh znacheniy mekhanicheskikh kharakteri-stik l'da], Trudy AANII (Works of AANII), 1976, vol. 331, pp. 4—41.
•Jc -Jc -Jc
39
