Экспериментальное исследование гидродинамических сил, действующих на носовую оконечность судна в процессе захвата ее волной Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-146-152 УДК 629.5.015.4

П.Е. Бураковский

Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота ФГБОУ ВО «Калининградский государственный технический университет», Калининград, Россия

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА НОСОВУЮ ОКОНЕЧНОСТЬ СУДНА В ПРОЦЕССЕ ЗАХВАТА ЕЕ ВОЛНОЙ

В работе исследуется поведение судна в штормовых условиях на встречном волнении при погружении носовой оконечности в воду, что приводит к генерированию гидродинамических сил и моментов, величину которых необходимо оценивать. Представлены результаты экспериментального исследования, проведенного в опытовом бассейне с использованием модели носовой оконечности судна. Определены величины гидродинамических нагрузок, действующих на палубу судна в носовой оконечности при ее захвате волной. Уточнены значения гидродинамического коэффициента при обтекании носовой оконечности судна. Показано отрицательное влияние фальшборта на безопасность судна в условиях захвата волной носовой оконечности, т.к. наличие фальшборта приводит к существенному росту гидродинамических нагрузок, действующих на палубу судна.

Ключевые слова: захват волной носовой оконечности, встречное волнение, качка, гидродинамическая сила, опрокидывание, фальшборт.

Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-146-152 UDC 629.5.015.4

P.E. Burakovskiy

Baltic Fishing Fleet State Academy (BFFSA), Kaliningrad State Technical University, Russia

EXPERIMENTAL STUDY OF HYDRODYNAMIC FORCES ACTING ON SHIP BOW DURING WAVE CAPTURE

This paper studies behavior of ship in head waves, when her bow dips under water, which leads to hydrodynamic forces and moments to be assessed. This paper presents model test data obtained in the test tank on the model of ship bow (hydrodynamic loads on forecastle deck during wave capture) as well as updates the coefficient of flow around the bow. The study also shows that bulwark has negative effect upon safety in these conditions because it significantly increases hy-drodynamic loads on the deck.

Keywords: wave capture, bow, head waves, motions, hydrodynamic force, capsize, bulwark. Author declares lack of the possible conflicts of interest.

Качка судна в штормовых условиях часто сопровождается погружением носовой оконечности в воду [1, 2, 3, 4], что приводит к генерированию

гидродинамических сил и моментов, существенно влияющих на динамику процесса [1, 5, 6]. Особенно сложны эти явления при наличии крена судна.

Для цитирования: Бураковский П.Е. Экспериментальное исследование гидродинамических сил, действующих на носовую оконечность судна в процессе захвата ее волной. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 1: 146-152.

For citations: Burakovskiy P.E. Experimental study of hydrodynamic forces acting on ship bow during wave capture. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; Special Edition 1: 146-152 (in Russian).

Вид A

Рис. 1. Схема разворота Вид В судна при выходе носовой оконечности из захвата волной

Тогда помимо давления Рг на нагруженную часть палубы будет действовать некоторая сила Ру, приложенная к палубе и направленная перпендикулярно курсу движения судна, стремясь резко развернуть судно лагом к волне (рис. 1). Этот разворот будет сопровождаться увеличением несимметричности давления на палубу судна, что будет дополнительно увеличивать боковую силу Ру, и при определенных условиях может произойти опрокидывание судна. Следует заметить, что при начавшемся развороте судна помимо силы Ру, действующей на поверхность палубы, возникают гидродинамические силы, вызванные омыванием носовой оконечности в поперечном направлении (рис. 2), которые создают дополнительный кренящий момент, способный опрокинуть судно, потому что при определенных сравнительно небольших гидродинамических усилиях (Р ~ (0,062 + 0,079)Б) поперечная метацентрическая высота становится отрицательной [7] (Р - гидродинамическая нагрузка, действующая на палубу судна в носовой оконечности; Б - весовое водоизмещение судна).

В настоящей работе эти закономерности изучаются экспериментально. Для этого была изготовлена модель в масштабе 1:100. Модель корпуса судна и технология ее изготовления была аналогичной той, которая представлена в [8], с той лишь разницей, что длина модели в данном случае составляла только половину длины корпуса. Для оценки влияния фальшборта на величину генерируемых гидродинамических усилий в процессе испытаний на модель устанавливался фальшборт. Общий вид модели носовой оконечности судна с системой крепления представлен на рис. 3а, б.

Экспериментальные исследования проводились в опытовом бассейне Научно-исследовательского центра судостроения ФГБОУ ВО «КГТУ». Размеры опытового бассейна составляют: длина ¿е = 50 м, ширина В = 7 м, глубина аб = 4 м. Он оснащен буксировочной тележкой, пневматическим волнопро-дуктором и комплексом волногасителя. Максимальная скорость движения тележки составляет 3 м/с.

Для проведения испытаний изготовленная модель закреплялась в специальном приспособлении, установленном на буксировочной тележке бассейна, которое позволяет замерять три силовых компонента (в направлении движения модели (Рг), перпендикулярно направлению движения модели (Ру) и крутящий момент (Мкр) относительно вертикальной оси) при буксировке модели в бассейне (рис. 4, 5). Модель устанавливалась вертикально, палубой в направлении движения буксировочной тележки (рис. 6). При этом экспериментальная установка позволяла устанавливать любой угол а между нормалью к плоскости палубы модели и направлением буксировки, который варьировался в диапазоне от 0 до 105°. Скорость буксировки составляла от 0,5 до 1,8 м/с.

I-I П-П Ш-Ш IV-IV

носовой оконечности из захвата волной с созданием кренящего момента

Рис. 3. Модель носовой оконечности: а) изготовление модели; б) общий вид модели

а)

Рис. 4. Приспособление для определения усилий при буксировке модели носовой оконечности : а) вид сзади; б) вид сбоку

модель

а

с

1 ч )

Рис. 5. Схема замеров гидродинамических усилий на модели

Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 7-9. Так, на рис. 7 представлены величины гидродинамических давлений на палубу судна в носовой оконечности в зависимости от скорости обтекания палубы и угла ее разворота (крена) к набегающему потоку. Следует отметить, что эти давления определялись для различной степени погружения палубы под воду, а именно Ь1 = Ы4 и Ь1 = Ь/3, причем в этой серии испытаний часть моделей была с фальшбортом, а часть без фальшборта. Это позволило ответить на вопрос о влиянии фальшборта на величину гидродинамических давлений и значение гидродинамического коэффициента С^.

На рис. 8 представлены графики изменения поперечных гидродинамических сил, действующих на носовую оконечность, вызывающих разворот судна, также в зависимости от скорости ее обтекания и угла поворота. Так же, как и при изучении гидродинамических давлений, действующих на палубу, исследование поперечных гидродинамических сил осуществлялось на моделях с фальшбортом и без него при тех же значениях погружения носовой оконечности Ь1 = Ы4 и Ь1 = 1/3.

На рис. 9а представлены графики изменения кренящего момента в зависимости от скорости обтекания и угла поворота палубы к набегающему потоку (крена). По оси ординат отложены значения кренящего момента Мкро = Мкр/Мь полученные в ходе испытания модели носовой оконечности и отнесенные к величине момента, кренящего модель судна в полном грузу на 1 градус М1.

На рис. 96 представлено отношение экспериментальных значений гидродинамического коэффициента С^о = Сж, / Сщ, полученных для обтекания палубы носовой оконечности с фальшбортом Сдф и без фальшборта СЛП.

Результаты экспериментальных исследований, представленные на рис. 7, показывают, что значения гидродинамических давлений, действующих на палубу судна в носовой оконечности, находятся на уровне, существенно превышающем тот, при котором происходит обнуление поперечной метацентрической высоты судна, и достигают в отдельных случаях Рг = Рг /Б = 0,8 (при скорости обтекания модели V = 1,8 м/с). Кроме того, из рис. 7б следует, что при выходе из состояния захвата волной судно будет накренено на угол порядка 90°, т.к. при этом значении угла наблюдается минимум гидродинамической силы, и, соответственно, будет иметь место минимальное сопротивление всплытию носовой оконечности. Аналогичная закономерность прослеживается и при отсутствии фальшборта, а также при другой глубине погружения носовой оконечности.

В процессе обтекания носовой оконечности возникает и поперечная гидродинамическая сила, значение которой достигает максимальной величины Ру = Ру/Б = 0,375 при 15-30° для моделей с фальшбортом и Ру = 0,33 также при углах 15-30° для моделей без фальшборта. Во всем диапазоне углов крена до 80° действует поперечная сила Ру, достигающая максимального значения при угле крена а = 30° с последующим уменьшением до нулевых значений.

Из рис. 8б видно, что при а = 0° поперечная гидродинамическая сила Ру равна нулю, но малейший крен на борт даст резкое увеличение поперечной силы Ру, стремящей развернуть судно лагом к волне с одновременным опрокидыванием, как показано выше на примере рис. 7б. При этом величина момента, разворачивающего судно лагом к волне, имеет величину порядка Ру 'Ь/2.

Экспериментальные значения кренящего момента представлены на рис. 9а. Видно, что во всем диапазоне от 0 до 60° этот кренящий момент положителен, достигая своего максимального значения при а = 20^45°.

Уточнено значение гидродинамического коэффициента

CN =

R

P. v2 • F 2

(1)

входящего в уравнение нелинейной качки [6, 9] с учетом влияния на него фальшборта (здесь: Я -сила, действующая на тело при его обтекании пото-

Рис. 6. Буксировка модели носовой оконечности: а) вид сзади; б) вид спереди

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 v, м/с а)

а, градус

б)

Рис. 7. Зависимость составляющей гидродинамической силы, действующей в направлении движения, для носовой оконечности с фальшбортом при 1-1=1/4: а) от скорости буксировки; б) от угла разворота палубы относительно положения, перпендикулярного направлению движения

0,3

Ру/Е с ( = 15°

0 с с=зо; [=45:

Чх=( 0°

1 •а =75° 1

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 V, м/с а)

а, градус

Рис. 8. Зависимость составляющей гидродинамической силы, действующей перпендикулярно направлению движения, для носовой оконечности с фальшбортом при 1-1=1/4: а) от скорости буксировки; б) от угла разворота палубы относительно положения, перпендикулярного направлению движения

30 20 10 О -10 -20 -30

у=1,8 м/с *

у=1,5 м/с

'у=1,0 м/с ч

•у=0,5 м/с

20

40 60

а)

а,градус

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

- смф/ст

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 V, м/с б)

Рис. 9. Результаты испытаний носовой оконечности при 11=1/4: а) зависимость опрокидывающего момента от угла разворота палубы относительно положения, перпендикулярного направлению движения при наличии фальшборта; б) относительное значение коэффициента гидродинамического сопротивления

ком жидкости; Е - площадь наибольшего сечения тела в плоскости, перпендикулярной направлению потока; р - плотность жидкости; V - скорость набегающего на тело потока жидкости).

Экспериментальные значения гидродинамического коэффициента См представленные на рис. 96, показывают, что для модели с фальшбортом его значения в 1,1+1,3 раза выше, чем для модели без фальшборта. Эти результаты позволяют сделать вывод о существенном влиянии фальшборта на гидродинамический коэффициент См а, следовательно, и на величину гидродинамического давления на палубу в носовой оконечности.

Откорректированное значение гидродинамического коэффициента позволило уточнить расчет продольной качки судна по уравнениям, представленным в [9]. Результаты расчета представлены на рис. 10.

Анализ результатов расчета показывает существенное влияние гидродинамического коэффициента на величину нагрузок, действующих на палубу судна при захвате волной носовой оконечности. Для модели судна без фальшборта указанная сила составляет Рм~ 0,14, а при наличии фальшборта доходит до Рм~ 0,16, т.е. увеличение составляет более 10 % по сравнению с вариантом без фальшборта.

В процессе испытаний самоходной модели на волнении ускорения ее носовой оконечности контролировались при помощи датчика ускорений. Результаты замеров и расчета по представленной в [9] методике представлены на рис. 11. Видно, что предложенная методика адекватно описывает поведение модели на развитом встречном волнении в условиях захвата носовой оконечности судна волной, что позволяет рекомендовать данную методику для практического применения.

Снизить вероятность гибели судов возможно как путем разработки эффективных успокоителей продольной качки, позволяющих ограничить глубину «зарывания» носовой оконечности судна в воду [5, 10], так и ограничения гидродинамической силы за счет изменения архитектуры судов в носовой оконечности. При этом необходимо увеличить и момент сопротивления корпуса судна, так как гидродинамическая сила, генерируемая на палубе в носовой оконечности, создает дополнительный динамический момент, зачастую превосходящий динамический момент от ударов волн в развал бортов, регламентируемый Правилами классификации и постройки морских судов [11] в пункте 1.4.5.2.

pn=pn/d 0,20

0,15 0,10 0,05

О

pn=pn/d 0,20 0,15 0,10 0,05

0 5 10 15 20 25 30 35 40 (,с 0 5 10 15 20 25 30 35 40 и с

а) б)

Рис. 10. Гидродинамическая сила, действующая на носовую оконечность при различных значениях гидродинамического коэффициента: а) носовая оконечность без фальшборта; б) носовая оконечность с фальшбортом

Библиографический список

1. Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Нечаев Ю.И., Прохнич В.П. Управление и принятие решений при контроле эксплуатационной прочности судна на основе современной теории катастроф // Морские интеллектуальные технологии. - 2013. - № 1 (19). - С.7-14.

2. Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Нечаев Ю.И., Прохнич В.П. Проблемы контроля динамики судна в экстремальных ситуациях на основе методов современной теории катастроф // Морской вестник. -2013. - № 1 (45). - С.89-95.

3. Бураковский Е.П., Бураковский ПЕ. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра. - 2014. - Вып. 82 (366). -С.21-30.

4. Watanabe I, Ohtsubo H. Analysis of the accident of the MV Nakhodka. Part 1. Estimation of wave loads // Marine Science and technology. - Springer, 1998. - Vol.3, No 4. - P.171-180.

5. Бураковский П.Е. Разработка конструктивных решений, направленных на предотвращение захвата волной носовой оконечности судна // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия «Морская техника и технология». - 2017. - № 2. - С.7-14.

6. Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы повышения безопасности мореплавания в штормовых условиях // Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана: материалы V Международной научно-технической конференции: в 2 ч. - Ч. I. - Владивосток: Дальрыбвтуз, 2018. - C.228-230.

7. Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. К вопросу о сценарии гибели судов во время шторма вслед-

Рис. 11. Результаты расчета и замеров ускорений носовой оконечности модели судна в условиях ее захвата волной

ствие захвата волной их носовой оконечности // Морские интеллектуальные технологии. - 2017. -№ 4 (38), т. 2. - С.27-33.

8. Бураковский Е.П., Бураковский П.Е, Злыгостев Д.В., Сивограков А.А., Чуреев Е.А. Экспериментальные исследования остойчивости судов при продольной качке в условиях заливаемости носовой оконечности [Электронный ресурс] // Балтийский морской форум: материалы VI Международного Балтийского морского форума 36 сентября 2018 года: В 6 томах. Т. 2. «Морская техника и технологии. Безопасность морской индустрии», VI Международная научная конференция. - Калининград: изд-во БГАРФ ФГБОУ ВО «КГТУ», 2018. - С.91-97.

9. Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. К вопросу об определении нагрузки, действующей на палубу судна в носовой оконечности при ее заливании на встречном волнении // Морские интеллектуальные технологии. - 2018. - № 4 (42), т. 3. -С.19-25.

10. Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Нечаев Ю.И., Прохнич В.П. Эксплуатационная прочность судов: учеб. - СПб.: Лань, 2017. - 404 с.

11. Правила классификации и постройки морских судов. Часть II. Корпус / Российский Морской Регистр судоходства. - СПб.: РМРС, 2018.209 с.

Сведения об авторах

Бураковский Павел Евгеньевич, к.т.н., доцент кафедры безопасности мореплавания Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота ФГБОУ ВО «Калининградский государственный технический университет». Адрес: 236022, Калининград, Советский пр., д. 1. Телефон: +7 (906) 235-00-74. E-mail: paul_b@mail.ru.

Поступила / Received: 13.02.19 Принята в печать / Accepted: 09.04.19 © Бураковский П.Е., 2019