CC BY-NC
21
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-3-397-65-74 УДК [551.466.327+629.5.018]:001.891.54
В.И. Маслов
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОЛНЫ-УБИЙЦЫ НА ПЛАВУЧИЙ ОБЪЕКТ В МОРЕХОДНОМ БАССЕЙНЕ
Объект и цель научной работы. Статья посвящена физическому моделированию процесса взаимодействия аномальной волны (волны-убийцы) с плавучим объектом в волновом бассейне Крыловского государственного научного центра (КГНЦ). Аномальная волна чрезвычайно опасна для морских объектов тем, что отличается от ветровых волн необычайно крутым передним склоном и пологой ложбиной, она внезапно возникает и стремительно обрушивается на судно. Исследование особенностей процесса взаимодействия волны-убийцы с плавучим объектом является необходимым для понимания его поведения в экстремальных условиях. В результате эксперимента требовалось получить данные о динамических перемещениях и ускорениях морского объекта под воздействием волны-убийцы при различных курсовых углах и скоростях хода. Полученные данные станут фундаментом для теоретических исследований и численных методов расчета. Материалы и методы. Физическое моделирование процесса взаимодействия аномальной волны с плавучим объектом проводилось в глубоководном волновом бассейне. Аномальная волна генерировалась методом суперпозиции 4 двухмерных регулярных волн одного направления с различной крутизной в частотном диапазоне от 2 до 6 рад/с. Для создания управляющего сигнала при помощи специального программного обеспечения формировался волновой пакет, состоящий из последовательности 4 гармоник заданной частоты, высоты и длительности. Для регистрации параметров сгенерированной волны-убийцы использовались струнные волнографы, установленные с определенным шагом по длине бассейна. Плавучий объект располагался в окне буксировочной тележки с упругой системой удержания. Для измерения процессов качки плавучего объекта и его ускорений в определенных точках при взаимодействии с волной-убийцей использовалась бесконтактная оптическая аппаратура и двухкомпонентные датчики ускорений (акселерометры). Рассматривались случаи взаимодействия плавучего объекта с аномальной волной при различных курсовых углах и скоростях хода. Основные результаты. В результате физического эксперимента получены данные о поведении плавучего объекта при взаимодействии с волной-убийцей на 5 курсовых углах без хода и на ходу. Построены зависимости бортовой, килевой и вертикальной качки плавучего объекта от различных курсовых углов при разных скоростях хода, а также аналогичные зависимости вертикальных и поперечных ускорений в носовой оконечности. Проведен сравнительный анализ результатов с данными, полученными на интенсивном нерегулярном волнении (спектр JONSWAP) при аналогичных условиях эксперимента, а также с данными, собранными зарубежными исследователями.
Заключение. Наибольший крен и максимальные ускорения зарегистрированы при положении лагом к аномальной волне, но грузовое судно имеет достаточный запас динамической остойчивости, чтобы противостоять такому импульсному воздействию. Значения бортовой качки и ускорений на нерегулярном волнении близки к параметрам, измеренным при воздействии аномальной волны. Такое сходство объясняется раскачивающим эффектом периодического воздействия нерегулярного волнения, близостью собственного периода бортовых колебаний судна к среднему периоду волнения и достаточно высокими волнами. По сравнению с зарубежными исследованиями рассмотрен более широкий диапазон курсовых углов и скоростей хода, а также получены данные об ускорениях в носовой оконечности. Ключевые слова: аномальная волна, волна-убийца, плавучий объект, модель судна, физическое моделирование, волновой бассейн, регулярное волнение, нерегулярное волнение. Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-3-397-65-74 UDC [551.466.327+629.5.018]:001.891.54
V. Maslov
Krylov State Research Center, St. Petersburg, Russia
RESEARCH OF FREAK WAVE EFFECT
ON A FLOATING OBJECT IN SEAKEEPING TANK
Для цитирования: Маслов В.И. Исследование воздействия волны-убийцы на плавучий объект в мореходном бассейне. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; 3(397): 65-74.
For citations: Maslov V. Research of freak wave effect on a floating object in seakeeping tank. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; 3(397): 65-74 (in Russian).
Object and purpose of research. This paper describes physical modeling of interaction process of abnormal wave (freak wave) with a marine floating structure in a seakeeping tank of the Krylov State Research Center. Freak wave is extremely dangerous because of the difference from wind waves by an unusually steep front slope and a gentle trough. Freak wave appears suddenly and collapses rapidly. Research of effect process features is necessary for understanding and analysis of the object behavior at extreme sea conditions. As experiment results it was necessary to obtain empirical data of sea object motions and accelerations at interaction with freak wave on different course angles and speeds. The obtained physical experiment results will be the foundation of theoretical studies and numerical calculation methods.
Materials and methods. Physical modeling of the interaction process of freak wave with a marine floating structure was conducted in a deep seakeeping tank. Freak wave was generated by the linear superposition method of four two-dimensional unidirectional regular waves with variable steepness in frequency range of 2 to 6 rad/s. To create a control signal was using special software. Wave packets were formed consisting of a sequence of a four harmonicas with a given frequency, height and duration. For parameters registration of freak wave were used string probes installed with a certain step along the length of the tank. A marine floating structure model was fixed by elastic fastening system in a window of a tow cart. For measure the motions of marine floating structure and its accelerations in define points at encounter with freak wave the contactless optic system and two-component acceleration sensors (accelerometers) were used. Cases of structure interaction with freak wave at different course angles and speeds were considered.
Main results. As result of physical experimental data of floating structure motions in the interaction with freak wave in conditions of regular sea state at five course angles with speed and without speed were obtained. Dependencies of roll, pitch and heave motions at different course angles and various speeds were built. Similar dependencies of vertical and transverse accelerations on a stem also were built. Comparative analysis of results with data, which were obtained on intensive irregular sea state (spectrum JONSWAP) at identical experiment conditions, and also with foreign results was carried out.
Conclusions. The greatest roll and maximum accelerations are registered at alongside position to abnormal wave, but cargo vessel has a sufficient reserve of dynamic stability to withstand such an impulse effect. The values of roll motion and accelerations on irregular sea state are close to the parameters measured at freak wave effect. This similarity is explained by rocking effect of periodic impact of irregular sea state, the proximity of natural period of roll oscillations to average period of waves and sufficiently high waves. In comparison with foreign researches, a wider range of heading angles and speeds is considered, and data about accelerations in a stem are obtained.
Keywords: freak wave, floating structure, vessel model, physical simulation, seakeeping tank, regular waves, irregular waves. The author declares no conflicts of interest.
Введение
Introduction
В мировой практике феномен аномальной волны (волны-убийцы) исследуется в основном применительно к решениям теоретических вопросов океанологии с помощью расчетных методов и достижений численного моделирования [1, 2]. Взаимодействие же волны-убийцы с препятствием и, в частности, с морским объектом изучено в меньшей степени. Известные теоретические исследования воздействия аномальных волн на морские сооружения ограничиваются получением качественных результатов [3, 4]. Однако для количественной оценки и проверки достоверности результатов численного моделирования требуется проведение физического моделирования воздействия аномальной волны на морской объект с изучением особенностей такого процесса.
Аномальная волна (АВ) характеризуется необычайно крутым передним склоном и очень пологой ложбиной [5], отличаясь от обычных ветровых волн высотой от ложбины до вершины, высотой гребня, высотой соседних волн, крутизной
и наличием глубокой ложбины. Первой инструментально зафиксированной волной-убийцей в натурных условиях является т.н. «Новогодняя волна» с высотой от ложбины до вершины, равной 25,6 м [6]. АВ не может быть описана спектральной теорией прогрессивных волн, и до сих пор общепринятое определение феномена АВ отсутствует. Отношение максимальной высоты АВ (от ложбины до вершины) Нтах к значительной высоте волнения Н должно превышать значение 2,4, т.е. высота волны-убийцы превышает 8 стандартов [7]. По форме, образующейся перед обрушением, АВ подобна ветровым волнам предельной крутизны [8]. Согласно натурным наблюдениям и теориям известно, что возникновению АВ способствуют такие факторы, как течение, рельеф дна, ветер и неустойчивость волнового поля, пространственно-дисперсионная фокусировка и модуляция волн. АВ возникает внезапно, и в теории вероятности рассматривается как редкий случайный импульс в последовательности обычных ветровых волн [9].
Обрушивающаяся АВ чрезвычайно опасна для морского объекта и может привести к фатальным последствиям [10, 11]. Исследование особенностей
процесса взаимодействия волны-убийцы с плавучим объектом является необходимым для понимания поведения объекта с целью разработки в дальнейшем инженерных решений по обеспечению безопасности как самого объекта, так и экипажа в сложных морских условиях.
Данные, полученные в результате физического эксперимента, представляют собой фундамент для теоретических исследований и численных методов расчета.
За рубежом, в волновых бассейнах Берлинского технического университета [12-14], Норвежского технологического института Marintek [15] и в голландском бассейне MARIN [16] осваивается физическое моделирование волн-убийц и изучается их воздействие на различные морские объекты. Но проблема физического моделирования волн-убийц и их воздействия на плавучие объекты в отечественных волновых бассейнах, имеющих отношение к судостроению и инженерным сооружениям океанотехники, до сих пор является не полностью решенной.
Результаты физического эксперимента по моделированию взаимодействия АВ с плавучим морским объектом в волновом бассейне КГНЦ помогут восполнить пробел в этой области научного знания.
Оборудование и метод
Equipment and method
Физический эксперимент по моделированию воздействия АВ на морской плавучий объект проводился в волновом бассейне КГНЦ. Бассейн имеет длину (L) 90 м, ширину (B) 20 м и глубину (d) 4 м. Для генерирования волнения бассейн снабжен электромеханическим волнопродуктором щитового типа. Волнообразующим телом волнопродуктора являются щиты, совершающие угловые перемещения вдоль бассейна относительно оси, совпадающей с нижней кромкой щитов. Для испытания мо-
делей плавучих объектов с различной скоростью хода используется буксировочная тележка, под которой посредством специальной системы удержания раскрепляется модель.
АВ генерировалась методом суперпозиции (наложения) 4 двухмерных однонаправленных регулярных волн разной частоты, но одинаковой высоты в частотном диапазоне от 2 до 6 рад/с. Согласно методу суперпозиции частота каждой последующей волны должна быть меньше предыдущей в такой степени, чтобы в определенной точке происходило их наложение, т.к. в соответствии с дисперсионными свойствами волн их скорость обратно пропорциональна частоте и более длинные волны догоняют короткие. С целью генерирования волны-убийцы для волнопродуктора при помощи специального программного обеспечения создавался управляющий сигнал, представляющий собой сформированный волновой пакет, состоящий из последовательности 4 гармоник заданной частоты, высоты и длительности. Теоретическая точка фокусировки находилась на расстоянии 45 м от торцевого волнопродуктора.
Для регистрации параметров волны-убийцы использовались 3 волнографа электролитического типа, установленные с определенным шагом по длине бассейна (рис. 1). Диапазон калибровки каждого волнографа составил ±250 мм, а погрешность измерения - ±2,4 мм.
В заданной точке по длине бассейна и в определенный момент времени произошло сложение регулярных волн разной частоты согласно эффекту дисперсии на глубокой воде, что привело к стремительному возникновению АВ. На рис. 2 изображен процесс конвергенции (схождения) регулярных волн перед образованием АВ и дивергенции (расхождения) регулярных волн после обрушения волны-убийцы. Процесс образования и обрушения АВ в эксперименте длился около 3 с. При каждом повторении управляющего сигнала АВ возникала
Вид сверху
Рис. 1. Расположение волнографов в волновом бассейне
Fig. 1. Arrangement of wave recorders in Seakeeping tank
Центральная ось Волнограф! Волнограф 2 Волнограф 3
Волна
F 1 1,2 м Г 1 1,2 м
Башмак 62
Башмак 64 Башмак 66
Рис. 2. Реализация процесса генерации аномальной волны в масштабе натуры Fig. 2. Implementation of a freak wave generation process in natural scale
вблизи теоретической точки фокусировки на 90 с (661 с в масштабе натуры) после начала работы волнопродуктора, а непосредственно процесс суперпозиции заданных гармоник регистрировался с 52 с (382 с в масштабе натуры). Период АВ составил 1,5 с (11 с в масштабе натуры), а высота АВ варьировалась в пределах 10 % и, в среднем, за 6 повторов опыта составила 382 мм (21 м в масштабе натуры), что соответствует крутизне 1/10. Ложбины перед и после АВ были экстремально глубокими, а обрушение гребня при достижении максимальной высоты сопровождалось быстрым пенообразованием.
Нелинейные эффекты, возникающие при взаимодействии складываемых регулярных волн в процессе суперпозиции, проявлялись в смещении точки фокусировки во времени и пространстве относительно ее теоретического положения, в различии АВ по высоте и обрушении гребня, а также в появлении его вертикальной асимметрии.
В качестве плавучего объекта использовалась модель грузового судна длиной 2,0 м, шириной 0,3 м и высотой борта 0,2 м. Период собственных бортовых колебаний модели близок к периоду АВ и составил 1,6 с (12 с в масштабе натуры). Длина модели судна была меньше длины генерируемой АВ почти в 1,5 раза.
Модель грузового судна фиксировалась в точке образования АВ посредством упругой системы удержания (рис. 3), в которой при отсутствии скорости хода модели носовая и кормовая связи через упругую вставку крепились к опорной конструкции тележки. Жесткость и предварительное натяжение упругих элементов системы удержания опре-
Опорная конструкция
делялись требованием достаточной удаленности собственных периодов продольно-горизонтальных и поперечно-горизонтальных колебаний модели как от собственного периода бортовых колебаний, так и от среднего периода набегающего волнения (более чем в 4 раза).
Для измерения процессов качки плавучего объекта по 6 степеням свободы и его ускорений в носовой оконечности использовались бесконтактная оптическая измерительная система и двухкомпо-нентный датчик ускорений (акселерометр). Датчик ускорений располагался в носовой оконечности на 3 шпангоуте, по высоте от основной плоскости на уровне твиндека, а от диаметральной плоскости на расстоянии 4,5 м с правого борта. Ускорения измерялись в системе координат, связанной с моделью, а остальные параметры измерялись в полусвязанной системе координат, перемещающейся вместе с буксировочной тележкой при наличии скорости хода. Амплитуды бортовой качки приняты положительными на правый борт, а положительные амплитуды килевой качки соответствуют дифференту на корму. Встречному волнению соответствует курсовой угол 180°, лаговому волнению -90°, а попутному - 0°.
Калибровка оптической системы по амплитудам бортовой (0) и килевой (у) качки производилась в диапазоне ±50°, а погрешность измерения составила ±0,13°. Диапазон измерений вертикальной качки составил ±0,5 м, а погрешность измерения - ±0,5 мм. Диапазон калибровки датчика вертикальных (а2) и поперечных (ау) ускорений составил ±1,0 g, а погрешность измерения находилась в пределах ±0,03 ^
о
Упругая вставка в корме Модель объекта /_
Упругая вставка в носу
О
ДП
"Г
Кормовая связь
Носовая связь
Рис. 3. Система удержания модели грузового судна
Fig. 3. Fastening system of a cargo vessel
Рис. 4. Реализация процесса генерации спектра JONSWAP в масштабе натуры (Нз% = 11 м; Hs = 8,5 м; Tp = 16,9 с; Tz = 12,7 с; y = 1,1)
Fig. 4. Implementation of JONSWAP spectrum generation process in natural scale (H3% = 11 m; Hs = 8.5 m; TP = 16.9 s; Tz = 12.7 s; y = 1.1)
Для оценки заливаемости палубы в носовой и кормовой оконечностях устанавливались датчики относительных вертикальных перемещений электролитического типа: 2 датчика в носу - на правом борту (q1) и левом борту (q2), а также 1 датчик на транце (q3). Диапазон калибровки датчиков относительных вертикальных перемещений составил ±150 мм.
Результаты, полученные при взаимодействии объекта с АВ, сравнивались с данными, полученными на интенсивном нерегулярном волнении силой 8 баллов, описываемом спектром JONSWAP длительностью 300 с (37 мин в масштабе натуры) (рис. 4), а также с результатами зарубежных исследований.
В результате генерирования спектра JONSWAP наибольшая высота волны составила 14 м.
Результаты эксперимента
Experiment results
В представленном физическом эксперименте рассматривались случаи взаимодействия грузового судна с АВ при 5 курсовых углах к волне (КУВ) и нескольких скоростях хода (Vs). Курсовой угол (ц), т.е. положение диаметральной плоскости судна по отношению к волне, варьировался от 0° (попутное) до 180° (встречное) с шагом 45°. Скорость хода выбиралась в диапазоне от 0 до 14 уз (0-1 м/с в масштабе модели) в зависимости от заданного курсового угла к волне. При встречном курсовом угле (180°) судно сталкивалось с АВ на скоростях 4,0 и 5,5 уз, а при попутном угле (0°) скорость составляла 10,2 и 14,2 уз.
Как показали исследования, при столкновении с АВ на всех 5 курсовых углах грузовое судно подвержено значительным динамическим перемещениям. При косых курсовых углах и положении лагом возникает стремительный боковой дрейф, а корпус и экипаж испытывают значительные ускорения.
На рис. 5 изображена зависимость наибольших значений бортовой (9), килевой (у) и верти-
кальной (Zg) качки судна от изменения курсового угла (Vs = 0 уз) при генерировании АВ и спектра JONSWAP.
При воздействии АВ на грузовое судно бортовая качка достигла 25° (КУВ = 90°), килевая - 12° (КУВ = 0°), а вертикальная - 12 м (КУВ = 90°). В свою очередь, на нерегулярном волнении бортовая качка составила 23° (КУВ = 90°), килевая - 8° (КУВ = 135°), а вертикальная - 8 м (КУВ = 45°).
В качестве примера на рис. 6 изображены реализации бортовой качки модели судна в масштабе натуры, полученные в результате процесса генерации АВ и спектра JONSWAP. Взаимодействие модели с АВ произошло при лаговом курсовом угле через 90 с (661 с в масштабе натуры) после начала работы волнопродуктора. Наибольшая бортовая качка модели судна на спектре JONSWAP наблюдалась на 147 с (1080 с в масштабе натуры) и составила 23°.
0, у, м
Рис. 5. Сравнительный график зависимости максимальных значений бортовой, килевой и вертикальной качки от курсового угла на аномальной волне и спектре JONSWAP (^s = 0 уз)
Fig. 5. Comparative graph of maximum values of roll, pitch and vertical motions versus ^urse angle on freak wave and spectrum JONSWAP (speed is 0 knots)
Время с
Рис. 6. Реализация бортовой качки при генерировании аномальной волны (вверху) и спектра JONSWAP (внизу) (Vs = 0 уз, курсовой угол к волне = 90°)
Fig. 6. Time-record of roll motion at generation of freak wave (above) and spectrum JONSWAP (below) (speed is 0 knots, course angle is 90°)
На рис. 7 изображена зависимость наибольших значений вертикальных (az) и поперечных (ay) ускорений в носовой оконечности модели судна, полученных при генерировании АВ и спектра JONSWAP, от изменения курсового угла при отсутствии скорости хода (Vs = 0 уз).
Изменение вертикальных ускорений объекта в зависимости от курсового угла при воздействии АВ более выражено, чем при спектре JONSWAP, и наибольшее значение достигает 0,6g при положении лагом к волне. Поперечное ускорение достигает 0,7g при том же курсовом угле. На нерегулярном волнении вертикальные ускорения от варьирования курсового угла изменяются незначительно и со-
ставляют около 0,3g, а поперечные ускорения при положении лагом к волне достигают 0,55^
Анализ результатов измерений с помощью датчиков относительных вертикальных перемещений показал, что при столкновении с АВ наибольшее заливание носовой оконечности модели судна наблюдалось на встречном курсовом угле, а заливание кормы - на попутном и косом курсовых углах (рис. 8).
При положении вразрез к АВ на скорости от 0 до 4 уз килевая качка растет и достигает значения 11°, но при достижении скорости 5,5 уз значение немного понижается, т.к. судно уже не «отслеживает» волну, а «прорезает» ее (рис. 9). На попутном волнении,
д2/Ню д3/Нк
—o— ?i/#H(AB) L —à— q2/HH(AB) \ —□— <73/#K(AB) \ ♦ qi/Hn (спектр) V \ —^— qilHn (спектр) у-\ \ —-tx— <7з/#к (спектр) /
<ъ-J L \ l^r \ ^^
V--A
0 45 90 135 КУВ,0
Рис. 7. Сравнительный график зависимости максимальных значений вертикальных и поперечных ускорений от курсового угла на аномальной волне и спектре JONSWAP (Vs = 0 уз)
Fig. 7. Comparative graph of maximum values of vertical and transverse accelerations versus course angle on freak wave and spectrum JONSWAP (speed is 0 knots)
Рис. 8. Сравнительный график зависимости максимальных значений относительных вертикальных перемещений, отнесенных к высоте надводного борта в носу и корме, от курсового угла при воздействии аномальной волны и на спектре JONSWAP (Vs = 0 уз)
Fig. 8. Comparative graph of maximum values of relative vertical motions versus course angle at freak wave effect and on spectrum JONSWAP (speed is 0 knots)
наоборот, вначале килевая качка понижается, но затем при достижении скорости 14,2 уз растет из-за приближения частоты колебаний судна к частоте АВ и достигает 9°. На спектре JONSWAP подобные эффекты при увеличении скорости отсутствуют из-за значительно меньшей крутизны волнения: на встречном курсовом угле килевая качка растет, а при попутном угле плавно уменьшается.
Наибольшее оголение носовой и кормовой оконечностей наблюдалось на встречном курсовом угле при наличии скорости хода.
Следует отметить, что при косом и лаговом волнении АВ вызывает стремительный дрейф судна, приводящий к возникновению возрастающего кренящего момента и появлению значительного крена. Согласно диаграмме статической и динамической остойчивости данного грузового судна угол крена, при котором кренящий момент уравновешивается восстанавливающим моментом, составляет 55°, а при дальнейшем его увеличении опрокидывание судна становится неизбежным. В проведенном эксперименте наибольший угол бортовой качки, зафиксированный в положении лагом при воздействии АВ, составил 25°. Из вышесказанного следует, что рассматриваемое грузовое судно обладает достаточным запасом динамической остойчивости при столкновении с АВ.
Сравнение наибольших значений качки и ускорений модели судна, полученных при воздействии АВ и на спектре JONSWAP, представлено в табл. 1.
Примечательно, что на нерегулярном волнении силой 8 баллов, являющемся, по сути, нестационарным периодическим процессом, наибольшие значения бортовой качки и ускорений судна близки к полученным при импульсном воздействии АВ. Данный факт объясняется тем, что, несмотря на значительно меньшую крутизну волны в спектре JONSWAP, некоторые волны по высоте достаточно велики и, кроме того, средний период волнения близок к собственному периоду бортовой качки судна, а такое периодическое воздействие способ-
Таблица 1. Сравнение измеренных параметров Table 1. Comparison of measured parameters
Рис. 9. Сравнительный график зависимости максимальных значений килевой качки от скорости хода при воздействии аномальной волны и на спектре JONSWAP (курсовой угол к волне равен 0° и 180°)
Fig. 9. Comparative graph of maximum values of pitch motion versus speed at freak wave effect and on spectrum JONSWAP (course angle is 0° and 180°)
ствует его раскачиванию и возникновению резонансного режима, при котором в определенный момент времени резко увеличивается амплитуда бортовых колебаний судна. В связи с тем, что импульсное воздействие высокой и крутой АВ не периодическое, а одиночное и чрезвычайно быстрое, фактическая близость периода АВ к собственному периоду бортовой качки судна с точки зрения возможности появления резонанса не является значительным фактором, влияющим на опасное поведение судна.
Из публикаций зарубежных исследований (табл. 2) видно, что в бассейнах Технического университета Берлина испытывались более крупные морские объекты и производилось варьирование высоты АВ в диапазоне ±5 м от высоты «Новогодней волны» для более детального изучения характера изменения динамических перемещений объекта под воздействием АВ. Особое внимание при этом уделялось измерениям прочностных парамет-
Параметр
Волнение Бортовая качка Вертикальное ускорение Поперечное ускорение
Курсовой угол к волне = 90°, V5 = 0 уз Аномальная волна 25° 00,7%
Спектр ЮШШАР 23° 0,3% 0,5%
Таблица 2. Сравнение значений качки разных морских объектов при воздействии аномальной волны Table 2. Comparison of motion values of different sea objects at freak wave effect
Килевая Вертикальная
I 1(т(ШРТПТ.Г I '. Г Tí ' ÍVI ' I
Волновой Размеры
Параметры Высота качка качка
_ „ _ Тип объекта натурного аномальной -
бассейн бассейна объекта волны (Яшах) кур™ угол к волне = 18°°
V = 0 уз
Технический университет Берлина
КГНЦ
L = 80 м B = 4 м d = 1,5 м
Судно-нефтехранилище [17]
L = 90 м B = 20 м D = 4 м
Грузовое судно
L = 281 м B = 46 м Т = 17 м V = 174 000 т
L = 119 м B = 16 м T = 5 м V = 8 000 т
21 м
+4,9° / -5,1° +3,9 м / -3,9 м
+9,1° / -10,1° +5,4 м / -7,1 м
ров корпуса объекта при варьировании его положения относительно места возникновения АВ по длине бассейна. К сожалению, в печатных работах отсутствует информация по возникающим ускорениям в характерных точках корпуса, и, в основном, рассматривается встречное волнение без скорости хода объекта.
В эксперименте КГНЦ плавучий объект имел существенно меньшие размеры по сравнению с зарубежными исследованиями, и изучалось воздействие АВ только с постоянной высотой 21 м, но рассматривался более широкий диапазон курсовых углов (встречный, косой, лаговый и попутный), а также влияние скорости хода при встречном и попутном волнении. Полученные данные о динамических перемещениях корпуса и ускорениях в носовой оконечности являются важными и дополняющими ранее полученные результаты, физически достоверными и сопоставимыми с зарубежными результатами.
Заключение
Conclusions
В результате выполненных модельных исследований получены данные о динамических перемещениях и ускорениях плавучего морского объекта под воздействием АВ высотой 21 м при различных курсовых углах и скоростях хода. Наибольший крен и максимальные ускорения зарегистрированы при положении лагом к АВ, но грузовое судно имеет достаточный запас динамической остойчивости, чтобы противостоять такому одиночному импульсному воздействию. Значения бортовой качки и ускорений на нерегулярном волнении силой
8 баллов (спектр JONSWAP: Я3% = 11 м) близки к параметрам, измеренным при воздействии АВ. Такое сходство объясняется раскачивающим эффектом периодического воздействия нерегулярного волнения, близостью собственного периода бортовых колебаний судна к среднему периоду волнения и достаточно высокими волнами. По сравнению с зарубежными исследованиями рассмотрен более широкий диапазон курсовых углов и скоростей хода, а также получены данные об ускорениях в носовой оконечности. В дальнейшем требуется изучить взаимодействие волны-убийцы с морскими объектами различной конструкции и назначения в широком диапазоне масштабов с проведением прочностных измерений волновых и ударных нагрузок, определением сил и моментов в корпусе.
Благодарности
Acknowledgments
Выражаю благодарность за помощь в проведении эксперимента коллективу лаборатории мореходности КГНЦ.
Список использованной литературы
1. Wang L., Li J., Li S. Numerical simulation of freak wave generation in irregular wave train // Journal of Applied Mathematics and Physics. 2015. Vol. 3, № 8. P. 10441050. DOI: 10.4236/jamp.2015.38129.
2. Numerical and physical modeling of extreme waves at Wave Hub / E. Ransley, M. Hann, D. Greaves [et al.] // Journal of Coastal Research. 2013. Vol. 65, № sp2. P. 1645-1650. DOI: 10.2112/SI65-278.1.
3. Дорожко В.М. Динамическое воздействие волны-убийцы на контур морского судна // Мехатроника,
автоматизация, управление. 2015. Т. 16, № 3. С. 209216. DOI: 10.17587/mau.16.209-216.
4. Extreme Wave impact on offshore platforms and coastal constructions / Veldman A.E.P., Luppes R., Bunnik T. [et. al.] // Proc. of the 30th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. 2011. Vol. 7: CFD and VIV. Offshore Geotechnics. P. 365-376. DOI: 10.1115/OMAE2011-49488.
5. Маслов В.И. Исследование генерирования волны-убийцы в мореходном бассейне // Труды Крыловского государственного научного центра. 2019. Спец. вып. 2. C. 91-98. DOI: 10.24937/2542-2324-2019-2-S-
1-91-98.
6. Hennig J., Walree van F. Modelling of extreme waves related to stability research // The 14th International Ship Stability Workshop (ISSW) / Marine Technology Centre. Johor Bahru, 2014. P. 210-215.
7. Лопатухин Л.И. Ветровое волнение: учеб. пособие.
2-е изд., доп. Санкт-Петербург: СПбГУ, 2012. 165 с.
8. Пашин В.М., Рахманин Н.Н. Проблема аномальных волн и необходимость ее учета при проектировании объектов морской техники // Судостроение. 2005. № 5. С. 9-16.
9. Бухановский А.В., Лопатухин Л.И. Экстремальные и необычные ветровые волны: измерения, расчет, прогноз // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2011. Т. 4, № 4. С. 5-17.
10. Пелиновский Е.Н., Слюняев А.В. Фрики - морские волны-убийцы // Природа. 2007. № 3. С. 14-23.
11. Чаликов Д.В. Портрет волны-убийцы // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2012. Т. 5, № 1. С. 5-13.
12. Clauss G.F., Klein M. The New Year Wave in a seakeep-ing basin: generation, propagation, kinematics and dyma-mics // Ocean Engineering. 2011. Vol. 38, № 14-15. P. 1624-1639. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2011.07.022.
13. Rogue Waves: From nonlinear schrodinger breather solutions to sea-keeping test / Onorato M., Proment D., Clauss G, Klein M. // PLoS ONE. 2013. Vol. 8, № 2. P. e54629, 5 p. DOI: 10.1371/journal.pone.0054629.
14. Analysis of design wave loads on an FPSO accounting for abnormal waves / C. Soares, N Fonseca, R. Pascoal [et al.] // Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering. 2006. Vol. 128, № 3. P. 241-247. DOI: 10.1115/1.2166656.
15. Experimental investigation of nonlinear wave interactions, wave turbulence and rogue waves / Luxmoore J. [et al.] // Proc. of the HYDRALAB IV Joint User Meeting. Lisbon, 2014. P. 1-5.
16. Schmittner E. C., Hennig J. Optimization of short-crested deterministic wave sequences VIA a phase-amplitude iteration scheme // Proc. of the ASME 31st International
Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. New York: ASME, 2012. Vol. 5: Ocean engineering, CFD and VIV. P. 79-86. DOI: 10.1115/OMAE2012-83150.
17. Clauss G.F. Task-related Wave Groups for Seakeeping Tests or Simulation of Design Storm Waves // Applied Ocean Research. 1999. Vol. 21, № 5. P. 219-234. DOI: 10.1016/S0141-1187(99)00017-6.
References
1. Wang L. , Li J., Li S. Numerical simulation of freak wave generation in irregular wave train // Journal of Applied Mathematics and Physics. 2015. Vol. 3, № 8. P. 10441050. DOI: 10.4236/jamp.2015.38129.
2. Numerical and physical modeling of extreme waves at Wave Hub / E. Ransley, M. Hann, D. Greaves [et al.] // Journal of Coastal Research. 2013. Vol. 65, № sp2. P. 1645-1650. DOI: 10.2112/SI65-278.1.
3. V.M. Dorozhko. Dynamic impact of freak wave on the vessel contour // Mechatronics, automation, control. 2015. Vol. 16, No. 3. P. 209-216. DOI: 10.17587 / mau.16.209-216. (in Russian).
4. Extreme Wave impact on offshore platforms and coastal constructions / Veldman A.E.P., Luppes R., Bunnik T. [et. al.] // Proc. of the 30th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. 2011. Vol. 7: CFD and VIV. Offshore Geotechnics. P. 365-376. DOI: 10.1115/OMAE2011-49488.
5. V.I. Maslov. Freak wave simulation in seakeeping basin // Trans. of the Krylov State Research Centre. 2019. Special edition. 2. P. 91-98. DOI: 10.24937/2542-2324-2019-2-S-I-91-98 (in Russian).
6. Hennig J., Walree van F. Modelling of extreme waves related to stability research // The 14th International Ship Stability Workshop (ISSW) / Marine Technology Centre. Johor Bahru, 2014. P. 210-215.
7. L.I. Lopatukhin. Wind-induced wave: tutorial. 2nd ed., add. St. Petersburg: St. Petersburg State University, 2012. 165 p. (in Russian).
8. V.M. Pashin, N.N. Rakhmanin. Problem of anomalous waves and necessity of its consideration in the design of marine equipment objects // Sudostroenie. 2005. No. 5. P. 9-16 (in Russian).
9. A.V. Bukhanovsky, L.I. Lopatukhin. Extreme and unusual wind waves: measurements, calculation, forecast // Fundamental and Applied Hydrophysics. 2011.Vol. 4, No. 4. P. 5-17 (in Russian).
10. E.N. Pelinovsky, A.V. Slyunyaev. Freaks - killer sea waves // Nature. 2007. No. 3. P. 14-23 (in Russian).
11. D.V. Chalikov. A portrait of a freak wave // Fundamental and Applied Hydrophysics. 2012. Vol. 5, No. 1. P. 5-13 (in Russian).
12. Clauss G.F., Klein M. The New Year Wave in a sea-keeping basin: generation, propagation, kinematics and dymamics // Ocean Engineering. 2011. Vol. 38, № 14-15. P. 1624-1639. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2011.07.022.
13. Rogue Waves: From nonlinear schrödinger breather solutions to sea-keeping test / Onorato M., Pro-mentD., Clauss G., Klein M. // PLoS ONE. 2013. Vol. 8, № 2. P. e54629, 5 p. DOI: 10.1371/ journal.pone.0054629.
14. Analysis of design wave loads on an FPSO accounting for abnormal waves / C. Soares, N. Fonseca, R. Pascoal [et al.] // Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering. 2006. Vol. 128, № 3. P. 241-247. DOI: 10.1115/1.2166656.
15. Experimental investigation of nonlinear wave interactions, wave turbulence and rogue waves / J. Luxmoore [et al.] // Proc. of the HYDRALAB IV Joint User Meeting. Lisbon, 2014. P. 1-5.
16. Schmittner E. C., Hennig J. Optimization of short-crested deterministic wave sequences VIA a phase-amplitude iteration scheme // Proc. of the ASME 31st International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engi-
neering. New York: ASME, 2012. Vol. 5: Ocean engineering, CFD and VIV. P. 79-86. DOI: 10.1115/ OMAE2012-83150.
17. Clauss G.F. Task-related Wave Groups for Seakeeping Tests or Simulation of Design Storm Waves // Applied Ocean Research. 1999. Vol. 21, № 5. P. 219-234. DOI: 10.1016/S0141-1187(99)00017-6.
Сведения об авторе
Маслов Василий Игоревич, инженер отделения гидроаэродинамики ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (911) 989-24-23. E-mail: doc128@yandex.ru. https://orcid.org/0000-0003-4758-8852.
About the author
Vasilii I. Maslov, Engineer of the aerohydrodynamics department, Krylov State Research Center. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (911) 989-24-23. E-mail: doc128@yandex.ru. https://orcid.org/0000-0003-4758-8852.
Поступила / Received: 22.04.21 Принята в печать / Accepted: 26.07.21 © Маслов В.И., 2021
