CC BY
46
УДК 531.001.362
В. Л. Земляк, В. М. Козин, Е. О. Клинская, Г. В. Петросян, Д. А. Курбацкий
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВСПЛЫТИЯ ПОДВОДНЫХ СУДОВ В ЛЕДЯНОМ ПОКРОВЕ ПРИ ОГРАНИЧЕННОЙ ГЛУБИНЕ АКВАТОРИИ
Работа посвящена исследованию ледоразрушающей способности изгибно-гравитационных волн от движения подводного судна в ледовых условиях при ограниченной глубине акватории
Ключевые слова: изгибно-фавитационные волны, pезонансный метод pазpушения льда, pезонансная скоpость, подводное судно, ледовые условия, глубина акватоpии, относительное заглубление.
Vitaliy L. Zemlyak, Victor M. Kozin,
Elena O. Klinskaya, Gayane V. Petrosyan, Denis A. Kurbackiy STUDY OF THE POSSIBILITY OF ASCENT SUBMARINE VESSELS IN THE ICE COAT AT THE LIMITED WATER DEPTH
(Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan)
The work is devoted to the study of flexural-gravity waves and their ice-breaking capacity from the movement of the underwater vessel in the ice conditions with limited depth of the water area.
Keywords: flexural-gravity waves, the resonant method destruction of ice, the resonant speed, underwater vessel, ice conditions, the depth of the water area, the relative penetration.
Земляк Виталий Леонидович, кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой технических дисциплин (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, г. Биробиджан), е-mail: [email protected]
Козин Виктор Михайлович, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией «Механика деформируемого твердого тела» (Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН, Комсомольск-на-Амуре), е-mail: [email protected].
Клинская Елена Олеговна, кандидат биологических наук, доцент, директор института открытого образования (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, г. Биробиджан), е-mail:[email protected].
Петросян Гаяне Варадановна, студентка (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, г. Биробиджан), е-mail: [email protected]
Курбацкий Денис Александрович, студент (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, г. Биробиджан), е-mail: [email protected]
© Земляк В. Л., Козин В. М., Клинская Е. О., Петросян Г. В., Курбацкий Д. А., 2013
Работа выполнена при поддержке гранта в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (на 2009—2013 гг.)» (соглашение № 14. Е37.21.1839); при поддержке гранта РФФИ (проект № 12-01-31014); при поддержке гранта РФФИ (проект № 13-01-90713); проекта № 7.8121.2013 гос. задания вузу.
70
Традиционно всплытие подводного судна (ПС) из-под ледяного покрова осуществляется путем статического нагружения льда снизу за счет создания положительной плавучести главными балластными цистернами. Опыт практической реализации такого способа имеет ряд существенных недостатков: незначительная толщина проламываемого льда (обычно не более 1 м); необходимость повышения прочности конструкций корпуса; возможная потеря остойчивости судна; сложность и длительность выполнения маневра. Для их устранения можно использовать гидродинамические нагрузки на ледяной покров, возникающие от движения ПС вблизи его нижней поверхности [1]. В этом случае в ледяном покрове образуется система изгибно-гравитационных волн (ИГВ), при определенной интенсивности которых может произойти частичное и полное разрушение льда, что позволит судам всплывать в более толстом льду. Стоит отметить, что в прибрежных районах глубина акватории часто составляет менее 70 метров. Кроме того в результате подвижек льда и наличия подледных течений в последнем могут образовываться продольные трещины, раскрытие которых может приводить к формированию разводий. Целью исследования является экспериментальное определение влияния глубины акватории на параметры ИГВ генерируемых ПС при движении вблизи ледяной поверхности в различных ледовых условиях (ЛУ) с целью оценки их ледоразрушающей способности.
Из-за сложности проведения экспериментов с естественным льдом и отсутствия необходимой оснастки серия экспериментов по исследованию возможности всплытия подводных судов резонансным методом была выполнена в опытовом бассейне лаборатории Механики сплошных сред (ИМиМ ДВО РАН, Комсомольск-на-Амуре) с использованием модели неразрушаемого ледяного покрова и подвесного дна [2].
Моделирование ИГВ в неразрушаемом льду проводилось в соответствии с условиями подобия [3], для чего использовались буксировочная система (рис. 1) и модель ледяного покрова в виде упругой пленки (рис. 2).
4
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — чаша бассейна; 2 — модель подводного судна; 3 — модель сплошного льда; 4 — подвесное дно; 5 — привод; 6 — натяжной блок; 7 — бесконечный буксировочный трос
71
щ
Рис. 2. Общий вид модели неразрушаемого льда
Буксировки модели выполнялись при относительных заглублениях
И = 0,2-0,3, близких к реальным условиям безопасного подледного плавания современных субмарин. Минимальная скорость перемещения модели ПС составляла = 0,65 м/с, а максимальная — Отах = 1,35 м/с,
что при пересчете на натуру соответствовало 14 и 30 м/ с. Верхняя граница скорости была равна предельной для большинства современных АПЛ. В опытах наибольший интерес представляли параметры резонансных ИГВ, амплитуды которых требовалось определить для различных ЛУ, при этом толщина льда при пересчете на натуру составляла 1 м.
Исследование деформированного состояния сплошного льда в условиях стоячей воды
На начальном этапе была проведена серия экспериментов по буксировке модели ПС под сплошным ледяным покровом в условиях глубокой воды. В дальнейшем эти результаты использовались в качестве тестовых для сравнения с данными, полученными при моделировании различных ледовых условий.
В результате экспериментов на всех относительных заглублениях была определена критическая (резонансная) скорость, при которой во льду распространялись волны наибольшей амплитуды и которая, как показал опыт, не зависела от заглубления модели подводного судна. Полученные модельные данные были пересчитаны на натуру в соответствии с условиями подобия и масштабом М = 500. На рис. 3 приведены зависимости прогибов льда от скорости движения модели ПС, из которых
72
видно, что при скорости около 22 м/ с во льду возникали ИГВ наибольшей амплитуды.
li/L=0,2 li/L=0,25
h/L=0,3/
14 18 22 26 30 V, м/с
Рис. 3. Зависимость максимальных прогибов сплошного льда толщиной h = 1 м от скорости движения ПС
Параметры ИГВ (длина и амплитуда) определялись по профилям волн, записанным датчиками вертикальных перемещений. Из рис. 4, где представлены профили волн при различных скоростях движения модели ПС, видно, что с ростом скорости длина волны возрастает, а по мере приближения скорости к резонансному значению наблюдается значительное увеличение амплитуды, что приводит к росту кривизны ИГВ и, соответственно, изгибных напряжений (рис. 5). Полное затухание наблюдалось на расстоянии 3—4 длин волн.
Характеристики волн в сплошном льду при различных относительных заглублениях представлены в табл. 1. Из полученных данных видно, что период резонансных ИГВ был наименьшим. С ростом заглубления значения максимальных прогибов уменьшались, а длина волн и их периоды возрастали. Следовательно, с увеличением заглубления модели ПС интенсивность гидродинамического воздействия на лед падает.
Общий характер изгиба модельного льда от движения модели подводного судна с различной скоростью после пересчета деформаций на натуру показан на рис. 6—8.
Влияние продольной раскрытой трещины и разводий различной ширины на параметры ИГВ
На следующем этапе экспериментов исследовалось влияние на параметры ИГВ неоднородностей ледяного покрова в виде продольной раскрытой трещины и разводий различной ширины.
73
Рис. 4. Профили волн в сплошном льду при различных скоростях движения модели ПС (Ь/Ъ = 0,2): а) 0,6ир; б) 0,8ир ; в) ир; г) \,2ир, д) 1,4ор .
Рис. 5. Отношение максимальной амплитуды к длине волны при различных скоростях движения нагрузки
74
Таблица 1
Характеристики волн в сплошном льду
h/L Скорость движения нагрузки 0,6ир 0,8vp °Р 1,20р 1,40р
0,2 О, м 0,42 0,85 1,23 0,96 0,74
Т, с 9,9 9,4 8,9 9,6 10,2
Ä, м 153 172 205 248 301
0,25 О, м 0,36 0,74 1,175 0,87 0,66
Т, с 10,1 9,7 9,2 9,9 10,4
Ä, м 161 180 212 255 311
0,3 О, м 0,32 0,61 1,08 0,82 0,56
Т, с 10,3 9,95 9,4 10,05 10,5
Ä, м 168 187 218 261 320
75
Рис. 8. Поле прогибов сплошного ледяного покрова при движении нагрузки
со скоростью 1,4и
При моделировании трещины две полосы резины укладывались стык в стык, а имитация разводий осуществлялась путем их раздвижения на моделируемую ширину (Ьз = 0,006 м, Ь2 = 0,012 м, Ьз = 0,018 м и Ь4 = 0,024 м).
Относительная ширина разводий составила Ъх = 0,2, Ъ2 = 0,4, Ъъ = 0,6,
Ъ4 = 0,8. Толщина льда, скорость перемещения и относительные заглубления модели ПС брались, как и для случая сплошного ледяного покрова. Результаты экспериментов после пересчета на натуру представлены на графиках (рис. 9—11).
14 18 22 26 30 Ъ1> м/с
Рис. 9. Зависимость максимальных прогибов от скорости движения ПС для различных Лу: 1 — продольная трещина; 2 — \ =0,2;
3 — Ь2 =0,4; 4 — ¿з =0,6; 5 — ¿4 =0,8.
76
Т. с
12
б -I-----—
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Ур
Рис. 10. Зависимость периодов волн от скорости движения ПС: 1 — продольная трещина; 2 — \ =0,2; 3 — Ь2 =0,4; 4 — Ь3 =0,6; 5 — Ь4 =0,8.
Л. М
400 ____
300 200 100 0
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
Рис. 11. Зависимость длин волн от скорости движения ПС: 1 — продольная трещина; 2 — Ь =0,2; 3 — Ь2 =0,4; 4 — Ь3 =0,6; 5 — Ь4 =0,8.
На рис. 9 показана зависимость максимальных прогибов от скорости движения ПС. Из графиков видно, что возникновение ИГР происходило при движении модели со скоростью порядка 22 м/с, причем наличие различных ЛУ на величину резонансной скорости практически не влияли. Следует отметить, что для сплошного ледяного покрова значение
V р также равнялось 22 м/с.
77
В опытах выяснялось, для какого случая разрушение ледяного покрова будет максимальным. Для этого по записанным профилям определялись периоды и длины ИГВ (рис. 10 — 11). При относительной ширине разводья Ъ =0,4 при резонансной скорости перемещения модели ПС во льду распространялась ИГВ с наибольшей амплитудой и наименьшими длиной и периодом. Максимальная длина и период ИГВ соответствовали льду, ослабленному продольной раскрытой трещиной (рис. 12).
Рис. 12. Профили ИГВ: 1 — продольная трещина; 2 — Ъ^ =0,2;
3 — Ъ2 =0,4; 4 — Ъ =0,6; 5 — Ъ4 =0,8.
Затем сравнивалось отношение максимальной амплитуды к длине волны А^х / Л, характеризующее кривизну волн при различных скоростях движения подводного судна (рис. 13) с данными для сплошного ледяного покрова (рис. 5). Из графиков видно, что наличие свободной кромки существенно снижает несущую способность льда, если ширина разводья не превышает 60 % от диаметра корпуса ПС. Особенно ярко
это проявляется при относительной ширине разводья равной Ъ =0,4. В этом случае от движения подводного судна формируется волна, существенно увеличивающая деформации ледяного покрова (рис. 14). При уменьшении ширины разводья, как и при наличии продольной раскрытой трещины, подобный эффект не проявлялся. С ростом величины Ъ в разводье также формировались гравитационные волны большой амплитуды, которые, однако, выплескиваясь и разрушаясь о внутренние кромки модельного льда, существенного влияния на его изгиб не оказывали (рис. 15).
78
Am ах/~К
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 ур
Рис. 13. Отношение максимальной амплитуды к длине волны при различных скоростях движения нагрузки: 1 — продольная трещина;
2 - b =0,2; 3 - b =0,4; 4 — Ъ =0,6; 5 - Ъ4 =0,8.
Рис. 14. Движение ПС под разводьем с относительной шириной Ь = 0,4
(вид под углом 300 по отношению к направлению скорости судна)
79
Рис. 15. Движение ПС под разводьем с относительной шириной Ъ =0,8
(вид под углом 100 по отношению к направлению скорости судна)
Трехмерные поля прогибов, показывающие общий характер деформаций модельного льда, пересчитанные на натуру при резонансной скорости движения нагрузки, показаны на рис. 16 и 17.
Z, м
2
у. м
Рис. 16. Поле прогибов ледяного покрова, ослабленного продольной трещиной, при движении нагрузки с резонансной скоростью
80
Рис. 17. Поле прогибов ледяного покрова, ослабленного разводьем с относительной шириной Ь = 0,4, при движении нагрузки с резонансной скоростью
Влияние глубины акватории
Ранее показано, что эффективность резонансного метода разрушения ледяного покрова можно повысить, если ПС будет перемешаться подо льдом в определенных ледовых условиях. Также известно, что в случае использования ПС в качестве транспортных средств для перевозки различных грузов значительная часть предполагаемого транспортного пути, например, в Карском море, пролегает на глубинах менее 70 метров. Ранее в работе [4] установлено, что параметры ИГВ, возбуждаемых движущейся нагрузкой, значительно зависят от глубины бассейна. Прогибы ледяного покрова на мелководье всегда больше, чем на глубокой воде, при этом увеличивается длина и уменьшается скорость распространения ИГВ, изменяется их кривизна.
С целью определения возможности повышения эффективности разрушения льда резонансным методом, была проведена серия экспериментов по движению ПС в условиях ограниченной глубины акватории под ледяным покровом, ослабленным продольной раскрытой трещиной и разводьями различной ширины.
Для этого в чаше бассейна было установлено непроницаемое подвесное дно габаритами ЬхБ=4,3х1,7 м, изменение положения которого осуществлялось вертикальными подъемниками. Глубина акватории определялась безразмерным параметром И = Н0 / Ь, где Н0 — заглубление подвесного дна. В экспериментах он составлял 0,35, 0,45, 0,55 и 0,65. Относительные заглубления модели ПС Н в зависимости от глубины акватории принимались равными 0,2, 0,25, 0,3, 0,4, 0,5. Толщина льда и скорость перемещения нагрузки принимались, как и для случаев, рассмотренных выше.
Анализ ранее полученных экспериментальных данных [БЖД] показывает, что при относительной глубине акватории в пределах 0,350,45 наибольшие прогибы возникали при движении подводного судна
81
вблизи дна. С ростом глубины водоема максимальные прогибы льда от движения модели на минимальном и максимальном заглублениях модели были наибольшими и практически совпадали. Особенно ярко это проявлялось при скоростях близких к резонансным. Это позволяет сделать вывод, что для эффективного разрушения ледяного покрова ПС необходимо перемещаться вблизи дна на скорости, близкой к резонансной, что значительно безопаснее, чем движение под поверхностью льда при малых заглублениях. Сама резонансная скорость с увеличением глубины акватории возрастает (рис. 18).
Рис. 18. Зависимость резонансной скорости движения подводного судна от глубины акватории
Графики зависимости отношений ^тах / Л от скорости перемещения подводного судна с относительным заглублением И = 0,2 при различной относительной глубине акватории Н представлены на рис. 19.
Атах/А
0,04 0,03 0,02 0,01
0
1
2
3
\1
14 18 22 26 30 г/,м/с
Рис. 19. Зависимость отношения / Л от скорости движения ПС
с относительным заглублением И =0,2 при ограниченной глубине акватории: 1 - Н =0,35; 2 - Н =0,45; 3 - Н =0,55; 4 - Н =0,65.
82
Полученные результаты сопоставлялись с данными для сплошного ледяного покрова при бесконечной глубине водоема (рис. 5). Из графиков видно, что при движении ПС в условиях исследованных ограничений глубины воды со скоростью, близкой к резонансной, кривизна волн возрастает от 1,5 до 3,5 раз.
Также выяснялось влияние наличия свободной кромки льда на параметры ИГВ при ограниченной глубине акватории. Для этого проводилась серия буксировок модели ПС под ледяным покровом, ослабленным продольной трещиной и разводьями различной ширины при
Н =0,35-0,65.
Анализ полученных данных показал, что, как и для сплошного льда, при относительных глубинах до 0,45 наибольшие прогибы возникают при движении ПС на максимальном заглублении, однако с ростом глубины акватории волны с наибольшей амплитудой возникали при перемещении модели ПС вблизи поверхности льда. Стоит отметить, что наличие свободных кромок в ледяном покрове, в отличие от глубокой воды, к существенному росту максимальных значений прогибов льда не приводили. Величина Ю возрастает на 8 — 17 % в зависимости от глубины акватории (рис. 20), при этом в зависимости от ширины разводья на 20 — 40 % увеличивается длина волн по сравнению со сплошным льдом, что приводит к снижению кривизны профиля ИГВ и, следовательно, их ледоразрушающей способности.
СОтах, М ''
3.5 3
2.5
2
от глубины акватории: 1 — сплошной лед; 2 — продольная трещина; 3 — Ь =0,2; 4 — Ъ2 =0,4; 5 — Ъъ =0,6; 6 — ЪА =0,8.
На основании выполненных исследований можно сделать следующий вывод: максимальный уровень напряженно-деформированного со-
6
" / 2 4 1
0,35 0.45 0,55 0,65 Н
Рис. 20. Зависимость максимальных прогибов льда
83
стояния льда в условиях мелководья достигается от движения модели ПС вдоль разводья при определенной его относительной ширине (в рассмотренном случае оно составило Ь = 0,4). Наличие в ледяном покрове продольной трещины или разводий с шириной большей или меньшей
Ь = 0,4 приводило к уменьшению кривизны профиля ИГВ (см. рис. 21).
Атак1 А 0,04 ■
0.03
0.02
0.01
1
щ д.
0.35
0,4?
0.5?
0,65 Н
Рис. 21. Отношение максимальных значений амплитуд к длинам волн в условиях мелководья при И =0,2: 1 — сплошной лед; 2 — продольная трещина; 3 — Ь =0,2; 4 — Ъ2 =0,4; 5 — Ъъ =0,6; 6 — Ъ4 =0,8.
Список литературы
1. Козин В. М., Онищук А. В., Марьин Б. Н. Ледоразрушающая способность изгиб-но-гравитационных волн от движения объектов. Владивосток: Дальнаука, 2005, 191 с.
2. Козин В. М., Земляк В. Л. Лаборатория механики сплошных сред // Вестник ГОУ ВПО «КнАГТу». Вып. 13. В 2 ч. Ч. 1. 2009. С. 244 — 246.
3. Земляк В. Л., Курбацкий Д. А., Баурин Н. О. Лаборатория «Ледотехники» // Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. № 1(12). 2013. С. 75 — 84.
4. Козин В. М., Земляк В. Л. Безопасность всплытия подводных судов в сплошных льдах в условиях мелководья / / Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 10. С. 6 — 9.
*
84
