Научная статья на тему 'Лаборатория «Ледотехники»'

Лаборатория «Ледотехники» Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
109
48
Поделиться
Ключевые слова
ПОДВОДНОЕ СУДНО / ЛЕДЯНОЙ ПОКРОВ / ИЗГИБНО-ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ / SUBMARINE / ICE / FLEXURAL-GRAVITY WAVE

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Земляк Виталий Леонидович, Баурин Н. О., Курбацкий Д. А.

Работа посвящена лаборатории Ледотехники, созданной в Приамурском государственном университете имени Шолом-Алейхема на базе опытового ледового бассейна. Приводится экспериментальная методика моделирования и детальное описание установки и используемого оборудования.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Земляк Виталий Леонидович, Баурин Н. О., Курбацкий Д. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

LABORATORY "ICE TECHNOLOGY"1

The article is devoted to the ice technology laboratory set up in the Sholom-Aleichem Priamursky State University experimental ice pool. The pilot procedure of modeling and a detailed description of the installation of the equipment are given.

Текст научной работы на тему «Лаборатория «Ледотехники»»

УДК 531.001.362

В. Л. Земляк, Н. О. Баурин, Д. А. Курбацкий

Лаборатория «Ледотехники»

Работа посвящена лаборатории Ледотехники, созданной в Приамурском государственном университете имени Шолом-Алейхема на базе опытового ледового бассейна. Приводится экспериментальная методика моделирования и детальное описание установки и используемого оборудования.

Ключевые слова: подводное судно, ледяной покров, изгибно-гравитационные волны.

Vitaliy L. Zemlyak, Nikita O. Baurin, Denis A. Kurbackiy LABORATORY "ICE TECHNOLOGY"

(Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan)

The article is devoted to the ice technology laboratory set up in the Sholom-Aleichem Priamursky State University experimental ice pool. The pilot procedure of modeling and a detailed description of the installation of the equipment are given.

Keywords: submarine, ice, flexural-gravity wave.

В рамках развития научно-технической, прикладной, инновационной и учебно-методической сферы деятельности «Приамурского государственного университета имени Шолом-Алейхема» (Россия, г. Биробиджан) в 2012 г. была создана лаборатория «Ледотехники», закрепленная за кафедрой технических дисциплин. На базе лаборатории создана научная школа «Механика сплошных сред». Основатель школы — Козин Виктор Михайлович — советский и российский учёный, доктор технических наук, профессор. К основным направлениям, реализуемым научным коллективом относятся:

- повышение ледокольных качеств подводных судов, разрушающих ледяной покров резонансным методом при их всплытии в паковом льду;

Земляк Виталий Леонидович, кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой технических дисциплин (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, г. Биробиджан), е-mail: vellkom@list.ru

Баурин Н. О., студент, (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, г. Биробиджан), е-mail: baurin79@mail.ru

Курбацкий Д. А., студент, (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, г. Биробиджан), е-mail: kurban.79@mail.ru

© Земляк В. Л., Баурин Н. О., Курбацкий Д. А. 2013

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (на 2009-2013 гг.)» (соглашение № 14.B37.21.1839); гранта РФФИ (проект № 12-01-31014 мол_а); проекта № 7.8121.2013 в рамках государственного задания вузу на 2013 год и на плановый период 2014 и 2015 годов в части проведения научно-исследовательских работ.

68

- резонансный метод разрушения ледяного покрова, реализуемый амфибийными судами на воздушной подушке;

- разрушение ледяного покрова при ликвидации заторов и зажоров на реках в периоды ледостава и ледохода;

- удаления голо леда с контактных сетей и линий электропередач;

- разработка новых технологий и устройств для очистки твердых дорожных покрытий от гололеда и снежного наката;

- разработка технологий повышения несущей способности ледяного покрова, использующегося в качестве ледяных переправ и грузонесущих платформ;

- использование энергии расширения льда для калибровки и зигов-ки тонкостенных труб;

- использование легкоплавких веществ для автоматической балансировки роторов.

Научная лаборатория «Ледотехники» создана на базе спроектированного и изготовленного экспериментального опытового ледового бассейне размерами ЬхВ*Н=10х3х1 м (рис. 1), совмещённого с гидролотком.

Рис. 1. Общий вид чаши бассейна

С целью обеспечения циркуляции воды для создания потока при имитации подледного течения в чаше бассейна в торцевых секциях предусмотрены фланцевые соединения, обеспечивающие крепление центробежного насоса с расходом воды до 120 м3/час (рис. 2) и соединительной трубы.

Для обеспечения равномерного распределения и создания ламинарного потока в торцевых секциях установлены спрямляющие решетки (рис. 3).

69

Рис. 2. Общая схема ледового бассейна с системой циркуляцией воды (вид сверху)

Конструкция бассейна обеспечивает моделирование подледного течения по всей ширине бассейна при Ом = 0,05 — 0,2 м/с. Скорость потока

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

регулируется при помощи задвижек.

Для имитации мелководья в чаше бассейна установлено непроницаемое подвесное дно размерами 1хВ=8хЗм. Перемещение дна в вертикальном направлении обеспечивается винтовыми подъемниками.

Для проведения буксировок моделей нагрузки спроектирована и изготовлена универсальная буксировочная система (рис. 4). Конструктивно система выполнена в вице двух рам 3, устанавливаемых по разные стороны бассейна 4 и оснащенных подвижными балками с блоками проводки бесконечного буксировочного троса. Модель нагрузки 2 приводится в движение с помощью блока через муфту, либо соединенную с буксировочной системой гравитационного типа при определении величины волнового сопротивления (рис. 5) [1], либо с сервоприводом СПШ20 имеющим векторное управление по скорости и моменту для моделирования нестационарных режимов движения нагрузки (рис. 6).

В качестве нагрузки при исследовании процессов разрушения ледяного покрова изгибно-гравитационными волнами, а также при определении минимальной и предельной несущей способности льда при использовании его в качестве ледовых переправ и взлетно-посадочных полос могут использоваться модели различных технических средств (подводных судов, амфибийных судов, автотранспортных средств, модели имитирующие посадку и взлет самолета) (рис. 7).

Моделирование естественного ледяного покрова может осуществляться с использованием различных моделей льда, для каждой из которых имеются соответствующие условия подобия. Обычно моделирование выполняют с частичным выполнением условий подобия [2]:

ЛР = Лг„ = 1 = л, = л,,

70

Рис. 3. Торцевая секция со спрямляющей решеткой

Рис. 4. Схема буксировочной системы: 1 — модельный лед; 2 — модель подводного судна; 3 — стойки буксировочной системы с блоками проводки бесконечного буксировочного троса; 4 — чаша бассейна; 5 — подвешиваемый груз.

71

Рис. 7. Нагрузка в виде существующих подводных судов различных проектов

ЛР -Л,,

где Ле — масштаб моделирования по модулю Юнга;Ла — масштаб моделирования по напряжениям; Лт — масштаб моделирования по прогибам; Ль — масштаб моделирования по толщине льда; Ар — масштаб моделирования по внешней нагрузке; Л/ — геометрический масштаб.

Требования условий подобия в отношении коэффициента Пуассона // и плотности рг модельного льда также выполняются.

Модель нагрузки должна быть геометрически подобна натурной, а их водоизмещения должны быть пропорциональны кубу модуля геометрического масштаба

^и 1 13

-= А,, -= А, ,

т п

^м ^м

где Ьн — натурная длина нагрузки; Ьм — модельная длина нагрузки; Бы — натурное водоизмещение; Бм — модельное водоизмещение. Скорость движения моде ли им определяется условием подобия

где ин — скорость движения натуры.

Параметры модельных ИГВ следует пересчитывать на натуру согласно соотношениям для длины и прогиба льда

Л,. w

м

где Ан — длина натурных ИГВ; Ам — длина модельных ИГВ; wы — прогиб натурного льда; шм — прогиб модельного льда.

73

Модель ледяного покрова приготавливается в ледовом бассейне намораживанием естественного льда заданной толщины (3 — 8 мм) естественным холодом при температуре воздуха t = -(4—27)0С. При использовании естественного льда в качестве модельного толщина моделируемого ледяного покрова пересчитывается на натуру по следующей зависимости

1

h„ =h„X

4/31

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

KL

VJ

и J м J

где Нн — толщина натурного льда; 1гм — толщина модельного льда; Л/ — геометрический масштаб; Ла — масштаб моделирования по напряжениям; [ои]„ — предел прочности натурного льда на изгиб; [Ои]м — предел прочности модельного льда на изгиб.

Определение изгибной прочности модельного льда производится экспериментально, путем испытания консолей на плаву, для этого используется намораживаемый модельный лед толщиной Нм = 3 — 8 мм. Консоли в модельном льду приготавливаются путем проплавления штампом П-образной формы. Усилие, затрачиваемое на разрушения консоли, определяется с помощью электронного динамометра Магк-10 (рис. 8).

Рис. 8 Электронный динамометр Mark-10

3

Известно, что при моделировании морского льда с помощью пресноводного, модуль упругости натурного льда должен быть меньше модуля упругости модельного льда Ен<Ем, однако соотношение E/ou для морского и пресноводного льдов практически не отличается. Соблюдение этого условия при моделировании льда чрезвычайно важно [4].

Для записи колебаний льда, используется бесконтактные лазерные датчики LAS-Z компании Way Con (Германия) (рис. 9) принцип дейст-

74

вия, которых основан на оптической триангуляции c цифровой обработкой с помощью микроконтроллера и передачей величины перемещения по последовательному каналу RS485 на компьютер.

Рис. 9 Бесконтактный лазерный датчик LAS-Z компании Way Con (Германия)

Для определения величины изгибных напряжений в модельном льду используются интеллектуальные тензометрический датчик, состоящий из 20 тензодатчиков 2 ФКП-5-400 и измерительного модуля ZET 7010 Tensometer-485.

Чтобы картина трещинообразования была видна более ярко, после формирования модельного поля лед посыпается тонким слоем снега (рис. 10).

Рис. 10. Модельное ледяное поле

75

Для имитации ледяного покрова в теплый период времени предназначена модель неразрушаемого сплошного льда, изготовленная из полимерного материала. Принципиальная возможность имитации ледяного покрова с помощью упругих пленок, доказывалась многими авторами. Сравнив профили ИГВ натурного и модельного льда, в качестве которого использовалась резиновая пленка при различных % = Г'/Л/^Я

(где V — скорость движения модели нагрузки, g — ускорение сил тяжести, Н — глубина воды (рис. 11) можно отметить не только качественное но и количественное совпадение полученных результатов.

Рис. 11. Сопоставление кривых относительных деформаций натурного льда (--)

и модельного слоя (—) при различный относительных скоростях %.

Для сплошного полимерного льда должны выполняться следующие условия подобия [2]:

Ен/ -К/ -7 /Е.. ~ /И.. ~ Л<

где Ен — модуль упругости натурного льда, Ем — модуль упругости модельного льда, Нн — толщина натурного льда, 1гм — толщина модельного льда, Л] — геометрический масштаб.

Процесс разрушения льда изгибно-гравитационными волнами фиксируется панорамной видеосъемкой, которая обеспечивает получение информации о характере трещинообразования в поле модельного льда. Также видеосъемка позволяет достаточно быстро фиксировать разрушения в модельном льду после прохода модели. Поскольку трещины и просветы воды под действием холода в течение 3 — 5 минут смерзаются, а для их графического изображения требуется существенно большее время, то видео и фотосъемка единственное средство оперативного сбора интересующей информации (рис. 12).

76

Рис. 12. Поле модельного льда толщиной 3 мм после прохождения нагрузки в виде подводного судна

Список литературы

1. Земляк В.Л. Исследование волнового сопротивления подводного судна при движении под ледяным покров / / Вестник Дальневосточной государственной социально-гуманитарной академии, № 2(9)2011. С. 61 —68.

2. Козин В. М. Обоснование исходных данных для выбора основных параметров СВП, предназначенных для разрушения ледяного покрова резонансным способом: дис. ... канд. тех. наук. Горький: ГПИ им. А. А. Жданова, 1983. 314 с.

3. Петров И. Г. Выбор наиболее вероятных значений механических характеристик льда // Труды ААНИИ. 1976. Т. 331. С. 4—41.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4. Lewis J. W. Recent Development in Phisical Ice Modeling. Proceedings 14th Annu. Offshore Technol. Conf., Houston, Техаs, May 3 — 6. 1982, pp. 493 — 498, Vol 4.

•k -k -k

77