CC BY
65
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
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
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.
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
