Ледовая ходкость танкера река-море плавания с нетрадиционными носовыми обводами Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Лобанов Василий Алексеевич

Lobanov Vasily Alekseevich Волжская государственная академия водного транспорта (Нижний Новгород) Volga State Academy of Water Transport (Nizhniy Novgorod) доцент кафедры Судовождения и безопасности судоходства The Safety of Navigation and Shipping department - associate professor

кандидат технических наук Candidate of technical sciences Доцент/Associate professor E-Mail: lobbas@mail.ru

05.22.19 Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Ледовая ходкость танкера река-море плавания с нетрадиционными

носовыми обводами

Ice propulsion ability of river-sea tanker with non-traditional bow form

Аннотация: В работе приведены результаты численного моделирования с помощью CAE-систем ледовой ходкости танкера река-море плавания с бульбообразным носовым заострением. Выявлен значительный прирост ледового сопротивления по отношению к однотипному судну с классическими обводами. Отмечено, что соответствие танкера установленному ледовому классу достигнуто только за счёт высокой мощности главных двигателей. Проведён сравнительный анализ результатов конечноэлементного моделирования с аналогичными данными полуэмпирических методик. Отмечена неадекватность последних при оценках ледовой ходкости судов с нетрадиционными носовыми формами. Сделаны выводы о применимости CAE-систем при разработке нормативных документов, регламентирующих ледовое плавание судов.

The Abstract: In the paper the results of numerical modeling with the help of CAE-systems of the ice propulsion ability of river-sea tanker with bulb bow form. Found a significant increase in ice resistance in relation to a sister-ship with classical lines. It was noted that the compliance of the tanker established by ice-class achieved only due to the high power of the main engine. The comparative analysis of the results of finite element modeling with similar data of semiempirical methods. Noted the inadequacy of the past in estimates of ice propulsion ability of vessels with non-traditional bow forms. Conclusions are made about the applicability of CAE-systems in developing normative documents regulating the ice navigation of vessels.

Ключевые слова: Судно, ледовые качества, ледовая ходкость, конечноэлементное моделирование, CAE-системы.

Keywords: Vessel, ice Performances, ice propulsion ability, finite element modeling, CAE-systems.

Введение

За последнее десятилетие отечественный флот ощутимо пополнился новыми грузовыми судами смешанного река-море плавания. При этом некоторые серии, поднадзорные Российскому морскому регистру судоходства (РМРС), имеют в обозначении класса символ ледовой категории (ледовый класс). РМРС присваивает судну ледовый класс, в

Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru

основном руководствуясь критерием прочности корпусных конструкций и элементов движительно-рулевого комплекса, регламентируя допустимые ледовые условия и режимы плавания. Однако ледовой прочностью далеко не исчерпывается набор ледовых качеств судна. Поэтому РМРС рекомендует поднадзорным ему судам, участвующим в ледовых транспортных операциях, иметь специальный регламентирующий документ - Свидетельство о допустимых условиях ледового плавания судна [6]. Свидетельство, выдаваемое по заявке судовладельца, призвано конкретизировать весь комплекс основных ледовых качеств судна и уточнить условия его безопасной ледовой эксплуатации.

Новизной конструктивных решений применительно к флоту смешанного плавания является использование в ряде проектов бульбообразных носовые оконечностей. В частности, это относится к исследуемому танкеру смешанного река-море плавания пр. ЯБТ 27. Такие формы корпусов признаны РМРС нетрадиционными. Нетрадиционная форма носовой оконечности корпуса предполагает особенности взаимодействия битых льдов с ним. Эти особенности не учитываются нормативными и классическими полуэмпирическими методиками при расчётах кривых ледового сопротивления подобных судов. Поэтому согласно правилам Российских Регистров оценки их ледовых качеств являются предметом особого разбирательства. В первую очередь это относится к принципиально важному ледовому качеству, характеризующему достижимые режимы эксплуатации судна - ледовой ходкости (ледопроходимости).

В общем случае самым надёжным приёмом такого разбирательства являются натурные ледовые испытания судна. Однако для современного судовладельца эта процедура неприемлема по причинам экономического характера (слишком высока вероятность получения судном ледовых повреждений с последующим выводом из эксплуатации и дорогостоящим восстановительным ремонтом). Другим источником получения сравнительно достоверной информации о ледовых качествах принято считать модельный эксперимент. Но полномасштабность его осуществима разве что в современных, оснащённых передовым оборудованием НПО или КБ. Если учесть, что таковых насчитывается единицы, то следует ожидать заведомо неприемлемых условий для большинства судовладельцев. Поэтому для решения экспертных ледовых проблем в настоящее время активно используются САЕ-системы.

САЕ-системы - это программные комплексы, реализующие численные (чаще в конечноэлементной постановке) решения в задачах механики твёрдых тел и различных сред. Трудоёмкость описания и относительная длительность решения задач в большой степени окупается высокой адекватностью, наглядностью, детализацией рассматриваемых процессов. В общем случае САЕ-системы - это инструмент, обеспечивающий оптимальное соотношение затрат судовладельца на проведение анализа ледовых качеств судов с достоверностью получаемых результатов.

В ряду используемых САЕ-систем предпочтение отдано программному комплексу ЬБ-БУКА [9]. Выбор данного продукта обусловлен его универсальностью, хотя изначально он разрабатывался для анализа быстротекущих процессов. Уже первые попытки адаптировать эту систему для решения задач безопасности ледового судоходства показали обнадёживающие результаты. Дальнейшее её применение позволило уточнить реологию используемых материалов, алгоритмы контактных взаимодействий тел, формулировки конечных элементов, что существенно повысило адекватность моделей. ЬБ-ОУКА объединяет в себе три автономные структурные единицы: препроцессор, процессор и постпроцессор. Препроцессор предназначен для разработки геометрии модели, её

Численный эксперимент

конечноэлементного разбиения, выбора и задания свойств материалов, типов элементов, контактных алгоритмов, методов расчёта, вывода содержания и объёмов информации для последующей постпроцессорной обработки.

Процессор-транслятор выполняет непосредственный расчёт. Основное его достоинство - реализация параллельных вычислений на многопроцессорных (многоядерных) комплексах. Для этого существует несколько версий процессора. Так, современные многоядерные компьютеры успешно работают с версией SMP (shared memory parallel).

Возможности постпроцессорной обработки данных и, в частности, визуализация результатов моделирования являются принципиально значимыми элементами CAE-систем. Постпроцессор LS-DYNA располагает богатым набором средств анализа модели: масштабирование, детализация, инструменты для измерений, градиентные поля параметров, уровни, изолинии, следы, сечения, разрезы, векторы, графический процессор, анимация. Применительно к численным экспериментам по оценке основных ледовых качеств судов использование этих инструментов позволяет вводить обоснованные критерии безопасности, корректировать традиционные аналитические методы или определять границы их применимости.

Исходя из гипотезы о независимости ледовых и гидродинамических нагрузок на корпусе судна, а также с целью минимизации затрат времени на расчёты, численный эксперимент был реализован в упрощённой постановке (Рис. 1). При этом необходимо отметить, что эта гипотеза пока не подтверждена экспериментально из-за отсутствия каких-либо технических средств, реализующих раздельное измерение ледовых и гидродинамических нагрузок на корпусе судна. Её подтверждение (или опровержение) с помощью CAE-систем требует решения очень ресурсоёмких задач в конечноэлементной постановке. На данном этапе они являются «неприподъёмными» для вычислительной системы автора. Скорее всего, отмеченная связь всё же существует, но остаётся открытым вопрос о её значимости. По крайней мере, на такой вывод наталкивают результаты CAE-моделирования гидродинамики судовых гребных винтов в тёртых льдах, предпринятого автором в работе [4].

Рис. 1. Исходная модель при расчётах ледовой ходкости танкера пр. Я8Т 27

Трёхмерная модель описывала геометрию только судна и ледяного поля (Рис. 1). Воздействие воды как третьей контактной среды описывалось узловыми силами на поверхности корпуса судна и ледяном покрове. Эквивалентом действия движительно-рулевого комплекса также являлись узловые силы, зависящие от параметров движения судна.

При этом кривые буксировочного сопротивления для осадок в полном грузу 4,2 м (линия 2 на рис. 2) и в балласте 3,3 м (линия 3 на рис. 2) были получены в результате предварительного САЕ-моделирования разгона судна в условиях чистой воды. Кривая упора движителей (линия 1 на рис. 2) принята на основе анализа сдаточных испытаний теплохода [8] и швартовных характеристик используемых на данном проекте полноповоротных винторулевых колонок [10]. Гидродинамика ледяного покрова оценивалась в соответствии со СНИПом [7].

Я

'Л

е? 400

в

о

и

4 1 2 3

х і

^1

* - / **

* г* к * ,ч * ; ї

т * 4 *4

X \ ^ * *

Скорость, м/с

Рис. 2. Тяговая и буксировочные характеристики танкера пр. ЯБТ 27

При моделировании варьировалась толщина льда (0,1 - 0,5 м), его сплочённость (6 - 10 баллов), раздробленность (тёртый лёд - мелкобитый лёд), относительная ширина (1,5 - 3,5) и длина (6 - 7) ледового канала. Численный эксперимент сопровождался анализом характера движения судна в канале (рис. 3 а), обтекания льдом его носовой оконечности (рис. 3б, в) и обязательным мониторингом скорости хода (Рис. 4).

1СЕ САКЕ НОБ 30.03 В 50 УЗ

в)

Рис. 3. Характер движения танкера пр. ЯБТ 27 в мелкобитых льдах

1 2 3 4

йк.

1 V ■ \

х

" л *Ч-** \

Ж

-У /'* \ п.

°J 0 20 40 60 §0 100 120 140 160 180 200 220 240 2Й0 280 300

Время, с

Рис. 4. Временные зависимости скорости хода танкера пр. ЯЗТ27 в ледовом канале

(1 - мелкобитый лёд толщиной 0,5 м сплочённостью 9-10 баллов; 2 - тёртый лёд толщиной

0,5 м сплочённостью 9-10 баллов; 3 - мелкобитый лёд толщиной 0,5 м сплочённостью 6-7 баллов; 4 - мелкобитый лёд толщиной 0,2 м сплочённостью 9-10 баллов)

Начальная скорость движения в каждом варианте ледовых условий назначалась из экспертных предположений о ходовых возможностях судна, однако далеко не всегда эти предположения оправдывались (например, поведение кривых 3 и 4 на рис. 4). Расчёт по варианту прекращался при наступлении относительной стабилизации сглаженной кривой скорости (Рис. 4). Этот период стабилизации колебался в пределах 3 - 6 мин. Полученное значение скорости принималось в качестве статистической точки для данных ледовых условий.

Таким образом, было смоделировано 15 вариантов сочетаний ледовых условий. По экспертной оценке все полученные точки были признаны репрезентативными. Необходимо отметить, что в общем случае полученная выборка недостаточна для полноценного статистического анализа ледовой ходкости танкера. Однако она достоверно описывает его ходкость в «рабочем» диапазоне ледовых условий и вполне приемлема для сравнительных оценок с результатами полуэмпирических или нормативных методик на предмет адекватности последних при расчётах ледовой ходкости судов с нетрадиционными формами корпусов.

Сравнительный анализ результатов

Разбор результатов численного моделирования с позиций ледовой ходкости показал неэффективность использования бульбообразной носовой оконечности у данного проекта. Пожалуй, единственным положительным следствием применения такой конструкции является существенно меньшая ледовая нагрузка на движительно-рулевой комплекс, что значимо не сказывается на потерях упора.

Корпус судна при максимальной осадке практически не способен притапливать лёд и пропускать его «через себя». Процесс взаимодействия с мелкобитыми и тёртыми льдами сводится к их уплотнению и раздвиганию (Рис. 3), что приводит к значительному уровню ледового сопротивления. В первую очередь это свойственно движению в сплочённых и

Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru

сильносплочённых льдах. В подтверждение этого на рис. 5 показаны кривые продольных ледовых нагрузок (В - расчётная, А - сглаженные значения) при движении танкера в мелкобитых льдах толщиной 0,5 м и сплочённостью 9-10 баллов.

Рис. 5. Временная зависимость ледового сопротивления танкера пр. Я8Т27 в мелкобитых льдах

Такому характеру контакта судна с ледяным покровом неизбежно сопутствует процесс «ледовых ударов» даже при малых скоростях хода. Это негативное явление заключается в периодическом быстром и значительном приросте ледового сопротивления в результате уплотнения льдов перед началом их очередного торошения (на рис. 5 это явление характеризуют несколько явных максимумов в начальных частях кривых).

Показательным является сопоставление скоростных кривых ледового сопротивления для исследуемого судна и танкера пр. 19614 (Рис. 6). Последнее судно имеет классические носовые обводы при главных размерах очень близких к пр. RST 27. Анализ кривых рис. 6 показывает, что в канале относительной шириной около 1,5 - 2,0 заполненном мелкобитыми сильносплочёнными льдами толщиной 0,5 м ледовое сопротивление пр. RST 27 (рис. 6, кривая 1) в 1,5 - 2,0 раза превосходит аналогичный параметр у пр. 19614 (рис. 6, кривая 2). При этом ледовому сопротивлению пр. RST 27 свойственна значительно большая немонотонность в отличие от пр. 19614. При одинаковых функциях принудительного разгона в данных ледовых условиях продольные ледовые нагрузки пр. RST 27 очень быстро возрастают (примерно до уровня скорости 0,6 - 0,7 м/с), а затем следует ожидать их стабилизации в пределах 0,9 - 1,0 МН. Такой характер ледового сопротивления также указывает на то, что исследуемое судно способно преодолевать лёд преимущественно его раздвиганием и смятием. Последнее не оправдывает применение у судов с ледовым классом бульбообразных носовых оконечностей.

О 1-2

а

в

*

и

1 2

- • * ч

: ‘г * • ш 'V \ А у

* * ; , < •" . *

Д; * .4 * *-■ > д ’ . ш ** .* * З''

ч * ** * г " ' .V • у 1 • * *•* * * \ * *

г ' ***■ X * -г; 4 * ; ’ ;Л л, ^ . ** * *. *

3®' *• ''' г ; *-г *. * V ' ^ ь • • -г • 1

Скорость, м/с

Рис. 6. Сравнение скоростных зависимостей ледового сопротивления танкеров

пр. ЕЗТ27 и пр. 19614

Исследование влияния ширины канала на уровень ледового сопротивления танкера не выявило значимой корреляции этих характеристик (Рис. 7).

а

а

6

3

0.6

■ 12 3

V -

Л '/, | 1:

У :: ' Г1;

. | ; - г "■

1+ ). ** «У **’ 4 •

* , * *л У 5$ ■ ** */\ • /; Л •. ] **•

* /Л *• -•//• V • V. ; * */*' ** г-» • I \ * *. * • *0- * • - % . ' • • “V/*.. : 4 * / * ■

• ? V/ \ \г-/Х «ч /•*... / у ф

А г* Г~Ф/ -- жу ‘.V *“•. * — • С • *+ . V . Ли. . 1 ч* *** * *'

V 15*Д\ с Х-/:г: т \ ‘ •’ *А> " *'*** ? * ' * * * ■++ \у'. * - X ‘* _

%} . * к л'ь * V ,

у ®г */ У-**

1-5- 2 2.5 3

4.5 5

Скорость, м/с

Рис. 7. Скоростная зависимость ледового сопротивления танкера пр. ЯБТ27 в каналах

различной ширины

Сравнение кривых рис. 7 (1 - ширина канала 20 м; 2 - ширина канала 40 м; 3 - ширина канала 60 м) показывает, что в «рабочем» диапазоне увеличение ширины канала, заполненного мелкобитыми льдами, вряд ли ощутимо скажется на снижении уровня ледового сопротивления судна.

Относительно невысокий уровень сопротивления при его гораздо более высокой стабильности оказывает танкеру тёртый лёд даже значительной толщины и сплочённости. На рис. 8 это продемонстрировано кривыми ледового сопротивления (В - расчётная, А -сглаженные значения) при движении теплохода в тёртых льдах толщиной 0,5 ми сплочённостью 9 баллов.

XForce versus Time

Рис. 8. Временная зависимость ледового сопротивления танкера пр. ЯЗТ27 в тёртых льдах

Как показывает конечноэлементное моделирование, обусловлено это не только более низкой массой отдельных ледяных образований, препятствующих ходу судна. При движении в тёртых льдах канала впереди танкера образуется «ледовая подушка» соизмеримая с длиной судна, фронт которой перемещается с такой же скоростью. Эта «подушка», по-видимому, проявляет демпфирующие свойства. В таких условиях на ледовом сопротивлении значительно в меньшей мере сказываются естественные неровности кромок канала, изменения его ширины и кривизны.

Результаты статистической обработки данных численных экспериментов по оценке ледовой ходкости танкера в «рабочем» диапазоне ледовых условий показаны на рис. 9 (толщина мелкобитых и тёртых льдов до 0,65 м; сплочённость 6 - 10 баллов; относительная ширина ледового канала 2,0 - 2,5). Для сравнения на рис. 10, 11 приведены аналогичные функции, рассчитанные для сопоставимых условий по нормативной методике [1] и с учётом классических полуаналитических подходов [2,5].

4.5

Щ

% 4

О

И

О

Ж

15

0:5.

Сплочённость 10 бал 9 бал 8 бал 7 бал 6 бал Тёртый лёд

/ / 1 / / /

/ /

Ч У'' V X/ X ч ч / / 1

чч ж у / 'V N ч /X / X

ч Ч 4 ч. ч ч / /■

ч. \ NN '' ч ч \ X \ ч ч

N \\ ч \ \ % N

NN NN \\ N Ч N

\ \ \\ \ \ \

0 005 0 1 0.15 0.2 0.25 03 035 04 045 05 055 06

Толщина льда, м

Рис. 9. Кривые ледовой ходкости танкера пр. ЯБТ 27, полученные в результате численного

моделирования

Сплочённость 10 бал 9 бал 8 бал I 7 бал б бал Гёртьп 1 Лёд

Г /

* 1

"ч X, ■ ■ -— _ "---и

ч ч • • ‘

ч \

X ч ч.. \

X

X ч.

ч V

О 005 0 1 015 0 2 0 25 0.3 0 35 0 4 0 45 0.5 0.55 Об

Толщина льда, м

Рис. 10. Кривые ледовой ходкости танкера пр. Я$Т 27, рассчитанные по методике [1]

0 0 05 0 1 0 15 0.2 0 25 0 3 0 35 0 4 0 45 0.5 0 55 0 6

Толщина льда, м

Рис. 11. Кривые ледовой ходкости танкера пр. RST27, рассчитанные по методикам [2,5]

Первое, на что обращает внимание сравнительный анализ графиков (Рис. 9 - 11) - это слишком большой разброс в оценках расчётной ледовой ходкости судна. Согласно требованиям нормативной методики [1] она эквивалентна толщине мелкобитых льдов сплоченностью 9 баллов, преодолеваемых непрерывным ходом в канале при 20% уровне от достижимой скорости на чистой воде (при условии использования энергетической установки на полную мощность). При установленном РМРС ледовом классе «1се-1» для данного танкера расчётная ледовая категория должна находиться в пределах 0,4 м. Зависимости, показанные на рис. 9 - 11, показывают следующие величины этой характеристики: численный эксперимент - в пределах 0,45 м; методика [1] - около 0,8 м; методики [2,5] - немногим менее

0,2 м. Как видно, нормативная методика [1] даёт слишком завышенный результат (близкий к ледовому классу «1се-3»), методики [2,5] - недооценку реальной ледопроходимости теплохода.

Другой очевидный результат сравнения кривых рис. 10, 11 с данными численного эксперимента (Рис. 9) заключается в явном преувеличении нормативными и

полуэмпирическими методиками [1,2,5] влияния сплочённости мелкобитых льдов на ходкость судна. Как показывает практика ледового плавания и подтверждает конечноэлементное моделирование, влияние неровностей кромок канала, естественные изменения его ширины и направления довольно быстро сказываются на перераспределении сплочённости льдов в окрестностях подвижного судна. Поэтому данный фактор следует интерпретировать скорее как качественную (сильно усреднённую) характеристику льдов, нежели количественную.

Наименьшие расхождения в численных, нормативных и аналитических оценках ледовой ходкости танкера наблюдаются для тёртых льдов, хотя приемлемого согласия здесь также нет.

Таким образом, результаты конечноэлементного моделирования подтверждают установленный ледовый класс исследуемого судна с позиций ходкости во льдах. Однако обеспечивается это только за счёт значительно более мощной энергетической установки,

которая для однотипного судна с классическими носовыми обводами позволила бы иметь ледопроходимость на уровне ледового класса «1се-3».

Выводы

1. Использование бульбообразной носовой конструкции у танкера пр. ЯБТ 27 увеличивает его ледовое сопротивление в 1,5 - 2,0 раза в сравнении с однотипным судном, имеющим традиционные обводы.

2. Расчётная ледовая ходкость данного проекта соответствует ледовому классу, установленному РМРС. Но это соответствие достигнуто только за счёт значительной мощности главных двигателей.

3. Как нормативные, так и классические полуэмпирические методики не дают адекватной оценки ледовой ходкости судов с нетрадиционными формами носовой оконечности. При невозможности проведения натурных или модельных ледовых испытаний таких судов предпочтителен численный эксперимент, реализуемый, например, с помощью САЕ-систем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Инструкция. Требования к транспортным судам, предназначенным для эксплуатации в ледовых условиях и при отрицательных температурах воздуха. РД 212.014887. Руководящий документ по стандартизации, группа Т50. Утверждён и введён в действие МРФ РСФСР 27.11.1987 г. - Л.: Транспорт, 1989. - 20 с.

2. Каштелян В.И., Позняк И.И., Рывлин А.Я. Сопротивление льда движению судна. - Л.: Судостроение, 1968. - 238 с.

3. Лобанов В. А. Оценка ледовой ходкости судна численными методами.

Дифференциальные уравнения и процессы управления, №1, 2011. Электронный журнал, рег. №ФС77-39410 от 15.04.2010 ISSN 1817-2172,

http://www.math.spbu.ru/diffjournal/j/pdf/lobanov5.pdf

4. Лобанов В.А. Численные оценки ледовых качеств гребных винтов//Интернет-журнал «Науковедение». 2012 №4 (13) [Электронный ресурс].-М. 2012. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/51tvn412.pdf, свободный - Загл. с экрана.

5. Сандаков Ю.А. Об определении полного ледового сопротивления речных судов в битых льдах // Тр. ГИИВТА. Судовождение на внутренних водных путях. Горький, 1971. Вып. 116. ч. 2. с. 85 - 89.

6. Свидетельство о допустимых условиях ледового плавания. Циркулярное письмо главного управления Российского морского регистра судоходства № 314-2.2-547ц от 19 декабря 2011 г.

7. СНиП 2.06.04-82 Нагрузки от воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые, от судов). - М.: Стройиздат, 1983. - 38 с.

8. Формуляр маневренных характеристик танкера проекта RST 27 в балласте. -Н.Новгород.: ООО «Астра НН», 2011. - 35 с.

9. Hallquist J.O. LS-DYNA 950. Theoretical Manual. Livermore Software Technology Corporation. LSTC Report 1018. Rev. 2. USA, 2001. - 498 p.

10. Manfred Heer. Integration of the Rudder Propeller into the Ship’s Structure. Tugnology-2009. Amsterdam, 2009. - 41 p. - Режим доступа: http://www.schottel.de/ fileadmin/data/pdf/eng/Integration of the Rudderpropeller.pdf, свободный.

Рецензия: Клементьев Александр Николаевич, зав. кафедрой, доктор технических наук, Волжская государственная академия водного транспорта