CC BY
29УДК 629.124.79
Зуев Валерий Андреевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Кораблестроение и авиационная техника» ФГБОУ ВО «НГТУ» e-mail:ship@nntu.ru
Калинина Надежда Викторовна, к.т.н., доцент кафедры «Кораблестроение и авиационная техника» ФГБОУ ВО «НГТУ» e-mail: nvk5133@mail.ru
Москвичева Юлия Анатольевна, к.т.н., ассистент кафедры «Кораблестроение и авиационная техника» ФГБОУ ВО «НГТУ» e-mail: moskviceva@yandex.ru
Себин Андрей Сергеевич, аспирант кафедры «Кораблестроение и авиационная техника» ФГБОУ ВО «НГТУ» », e-mail: asebin@nntu.ru Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.
МОДЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЛЕДОКОЛЬНОЙ ПЛАТФОРМЫ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ В ПОЛЕ МЕЛКОБИТОГО ЛЬДА
Ключевые слова: ледокольная платформа на воздушной подушке (ЛПВП), битый лед, сопротивление, модель ЛПВП, моделирование ледовых условий, экспериментальные исследования.
Аннотация. В статье приведены предварительные экспериментальные исследования сопротивления воды и мелкобитого льда при движении модели ледокольной платформы на воздушной подушке в опытовом бассейне Нижегородского государственного университета им. Р.Е. Алексеева. Описана модель битого льда, условия моделирования при взаимодействии судна с битым льдом и способ пересчета результатов испытаний на натурное судно. Получены кривые буксировочного сопротивления модели и натурного судна при движении в воде, в битом льду толщиной 0,65 м для ЛПВП, спроектированной для работы в Обско-Тазовской губе. Полученные данные представляют также интерес для разработки модели лабораторного льда композитной конструкции.
Введение
Большинство морских путей России в течение длительного времени покрыты льдом, что затрудняет их круглогодичное использование. В связи с этим большое значение приобретают мероприятия, направленные на продление сроков навигации на замерзающих участках водных путей.
Универсальным средством проведения ледокольных работ являются ледоколы. Однако традиционные суда-ледоколы имеют ряд недостатков: их коэффициент полезного действия невысок; строительная стоимость, эксплуатационные расходы и энергетические затраты на разрушение льда велики. Применение ледокольных платформ на воздушной подушке (ЛПВП) позволяет существенно расширить возможности ледокольных средств и решать задачи по увеличению объемов перевозок народно-хозяйственных грузов в северные районы.
В Нижегородском Государственном техническом университете (НГТУ) спроектирована ледокольная платформа на воздушной подушке (ЛПВП) для круглогодичной работы в Обско-Тазовской губе. ЛПВП предназначена для прокладки ледового канала шириной до 28 м во льду толщиной до 1,5 м и работы в качестве транспортного пон-
тона для перевозки тяжеловесных и крупногабаритных грузов в ледовых условиях и на чистой воде. Использование ЛПВП является эффективным техническим средством для разрушения ледяного покрова, прокладки ледового канала для прохода судов и вывода судов из «ледового плена» [1]. Такие платформы могут работать на мелководных участках, где ледоколы работать не могут. При этом снижаются энергетические и эксплуатационные расходы при выполнении ледокольных работ.
Натурные испытания судна являются достоверным, но самым дорогим способом прогнозирования его ледовых качеств. Следовательно, прибегают к испытаниям моделей судов в опытовых бассейнах. Поэтому вопросы моделирования движения судов во льдах и прогнозирования ходкости являются актуальными.
1. Моделирование ледовых условий в опытовом бассейне
Основной проблемой моделирования ледового сопротивления является создание физической модели льда, адекватно отображающей его взаимодействие с судами в натурных условиях [2]. Теоретические обоснования моделирования движения судов во льдах разработаны в середине прошлого века Ю.А. Шиманским и Л.М. Ногидом [3], а практические приемы развивались сотрудниками ААНИИ и Крыловского научного центра [4]. Но до сих пор полностью адекватную модель льда еще не создали [5,6,7,8], и речь идет о частичном моделировании.
При движении модели необходимо выполнить условия моделирования как в отношении модели, так и в отношении окружающей среды. Геометрическое моделирование сомнений не вызывает, но при испытаниях модели ЛПВП важно, чтобы ее аэродинамическая схема (рис. 1) соответствовала аэродинамической схеме натурного судна. Это условие было выполнено.
Рис. 1. Аэродинамическая схема модели
Выполнение условий кинематического и динамического подобия при испытаниях ледокольных платформ на воздушной подушке требует некоторых пояснений.
Составляющие сопротивления окружающей среды можно представить в виде [1,6,9]:
К = ^а/д + Кг/д + Кл , (1)
где Я - полное сопротивление;
Яа/а - аэродинамическая составляющая сопротивления; Яг/д - гидродинамическая составляющая сопротивления; Ял - ледовое сопротивление.
Поскольку скорости движения ЛПВП невелики, аэродинамической составляющей можно пренебречь, хотя ее вычисление затруднений не вызывает [10].
В гидродинамическом сопротивлении модули кинематического подобия
как правило, одновременно выполняться не могут, и при испытаниях определяется остаточное сопротивление при Fr = idem, а сопротивление трения, зависящее от числа Рейнольдса, определяется математически [6].
В формуле (2): Fr - число Фруда; v - скорость движения; Re - число Рейнольдса; L - длина судна;
g - ускорение свободного падения; у - коэффициент кинематической вязкости.
Основные трудности при модельных испытаниях возникают при моделировании ледового сопротивления.
При моделировании движения в битых льдах условия подобия несколько упрощаются и сводятся к следующему:
в _ в ' ;/н = /м; £н= £м , (3)
рл;м ^рл
где рв, рл - плотности воды и льда; индексы «н» и «м» применены для натурного судна и модели соответственно; /н,м - коэффициент трения льда о гибкое ограждение материала натуры и модели; - сплоченность битого льда.
Для имитации битого льда наиболее подходить полиэтилен высокого давления [1]. Его характеристики рм = 0,9 т/м2; / и 0,075 ... 0,080.
Плотность натурного льда рл = 0,87-0,91 т/м2, коэффициент трения материала гибкого ограждения о лед /н = 0,080 ... 0,085.
Размеры льдин в плане можно принимать равными 5-7 толщинам льда, что соответствует разрушению ледяного покрова при изгибе.
Большое разнообразие ледовых условий, нестабильность характеристик битых льдов делают достаточно сложным выполнение многочисленных условий, характеризующих обстановку (в том числе форму и размеры отдельных льдин) [12].
Поэтому в эксперименте движение судна моделируется приближенно в некоторой условной среде с обломками льда. Условия подобия соблюдаются в отношении наиболее важных характеристик битого льда (толщины льдин, сплоченности, коэффициентов трения льда о гибкое ограждение, плотности). Это дает возможность моделировать битый лед с помощью пластинок из полиэтилена высокого давления.
Результаты экспериментов в этом случае моделирования по Фруду пересчитыва-ются следующим образом:
- линейные размеры (длина судна Ь, ширина судна В, высота гибкого ограждения Нго, толщина льда к):
Ьн = X Ьм: Вн = X Вм: = АЯ^ /?н = ХИЫ:
- водоизмещение Б: Бн = /-3Д,,
- давление в воздушной подушке РВгь ~ ^я^ -
- расход воздуха из воздушной подушки ОВП: = А2 5(2еп^,
- скорость движения у: ун = л/Х ум ,
- сопротивление среды Я: Ян = Х3Ям .
Следует отметить, что неучет моделирования по Рейнольдсу вносит некоторые погрешности в пересчет результатов на натурное судно. Поскольку сопротивление льда намного выше гидродинамического, это добавляет незначительные погрешности в сторону увеличения сопротивления.
Сложность процессов взаимодействия судов и сооружений со льдом далеко не всегда позволяет составить достоверную математическую модель такого взаимодействия. Поэтому приходится проводить специальные экспериментальные исследования на моделях в ледовых опытовых бассейнах. Обычно такие испытания проводят в модели ледяного покрова при отрицательных температурах воздуха. Но испытания можно проводить и не в специальных ледовых бассейнах при положительных температурах воздуха. Такие испытания проведены в 2019 году в НГТУ.
2. Модель ЛПВП
Для испытаний использована модель ЛПВП, выполненная из оргстекла и дерева в масштабе 1:32,5 (масштабный коэффициент Х= 32,5).
Модель платформы на воздушной подушке имеет следующие основные характеристики:
- длина расчетная - 900 мм;
- ширина расчетная - 800 мм;
- высота корпуса - 132 мм;
- длина по воздушной подушке - 740 мм;
- ширина по воздушной подушке - 640 мм;
- высота гибкого ограждения - 175 мм;
- клиренс - 63 мм;
- форма гибкого ограждения - сегментная;
- материал гибкого ограждения - болонья;
- масса модели варьировалась от 21,0 кг до 22,85 кг;
- вентилятор - центробежный;
- электродвигатель постоянного тока Д-400П с мощностью 400 Вт.
Фото модели ЛПВП при испытаниях над твердым экраном приведено на рис. 2.
Рис. 2. Модель при испытаниях над твердым экраном
3. Модель битого льда
Испытания описанной модели проведены на чистой воде и в битом льду. Битый лед имитировали плитки и гранулы полиэтилена высокого давления. Плитки полиэтилена высокого давления представляли собой форму равнобедренного прямоугольного треугольника с катетами 100x100 мм и толщиной 20 мм (рис. 3), а шарики полиэтилена имели диаметр 20 мм (рис. 4). Плотность полиэтилена рл = 0,9 т/м3, коэффициент трения о материал гибкого ограждения / = 0,075.
При приготовлении льда композитной конструкции предложены гранулы из полиэтилена высокого давления, частично вмораживаемые в лед при отрицательных температурах воздуха [11]. Плотность упаковки такого льда составляет 0,604.
Для оценки сопротивления модели испытания проводились в плитках и гранулах без их заморозки.
Ледовый опытовый бассейн НГТУ оборудован гравитационной буксировочной системой. Общая схема бассейна и гравитационной системы показаны на рис. 5.
Чаша бассейна, расположенная во дворе 5 корпуса НГТУ, имеет длину 15,6 м, ширину 1,6 м и глубину 0,85 м.
Бассейн оборудован гравитационной системой, натяжным и буксировочным устройствами. Датчик скорости представляет собой фоторезистор, импульсы от которого передаются на частотомер и выводятся на компьютер. Сопротивление измеряется весом падающего груза.
Рис. 3. Треугольные плитки полиэтилена 20x100x100 мм
Рис. 4. Шарики полиэтилена диаметром 20 мм
4. Ледовый опытовый бассейн
Рис. 5. Гравитационная буксировочная система: 1 - бассейн; 2 - мачта;
3 - буксировочный груз; 4 - направляющий блок; 5 - бесконечный трос;
6 - ведущий шкив; 7 - ведомый шкив; 8 - диск с отверстиями; 9 - тележка устройства натяжения; 10 - груз натяжения; 11 - датчик скорости
При испытаниях модели измерялись:
- масса модели (взвешиванием);
- давление в воздушной подушке (по расчетной диаграмме и контролю по дифференциальному манометру);
- расход воздуха (по калибровочной диаграмме);
- скорость движения модели (по частотомеру);
- сопротивление (по весу буксировочного груза).
5. Результаты испытаний
Фрагменты испытаний модели ЛПВП на чистой воде в плитках полиэтилена высокого давления толщиной 20 мм и в гранулах полиэтилена диаметром 20 мм приведены на рис. 6, 7, 8.
Рис. 6. Фрагмент испытаний модели ЛПВП на чистой воде
Рис. 7. Фрагмент испытаний модели ЛПВП в треугольных плитках полиэтилена
Рис. 8. Фрагмент испытаний модели ЛПВП в гранулах полиэтилена
Результаты испытаний модели ЛПВП представлены на рис. 9. Сопротивление модели ЛПВП на рис. 8 приведено для следующих характеристик: водоизмещение Ц*=21 кг; расход воздуха 0вп=0,025 м3/с; давление воздушной подушки Рвп = 430 Па.
Рис
.1 0.2 0,3 0.4 0,5 0,6 0,7 0.8 0,9 1 9. Буксировочное сопротивление модели ЛПВП
0 1 2 3 4 5 в V, м/с
Рис. 10. Буксировочные кривые для натурной ЛПВП
6. Результаты пересчета модельных испытаний на натурное судно
Пересчет на натурное судно выполнен по приведенным зависимостям и представлен на рис. 10.
Сопротивление натурной ЛПВП на рис. 8 приведено для следующих характеристик: водоизмещение Дн=721 т; расход воздуха 0вп=150 м3/с; давление воздушной подушки Рвп = 13,9 кПа; толщина битого льда А=0,65 м; сплоченность битого льда примерно 9 баллов. Плотность упаковки шариков составила 0,604.
Заключение
В результате испытаний получены кривые буксировочного сопротивления в воде, в битом льду для ЛПВП, спроектированной для работы в Обско-Тазовской губе.
Получено влияние модели мелкобитого льда шарообразной формы. Этот случай может соответствовать движению судна в шуге. Полученные данные представляют также интерес для разработки модели лабораторного льда композитной конструкции.
Пересечение кривых сопротивления в воде и в битом льду на скоростях при числах Фруда Fr > 20 связано с образованием корабельных волн. Лед на поверхности воды уменьшает их амплитуду и приводит к некоторому снижению сопротивления.
Выявлено, что неучет моделирования по Рейнольдсу вносит некоторые погрешности в пересчет результатов модельных испытаний на натурное судно. Но с учетом того, что сопротивление льда намного выше гидродинамического, это приводит к незначительной погрешности в сторону увеличения полного сопротивления.
Работа выполнена при поддержке Федерального центра фундаментальных научных исследований, № проекта 19-08-00820.
Список литературы:
[1] Зуев В.А. Средства продления навигации на внутренних водных путях. - Л.: Судостроение, 1986. - 208 с.
[2] Zuev V.A., Gramuzov E.M., Appolonov E.M. And Vaganov A.B. Physical simulation of ice cover for investigation into icebreaking ship performance // International Journal of Mechanical Engineering & Technology (IJMET) - Scopus Indexed.Volume: 9, 2018. Issue: 11, Pages: 1637-1646.
[3] Шиманский Ю.А. Теория моделирования движения судна в сплошном ледяном поле. Современные вопросы ледоколостроения / Ю.А. Шиманский . - Л.: Гидрометеоиздат, 1960. 89 с.
[4] Сазонов К.Е. Методы коррекции экспериментальных данных по ледовой ходкости судна в модельных и натурных условиях // Полярная механика, №3, 2016. С.406-416.
[5] Беляков В.Б. Экспериментальные исследования ледопроходимости судов в новой модели льда // Проектирование средств продления навигации: Межвуз. Сб. Горьков. Политехн. Ин-та. Горьки1, 1986. С. 79-84.
[6] Ионов Б.П., Грамузов Е.М. Ледовая ходкость судна.: -СПб.: Судостроение, 2001. - 512 с.
[7] Enkvist E. Ice model tests as a ship design tool/ Proceeding of the IAHR Ice Symposium. 1990.Vol.1. P.15-45. Espoo, Finland.
[8] Timco G.W. EG/AD/S/F new type of model ice for refrigerated towing tanks // Cold Regions Science and Technology, Vol. 2, 1986. P. 175-195.
[9] Зуев В.А., Москвичева Ю.А. Прогнозирование сопротивления окружающей среды при проектировании ледокольных платформ на воздушной подушке. Судостроение №4, СПб, 2017. С. 11-13.
[10] Демешко Г.Ф. Проектирование судов. Амфибийные суда на воздушной подушке. Т.1. СПб.: Судостроение, 1992. - 329 с.
[11] Зуев В.А., Грамузов Е.М. Новые подходы к моделированию ледовой среды при модельных испытаниях судов // Полярная механика, №3, 2016. С. 31-42.
[12] Москвичева Ю.А. Влияние битого льда на сопротивление воды при движении судов ледового плавания // Транспортные системы. 2017. № 2 (5). С. 10-15.
MODEL TESTS OF ICEBREAKING PLATFORM ON AIR CUSHION IN BROKEN ICE
Zuev Valeriy A., Doctor of Engineering sciences, Professor,
Head of Department «Shipbuilding and aircraft engineering»
Nizhny Novgorod State Technical University, named after R.E. Alekseyev
Kalinina Nadezhda V., Candidate of Engineering sciences, associate professor
of the department «Shipbuilding and aircraft engineering»
Nizhny Novgorod State Technical University, named after R.E. Alekseyev
Moskvicheva Yuliya A., Candidate of Engineering sciences, assistant
of the department «Shipbuilding and aircraft engineering»
Nizhny Novgorod State Technical University, named after R.E. Alekseyev
Sebin Andrey S., assistant of the department «Shipbuilding and aircraft engineering»
Nizhny Novgorod State Technical University, named after R.E. Alekseyev
24, Minin st., Nizhny Novgorod, 603950
Keywords: icebreaking platform on air cushion, broken ice, resistance, model of icebreaking platform, modeling of ice conditions, experimental studies.
Annotation. Preliminary experimental studies of the resistance of water and broken ice during the movement of a model of icebreaking platform on air cushion in the experimental basin of the Nizhny Novgorod State University are presented in the article. A model of broken ice, modeling conditions for the interaction of a ship with broken ice and a method for converting test results of model to a full-scale ship are described. Curves of resistance to movement of a model and full-scale ship in water, in broken ice with a thickness of 0,65 m for icebreaking platform, designed to work in the Obsko-Tazovskoy Bay were received. The data of the model experiment are of interest for the development of a model ice of composite structure.
References:
[1] Zuev V.A. Sredstva prodlenija navigacii na vnutrennih vodnyh putjah. - L.: Sudostroenie, 1986. -208 s.
[2] Zuev V. A., Gramuzov E.M., Appolonov E.M. And Vaganov A.B. Physical simulation of ice cover for investigation into icebreaking ship performance // International Journal of Mechanical Engineering & Technology (IJMET) - Scopus Indexed.Volume: 9, 2018. Issue: 11, Pages:1637-1646.
[3] Shimanskij Ju.A. Teorija modelirovanija dvizhenija sudna v sploshnom ledjanom pole. Sovremennye voprosy ledokolostroenija / Ju.A. Shimanskij . - L.: Gidrometeoizdat, 1960. 89 s.
[4] Sazonov K.E. Metody korrekcii jeksperimental'nyh dannyh po ledovoj hodkosti sudna v model'nyh i naturnyh uslovijah // Poljarnaja mehanika, №3, 2016. S.406-416.
[5] Beljakov V.B. Jeksperimental'nye issledovanija ledoprohodimosti sudov v novoj modeli l'da // Proektirovanie sredstv prodlenija navigacii: Mezhvuz. Sb. Gor'kov. Politehn. In-ta. Gor'ki1, 1986. S. 79-84.
[6] Ionov B.P., Gramuzov E.M. Ledovaja hodkost' sudna.: -SPb.: Sudostroenie, 2001. - 512 s.
[7] Enkvist E. Ice model tests as a ship design tool/ Proceeding of the IAHR Ice Symposium. 1990.Vol.1. P.15-45. Espoo, Finland.
[8] Timco G.W. EG/AD/S/F new type of model ice for refrigerated towing tanks // Cold Regions Science and Technology, Vol. 2, 1986. P. 175-195.
[9] Zuev V. A., Moskvicheva Ju. A. Prognozirovanie soprotivlenija okruzhajushhej sredy pri proektirovanii ledokol'nyh platform na vozdushnoj podushke. Sudostroenie №4, SPb, 2017. S. 11 -13.
[10] Demeshko G.F. Proektirovanie sudov. Amfibijnye suda na vozdushnoj podushke. T.1. SPb.: Sudostroenie, 1992. - 329 s.
[11] Zuev V.A., Gramuzov E.M. Novye podhody k modelirovaniju ledovoj sredy pri model'nyh ispytanijah sudov // Poljarnaja mehanika, №3, 2016. S.31-42.
[12] Moskvicheva Ju.A. Vlijanie bitogo l'da na soprotivlenie vody pri dvizhenii sudov ledovogo plavanija // Transportnye sistemy. 2017. № 2 (5). S. 10-15.
Статья поступила в редакцию 22.04.2019 г.
