CC BY
55
Известия ТИНРО
2012 Tom 168
ПРОМРЫБОЛОВСТВО
УДК 639.2.081.117.002.52
А.В. Славгородская1, А.И. Шевченко3, М.В. Китаев2, Б.К. Бобылев1*
1 Морской государственный университет им. адм. Г.И. Невельского, 690059, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а;
2 Дальневосточный федеральный университет,
690600, г. Владивосток, ул. Суханова, 8;
3 Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр, 690091, г. Владивосток, пер. Шевченко, 4
О ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ТРАЛОВОЙ ДОСКИ
Приводится анализ некоторых способов саморегулирования устойчивого движения траловой доски, как конструктивных, так и созданных посредством геометрического моделирования. Во всех описываемых случаях саморегулирование обеспечивается созданием условий для стремления всех действующих сил к некоторой геометрической точке или области, в которой приложенная результирующая сила гидродинамического давления не создает значительного по величине опрокидывающего момента. Предлагаемый графо-аналитический способ определения по форме идеализированного пограничного слоя области устойчивого давления, определяемого секториально-линейными координатами, рассмотрен на примере оптимизации геометрической формы методами компьютерного моделирования с помощью программ AutoCAD, 3Dmax и MathCAD в применении к такому объекту морской техники, как лопасть винта.
Ключевые слова: траловая доска, саморегулирование устойчивости движения, смещение центра гидродинамического давления, оптимизация геометрической формы, лопасть гребного винта.
Slavgorodskaya A.V., Shevchenko A.I., Kitaev M.V., Bobylev B.K. On hydrodynamic stability of trawl board // Izv. TINRO. — 2012. — Vol. 168. — P. 262-267.
Some constructive ways to self-regulation of the trawl board steady movement are analyzed. The self-regulation effect is provided by all effective forces tending to some geometrical point or area in which the resultant force of hydrodynamic pressure does not create any considerable tilting moment. Graphic-analytical method is proposed to define the area of steady pressure from the shape of conditional boundary layer. The method is applied for optimization of the trawl board shape using computer modeling by means of AutoCAD, 3Dmax, and MathCAD software. Several successful models of trawl boards with high hydrodynamic stability and modern propeller blades, which shapes were formed as a result of long historical development, are compared
* Славгородская Александра Владимировна, кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected]; Шевченко Анатолий Игнатьевич, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: [email protected]; Китаев Максим Владимирович, ассистент кафедры, e-mail: [email protected]; Бобылев Борис Константинович, кандидат технических наук, доцент.
and analyzed by the proposed method. Trawl boards and propeller blades are similar by their geometrical parameters and hydrodynamic regime, they both are intended for a bearing strength producing and both have a slender section as aerodynamic profile. Asymmetry of this profile causes bending-torsion fluctuations in both cases. The main sectorial-linear coordinates defining the boundaries of steady pressure area for both devices, which depend on the shape of boundary layer only, can be found under assumption that surface friction is significant in very thin layer. The trawl board construction could be optimized by tuning its flaps, which center of pressure has to be independent on the attack angle. Stable location of the pressure center is proper to the round flaps with spherical aerodynamic profile of relative thickness t = 26,6 % or with cylindrical profile of t = 18,5 %. These ratios are the basement for modeling of dynamically stable trawl boards. Another decision of the problem of hydrodynamic stability could be seen in marine nature: the shells of some scallops, as Mizuhopecten yessoensis, have a beautiful wavy shape that allows them to maintain hydrodynamic stability by capturing of boundary layer as stringers do.
Key words: trawl board, steady movement, centre of hydrodynamic pressure, aerodynamic profile, propeller blade.
Введение
В течение последних десятилетий произошло вытеснение тралового флота из наиболее продуктивных и хорошо освоенных шельфовых районов промысла в открытые пространства Мирового океана. Увеличение глубины и скоростей траления, повышение размеров тралов, рост тяговых усилий судов и промысловых механизмов, необходимость облова подвижных скоплений рыбы привели к резкому увеличению динамических нагрузок в различных частях траловой системы. Траловые системы все чаще стали работать в нестационарных режимах, т.е. в таких режимах движения, когда одновременно изменяются курс и скорость судна, длина вытравленных ваеров, глубина хода трала, силы сопротивления различных звеньев траловой системы, поверхностное и внутреннее волнение океана.
Для увеличения зоны облова и уловистости повышаются геометрические размеры траловых досок, что приводит к потере устойчивости движения и форм их равновесия. С этим связаны и так называемые заверты трала, количество которых повышается с увеличением глубины траления.
Повышения стабильности работы траловых досок можно добиться за счет уменьшения размеров кабелей или полного отказа от них, но в этом случае сократится обловленная площадь, с чем, как известно, связано снижение вылова за одно траление. Другой путь — выбор таких конструкций досок, у которых наблюдается стабилизация или малое смещение положения центра давления при изменении дифферента во время резкого притормаживания одного из ваеров в процессе погружения трала на глубину. Как правило, такие конструкции досок обеспечивают на рабочих режимах более или менее устойчивое положение, но в условиях волнения моря и бортовой качки необходимо, чтобы конструкция доски была саморегулируемая либо регулируемая акустическими или электрическими приборами.
Цель настоящей работы — анализ некоторых конструктивных и графоаналитических способов регулирования устойчивости траловой доски.
Результаты и их обсуждение
Некоторые конструктивные способы создания саморегулирования устойчивости движения траловой доски
Предлагаемые далее устройства обеспечения саморегулирования стабильности рабочего положения траловой доски являются только компьютерными моделями (рис. 1-2) и требуют конструктивной доработки.
а
б
J
Рис. 1. Стабилизирующие поворотные элементы траловой доски: а — обруч, б —
киль
Fig. 1. Stabilizing elements of trawl board: a — ring, б — keel
Рис. 2. Компьютерные модели стабилизирующих элементов в полости траловой доски: а — криволинейная труба с шариками; б — деформационный замок с падающим грузом; в — аналогичный вариант с выдвижными крыльями
Fig. 2. Computer models of stabilizing elements in the trawl board chamber: a — curved pipe with balls; б — deformation lock with falling load; в — deformation lock with sliding wings
Доска-волчок конструкции Э.М. Рыкунова (рис. 1, а) состоит из профилированного щитка круглой формы, вставленного в обруч, позволяющий щитку поворачиваться вокруг вертикальной оси (Рыкунов, 1974).
Для различных углов атаки доска может быть стабилизирована двумя способами: либо выбором определенной длины кабелей, либо с помощью подводного электромотора. По команде гидроакустического устройства щиток поворачивается и устанавливается на угол атаки либо смыкается с кольцом (угол атаки, равный нулю), тем самым доска выключается из работы.
Установка поворотных килей (рис. 1, б) уменьшает сопротивление при донном тралении, а при пелагическом лове поворотные кили автоматически разворачиваются таким образом, что становятся единым целым с распорным щитом и работают на распор (Рыкунов, 1974).
Также разработана траловая доска (А.с. № 528914) повышенной стабильности за счет совмещения центра тяжести с центром результирующей гидродинами-
ческих сил с использованием продольного отверстия (щели) и подвижного крепления дуг. Такая доска работает стабильно при любых режимах.
Приведенные на рис. 2 модели демонстрируют возможность управления положением траловой доски за счет добавления дополнительных уравновешивающих силовых воздействий.
Устройство внутри полости тралового щитка винтовой трубы с металлическими шариками, имеющими отверстия, и заполненной маслом повышенной вязкости (рис. 2, а), создает дополнительные инерционные силы, увеличивающие стабильность движения (Пат. № 72812). Труба одновременно является каркасом, обеспечивающим значительную жесткость.
Другой предлагаемый простой способ срыва импульсов авторотации — устройство аварийной стабилизации рабочего положения траловой доски. Внутри заполненной вязким маслом полости траловой доски находится подвесной груз, удерживаемый в верхней части башмака деформационным замком. Груз обрывается при опасных кренах и дифферентах (рис. 2, б, в).
Геометрическая форма как вариант, саморегулирования устойчивости равновесия траловой доски
Во всех вышеприведенных случаях саморегулирование устойчивого положения обеспечивается созданием условий для стремления всех внешних сил к некоторой точке или области (назовем ее областью устойчивого давления), в которой результирующая сила гидродинамического давления не создает значительного опрокидывающего момента. Эти условия создаются путем изменения формы изделия. Таким образом, геометрическая форма — это тоже вариант саморегулирования устойчивости движения доски за счет создания контуров поверхности, направляющей и концентрирующей поток воды. На рис. 3 изображены варианты траловых досок с наиболее стабильной геометрией.
Теория пограничного слоя в гидродинамике предполагает наличие трения на поверхности обтекаемого объекта. В случае равномерного обтекания толщина пограничного слоя может быть принята равной единице. Таким образом можно получить координаты теоретического центра гидродинамического давления на основе гидродинамической аналогии циркуляции скорости на границе жидкого крыла с распределением касательных напряжений в тонкостенных сечениях при изгибе.
а
Рис. 3. Варианты конструкции гидродинамически стабильной траловой доски V-образной формы (а) и ее трехмерная расчетная модель (б)
Fig. 3. Variants of hydrody-namically stable V-shape trawl board and its 3D-models
Предлагаемая методика определения центра результирующей сил поддержания аналогична технике определения центра сдвига для тонкостенных профилей (Slavgorodskaya, Lihacheva, 2007). Позиция центра сдвига, как правило, зависит только от геометрической формы сечения тонкостенного профиля или, в нашем случае, от формы идеального пограничного слоя (Славгородская, Лихачева, 2007).
Естественны некоторые общие черты и закономерности в гидродинамике лопасти винта и траловой доски. Оба объекта тонкостенные или имеющие аэродинамический профиль и нацелены на одну задачу — создание большей подъемной (для траловой доски распорной) силы. Несимметричность профиля в обоих случаях добавляет к общей деформации изгибно-крутильные колебания (Slavgorodskaya, 2010a, b). В лопасти винта они устраняются путем совпадения центра тяжести лопасти с центром кручения (он же упругий центр), известны винты с саблевидным профилем, для которых это совпадение очевидно.
Предположим, что существует область устойчивого давления, для которой результирующая касательных сил сопротивления трению по поверхности обтекаемого профиля не вызывает значительных дополнительных моментов, а стремится к центру тяжести сечения. Если сечение несимметричное, то совместить эти точки в его пределах невозможно, однако их можно совместить в пределах пространства. Соответствующий поворот сечений лопасти дает совмещение результирующей гидродинамических сил с центром тяжести лопасти (рис. 4).
Можно предположить, что лопасть винта — это результат длительного экспериментального отбора, она представляет собою в некотором приближении обтекаемый объект идеального профиля. Тогда условие стремления к нулю главных секториальных координат пограничного слоя присоединенной массы воды, имеющего вид тонкостенного упругого элемента единичной толщины, является одним из параметров оптимизации формы:
где 1, — главные осевые моменты инерции, см4; а , ау — главные сектораль-
ные координаты, см; Б,, Бт — секториально-линейные статические моменты сечений пограничного слоя присоединенной массы воды относительно главных осей инерции, см5.
Лопасть гребного винта можно считать конструкцией, сравнимой по геометрическим параметрам и по степени нагруженности с траловой доской.
В результате проведенных экспериментальных исследований по выбору оптимальной конструкции гидродинамического щитка для вертикального раскрытия устья трала исследователи ТИНРО пришли к целесообразности применения щитков, у которых обнаружено стабильное независимое от углов атаки положение центра давления (Рыкунов, 1974). Стабильное положение обнаружено у
Современные возможности компьютерного моделирования позволяют разрабатывать и оптимизировать новые геометрические формы, анализировать гидродинамику (объекта программы COSMOSFb Works, ANSYS и т.д.)
\ Покажем это на примере лопасти винта.
Рис. 4. Вариант лопасти гребного винта Fig. 4. Surface-volumetric sectional views of propeller blade
^ 0, av = ^ ^ 0,
V Jv
(1)
‘li
J
u
v
щитков круглой сферической формы аэродинамического профиля при относительной толщине сечения (t) в носовой части 26,6 % и у аналогичного профиля круглого цилиндрического щитка с t = 18,5 %:
t = - , (2)
D
где t — относительная толщина профиля, D — диаметр щитка.
Совпадения упругого центра сдвига с центром результирующей касательных сил сопротивления, обусловленных вязкостью воды, можно добиться симметричностью тонкостенного профиля или применением полой конструкции.
Одной из причин неустойчивости траловой доски могут быть упругие деформации щитка, для исключения которых на практике применяются “ребра жесткости” (стрингеры), ограничивающие распространение крутильных деформаций. Аналогичным образом в авиации влияние касательных сил поверхностного трения пограничного слоя устраняется внешними элеронами.
В промышленном рыболовстве существует профильный щиток повышенной устойчивости для вертикального раскрытия трала (Мельников, Лукашов, 1981).
Заключение
Таким образом, нами рассмотрены некоторые конструктивные (с помощью дополнительного импульса перемещения груза, шариков или выдвижных крыльев) и созданные посредством геометрического моделирования способы саморегулирования устойчивости движения и равновесия траловой доски. В результате предложена объемная модель упруго деформированной траловой доски, обтекаемой пограничным слоем единичной толщины. Графо-аналитический способ определения области устойчивого давления по форме пограничного слоя может служить для оптимизации геометрической формы траловой доски методами компьютерного моделирования с помощью программ AutoCAD, 3Dmax и MathCAD.
Предлагаемый в данной работе параметр оптимизации секториально-линей-ных характеристик идеализированного пограничного слоя авторам в литературе не встречался.
Список литературы
А.с. № 528914 (СССР). Распорная траловая доска / В.И. Сеславинский. — Заявл. 03.12.74; Опубл. 25.09.76.
Мельников В.Н., Лукашов В.Н. Техника промышленного рыболовства. — М. : Легк. и пищ. пром-сть, 1981.
Пат. № 72812 U1. Траловая доска / А.В. Славгородская, М.В. Славгородский, Д.Ю. Проскура, В.А. Останин. — Заявл. 01.01.2008; Опубл. 10.05.2008; Бюл. № 13.
Рыкунов Э.М. Глубоководное траление. — Владивосток : ОНТИ ЦПКТБ Дальры-бы, 1974. — 89 с.
Славгородская А.В., Лихачева В.В. Влияние упругих деформаций на устойчивость равновесия траловой доски // Изв. ТИНРО. — 2007. — Т. 150. — С. 372—378.
Slavgorodskaya A.V. Graphics optimization of the screw blade by the hydro elastic analogy to friction boundary layer // The 5th Asia-Pacific Workshop on Marine Hydro-dymics-APHydro2010. — Osaka, 2010а.
Slavgorodskaya A.V. Graphics & analytical optimization of mathematical representation of surfaces of the rowing screw for the purpose to creation of the constructive forms possessing properties of self-regulation hydrodynamic stability // TEAM 2010. — Vladivostok, Russia, 2010b.
Slavgorodskaya A.V., Lihacheva V.V. Taking in account of the influence of the elastic forces center on the otter board motion and balance stability // The 21st Asian-Pacific Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures. — Yokohama, Japan, 2007. — Р. 45-51.
Поступила в редакцию 30.05.11 г.
