CC BY
9А.Н. Клементьев
Математическая модель плоского движения судна при заходе в камеру шлюза предельно ...
Статья поступила в редакцию 27.04.2016 г.
УДК 656.6.052.4:629.5.015.26
A.С. Криницын, аспирант ФГБОУВО «ВГУВТ»
B.И. Тихонов, д.т.н., профессор ФГБОУ ВО «ВГУВТ» Р.С. Хвостов, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ КОРПУСНЫХ УСИЛИЙ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ МЕЛКОВОДЬЯ
Ключевые слова: судно, мелководье, гидродинамические характеристики, корпус судна.
В статье проанализированы существующие методы определения гидродинамических характеристик в условиях мелководья. Предложена усовершенствованная методика расчета поперечных составляющих корпусных усилий, действующих на судно в зависимости от уменьшения глубины судового хода. Определены пути дальнейшего исследования вопроса расчета гидродинамических характеристик в условиях мелководья.
На основании циркуляционно-отрывной теории крыла предельно малого удлинения, разработанной К. К. Федяевским [6] и Г. В. Соболевым [4], определены зависимости величин Cy и C от кинематических характеристик криволинейного движения судна [1]:
Cyr = Cjß + c2 га + c3ß|ß| + c4ß|rä| + c5 rä|rä|; (1)
Cmr = mß + m2га + m3ß|ß| + m4ß|rä| + m5rä|rä|. (2)
Методика определения коэффициентов поперечной силы и ее момента применительно к грузовым судам, с учетом влияния ограниченной глубины на параметры установившегося циркуляционного движения судна, разработанная Павленко В.Г. и Вьюговым В.В. имеет следующий вид [2]:
Cyr = Cjß + С2га + cß|ß| + С4^|ю|; (3)
Cm = m$ + m2 га , (4)
Однако данный способ не учитывает увеличения скорости обтекания погруженной части судового корпуса вследствие уменьшения глубины судового хода. В этой связи предлагается ввести коэффициент, учитывающий данное влияние:
Cf (ПИ) =1+ 5/(T/H )]2, (5)
где öj - соотношение коэффициентов полноты водоизмещения составных частей корпуса, а именно:
5 =5,,/5ц ; (6)
5 =575ц ; (7)
\ =5„/ 5ц = 1. (8)
Здесь 8н ,8к ,5Ц - коэффициенты полноты водоизмещения соответственно носовой, кормовой частей корпуса и цилиндрической вставки.
Для определения функциональной зависимости F = f TH) за основу берется методика подсчета коэффициентов ГДХ, полученная В.И. Тихоновым, которая учитывает индивидуальные геометрические характеристики погруженной части судна на глубокой воде [5]:
Cxr = (шАо + ^ + Fr2^ cos2 p)cos2 р + + Ш2Ax¡ \sin р cos р + ША sin2 р - 1 ® sin р ; (9)
C = C + C + C + C + C =
уГ Уцир Уотр yV yW уе
= A + Ak )sin ß cos ß - (A, + A2¡¡ - A2 - AJ'jrä cos ß
+ (A + AV + A3w )Si'n2 ß - (a4 + a4v + a4w )® sin ß + + (a5 + A + A5w )®2;
+
(10)
C = C + C + C + C + C =
тГ тцир тотр mV mW me
= (ß1 + Bh )sin ß cos ß - (B2 + B2¡¡ + B2 - B2")rä cos ß +
(B3 + B3v + B3w )sin2 ß-(B4 + B4v + B 4w )® sin ß
+ (B5 + B5v + B5w )ш2.
(11)
В ходе исследования по определению вязкостного сопротивления воды поперечному движению судна Хвостовым Р.С., была предложена следующая структурная зависимость коэффициентов Cy и Cm [7]:
Cyr + 2ДСтг = тшcosß . (12)
Руководствуясь предложенными Тихоновым В.И. формулами [5] для расчета коэффициентов Ai, Aie, A2, A2e , A2, А, A3, Азу , A3w , A4, A4y , A4w , А5 , А5г
, A5w , Bl, Bie , B2, B2e , B2, B , B3, B3v , B3w , B4 , BV , B4W , B5V , B5W и задаваясь условиями f = f {t/h ) и F = 0 на глубокой воде, принимая во внимание коэффициент C f {t/h ) влияния мелководья в зависимости от типа погруженной части судового корпуса, вышеупомянутые формулы примут следующий вид:
AiM = 2tsinqHcosqH {l + 5„f)2-lKsinqKcosqK {l + 5„f)2 ); (13) A4 = {5 «l« sin q« cos q«{l + 5«F)2 +5 ~lK sin qK c°s qK {l + 1KF)2); (14)
А. С. Криницын, В. И. Тихонов, Р. С. Хвостов
Определение поперечных составляющих корпусных усилий с учетом влияния мелководья
Л2и = (0,25а2 -¡2цн)sinqH cosqH(l + \f) + + (0,25а2 -l2K)sinqxcosqK(l + IkF) ;
5н(o,25c2 - l2H)sinqHcosqH(l + \f) -
5k(o,25cK - 1ц1 )sinqxcosqK(l + IkF)
Л2и = B (U cos2 qH (l + 5нF)2 + 5JK cos2 qK(l + 5kF)2); (I7)
Л"и = B (UA» cos2 qH (l + 5F )2 -5 JKAW cos2 q (l + 5KF )2); (l8)
B9
Л2 =—
20м T
A* = Fr2 iOOt^m = Fro2 TOOr 2 qн(l + 5f) +
+ 1Л sin2 qK(l + 5kF)2 + 1цЛ1ц (l + F)2); Л4и = (o,25c2 - ¡2 )ЛУн sin2 qH (l + ^f)2 -
(0,25^к2 - l4l У7к sin 2 qK (l + 5KF)2 + (g - \ЦК k (l + F)2;
,K -KV / \Чн цк г Гц
BL/„„-2 72 V, - -V
Л4 = Fr,02 —^Л4 = Fr02 —L— [(о,25с2 -12 )л sin2 q (l +5 F) u 0 lOOT 0 100T н
- (о,25c2 -12 )л sin2 q (l + 5 F)2 + (/2 -12 )л (l + F)2 I;
V' к цк! у к 1к\ к / \цн цк! Уц\ 'У
Л5и = 3[(0,l25c3 - II)Лун sin2 qH (l + 5HF)2 + + (o,125c3 - p )Л sin2 q (l + 5 F)2 + (/3 + /3 )л (l + F):
V ' к цк Г у к Ак\ к ! \цн цк! Уц\ /
B |„ I---- .3 73
= ^W4« = Fro2300T [(0,125сн -С k„sm2 qH (l + 5нF)2 + + (0,l25cK - Рщ )Лук sin2 qK (l + S^)2 + fc + £ )Луц (l + F)2 J;
(15)
(16)
L
L
Лзи = lHAu sin2 qH (l + )2 +lA sin2 qK(l + 5KF)2 + 1цЛ,и (l + F)2; (19) Лзи = Qy T = Cvy B 1н5н (l + 5F)2 + /цРи (1 + F)2 +1 5k (1 + 5kF)2); (20)
(21)
(22)
Л4 = CVB|5 (o,25c2 -P )(l +5 F)2
4Vu Vy T н н ц (23)
■ (23)
■5к(0,25cK -l24K)(l + 5kF)2 +Риfc -l24K)(1 + F)2 J;
(24)
(25)
Л5 = CVB |5 (о,125с3 -P )(l + 5 F)2 +
5v„ Vy н V ' н уЛ н > (26)
+ 5к (о,125с3к -13 )(l + 5kF)2 + Ри (С + /3к )(l + F)2 J;
(27)
в, = л = ™
1»м 2<>м Т
в,м = Лм = (°,25< - Рщ)втднсавдн(1 + 5н^)2 + + (°,25< -Рцк)*тдкса*дк(1 + 1^) ;
5н (о,25с2 - Рцн дн саз дн (1 + )2 -5к(°,25< - Рщ )ятдкса8дк(1+ 5^)2 В1м = 3 [(°,125< - Рця )«п дн саз дн (1 + )2 -
- (0Д25а3к - 1Цк^п дк сы дк(1 + 1кР)2 ;
2В9 Г5Я (°Д25< - С)«и дн с™ дн (1 + )2 +
В2 =
2вм
3Т
+ 5 к (°д25<з к-С дса д(1 + 5кЕ)2 5к (°,25<к - С)сая2 дк (1 + 5^)
5н (°,25<н - С )сая2 дн (1 + 5нЕ)2
21 5н (°,25<н - 1ц1 )Ан саз2 дн (1 + 5нF)2 + + 5к(°,25<2 - 1ц\Ксая2 дк(1 + ЪКЕ) ;
(°,25<н - С К,™2 дн (1 + 5н^ )2 -
(°,25с2 - Р )а я\п2 д (1 + 5 Е)2 + (/2 -Р )а (1 + Е)
V ' к цк! Чк 1к\ к ! \цн цк! Чц\ /
ВзУм = °,5А4гм = °,5СГуВ [5 н (°,25< 2 - С )(1 + 5н^)2 --5к(°,25< -£)(1 + 5^) +рм(ц - 1ц1 )(1 + Е)2 \;
В2 = В
2м 2Ь
ВЦ = В
В3 = °,5 А4 = °,5
В3 = Ег°2 — в3
в = °ж
ь
1°°Т
(°, 25<2 - Рщ А^п2 дн (1 + 5н^ )2
(°,25с2 -Р )А «п2 д (1 + 5 Е)2 + (/2 -12 )а (1 + Е)2 I;
V' к цк! Ч к 1к\ к ' \цн цк/Уц\ 'У
В = 2 А = -1
^ [(°,125<н - С)Ан ^п2 Ян (1 + 5нЕ)2 +
+ (°,125с3 - Р )А «п2 д (1 + 5 Е)2 + (р + Р )а (1 + Е):
V ' к цк Г Чк 1к\ к ! \цн цк/ Чц\ /
В4 = 2 А5 = 2СГ —
4Vм 5Ум УУ 3Т
Чц 1
5 (°,125с3 -Р 1(1 + 5 Е)2 +
н I ' н цн IV н /
+ 5к (°Д25а3к -Рцк )(1 + 5кЕ)2 + р„ (£ + £ )(1 + Е)2 \;
(°,125<3 - Р 1А ягп2 я (1 + 5 Е)2 +
I н цн I Чн н \ н /
т 2 т
в = Ег?—Вл =2 Ег2 ь
° 1°°Т 4
1°°Т
(28) (29)
(3°)
(31)
(32)
(33)
(34)
(35)
(36)
(37)
(38)
(39) 227
А. С. Криницын, В. И. Тихонов, Р. С. Хвостов
Определение поперечных составляющих корпусных усилий с учетом влияния мелководья
+ (0Д25а3 - Гцк А sin2 q (l + KF )2 + (£ + ^ (l + F):
B5 =-
5м 4
0,0625с4 - Г IА sin2 q (l + 5F )2 +
н цн I Ун J н V н /
+ (/4 -l4 )а (l + F)2 -f0,0625с4 -14 1А sin2 q (l + 5 F)
\цн цк; Уц \ / I ' к цк I Ук J- к \ к /
5 f0,0625с4 -l"4 !(l + 5F)2 -
н I ' н цн I \ н /
-5 (0,0625с4 -V )(l + 5F )2 +ß f/4-/4 Ъ + F):
к \ ' к цк/\ к / ~м\цн цк IV /
(40)
B5 = С„ —
5^м 4T
(4l)
B5 = Fr2—B5 = Fr02 ——— 5гм 0 l00T м 0 400T
0,0625с4 -1,^ IАун sin2q (l +
4 Г4 " "(l + 5нF)2
+ (c -СA (l + F)2 - (0,0625с4 - VV ]Аук sin2 q(l + 5KF)
(42)
С помощью уравнений (l0-42) находим искомую зависимость F = f (T/H). При этом используем подсчитанные ранее по методике Павленко-Вьюгова [2, 3] углы дрейфа судна на установившейся циркуляции в зависимости от соотношения осадки судна к глубине судового хода (T/H) в пределах 0 < (T/H < 0,7) для 8 судов различных проектов.
На основании выполненных расчётов были построены графики зависимости соотношения осадки судна к глубине судового хода (T/H) от искомой безразмерной величины F = f (т/ H), а также ее среднего значения.
Рис. l. Зависимость среднего значения F = f (T/H) от соотношения осадки судна к глубине судового хода (T/H) По результатам аппроксимации среднее значение зависимости F = f (T/ H) принимает следующий вид:
Е = -2,648^) +1,9448^^ + 3,2176^^ - °,2996^(43)
Таким образом, была выражена функциональная зависимость влияния мелководья при определении поперечных составляющих корпусных усилий, действующих на судно.
В качестве проверки эффективности данной методики, используя выражение (43), а также формулы (1°-42), рассчитаны углы дрейфа судна на установившейся циркуляции в зависимости от соотношения осадки судна к глубине судового хода (Т'IН) в пределах ° < (Т/Н < °,7) на примере судна типа Волго-Дон (проект 5°7Б). На основании полученных данных построен график зависимости угла дрейфа р от безразмерной угловой скорости с .
Рис. 2. Зависимость угла дрейфа р от безразмерной угловой скорости с т/х проекта 5°7Б
Результаты исследования позволяют сделать предположение, что данная методика расчета поперечных составляющих корпусных усилий с учетом влияния мелководья будет работать и при определении продольных составляющих корпусных усилий, а также масс и моментов присоединенной воды, что в дальнейшем позволит нам использовать методику Тихонова В.И. [5] для подсчёта коэффициентов ГДХ на участках с ограниченной глубиной.
Список литературы:
[1] Басин А.М. Гидродинамика судов на мелководье / А.М. Басин, И.О. Веледницкий, А.Г. Ля-ховицкий. - Л.: Судостроение, 1976. - 320 с.
[2] Вьюгов В.В. Управляемость водоизмещающих речных судов / В.В. Вьюгов. - Новосибирск: НГАВТ, 1999. - 262 с.
[3] Павленко В.Г. Маневренные качества речных судов (Управляемость судов и составов) / В.Г. Павленко. - М.: Транспорт, 1979. - 184 с.
[4] Соболев Г.В. Управляемость корабля и автоматизация судовождения / Г.В. Соболев. - Л.: Судостроение, 1976. - 478 с.
А.С. Криницын, В.И. Тихонов, Р.С. Хвостов
Определение поперечных составляющих корпусных усилий с учетом влияния мелководья
[5] Тихонов В.И. Основы теории динамической системы судно-жидкость / В.И. Тихонов. - Н. Новгород: ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2007. - 262 с.
[6] Федяевский К.К. Управляемость корабля / К.К. Федяевский, Г.В. Соболев. - Л.: Судпромгиз, l963. - 376 с.
[7] Хвостов Р.С. Метод адекватного моделирования гидродинамических усилий, действующих на корпус маневрирующего судна: дис. ... канд. ист. наук: 05.22.l9: защищена 06.03.l2: утв. l5.07.02 / Хвостов Роман Сергеевич. - Н. Новгород, 20l2. - l57 с.
THE TRANSVERSE COMPONENTS HULL EFFORTS DETERMINATION CONSIDERING THE SHALLOW WATER IMPACT
A.S. Krinitsin, V.I. Tikhonov, R.S. Khvostov
Keywords: vessel, shallow water, hydrodynamic characteristics, hull.
The article analyzes the existing methods for determining the hydrodynamic characteristics in shallow water. The authors offer a new method for calculating hull transverse components for the forces acting on the vessel, depending on the fairway depth reduction Some methods for the future research concerning the hydrodynamic characteristics determining in the shallow water are noted.
Статья поступила в редакцию 16.05.2016 г.
УДК 659.62.052.4:[629.12:532.5]
В.А. Лобанов, профессор, д.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» Р.С. Хвостов, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О CAE-СИСТЕМАХ. ОСОБЕННОСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЗАДАЧАХ ЛЕДОТЕХНИКИ
Ключевые слова: судно, ледовые условия, ледотехника, CAE-системы, конечноэле-ментное моделирование.
В работе сделан краткий обзор применения CAE-технологий для оценок ледовых качеств флота и прогноза ледового воздействия на гидротехнические сооружения. Даны общие сведения о CAE-системах, особенностях их использования в решениях задач морской и речной ледотехники. Проиллюстрированы конкретными примерами CAE-решения ледовых задач специального рассмотрения. Подчёркнута особая значимость CAE-экспериментов для теории морской и речной ледотехники. Приведены некоторые результаты, которые можно использовать в качестве справочных.
CAE-система (англ.: Computer Aided Engineering) - это компьютерная технология, моделирующая и визуализирующая пространственно-временное развитие исследуемого процесса. В настоящее время подобные технологии находят свое применение в различных областях знания: механика, гидро-, газо- и термодинамика, строительство, обработка материалов, медицина, ядерная физика, гидрометеорология, микро- и макромир и др.
