CC BY
7Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №10/2020
ОЦЕНКА ДОЛИ СИЛЫ ТРЕНИЯ В ОБЩЕМ СОПРОТИВЛЕНИИ ВОДЫ РАВНОМЕРНОМУ ПЕРЕМЕЩЕНИЮ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ДВУХЪЯРУСНЫХ ПАКЕТНЫХ СПЛОТОЧНЫХ
ЕДИНИЦ
THE DETERMINATION OF THE FRICTION FORCE PROPORTION OF THE GENERAL WATER RESISTANCE TO UNIFORM MOTION OF THE DEVICE FOR THE NAVIGATIONAL RAFTING OF PACKAGED BILEVEL FOREST-
TRANSPORT UNITS
УДК 630.378
Песков И.А.
аспирант
2 курс, направление подготовки
«Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве»
Северный (Арктический) Федеральный университет имени М.В. Ломоносова Россия, г. Архангельск Чупраков В.О. аспирант
2 курс, направление подготовки
«Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве»
Северный (Арктический) Федеральный университет имени М.В. Ломоносова
Россия, г. Архангельск
Посыпанов С.В.
доктор технических наук, доцент
профессор кафедры «Лесопромышленных производств
и обработки материалов»
Северный (Арктический) Федеральный университет имени М.В. Ломоносова Россия, г. Архангельск Воробьев Д.С. аспирант
2 курс, направление подготовки
«Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве»
Северный (Арктический) Федеральный университет имени М.В. Ломоносова Россия, г. Архангельск
Peskov I.A., e-mail peskovily@gmail.com
Post-graduate student 2 course, direction of training
"Technologies, means of mechanization and power equipment in agriculture, forestry and fisheries "
Northern (Arctic) Federal University named by M.V. Lomonosov Russia, Arkhangelsk Chuprakov V.O. Post-graduate student 2 course, direction of training
"Technologies, means of mechanization and power equipment in agriculture, forestry and fisheries "
Northern (Arctic) Federal University named by M.V. Lomonosov Russia, Arkhangelsk
Posypanov S.V.
Doctor of Technical Sciences, Associate Professor Professor of the Department "Timber Industry and processing materials "
Northern (Arctic) Federal University named by M.V. Lomonosov
Russia, Arkhangelsk Vorobiev D.C.
Post-graduate student 2 course, direction of training
"Technologies, means of mechanization and power equipment in agriculture, forestry and fisheries "
Northern (Arctic) Federal University named by M.V. Lomonosov Russia, Arkhangelsk
Аннотация
В статье приведена информация об основных составляющих сопротивления воды равномерному перемещению устройства для формирования двухъярусных пакетных сплоточных единиц. Изложены сведения о коэффициентах общего сопротивления, полученных в результате разведывательных экспериментов на физической модели устройства. Выполнен расчет коэффициента трения и коэффициентов полного сопротивления, соответствующих натурным условиям. Доказана незначительность доли силы трения в общем сопротивлении. На основании приведенной информации признано целесообразным принимать натурные коэффициенты полного сопротивления после основного эксперимента равными модельным без пересчета и использовать для расчета общего сопротивления одночленную формулу.
Annotation
The information on the main components of water resistance to the uniform movement of the device for the formation of packaged bilevel forest-transport units is resulted in this article. Information on the coefficients of total resistance obtained because of reconnaissance experiments on the physical model of the device is presented. The friction coefficient and the impedance coefficients corresponding to the field conditions are calculated. The insignificance of the fraction of the friction
force in the total resistance is proved. Based on the above information, it was considered expedient to take the full-scale impedance coefficients after the main experiment as model ones without recounting and use the one-term formula to calculate the total resistance.
Ключевые слова: лесосплав, сопротивление воды, формировочное устройство, сплоточная единица, модель, опытовый бассейн. Keywords: timber rafting, water resistance, forming device, forest-transport unit, model, towing tank.
В настоящее время существует проблема доставки древесного сырья потребителям из удаленных лесных массивов характерная для основных лесных регионов страны. При разработке решений этой проблемы признан перспективным так называемый принцип единого транспортного пакета. Одна из ключевых ролей при реализации этого принципа отводится устройству для формирования двухъярусных пакетных сплоточных единиц [1, 2]. Выполнена эскизная разработка этого устройства, осуществляется обоснование его параметров. При этом проводятся исследования сопротивления воды равномерному движению устройства при его перемещении с места на место, установлению силы, воспринимаемой зафиксированным в рабочем положении устройством от набегающего потока воды.
Важно уже на этапе теоретических исследований оценить долю различных составляющих в общей силе рассматриваемого сопротивления. В частности, это требуется для рационального проведения экспериментов по определению указанных сил. Полное сопротивление является суммой сопротивления формы Лф, волнового сопротивления Re и сопротивления трения Rmp [3]
R= Rф + (1)
Физические процессы, вызывающие сопротивления, соответствующие разным составляющим, независимы согласно гипотезе, принятой при подобных исследованиях других твердых тел [4].
Сопротивление трения возникает из-за наличия у реальной жидкости такого физического свойства как вязкость. Наличие вязкости у жидкости сказывается также на величине и распределении по смоченной части обтекаемого тела гидродинамических давлений, которые обуславливают возникновение сопротивления формы [3]. Сумму этих составляющих соответственно называют вязкостным сопротивлением. Составляющая волнового сопротивления появляется из-за волнообразования на поверхности воды, вызванного движением объекта. Волны оказывают влияние на распределение гидромеханических давлений по его поверхности и соответственно на величину этой составляющей [3]. При небольших скоростях перемещения, до 1 м/с, доля волнового сопротивления, как правило, мала. В таких случаях ее нередко не принимают в расчёт.
Для определения сопротивления воды равномерному движению лесотранспортных единиц, например плотов, при сопоставимости составляющих сопротивления трения и сопротивления формы обычно используют так называемую двухчленную формулу
R=(сф^+сmрS)p2v2, (2)
где П - характерная площадь миделя, м2; 5 - площадь трения, м2; Сф - коэффициент сопротивления формы; стр - коэффициент сопротивления трения; р- плотность воды, кг/м3;
V - скорость движения транспортной единицы относительно воды, м/с.
В ситуации, когда сопротивление трения оказывает несопоставимо меньшее влияние на результат, чем сопротивление формы, для лесотранспортных единиц, как правило, применяют так называемую одночленную формулу
=ср-ПУ2 2
где с - коэффициент общего сопротивления.
R = с IПу2, (3)
Эту формулу используют также для судов.
Оценка долей различных составляющих в общей силе сопротивления важна и для правильного выбора расчетной формулы.
Для определения сопротивления воды равномерному движению формировочного устройства выполняются модельные исследования. Эксперименты проводятся в опытовом бассейне [5] с моделью устройства, изготовленной в масштабе 1:20.
Нами в ходе теоретических исследований установлено [2], что в данном случае для подобия натурных и модельных явлений необходимо помимо геометрического подобия обеспечить равенство чисел Фруда и Рейнольдса, соответствующих модельным и натурным условиям. Выполнить это практически невозможно. При этом известно [4], что сопротивление воды движению тел, которые в гидромеханике принято называть плохообтекаемыми телами с фиксированными зонами отрыва пограничного слоя, зависит от числа Рейнольдса в очень незначительной степени. Сопротивление трения у них при сопоставимости площадей миделя и трения довольно незначительно по сравнению с сопротивлением формы. Поэтому моделирование движения в воде таких тел выполняют по критерию Фруда. Мы полагаем, что плавучее основание рассматриваемого устройства относится к указанной группе плохообтекаемых тел с фиксированными зонами пограничного слоя и в данном случае моделирование также следует выполнять по критерию Фруда.
Заметим, что моделирование движения судов также выполняют по критерию Фруда, хотя у них обычно сила трения составляет значительную долю в общем сопротивлении воды [3]. При этом модель судна изготавливают с гидродинамически гладкой поверхностью. При экспериментальных исследованиях определяют так называемое остаточное сопротивление, не включающее сопротивление трения. По остаточному сопротивлению вычисляют соответствующий коэффициент сопротивления. Коэффициент
сопротивления трения устанавливают расчетным путем. Его учитывают при вычислении коэффициента полного сопротивления натурного судна.
Нередко по такому же алгоритму действуют, проводя модельные исследования равномерного движения лесотранспортных единиц. Полагаем, что в подобных пересчетах нет необходимости, когда доля составляющей трения незначительна. А это, как было отмечено, довольно типично для плохообтекаемых тел с фиксированными зонами отрыва пограничного слоя.
Для оценки доли силы трения в общем сопротивлении воды равномерному перемещению устройства для формирования двухъярусных пакетных сплоточных единиц расчетным путем определили величину коэффициента сопротивления трения по формуле Л. Прандтля и Г. Шлихтинга [6]
стр= (1,89+1,621в , (4)
где к8 - эквивалентная «песочная» шероховатость; I - характерный линейный размер.
Для продольного движения натурного формировочного устройства за характерный линейный размер приняли длину этого устройства - 6 м. Эквивалентная шероховатость для гидродинамически гладкой поверхности понтонов к5 = 6,7 • 10-5 м. В результате вычислений получили стр=0,00323. С учетом надбавки на шероховатость, равной 0,004, [3] стр=0,00723.
Для оценки величин коэффициентов полного сопротивления провели так называемые разведывательные опыты. При их выполнении варьировали относительную глубину (отношение глубины в бассейне к осадке модели) и скорость равномерного движения модели, соответственно и число Фруда [2].
По скорости, силе сопротивления и геометрическим характеристикам модели, используя формулу (3), вычислили значения коэффициентов полного сопротивления модели. Прибавив к ним стр=0,00723, получили значения соответствующих коэффициентов в натурных условиях. Вычитание стр, соответствующего модельным условием, из-за его малости не имело смысла.
Информация о величинах коэффициентов, их соотношении, соотношении величин сил сопротивления приведена в таблице 1.
Таблица 1. Расчет доли сопротивления трения в общем сопротивлении воды равномерному движению формировочного устройства
Относит ельная глубина H/T Серость моде-ли, м/с Скорость натурная, м/с с модели с ^тр в натурных условиях с с ^тр в натурных условиях Доля сопротивления трения Ятр в Я, % в натурных условиях
0,33 1,48 1,72 239 0,42
2,22 0,24 1,07 1,48 206 0,49
0,12 0,54 0,92 128 0,78
0,35 1,56 1,57 218 0,46
3,24 0,26 1,16 1,29 0,00723 179 0,56
0,13 0,58 0,72 101 0,99
0,35 1,56 1,41 196 0,51
4,84 0,25 1,12 0,99 138 0,73
0,13 0,58 0,53 74 1,35
Табличные данные демонстрируют, что составляющая трения в общем сопротивлении воды не превышает 1,35%.
Заключение
Выполненная оценка доли силы трения в общем сопротивлении воды равномерному движению формировочного устройства показала, что эта доля очень мала. Поэтому при обработке данных основного эксперимента нет необходимости в пересчёте полученных значений коэффициента общего сопротивления с модельных условий на натурные. Принимая во внимание незначительность составляющей трения в общем сопротивлении, для расчета этого сопротивления выбрали так называемую одночленную формулу.
Литература
1. Посыпанов С.В., Песков И.А. Технология навигационной сплотки двухъярусных пакетных лесотранспортных единиц // Научно-практический электронный журнал «Аллея Науки». 2018. №5(21). Т.8. С. 73-75.
2. Песков И.А., Посыпанов С.В. Обеспечение подобия при модельных исследованиях гидродинамических характеристик устройства для навигационной сплотки двухъярусных пакетных лесотранспортных единиц// COLLOQUIUM-JOURNAL. 2019. №14(38). Т.1. С. 74-76.
3. Дорогостайский Д.В., Жученко М.М., Мальцев Н.Я. Теория и устройство судна - Ленинград: Изд-во «Судостроение», 1976. - 413 с.
4. Корпачев В.П. Теоретические основы водного транспорта леса: моно-графия. - Москва: Изд-во «Академия Естествознания», 2009. 237 с.
5. Песков. И.А., Посыпанов С.В. Средства регистрации скорости движения моделей при экспериментальных исследованиях в опытовом бассейне гравитационного типа. «Научно-практический электронный журнал Аллея Науки» №6(22) 2018 Т.7. С. 35-39.
6. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Пер. с нем. - М.: Наука, 1969. - 742 с.
Literature
1. Posypanov S.V., Peskov I.A. The technology of the navigational raft of packaged bilevel forest-transport units // Scientific and Practical Electronic Journal "Alley of Science". 2018. № 5 (21). Vol. 8. Pp. 73-75.
2. Peskov I.A., Posypanov S.V. Maintenance of similarity in model studies of the hydrodynamic characteristics of the device for the navigational rafting of packaged bilevel forest-transport units // COLLOQUIUM-JOURNAL. 2019. № 14 (38). Vol. 1. Pp. 74-76.
3. Dorogostaysky D.V., Zhuchenko M.M., Maltsev N.Ya. Theory and structure of the ship - Leningrad: Publishing house "Shipbuilding", 1976. - 413 p.
4. Korpachev V.P. Theoretical Foundations of Forest Water Transport: Monograph. - Moscow: Publishing House "Academy of Natural Sciences", 2009. 237 p.
5. Peskov I.A., Posypanov S.V. Means of recording the speed of movement of models in experimental studies in the towing tank of the gravitational type. "Scientific and Practical Electronic Journal of the Alley of Science" № 6 (22) 2018 Vol. 7. Pp. 35-39.
6. Schlichting G. Theory of the boundary layer / Translation from german. - M .: Science, 1969 .-742 p.
