CC BY
14УДК 629.12.001.2: 656.66.
Е.А. Лукина, к.т.н., доцент ВГАВТ
Д.А.Битков, аспирант ВГАВТ
603600, г.Нижний Новгород ул. Нестерова, 5.
ОЦЕНКА ДОПУСТИМОЙ ВЫСОТЫ ВОЛНЫ ОТ БОЛЬШЕГРУЗНЫХ НАКАТНЫХ СУДОВ КАТАМАРАННОГО ТИПА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ В ВОЛЖСКО-КАМСКОМ БАССЕЙНЕ
В статье приведен выбор метода определения допустимой высоты волны для проектируемых судов, и произведена оценка волнообразования от существующих транспортных судов. На основании статистической обработки результатов расчётов высот волн от существующих судов предложено допустимое значение высоты корабельной волны для Волжско-камского бассейна.
В настоящее время рассматривается вопрос развития мультимодальных перевозок на внутренних водных путях, в частности, перевозок автопоездов в обход перегруженных участков автодорог [1], [2]. Для экономической эффективности такого проекта необходимо использование большегрузных накатных судов, движущихся с высокими скоростями.
Известно, что движение судов с высокими скоростями сопровождается значительным волнообразованием, что, в свою очередь, приводит к увеличению сопротивления движению судна, а также к негативному энергетическому воздействию судна на внутренние водные пути. В связи с этим была поставлена задача [3] обеспечения высокой скорости большегрузных судов при допустимом волнообразовании. В качестве критерия допустимой скорости большегрузных накатных судов была выбрана та практически достижимая и экономически обоснованная скорость, при которой их волнообразование не будет превышать волнообразование от эксплуатирующихся в настоящее время судов.
В работах [4, 5] было показано, что суда катамаранного типа характеризуются более низким волнообразованием по сравнению с однокорпусными судами близкой грузоподъёмности. Поэтому для осуществления скоростных перевозок автопоездов накатными судами именно двухкорпусные суда будут практически всегда удовлетворять критерию оценки допустимой скорости с точки зрения волнообразования. Значение допустимой высоты волны может быть определено с использованием различных подходов. Например, ограничить высоту корабельной волны можно задаваясь величиной экологического риска и определяя возможность разрушения грунта ложа и берегов водного объекта [6].
Можно определить допустимое значение высоты волны путём сравнения воздействия судовых волн и естественных ветровых волн на водные объекты в заданном районе плавания [7].
А также высоту корабельной волны проектирующихся судов можно ограничить на основании расчета высот корабельных волн существующих судов.
Наименее затратным является третий путь, так как первый и второй требуют больших гидрологических и метеорологических исследований на сотнях и тысячах километров внутренних водных путей.
В данной работе была предпринята попытка провести статистический анализ волнообразования существующих однокорпусных судов и катамаранов. Рассчитаны высоты волн от 142 однокорпусных судов водоизмещением от 20 до 6900 тонн, длиной от 18 до 140 м, движущихся с относительными скоростями Гг,_ = 0.12-0.34. Волнообразование катамаранов рассчитано для 18 судов водоизмещением У= 46-2433 т, длиной Ь=29-166, при относительных скоростях =0.1 5 — 0,34
Расчет поперечных и расходящихся волн был произведен по методу, предложенному в работе [6]. Согласно математической модели образования и распространения по водоёму корабельных волн, основными параметрами, влияющими на высоту волны, является глубина судового хода, скорость движения и форма корпуса судна.
Исследование габаритов и глубины судового хода было проведено в работе [8]. В таблице 1 приведены характеристики участков Волжско-Камского бассейна.
Таблица 1
Характеристики участков Волжско-Камского бассейна
Участок реки Средняя глубина, м Расстояние от корпуса до берега, м при обеспеченности 40%
г. Нижний Новгород - г. Чебоксары 5.5 100-150
г. Чебоксары - г. Казань 8.0 200-250
г. Казань - г. Набережные Челны 8.0 200-250
г. Казань - г. Тольятти 10.0 200-350
г. Самара - г. Саратов 8.0 200-250
Расчет волнообразования производился для глубин 8 и 10 м. На рисунках 1 и 2 приведены высоты преобладающих (расходящихся или поперечных) волн у корпусов однокорпусных и двухкорпусных судов.
2,50 ■ 1 ♦
і/
^ 1,00 ■ К * **
0,50 ' 0,00 - * ч* ф ♦
0,10
а)
0,20
0,30
Рг(У
0,40 О.? О
Рисунок 1 - Высоты преобладающих волн у корпуса при глубине фарватера 8 м а) для однокорпусных судов; б)для катамаранов.
а) ' '’' ' б)
Рисунок 2 - Высоты преобладающих волн у корпуса при глубине фарватера 10 м а) для однокорпусных судов; б)для катамаранов.
Как видно из рисунков 1 и 2 характер изменения высот волн с увеличением числа Фруда подобен характеру изменения волнового сопротивления при движении судна. Так при движении судов со скоростями, соответствующими числам Фруда = 0.20... О.ЗО наблюдается рост высот корабельных волн. Это хорошо согласуется с кривой волнового сопротивления Qw=f(FrL) для транспортных судов [9]. Для судов нормальных образований на глубокой воде кривая имеет холмы при FrL=0,19; 0,23; 0,30 и 0,50. Эти особенности белее присущи данным для большого числа однокорпусных судов (рис.1а, 2а). Поэтому эксплуатационные скорости однокорпусных судов с полными обводами соответствуют значениям FrL=0,15... 0,19. У судов с более острыми обводами корпуса местные бугры при FrL=0,19; 0,23 выражены слабо. Это хорошо согласуется с тем, что эксплуатационные скорости большинства катамаранов более высокие, соответствуют значениям FrL=0,20 ... 0,30. При этом двухкорпусные суда образуют волны несколько меньшей высоты.
Подобные виды исследования были проведены в работе [10]. Расчеты и эксперименты проводились для речных судов в условиях мелководья на реке Огайо (приток реки Миссисипи), а также на реке Ришелье (приток реки Св. Лаврентия).
При глубине судового хода 6-9 м высоты волн при скорости движения 14 км/ч составляют 0.7-0.8 м, а при скорости 28 км/ч 1.2 м (приводятся данные по модельным испытаниям серии 60 и др.).
На характер изменения высоты корабельной волны по мере её распространения к берегу кроме расстояния влияет длина волны и глубина водного объекта. На рисунках 3 и 4 приведены результаты расчёта высот волн на расстоянии 200 м от корпусов судов.
1.20 1.00 0.80 0.60 5 0.40 ^ 0.20 0.00
*+
*
ч ♦ ♦
>*'• \* ♦ >
♦ >
♦ + .. .
0,10
0,20
а)
0,30
РИМ
0,40
0,50
б)
Рисунок 3 - Высота волны на расстоянии 200 м при глубине судового хода 8 м а) для однокорпусных судов; б) для катамаранов.
Рисунок 4 - Высота волны на расстоянии 200 м при глубине судового хода 10 м а) для однокорпусных судов; б) для катамаранов.
Отличие глубины судового хода в пределах 8-10 метров, как следует из результатов расчёта, представленных на рисунках 1 и 2, а также 3 и 4, не влияет на величины высот волн.
В целях оценки численного значения характерной высоты волны, которое можно принять в качестве допустимого при проектировании большегрузных судов для Волжско-Камского бассейна был проведен статистический анализ рассчитанных высот волн Hw, м возникающих при движении однокорпусных судов и катамаранов. На рисунке 5 представлены гистограммы высот преобладающих волн на расстоянии 200 м от корпуса.
Гмстогрлм.: Ни«= 8 ---- Ожидаемое нормальное
а)
Гм стог рам.: Нж> 8 — 0*31даемое нормальное
б)
Рисунок 5 - Гистограмма Н%г при глубине фарватера 8 м на расстоянии 200 м от
корпуса
а) однокорпусных судов; б) катамаранов.
По результатам анализа гистограмм для однокорпусных судов и катамаранов можно утверждать, что с вероятностью 84% высоты волн от существующих судов на расстоянии 200м от корпуса не превышают 0,54 м. При этом скорости судов с той же вероятностью соответствуют значениям FrL<0,30... 0,33.
Таким образом, полученное значение высоты волны на расстоянии 200 м от корпуса судна может быть принято в качестве допустимого волнообразования большегрузных накатных судов для Волжско-Камского бассейна.
На волнообразование судов в большей степени влияют форма корпуса и скорость движения. Необходимо провести дальнейшее исследование по выбору оптимальных характеристик катамаранных судов, которые позволяли бы эксплуатировать их в Волжско-Камском бассейне с максимально высокими и экономически обоснованными скоростями при волнообразовании ниже допустимого.
Список литературы:
[1] Ефремов Н.А., Костров А.А., Этин В.Л., Митрошин С.Г. «Развитие речного транспорта в XXI веке - новые технологии.»/Вестник транспорта Поволжья, №4(16) октябрь-декабрь, 2008 г., с. 56-62. - СамГУПС, 2008.
[2] Ефремов Н.А.,Костров В.Н.,Этин В.Л.,Митрошин С.Г."Развитие мультимодальных технологий на внутреннем водном транспорте на основе использования новых типов судов". Международный конгресс "Великие реки", 22-23 мая 2008г.
Печ. Генеральные доклады, тезисы докладов Международного конгресса "Великие реки", 22-23 мая 2008г.
[3] Этин В.Л., Лукина Е.А., Битков Д.А. «Постановка задачи оценки допустимой скорости большегрузных накатных судов катамаранного типа»./ 12-ый междунар. научно-промышленный форум "Великие реки-2010":Труды конгресса. Т.2. Н. Новгород, Нижегород. госуд. архит.-строит. ун-т - Н. Новгород: НГАСУ, 2011. - С. 276-278.
[4] Этин В.Л., Лукина Е.А., Милавин С.А. «Проектирование речных скоростных грузовых накатных судов катамаранного типа»./ 12-ый междунар. научно-промышленный форум "Великие реки-2010":Труды конгресса. Т.2. Н. Новгород, Нижегород. госуд. архит.-строит. ун-т - Н. Новгород: НГАСУ, 2011. - С.37-44.
[5] Лукина Е.А., Митрошин С.Г., Битков Д.А. «Обоснование применения накатного судна для паромно-транспортных грузовых перевозок в Волжско-Камском бассейне»./ Вестник ВГАВТ. Вып.28.- Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2009. - С.56-62.
[6] Лукина Е.А. Воздействие на природные и природно-антропогенные водные объекты корабельных волн: Дис. канд. тех. наук: 13.00.16 / Волжская государственная академия водного транспорта. Н. Новгород, 2002. - 130 с.
[7] Павленко В.Г. Гидродинамические аспекты экологически чистого судна.// Речной транспорт. - 1990. - №9. - С.30-31.
[8] Разработка логистического транспортного комплекса паромных перевозок : отчёт о выполнении НИОКР (промежуточ.) / ФГОУ ВПО ВГАВТ ; С.Г. Митрошин. - Н.Новгород, 2009. - 29 с. - Инв. №2.2 - 8473.
[9] Костюков, А.А. Сопротивление воды движению судов / А.А. Костюков. - Л.: Судостроение, 1966. - 448 с.
[10] O. Jonason. Ferry wake study: final report. Washington State Transportation Center. 1993.
ESTIMATION OF ADMISSIBLE HEIGHT OF A WAVE FROM RO-RO CATAMARANS SHIPSAT OPERATION IN VOLGA-KAMA POOL.
Lukina E.A., Bitkov D.A.
The paper presents a method for determining the admissible range of the wave height for ships designed and evaluated wave generation from existing cargo vessels. Based on statistical analysis of simulation results suggested that admissible value of the ship waves for the Volga-Kama pool.
