CC BY
8
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 539.3
В. Л. Земляк, В. М. Козин,
А. С. Васильев, Е. А. Плеханова
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФФЕКТИВНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ПАРНОЙ НАГУЗКОЙ РЕЗОНАНСНЫМ МЕТОДОМ
Предложены новые способы разрушения ледяного покрова на мелководье резонансным методом, которые заключаются в одновременном перемещении в одном и том же направлении двух судов на воздушной подушке вдоль кромки льда в непосредственной близости друг к другу.
Ключевые слова: судно на воздушной подушке, лёд, резонансный метод. DOI: 10.24412/2227-1384-2020-4-42-50
В работах [2, 10] экспериментально и теоретически показано, что при благоприятной интерференции генерируемых при парном движении нагрузки изгибно-гравитационных волн (ИГВ) в системе лёд-вода эффективность резонансного метода разрушения ледяного покрова возрастает. Процесс разрушения ледяного покрова судном на воздушной подушке (СВП) резонансным методом начинается под гибким ограждением судна, а окончательная фаза наступает за кормой в месте формирования первой, т. е. самой глубокой подошвы ИГВ [1]. На мелководье при критической
Земляк Виталий Леонидович — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры технических дисциплин (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан, Россия); e-mail: vellkom@list.ru.
Козин Виктор Михайлович — доктор технических наук, профессор (Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН, Комсомольск-на-Амуре, Россия); e-mail: vellkom@list.ru.
Васильев Алексей Сергеевич — кандидат технических наук, доцент кафедры технических дисциплин (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан, Россия); e-mail: vasil-grunt@mail.ru.
Плеханова Екатерина Александровна — студент (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан, Россия); e-mail: Plehanova.ekaterina1407@yandex.ru.
Исследование выполнено за счёт гранта Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 18-38-20030).
© Земляк В. Л., Козин В. М., Васильев А. С., Плеханова Е. А., 2020
42
скорости судна, равной ^Н)1/2, расходящиеся и поперечные волны совмещаются, образуя одну ярко выраженную поперечную волну максимальной амплитуды, движущуюся впереди СВП [3]. Д. Е. Хейсиным показано [9], что на мелководье скорость резонансных ИГВ в ледяном покрове также равна ^Н)1/2, т. е. в условиях мелкой воды (в речных условиях) резонансная и критическая скорости равны друг другу.
Если при движении одного СВП 3 с резонансной скоростью по кромке льда 2 разрушения льда не происходит, то на ледяной покров 1 выводят второе СВП 5. Первое СВП перемещают по кромке ледяного покрова и вблизи неё с резонансной скоростью, а второе по свободной поверхности воды 4 с критической, т. е. равной резонансной скоростью параллельным курсом. Расстояние между ними Ь в направлении движения судов должно обеспечивать наложение максимального по высоте гребня гравитационной волны от второго судна 6 на первую, самую глубокую, подошву ИГВ 7 от первого судна (рис. 1).
Рис. 1. Схема маневрирования СВП [4]
Это расстояние определяется визуально в процессе выполнения ледокольных работ или предварительно на основе модельного эксперимента в опытовом бассейне ввиду сложности возникающих и взаимодействующих волновых колебаний. При таком взаимном расположении су-
43
дов гребень гравитационной волны будет накладываться на подошву ИГВ, что будет приводить к заливанию водой подошвы ИГВ за первым судном. От веса влившейся воды вертикальная нагрузка на ледяной покров возрастёт, что увеличит ледоразрушающую способность ИГВ [4].
Первое СВП 1 может перемещаться по свободной поверхности воды 3 со скоростью ис вдоль кромки льда 4 в непосредственной близости от неё, а второе СВП 2 — по кромке ледяного покрова 5 параллельным курсом с резонансной скоростью ир. При этом расстояние между ними в направлении движения должно быть равно половине длины резонансных ИГВ Ар/2, а параметры первого судна должны быть достаточными для возбуждения гравитационных волн, высота гребней которых будет больше глубины подошвы ИГВ. Поскольку в условиях мелководья эти скорости равны друг другу, то при указанном взаимном расположении судов гребень гравитационной волны Нг будет всегда накладываться на подошву ИГВ Нп. Поскольку его высота больше глубины подошвы, то это будет приводить к заливанию водой поверхности ледяного покрова перед вторым судном (рис. 2). В результате температура льда от низкой атмосферной резко поднимется до температуры воды. Очевидно, что это снизит прочностные характеристики ледяного покрова и соответственно повысит толщину разрушаемого льда [8].
Повысить эффективность разрушения льда ИГВ можно при движении вдоль свободной кромки и одного СВП. Для этого судно 2 перемещается по свободной поверхности воды 3 вдоль кромки льда 1 (рис. 3). После полного развития гравитационных волн производят перемещение СВП на кромку льда и его постановку на склон изгибно-гравитационной волны с частичным свешиванием гибкого ограждения с кромки льда (рис. 4). Если после этого ледяной покров не начнёт разрушаться, т. е. глубина воздушной полости Н2, величина которой определяется давлением в воздушной подушке судна, окажется меньше толщины льда Нг и полость не сможет проникнуть под ледяной покров, то судно накреняют в сторону свешенного гибкого ограждения (рис. 5). По мере увеличения угла крена 0 проекция площади воздушной подушки на горизонтальную плоскость будет уменьшаться, что будет сопровождаться увеличением давления и соответствующим увеличением глубины воздушной полости Н3. Угол крена ограничивают величиной, при которой глубина полости станет больше толщины льда. Такое положение СВП относительно кромки льда обеспечит возможность формирования под ледяным покровом воздушной полости, что устранит реакцию упругого основания, так как под СВП вода перестанет поддерживать лёд. В результате при таком маневрировании СВП на ледяной покров начнут действовать: волновая нагрузка от гравитационных волн, нагрузка от веса самого судна и дополнительно к этому — силы тяжести самого льда. Появление этой дополнительной нагрузки позволит повысить эффективность разрушения льда при неизменных энергозатратах [5].
44
Рис. 2. Схема маневрирования СВП [8]
Рис. 3. Схема маневрирования СВП [5]
45
Рис. 4. Положение СВП со свешиванием гибкого ограждения [5]
Рис. 5. Положение СВП относительно кромки льда с креном [5]
Значительного повышения ледоразрушающей способности ИГВ можно добиться при зигзагообразном движении нагрузки. Для этого по ледяному покрову 1 по прямолинейной траектории начинают перемещать два СВП параллельным курсом на минимально безопасном расстоянии друг от друга с резонансной скоростью. Далее суда начинают двигаться по синусоидальной траектории 2, причём каждое из них перемещают по своим траекториям, которые смещены относительно друг друга на половину длины волны синусоиды I, т. е. расположены относительно друг друга в противофазе и имеют амплитуду А, достаточную для возбуждения резонансных ИГВ максимальной высоты при сближении судов на минимально безопасное расстояние (рис. 6). Необходимость обеспечения данного условия связана с тем, что для достижения ИГВ максимальной высоты (полного развития волнового процесса) требуется определённое время, т. е. судно должно пройти определённое расстояние. При этом проекции скоростей как на продольное, так и на поперечное направления движения судов должны быть равны скорости резонансных ИГВ, что приведёт к генерированию резонансных ИГВ в обоих направлениях.
46
2
тг -л. -xr-ы ъг-т^ы^ъ* -"л.
D - D
47
При таком маневрировании в ледяном покрове будут возбуждаться резонансные ИГВ как в продольном 3, так и в поперечном 4 направлениях. В момент максимального сближения судов возникнут условия для благоприятной интерференции этих волновых систем вследствие их когерентности, т. е. амплитуда суммарных ИГВ в местах пересечения фронтов продольных и поперечных волн 5 возрастёт [6].
В результате интерференции двух гармонических волн одинаковой частоты и амплитуды возникают стоячие волны, распространяющиеся во встречных направлениях. Наложение волновых систем друг на друга приводит к возникновению стоячих волн, максимальная амплитуда которых вдвое больше амплитуды каждой из интерферирующих. При качке корабля вследствие возникновения в воде изменяющихся областей давлений воды неизбежно возбуждаются гравитационные волны. При качке СВП, находящегося на ледяном покрове, во льду также будут возникать ИГВ. Следовательно, если при движении двух СВП с одинаковыми техническими характеристиками фронтом по прямолинейной траектории с резонансной скоростью судам сообщить бортовую качку в противофазе относительно друг друга, но с одинаковой частотой, равной частоте резонансных ИГВ, это приведёт к возбуждению между судами дополнительной системы резонансных ИГВ, распространяющихся во встречных направлениях. Поскольку эти волны будут когерентными и иметь одинаковую амплитуду, то между судами возникнут стоячие волны с их удвоенной амплитудой. Наложение этих дополнительных волн на основные от движения СВП фронтом приведёт к периодическому сложению их амплитуд. В результате высота суммарных ИГВ, а значит, и максимальные изгибные напряжения во льду возрастут [7].
Список литературы
1. Козин В. М. Обоснование исходных данных для выбора основных параметров СВП, предназначенных для разрушения ледяного покрова резонансным способом: дис. ... канд. техн. наук. Горький, 1983. 314 с.
2. Козин В. М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты. М.: Академия Естествознания, 2007. 355 с.
3. Павленко Г. Е. Сопротивление воды движению судов. М.: Морской транспорт, 1956. 508 с.
4. Патент № 2725458 РФ. МПК B63B35/08. Способ разрушения ледяного покрова на мелководье / Козин В. М., Земляк В. Л., Радионов С. В., Назарова В. П. 2020. URL: https:/ /www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&rn=1159 &DocNumber=2725458&TypeFile=html (дата обращения 11.11.2020).
5. Патент № 2725645 РФ. МПК B63B35/08. Способ разрушения ледяного покрова / Козин В. М., Земляк В. Л., Васильев А. С., Ипатов К. И. 2020. URL: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&rn=205& DocNumber=2725645&TypeFile=html (дата обращения 11.11.2020).
6. Патент № 2725938 РФ. МПК B63B35/08. Способ разрушения ледяного покрова / Козин В. М., Земляк В. Л., Васильев А. С., Назарова В. П. 2020. URL:
48
https: / / www1.fips.ru/ registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&rn=3547& DocNumber=2725938&TypeFile=htmI (дата обращения 11.11.2020).
7. Патент № 2725564 РФ. МПК B63B35/08. Способ разрушения ледяного покрова / Козин В. М., Земляк В. Л., Канделя М. В., Ипатов К. И. 2020. URL: https: / / www1.fips.ru/ registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&rn=53& DocNumber=2725564&TypeFile=htmI (дата обращения 11.11.2020).
8. Патент № 2725570 РФ. МПК B63B35/08. Способ разрушения ледяного покрова на мелководье / Козин В. М., Земляк В. Л., Радионов С. В., Назарова В. П. 2020. URL: https: / / www1.fips.ru/ registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&rn=53& DocNumber=2725570&TypeFile=html (дата обращения 11.11.2020).
9. Хейсин Д. Е. Динамика ледяного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. 216 с.
10. Zemlyak V. L., Vasilyev A. S., Radionov S. V., Rogozhnikova E. G. The research of the effectiveness of the ice cover destruction by the resonance method from the pair motion of the load. Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1459. P. 012002. DOI: 10.1088/1742-6596/1459/1/012002.
•Jc -Jc -Jc
Zemlyak Vitaly L.1, Kozin Victor M.2, Vasilyev Alexey S.1, Plekhanova Ekaterina A.1 INCREASING THE EFFICIENCY DESTRUCTION OF THE ICE COVER OF THE PAIRING LOAD BY THE RESONANCE METHOD
(1 Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan, Russia; 2 Institute of Machining and Metallurgy, FEB RAS, Komsomolsk-on-Amur, Russia)
New methods for destruction of ice cover in shallow water by the resonance method are proposed, which consists in simultaneous movement in the same direction of two air-cushion vessels along ice edge in close proximity to each other.
Keywords: air cushion vehicles, ice, resonant method.
DOI: 10.24412/2227-1384-2020-4-42-50
References
1. Kozin V. M. Obosnovanie iskhodnykh dannykh dlia vybora osnovnykh parametrov SVP, prednaznachennykh dlia razrusheniia ledianogo pokrova rezonansnym sposobom (Substantiation of Initial Data for Choosing Basic Parameters for Hovercraft Designed for Breaking Ice Cover by Resonant Method), Gorky, 1983. 314 p. (In Russ.).
2. Kozin V. M. Rezonansnyi metod razrusheniia ledianogo pokrova. Izobreteniia i eksperimenty (Resonant method of breaking ice. Inventions and Experiments), Moscow, Akademiia Estestvoznaniia Publ., 2007. 355 p. (In Russ.).
3. Pavlenko G. E. Soprotivlenie vody dvizheniiu sudov (Water resistance to vessel traffic), Moscow, Morskoi transport Publ., 1956. 508 p. (In Russ.).
4. Kozin V. M., Zemliak V. L., Radionov S. V., Nazarova V. P. Sposob razrusheniia ledianogo pokrova na melkovode (Method of ice cover destruction in shallow water), Patent no. 2725458 RU, 2020. Available at: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&rn=1159&DocNumber=2725458&TypeFile=html (accessed 11/11/2020). (In Russ.).
5. Kozin V. M., Zemliak V. L., Vasilev A. S., Ipatov K. I. Sposob razrusheniia ledianogo pokrova (Method of breaking ice cover), Patent no. 2725645 RU, 2020. Available at: https: / / www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&rn=205& DocNumber=2725645&TypeFile=html (accessed 11/11/2020). (In Russ.).
49
6. Kozin V. M., Zemliak V. L., Vasilev A. S., Nazarova V. P. Sposob razrusheniia ledianogo pokrova (Method of breaking ice cover), Patent no. 2725938 RU, 2020. Available at: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&rn=3547& DocNumber=2725938&TypeFile=html (accessed 11/11/2020). (In Russ.).
7. Kozin V. M., Zemliak V. L., Kandelia M. V., Ipatov K. I. Sposob razrusheniia ledianogo pokrova (Method of breaking ice cover), Patent no. 2725564 RU, 2020. Available at: https://www1.fips.ru/ registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&rn=53& DocNumber=2725564&TypeFile=html (accessed 11/11/2020). (In Russ.).
8. Kozin V. M., Zemliak V. L., Radionov S. V., Nazarova V. P. Sposob razrusheniia ledianogo pokrova na melkovode (Method of ice cover destruction in shallow water), Patent no. 2725570 RU, 2020. Available at: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&rn=53&DocNumber=2725570&TypeFile=html (accessed 11/11/2020). (In Russ.).
9. Kheisin D. E. Dinamika ledianogo pokrova (Dynamics of Ice Cover), Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1967. 216 p. (In Russ.).
10. Zemlyak V. L., Vasilyev A. S., Radionov S. V., Rogozhnikova E. G. The research of the effectiveness of the ice cover destruction by the resonance method from the pair motion of the load, Journal of Physics: Conference Series, 2020, vol. 1459, p. 012002, doi: 10.1088/1742-6596/1459/1/012002.
•Jc -Jc -Jc
50
