CC BY
31
УДК 539.3
В. М. Козин, В. Л. Земляк
СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА
Предложен новый способ моделирования ледяного покрова в опытовом бассейне. Моделирование осуществляют при комнатной температуре с использованием в качестве модельного материала вещества легче воды, например, саломаса, который предварительно нагревают до температуры выше его температуры плавления и смешивают с керосином в нужной пропорции. Способ позволяет снизить затраты на проведение модельных экспериментов и повысить их эффективность.
Ключевые слова: саломас, моделирование, опытовый бассейн.
DOI: 10.24412/2227-1384-2020-4-51 -56
На сегодняшний день существует несколько способов моделирования ледяного покрова, при этом лёд может быть естественным, искусственным, композитным либо может использоваться его заменитель [1].
Первая в мире технология получения естественного моделированного льда была создана в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте. В её основе лежал факт уменьшения прочности льда с ростом его солёности. Для намораживания модельного поля может быть использован раствор ЫаС1, обеспечивающий заданное снижение прочности. Для более точного моделирования прочности варьируют температуру поля, используя зависимость прочности льда от температуры. Недостатком модели является высокая анизотропия свойств, высокие значения предела прочности на смятие по сравнению с пределом прочности на изгиб и сдвиг [5]. В качестве раствора может использоваться раствор карбамида, также возможно использование трёх-компонентного льда. Общим недостатком технологии являются существенные временные затраты на приготовление модельного поля. Средняя скорость роста льда составляет 1 — 2 мм/час [4].
В работе [7] показано, что одним из путей проведения испытаний является использование в качестве модели льда естественного ледяного по-
Козин Виктор Михайлович — доктор технических наук, профессор (Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН, Комсомольск-на-Амуре, Россия); e-mail: vellkom@list.ru.
Земляк Виталий Леонидович — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры технических дисциплин (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан, Россия); e-mail: vellkom@list.ru.
Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 16-19-10097). © Козин В. М., Земляк В. Л., 2020
51
крова. По сравнению с требованиями теории моделирования естественный лёд имеет повышенную прочность, поэтому широкое распространение получила версия о невозможности его использования в качестве модельного. Однако при использовании естественного льда компенсировать повышенную прочность можно, уменьшив его толщину. Более того, имеется ряд задач, в которых использование естественного льда в качестве модельного, приготавливаемого с помощью естественного охлаждения, оправдано и даёт результаты, которые хорошо согласуются с натурными экспериментами и теоретическими расчётами. К таким задачам относится исследование процессов распространения в системе лёд-вода прогрессивных изгибно-гравитационных волн (ИГВ), генерируемых движущимися нагрузками. Именно такая технология используется при проведении модельных экспериментов в лаборатории ледотехники Приамурского государственного университета имени Шолом-Алейхема [3].
Ввиду отсутствия в опытовом бассейне рефрижераторной установки экспериментальные исследования проводятся только в зимний период времени (декабрь — февраль). Модель ледяного покрова приготавливается в ледовом бассейне путём намораживания естественного пресноводного льда без примесей заданной толщины естественным холодом. Помещение, где расположена чаша бассейна, на весь период экспериментов не отапливается. Чтобы колебания температуры внутри помещения были незначительны, опыты проводятся только в ночное время суток с 21:00 до 5:00. Конструктивные особенности помещения исключают попадание снега с улицы, а также наличие волнения на поверхности воды от воздействия ветра при подготовке модельного поля позволяют намораживать ровное поле льда толщиной от 2 мм и более в течение 20 — 60 мин. при постоянном температурном режиме внутри помещения от -15 до -28 °С в зависимости от температуры воздуха на улице (-25 — 35 °С). В течение каждой ночи перепад температуры внутри помещения не превышает 1— 2 °С. Благодаря слою теплоизоляционного материала системы терморегуляции, установленной по бортам и под днищем чаши бассейна, соблюдению постоянного температурного режима, перепад толщины льда у стенок бассейна и в средней части поля не превышает 0,5 мм. Для того, чтобы картина трещинообразования была видна более ярко, после формирования модельного поля лёд посыпается тонким слоем снега (рис. 1).
Для сокращения времени приготовления модельного поля в Финляндии была предложена модель искусственного льда, который приготавливается путём распыления солёной воды в атмосфере бассейна при низких температурах -25—30 °С. В этом случае лёд нарастает снизу вверх. Распыление осуществляется с помощью технологической буксировочной тележки.
Для приготовления композитного льда может быть использована смесь полиэтиленовых шариков и пресной воды [4].
52
Рис. 1. Модельное поле льда
Ранее во многих странах, в основном при моделировании битых льдов, часто использовали различные заменители, плотность которых была близка к плотности льда, например, парафин. Для экспериментов также использовался лёд, изготовленный из полиэтилена высокого давления, плотность и коэффициент трения которого близки к естественному льду [6] (рис. 2).
Рис. 2. Модель битого льда из полиэтилена высокого давления [6]
53
Моделирование ледяного покрова можно осуществлять в опытовом бассейне 1 и при комнатной температуре (примерно 20 — 22 °С) с использованием в качестве модельного материала вещества легче воды, например, саломаса (плотность при комнатной температуре 20 °С равна 910 — 912 кг/м3), который предварительно нагревают до температуры выше его температуры плавления (примерно до 45 — 46 °С) и смешивают с керосином в нужной пропорции. Для его распределения ровным слоем необходимой толщины на поверхности воды бассейна используют подвесное дно 2 с установленными по его периметру вертикальными стенками 3 под углом а к горизонту. На поверхности дна и стенок укладывают водорастворимую плёнку 4, например, TM FILTEX, а сами поверхности выполняют водопроницаемыми.
После подъёма подвесного дна при помощи изменяющихся по длине стоек 8 выше уровня воды 5 в бассейне и выравнивания его поверхности в горизонтальной плоскости расплавленный саломас наливают в образованную подвесным дном и стенками чашу до уровня, обеспечивающего заданную толщину моделируемого ледяного покрова к. После затвердевания модельного материала вследствие его охлаждения до комнатной температуры подвесное дно опускают на глубину, обеспечивающую нулевую плавучесть модельному слою (с учётом соотношения плотности саломаса и воды это составляет примерно 0,9 от толщины модельного слоя), что обеспечит равенство сил тяжести модельного слоя силам плавучести (силам Архимеда). Это необходимо для исключения появления в модельном слое нежелательных деформаций до его отделения от подвесного дна. Для уменьшения сил трения модельного слоя при его отделении от боковых стенок последние выполняют наклонными к горизонтальной плоскости. После растворения водорастворимой плёнки, благодаря предварительно обеспеченной водопроницаемости поверхностей дна и стенок модельный слой отделится от поверхностей чаши, в которую он был залит. В результате последующего опускания подвесного дна на дно бассейна 6, благодаря меньшей, чем у воды, плотности саломаса модельный слой 7 за счёт его положительной плавучести останется на поверхности воды бассейна. После приготовления модельного слоя опытным путём определяют физико-механические характеристики полученного модельного льда, а полученные результаты проведённых экспериментов пересчитывают на натуру по известным методикам. Способ позволяет снизить затраты на проведение модельных экспериментов и повысить их эффективность [8] (рис. 3).
Способы проведения модельного эксперимента и законы подобия при моделировании распространения изгибно-гравитационных волн в ледяном покрове в литературе освещены слабо. В ходе натурных наблюдений за поведением ледяного покрова при действии на него внешних возмущающих нагрузок было установлено, что при распространении в ледяном покрове ИГВ последний ведёт себя как эластичная плёнка [2].
54
Упругое поведение льда при кратковременных нагрузках позволяет в определённых случаях рассматривать ледяной покров как упругую изотропную пластину. Имитация ледяного покрова упругими плёнками позволяет без лишних финансовых и трудозатрат анализировать деформированное состояние льда до момента его разрушения, выявлять влияние параметров нагрузки и характера её движения, а также различных ледовых условий на параметры ИГВ (прогиб, высоту, длину, период).
Список литературы
1. Борусевич В. О., Русецкий А. А., Соловьев И. А. Современные гидродинамические лаборатории. СПб.: ЦНИИ им. А. Н. Крылова, 2008. 335 с.
2. Двойченко Ю. А., Козин В. М. Предельное деформирование ледяного покрова изгибно-гравитационными волнами / / Теория и прочность ледокольного корабля. Горький: Изд-во ГПИ им. А. А. Жданова, 1982. Вып. 3. С. 38—41.
3. Земляк В. Л., Баурин Н. О., Курбацкий Д. А. Лаборатория «Ледотехники» // Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. 2013. № 1 (12). С. 68—77.
4. Ионов Б. П., Грамузов Е. М. Ледовая ходкость судов. СПб.: Судостроение, 2013. 504 с.
5. Каштелян В. И., Позняк И. И., Рывлин А. Я. Сопротивление льда движению судна. Л.: Судостроение, 1968. 238 с.
6. 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.
55
7. Ногид Л. М. Моделирование движения судна в сплошном ледяном поле и в битых льдах // Труды ЛКИ. 1959. Вып. 28. С. 179-185.
8. Патент № 2715331 РФ. МПК B63B 9/02. Способ моделирования ледяного покрова / Козин В. М., Земляк В. Л., Двойченко Ю. А. 2019. URL: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&m=6363&
DocNumber=2715331&TypeFile=htmI (дата обращения 17.11.2020).
* * *
Kozin Victor M., Zemlyak Vitaly L. ICE COVER SIMULATION METHOD
(Institute of Machining and Metallurgy, FEB RAS, Komsomolsk-on-Amur, Russia; Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan, Russia)
A new method for simulating the ice cover in experimental tank is offered. Simulation is carried out at room temperature using as a model material the material which is lighter than water, for example hydrogenated fat, which is preheated to temperature above its melting point and mixed with kerosene in the required proportion. Method will make it possible to reduce expenses for performance of model experiments and to increase their efficiency.
Keywords: hydrogenated fat, simulation, experimental tank.
DOI: 10.24412/2227-1384-2020-4-51 -56
References
1. Borusevich V. O., Rusetsky A. A., Soloviev I. A. Sovremennye gidrodinamicheskie laboratorii (Modern hydrodynamic laboratories), St.Petersburg, 2008. 335 p. (In Russ.).
2. Dvoichenko Yu. A., Kozin V. M. Ultimate deformation of the ice cover by flexural-gravitational waves [Predelnoe deformirovanie ledianogo pokrova izgibno-gravitatsionnymi volnami], Teoriia i prochnost ledokolnogo korablia (Theory and strength of the icebreaker ship), Gorky: Publishing house of GPI im. A. A. Zhdanov, 1982. Issue. 3, pp. 38-41. (In Russ.).
3. Zemlyak V. L., Baurin N. O., Kurbackiy D. A. Laboratory «Ice technology» [Laboratoriia «Ledotekhniki»], Vestnik Priamurskogo gosudarstvennogo universiteta im. Sholom-Aleikhema, 2013, no. 1 (12), pp. 68 — 77. (In Russ.).
4. Ionov B. P., Gramuzov E. M. Ledovaia khodkost sudov (Ice performance of ships), St.Petersburg, Shipbuilding Publ., 2013. 504 p. (In Russ.).
5. Kashtelyan V. I., Poznyak I. I. Ryvlin A. Ya. Soprotivlenie lda dvizheniiu sudna (Ice resistance to vessel movement), Leningrad, Sudostroenie Publ., 1968. 238 p. (In Russ.).
6. 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.).
7. Nogid L. M. Simulation of ship movement in a continuous ice field and in broken ice [Modelirovanie dvizheniia sudna v sploshnom ledianom pole i v bitykh ldakh], Trudy LKI, 1959, Issue 28, pp. 179 — 185. (In Russ.).
8. Kozin V. M., Zemliak V. L., Dvoichenko Iu. A. Sposob modelirovaniia ledianogo pokrova (Ice cover simulation method), Patent no. 2715331 RU, 2019. Available at: https://www1.fips.ru/ registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&rn=6363& DocNumber=2715331&TypeFile=html (accessed 11/17/2020). (In Russ.).
•Jc -Jc -Jc
56
