CC BY
21П.Н. Токарев
Метод определения гидродинамических усилий на корпусе судна при произвольном плоском ...
[32] Ходкость и управляемость судов: учебник / утв. Управл. кадров и учеб. заведений МРФ РСФСР для студ. ин-тов водн. тр-та; под ред. В.Г. Павленко. - М. : Транспорт, 1991. - 455 с.
METHOD OF DETERMINATION HYDRODYNAMIC EFFORTS ON THE SHIPS HULL WITH INDIRECT FLAT TRAFFIC
P.N. Tokarev
Keywords: ship's hull angles of drift, radius of curvature, positional and damping hydrody-namic coefficients, method of determination
This article shows the existing methods of determine the hydrodynamic forces on the ship's hull of the maneuvering vessel. It is shown that at the present time there is no method allowing calculation of hydrodynamic forces on the hull of the vessel with arbitrary plane motion. Based on the analysis and studies carried out, a method has been developed that makes it possible to calculate the indicated forces in the entire range of changes in the angles of drift and the radius of rotation of the center of mass of the vessel, including rotation in place.
Статья поступила в редакцию 23.06.2017 г.
УДК 656.62.052.4
М.Ю. Чурин, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
УТОЧНЕНИЕ СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПРОСАДКИ СУДОВ В УСЛОВИЯХ МЕЛКОВОДЬЯ НА ТЕЧЕНИИ
Ключевые слова: методы расчета, динамическая просадка, мелководье, скорость судна, течение, уточнение.
В статье рассмотрен вопрос проявления динамической просадки судов речного флота при следовании в условиях мелководья на течении. Выполнен анализ существующих методов определения динамической просадки судов и предложены уточнения по расчету динамической просадки судов на течении.
В настоящее время вопрос обеспечения безопасной проводки судов в условиях мелководья получил дополнительную актуальность. Это связано с устойчивой тенденцией увеличения размеров вновь строящихся судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания. Кроме этого, необходимо отметить снижение уровней вод на реках европейской части Российской Федерации, что наблюдается в последнее десятилетие. Поэтому определение точного значения возможного минимального запаса воды под днищем судна при его движении по мелководью является обязательной составляющей обеспечения безопасной эксплуатации судов речного флота в современных условиях.
Расчет минимального запаса воды под днищем включает учет целого ряда факторов, в том числе и учет просадки судна при следовании в стесненных условиях. Это в первую очередь относится к речным судам, поскольку большую часть навигационного периода они эксплуатируются в условиях мелководья.
Глубина, при которой начинает проявляться влияние мелководья, определяется выражением [1]:
Н < 4Т + —, (1)
ё
где Н - глубина, м; Т - средняя осадка судна, м;
V - скорость судна, м/с;
ё - ускорение свободного падения, 9,81 м/с2.
Другим критерием оценки влияния мелководья, связанным с изменением картины волнообразования, является число Фруда по глубине
Ргн = /г— . (2)
Согласно этому критерию, ощутимое влияние мелководья начинает проявляться при /'/",, > 0,4 -г- 0,5 . В своих работах А.Д. Гофман [2] указывает, что при движении судов со скоростями, соответствующими Егн < 0,6, влиянием изменения характера волнообразования на гидродинамические силы и моменты, действующие на корпус судна, можно пренебречь. Приближение числа Фруда по глубине к единице сопровождается резким увеличением высоты судовой волны. Благодаря этому в движение вовлекаются дополнительные массы жидкости, и волновое сопротивление возрастает по сравнению с движением на глубокой воде с той же скоростью, осадка судна увеличивается. Увеличение осадки судов и возникновение дифферента при движении на мелководье объясняются уменьшением давления воды на днище корпуса судна. Это уменьшение является следствием увеличения скорости обтекания днища водой, а также трансформацией системы судовых волн при движении на мелководье [3]. Необходимо отметить, что в выражениях (1) и (2) под скоростью судна V понимается его скорость относительно воды, что является очень важным.
Существует большое количество различных методов для расчета динамической просадки речных судов на мелководье. В настоящее время наиболее широкое применение получили методы В. Г. Павленко, А. М. Полунина, П. Н. Шанчурова, Г. И. Су-хомела. Необходимо также отметить учитывающий особенности формы судового корпуса новый метод определения характера и величины динамической просадки судов речного флота, получивший название метод ВГАВТ.
1. Метод В.Г. Павленко
Приращение осадки судна по корме для речных судов и толкаемых составов В.Г. Павленко предложил вычислять по формуле [4]:
2
АТК = ^ , (3)
2 ё
где АТк - приращение осадки судна по корме, м;
V - скорость судна, м/с;
а - числовой коэффициент, причем для речных самоходных судов при водоизмещении V < 2000 м2
а = 0,1 + 0,4 — ; (4)
Н
для крупнотоннажных грузовых судов и толкаемых составов
т [—
а = 0,04(16,5 - —). — , (5)
В \Н
где L, B, T - соответственно длина, ширина и осадка судна, м.
2. Метод А.М. Полунина
Метод разработан для судов средних размеров, работающих в бассейнах сибирских рек, и дает хорошие результаты при определении приращения осадки по корме [5]:
а) для грузовых теплоходов
Т 2
А— = (0,04 + 0,35 —) —; (6)
к ^ 7 Т
Н ё
б) для пассажирских судов
А—к = а—к )Ъ, (7)
л/ё—к
где —к - осадка судна по корме, м; V - скорость судна, м/с;
a, Ь - числовые коэффициенты, определяемые по выражениям:
а = 0,265 - 3,6 — +11,3(—)2 - 8,5(—)3; (8)
Н Н Н
Ъ = 0,526 -18,6 — +19,3(—)2 - 0,8(—)3 (9)
Н Н Н
Данные формулы НИИВТа дают удовлетворительные результаты только в случае, —
если 0,4 < — < 0,9. Н
3. Метод П.Н. Шанчурова
Для определения приращений кормовой осадки речных судов П.Н. Шанчуровым предложены выражения [3]:
Н Л г
а) для отношений — < 1,6
—
4;
¿"2 Т
А— = 0,00135 — (16,43 - —\1— ; (10)
ё В "
Н
б) для отношений — > 1,6
—
А— = 0,00112 — (16,43 - — , (11)
к ё В \ Н
где к - числовой коэффициент, принимаемый при 5 < Ь / В < 7 для винтовых судов 1,15, для колесных судов 1,10, при 7 < Ь / В < 9 для винтовых судов 1,10, для колесных 1,05;
V - техническая (относительно берега) скорость судна, км/ч.
4. Метод Г.И. Сухомела
Приращение средней осадки на ходу определяется, по рекомендации Г.И. Сухомела, следующим образом [6] :
Н Л л
а) при отношении — < 1,4
Т
АТр =
к2 -1
-V
2 ё
(12)
Н
б) при отношении — >1,4 Т
АТр =■
к2 -1
2 ё
(13)
где АТ - среднее приращение осадки на ходу судна, м; V - скорость движения судна относительно воды, м/с;
к - числовой коэффициент, определяемый в зависимости от соотношения Ь / В по таблице, приведённой ниже.
Зависимость коэффициента к от соотношения длины и ширины судна
Ь / в 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 12,0
к 1,32 1,27 1,23 1,19 1,17 1,15 1,10
Учитывая, что с возрастанием скорости увеличивается дифферент (обычно на корму), для расчета максимальной просадки величину средней просадки, полученную по формулам (12) и (13), требуется умножить на некоторый коэффициент а , зависящий от формы обводов судна и отношения длины к ширине. Этот коэффициент устанавливается на базе натурных испытаний типовых судов. Экспериментальные данные показывают, что значения коэффициента а для различных типов судов меняются в пределах 1,1-1,5 [7]. При этом приращение осадки кормой определяется как
А Т.. = аАТ_
(14)
6. Метод ВГАВТ
Физический процесс обтекания корпуса судна жидкостью, помимо главных раз-мерений судна и отношения его осадки к глубине в районе плавания определяется также формой корпуса судна, что нашло отражение в методе ВГАВТ, который позволяет рассчитать среднюю динамическую просадку судна по выражению [8]:
АТр = ст
в: ТТ,
Ьё \н \Н
(15)
_ ст
где ст = —- - отношение коэффициента полноты носовой половины к коэффициенту ст
2 .
2
полноты кормовой половины диаметрального батокса судового корпуса, характеризующее форму его обводов; V - скорость движения судна относительно воды, м/с; V
Гг = .— - число Фруда [5,9].
Натурные наблюдения показывают, что у речных судов приращение осадки по корме превышает приращение осадки на миделе на 20 % [7, 8]. Следовательно, приращение осадки судов внутреннего и смешанного плавания по корме может быть определено по выражению (14), в котором коэффициент а принимается равным 1,2, то есть:
п 2 I I
AT = аАТ = 1,2а — — = 1,2uBFr\ — . (16)
к ф Lg\H \H
Анализ представленных методов расчета динамической просадки судов речного флота при следовании на мелководье свидетельствует о том, что их авторы исходили из физического процесса обтекания корпуса судна жидкостью. Во всех приведённых
выше расчётных формулах присутствует динамический элемент v2 /g . Однако под термином «скорость движения судна» в разных методах понимается различная скорость. Так, в методах Г.И. Сухомела и ВГАВТ под скоростью судна понимается его скорость относительно масс окружающей судно воды, в методе П.Н. Шанчурова -относительно берега. В методах В.Г. Павленко и А.М. Полунина - не уточняется, хотя можно допустить, что подразумевается скорость относительно масс воды.
При следовании судна по мелководным, но «не ограниченным по ширине фарватерам» [10], на которых отсутствует течение, этот вопрос непринципиален. Однако при движении по мелководным участкам, имеющим течения, для правильного выполнения расчетов величин динамической просадки необходимо четко представлять, какая скорость заложена в каждом методе расчета. Кроме этого известно, что на мелководье реальная скорость судна относительно масс окружающей его воды ниже той скорости, которая была бы при плавании на глубокой воде. Поэтому для определения величин динамической просадки с достаточной точностью требуется знание реальной скорости судна относительно масс воды в условиях мелководья.
Значение действительной скорости судна относительно воды в условиях мелководья можно подсчитать следующим образом [11]:
v = v v , (17)
зад ' v '
где v - скорость движения судна при заданном режиме работы движителей на глубокой воде, м/с;
v - величина относительного падения скорости на мелководье, определяемая по выражению:
1 Л2 +1 --L . (18)
ч2 F) F 2F Здесь F - коэффициент, подсчитываемый по формуле [11]:
T Л v
F = 5
H )4gH
(19)
v =
Рассчитав значение действительной скорости судна относительно воды, определяют величину его динамической просадки при следовании на мелководных участках. Необходимость выполнения расчетов величин динамической просадки судов регламентируется требованиями нормативных документов [12].
Поскольку величина динамической просадки судна определяется его скоростью движения относительно воды, то можно считать, что наличие течения не влияет на значения динамической просадки.
Список литературы:
[1] Управление судном и его техническая эксплуатация: Учебник для учащихся судоводит. спец. высш. инж. мор. училищ / Е.И Жуков [и др.]; под ред. А. И. Щетининой. - М.: Транспорт, 1983. - 655 с.
[2] Гофман А.Д. Теория и расчет поворотливости судов внутреннего плавания / А. Д. Гофман. -Л.: «Судостроение», 1971.- 256 с.
[3] Шанчуров П.Н. Управление судами и составами: учебник для ин-тов водн. трансп. / П.Н. Шанчуров. М.: Транспорт, 1971.- 352 с.
[4] Управление судами и составами: учебник для вузов / Н.Ф. Соларев [и др.]-2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1983. - 296 с.
[5] Ходкость и управляемость судов: учебник В.Ф. Бавин [и др.]; утв. Управл. Кадров и учеб. заведений МРФ РСФСР для студ. ин-тов водн. тр-та; под ред. В.Г. Павленко. - М.: Транспорт, 1991.- 455 с.
[6] Сухомел Г.И. Исследование движения судов по каналам и мелководью / Г.И. Сухомел. -Киев «Наукова думка», 1966. - 80 с.
[7] Сухомел Г.И. Исследование движения судов по ограниченным фарватерам /Г.И. Сухомел, В.М. Засс, Л.И. Янковский. - Киев: Из-во АН Украинской ССР, 1956.- 163 с.
[8] Чурин М.Ю. Метод определения динамической просадки судов смешанного «река-море» плавания / М.Ю. Чурин //Современные проблемы науки и образования Выпуск 3, 2013. URL: www.science-education.ru/111-10228.
[9] Тихонов В.И. Волнообразование и волновое сопротивление / В.И. Тихонов //Судовождение и безопасность плавания, водные пути, гидротехнические сооружения и экологическая безопасность судоходства: сб. науч. тр./ ВГАВТ. - Н.Новгород: ФГОУ ВПР ВГАВТ, 2006. - с. 2833.
[10] Brown's Nautical Almanac / Brown, Son and Ferguson. Ltd. - Glasgow, G41 2SD, 2011.
[11] 13.Токарев П.Н. Расчет скорости и инерционных характеристик на мелководье и в канале / П.Н. Токарев // Вестник ВГАВТ. Выпуск 49 - Н.Новгород : Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2016. - с. 242-248.
[12] МРФ РСФСР. Наставление по штурманской службе на судах Минречфлота РСФСР, ч. III (НШСМ - 86). - Л.: Транспорт, Ленинградское отделение, 1987. - 144 с.
AMENDMENT OF THE DYNAMICAL SQUATS CALCULATION METHOD OF SHIPS IN SHALOW WATER CONDITIONS ON CURRENTS
M.U. Churin
Keyword: method of calculation, dynamic squat, shallow water, ship's speed, current, amendment
In this article it's considered the question of squat of river fleet ships, when proceeding in shallow water on current. It's carry out analysis of existing method of dynamic squat's calculation and it's offered amendment for dynamic squat's calculation of river ships on current.
Статья поступила в редакцию 06.05.2017 г.
