CC BY
61
УДК 531.001.362
В. Л. Земляк, В. М. Козин, М. В. Канделя, Г. В. Петросян
ВЛИЯНИЕ ПОДЛЕДНОГО ТЕЧЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ИЗГИБНО-ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН, ВОЗНИКАЮЩИХ ОТ ДВИЖЕНИЯ ПОДВОДНОГО СУДНА ПОД ЛЕДЯНЫМ ПОКРОВОМ
В работе выполнено экспериментальное исследование влияния подледных течений на параметры изгибно-гравитационных волн, возбуждаемых в ледяном покрове от движения подводного судна в зависимости от их направления и скорости. Определена зависимость критической (резонансной) скорости от рассматриваемых ледовых условий.
Ключевые слова: подводное судно, лед, подледные течения, изгибно-гравитационные волны
При движении подводного судна (ПС) под поверхностью льда в ледяном покрове образуется система изгибно-гравитационных волн (ИГВ), причем их амплитуда достигает максимума при скорости судна, несколько большей, так называемой «горбовой» скорости, соответствующей наибольшему волнообразованию при движении на свободной воде. Известно, что предельная толщина сплошного льда, разрушаемого резонансными ИГВ от движения ПС, в несколько раз превышает таковую при статическом проломе ледяного покрова в процессе всплытия традиционным способом [1]. Также на параметры генерируемых ИГВ существенное влияние могут оказывать ледовые условия, в которых перемещается нагрузка. Так в теоретических работах [2; 3] установлено, что при движении нагрузки напряженно-деформированное состояние ледяного покрова существенно зависит от наличия в нем свободной кромки и
Земляк Виталий Леонидович — кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой технических дисциплин (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); e-mail: [email protected].
Козин Виктор Михайлович — доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией «Механика деформируемого твердого тела» (Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН, Комсомольск-на-Амуре); e-mail: [email protected].
Канделя Михаил Васильевич — кандидат технических наук, Заслуженный машиностроитель РФ (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); e-mail: [email protected].
Петросян Гаянэ Вардановна — студентка (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); e-mail: [email protected]
Работа выполнена в рамках проекта № 487 задания на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания вузу № 2014/422.
© Земляк В. Л., Козин В. М., Канделя М. В., Петросян Г. В., 2014
40
снежного покрова на верхней поверхности льда. В экспериментальной работе [4], показано, что на деформированное состояние льда оказывает влияние глубина акватории, в которой перемещается ПС.
На параметры ИГВ могут оказывать влияние и подледные течения, формирующиеся при циркуляции поверхностных вод (рис. 1). Известно, что верхний слой Арктического бассейна занимают поверхностные арктические воды. Толщина их слоя в отдельных районах различна и определяется местными физико-географическими условиями. В Арктическом бассейне они распространяются от поверхности до глубины 200 — 250 м [5].
Скорость поверхностных течений в открытом океане не превышает 9 км/ч, однако течения в прибрежных районах и узкостях могут быть больше. Так, в Карском море, в проливах, вблизи островов, у материкового побережья и отмелей скорости течений составляют 1— 2 м/с, а в отдельных мелководных проливах достигают 4 — 6 м/с [6].
Целью настоящей работы являлось исследование влияния скорости подледных течений на параметры ИГВ от движения ПС и их направление движения.
Рис. 1. Схема циркуляции поверхностных вод Северного Ледовитого океана:
1 — антициклонический круговорот вод Арктического бассейна; 2 — Трансарктическое течение; 3 — Восточно-Гренландское течение; 4 — Западно-Исландское течение и Восточно-Исландское течение; 5 — Норвежское течение; 6 — система циклонических течений Северо-Европейского бассейна; 7 — Нордкапское течение; 8 — Шпицбергенское течение.
Подготовка к проведению экспериментов
Из-за сложности проведения экспериментов с естественным льдом и отсутствия необходимой оснастки серия экспериментов по исследованию влияния подледных течений на параметры ИГВ проводилась в
41
опытовом бассейне лаборатории «Ледотехники» (ПГУ им. Шолом-Алейхема, г. Биробиджан) с использованием модели неразрушаемого ледяного покрова [7].
Моделирование ИГВ в неразрушаемом льду проводилось в соответствии с условиями подобия [8], для чего использовалась буксировочная система и модель ледяного покрова в виде упругой пленки толщиной hm=3 мм. Масштаб моделирования составил Д/=500.
Модель подводного судна изготовлена на основе теоретического чертежа обобщенного типа современной атомной подводной лодки и имела каплеобразную форму [9]. Удлинение корпуса модели равнялось L/B=6,5, а водоизмещение соответствовало натурному судну с полным подводным водоизмещением в 12000 т.
С целью обеспечения циркуляции воды при имитации подледного течения с помощью фланцевых соединений был установлен центробежный насос с расходом воды до 60 м3/час, обеспечивающий моделирование ламинарного потока по всей ширине бассейна со скоростью Um = 0,089 — 0,148 м/ с, что при пересчете на натуру составляет Un = 2,0 — 3,3 м/ с. Для каждого случая систематически изменялся угол между векторами скоростей в пределах от 0° до 180° с шагом 18° (рис. 2). Заглубление модели ПС принималось минимальным и равнялось h =0,2, т. к. с увеличением глубины скорость течения поверхностных вод резко уменьшается [5].
Минимальная скорость перемещения модели ПС составляла Umm = 0,65 м/с, а максимальная — и = 1,35 м/с, что при пересчете на
натуру соответствовало 14 и 30 м/с. Верхняя граница скорости была предельной для большинства современных АПЛ. В опытах наибольший интерес представляли параметры резонансных ИГВ, амплитуды которых требовалось определить, при этом толщина льда при пересчете на нату-
42
Для проведения экспериментов была спроектирована и изготовлена необходимая оснастка и сформирован измерительный комплекс для регистрации колебаний модельного льда. В процессе буксировки модели определялась скорость ее движения и записывались профили взволнованной поверхности льда. Для записи колебаний модельного льда использовались бесконтактные лазерные датчики LAS-Z компании WayCon (Германия). Профили ИГВ записывались с помощью программы Test.viewer 2.34. Программа сохраняла полученный массив данных в файл формата Excel. Необходимая информация для определения параметров ИГВ (величина прогиба и длины волны) бралась из массива данных. Движение моделей осуществлялось с помощью сервопривода СПШ20 компании Сервотехника (Россия). Конструктивно система была выполнена в виде двух рам, устанавливаемых по разные стороны бассейна и оснащенных подвижными балками с блоками проводки бесконечного буксировочного троса [7].
Исследование деформированного состояния сплошного льда в условиях стоячей воды
На начальном этапе была проведена серия экспериментов по буксировке модели ПС под сплошным ледяным покровом в условиях глубокой воды. В дальнейшем эти результаты использовались в качестве тестовых для сравнения с данными, полученными при имитации подледных течений.
В результате экспериментов была определена критическая (резонансная) скорость, при которой во льду распространялись волны наибольшей амплитуды. Полученные модельные данные были пересчитаны на натуру в соответствии с условиями подобия и масштабом Л|=5(К). На рис. 3 приведены зависимости прогибов льда от скорости движения модели ПС, из которых видно, что при скорости порядка 22 м/ с во льду возникали ИГВ наибо льшей амплитуды.
Cl)мах, М
1,5
1,0
0,5 0
14 18 22 26 30 у, м/с
Рис. 3. Зависимость максимальных прогибов сплошного льда толщиной Ь=1 м от скорости движения ПС
43
Исследование деформированного состояния ледяного покрова при наличии подледных течений
Далее определялось влияние подледных течений на параметры из-гибно-гравитационных волн генерируемых от движения ПС под ледяным покровом.
Результаты буксировок показаны на рис. 4 — 6. Сопоставляя полученные данные с результатами для стоячей воды (рис. 3), можно сделать вывод о существенном влиянии подледного течения на исследуемые параметры. Так, прогибы ледяного покрова в зависимости от скорости течения и угла между векторами скоростей возрастали на 20 — 90 %. Причем максимальное влияние возникало при углах между направлением движения модели и моделируемым потоком воды в диапазоне от 0° до 40° и от 140° до 180°. Длина ИГВ в описанных случаях становилась наименьшей (рис. 7), а кривизна волн — наибольшей (рис. 8). Значения этих углов оказались устойчивыми для всего диапазона исследуемых скоростей.
5 в
\1
14 18 22 26 30 V, м/с
Рис. 4. Зависимость прогибов от скорости движения нагрузки при скорости течения
Um = 2,0 м/с: 1 - а= 0°; 2 - а= 36°; 3 - а= 72°; 4 - а= 108°; 5 - а= 144°; 6 - а= 180°.
5 6
Ж \ -г^ 2
i
14 18 2 2 26 30 V. м/с
Рис. 5. Зависимость прогибов от скорости движения нагрузки при скорости течения Ош= 2,7 м/с: 1 — а= 0°; 2 — а= 36°; 3 — а= 72°; 4 — а= 108°; 5 — а= 144°; 6 — а= 180°.
44
О. м 2
б
5
7
14
22
26
30 гк м/с
Рис. 6. Зависимость прогибов от скорости движения нагрузки при скорости течения от = 3,3 м/с: 1 - а= 0°; 2 - а= 36°; 3 - а= 72°; 4 - а= 108°; 5 - а= 144°; 6 - а= 180°.
Величина критической (резонансной) скорости изменялась в зависимости от направления движения ПС к потоку жидкости, при этом в диапазоне от 90° до 130° увеличение резонансной скорости не наблюдалось.
180 а,'
Рис. 7. Зависимость длин ИГВ от угла а: 1 - ит =2 м/ с;
2 - ит = 2,7 м/с; 3 - ит =3,3 м/ с.
Атах/ Л 0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
0
1
2
3
36
72
108
144
180 а.
Рис. 8. Отношение ЛтахА в зависимости от угла а при резонансной скорости движения ПС: 1 - и =2 м/с; 2 - и = 2,7 м/с; 3 - и =3,3 м/ с.
45
С ростом скорости прогибы модельного льда возрастали. Также в рассмотренных случаях существенно возрастали длины ИГВ, особенно ярко это проявлялось при скорости течения, равной 3,3 м/ с (рис. 7), что приводило к резкому снижению кривизны волн, т. е. снижению разрушающей способности ИГВ (рис. 8).
Выводы
На основании выполненных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
— наличие подледных течений приводит к росту амплитуд ИГВ, причем максимальный эффект возникает, когда угол между направлением движения ПС и потоком жидкости лежит в пределах от Qo до 36o и от 144o до 18Qo, значения этих углов устойчивы для всего исследованного диапазона скоростей;
— прогибы ледяного покрова в зависимости от скорости течения и угла между векторами скоростей возрастают на 2Q —90 % по сравнению со случаем стоячей воды;
— величина критической (резонансной) скорости зависит от направления движения ПС к потоку жидкости, при этом в диапазоне от 90o до 13Qo увеличение скорости не наблюдается;
— кривизна ИГВ, а следовательно, и их ледоразрушающая способность существенно зависит от направления течения потока жидкости, особенно если модель ПС перемещается по потоку жидкости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Козин В. М., Онищук А. В., Марьин Б. Н. Ледоразрушающая способность изгибно-гравитационных волн от движения объектов. Владивосток: Дальнаука, 2005. 191 с.
2. Kozin V. M., Zemlak V. L., Chizhiumov S. D. Mathematical Model of Ice Sheet Deformation Caused by Submarine Motion / / Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference ISOPE-2010. Beijing, 2010. Pp. 1171—1176.
3. Козин В. М., Земляк В. Л., Верещагин В. Ю. Влияние снежного покрова на параметры изгибно-гравитационных волн в ледяном покрове / / Прикладная механика и техническая физика. 2Q13. Т. 54. № 3(319). С. 134 — 140.
4. Козин В. М., Земляк В. Л. Безопасность всплытия подводного судна в сплошных льдах в условиях мелководья / / Безопасность жизнедеятельности. 2Q1Q. № 10. С. б— 9.
5. Шамраев Ю. И., Шишкина Л. А. Океанология. Л.: Гидрометеоиздат, 198Q. 478 с.
6. Добровольский А. Д., Залогин Б. С. Моря СССР. М.: Изд-во МГУ, 1982. 498 с.
7. Земляк В. Л., Курбацкий Д. А., Баурин Н. О. Лаборатория «Ледотехники» // Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. 2Q13. № 1(12). С. 068—077.
8. Козин В.М., Земляк В.Л. Физические основы разрушения ледяного покрова резонансным методом I ИМиМ ДВО РАН, ПГУ им. Шолом-Алейхема, АмГПГу. Комсомольск-на-Амуре; Биробиджан, 2Q13. 249 с.
9. Zemlyak V. L., Kozin V. M., Baurin N. O., Petrosyan G. V. Influence of Peculiarities of the Form of a Submarine Vessel on the Parameters of Generated Waves in the Ice
46
Motion / / Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference Сер. «Proceedings of the 24rd International Offshore and Polar Engineering Conference, ISOPE 2014» 2014. Pp. 1135-1140.
•Jc -Jc -Jc
Zemlyak Vitaliy L., Kozin Victor M., Kandelya Mikhail V., Petrosyan Gayane V.
INFLUENCE OF SUBGLACIAL FLOW ON THE PARAMETERS
OF FLEXURAL-GRAVITY WAVES ARISING FROM THE MOVEMENT
OF THE UNDERWATER VESSEL UNDER ICE COVER
(Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan;
Institute of Machining and Metallurgy, FEB RAS, Komsomolsk-on-Amur)
This paper presents an experimental study of impact of under ice streams on the parameters of
flexural-gravity waves caused by the motion of submarine vessels depending on their direction and
speed. Determined dependence of critical (resonant) speed on considered ice conditions.
Keywords: submarine; ice; subglacial currents; flexural-gravity wave.
References
1. Kozin V. M., Onishchuk A. V., Mar'in B. N. Ledorazrushayushchaya sposobnost' izgib-no-gravitatsionnykh voln ot dvizheniya ob"ektov (Ice-Breaking Capacity of Flexural-Gravity Waves Produced by Motion of Objects), Vladivostok: Dal'nauka, 2005. 191 p.
2. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Chizhiumov S. D. Mathematical Model of Ice Sheet Deformation Caused by Submarine Motion, Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference ISOPE-2010, Beijing, 2010, pp. 1171 —1176.
3. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Vereshchagin V. Yu. Influence of Snow Cover on the Parameters of Flexural-Gravity Waves in Ice Cover [Vliyanie snezhnogo pokrova na para-metry izgibno-gravitatsionnykh voln v ledyanom pokrove], Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2013, vol. 54, no. 3, pp. 458 —464. DOI: 10.1134/S0021894413030152
4. Zemlyak V. L., Kozin V. M. Safety Surfacing of a Submarine Vessel in Solid Ice in Shallow Water [Bezopasnost' vsplytiya podvodnogo sudna v sploshnykh l'dakh v usloviyakh melkovod'ya], Bezopasnost' zhiznedeatel'nosti, 2010, vol. 10, pp. 6 — 9.
5. Shamraev Y. I., Shishkin L. A. Okeanologiya (Oceanology), Leningrad, Gidrometeoizdat, 1980. 478 p.
6. Dobrovolsky A.D., Zalogin B.S. Morya SSSR (Seas of the USSR), Moscow, MGU, 1982. 498 p.
7. Zemlyak V. L., Baurin N. O., Kurbackiy D. A. «Laboratory Ice technology» [Laboratoriya «Ledotekhniki»], Vestnik Priamurskogo gosudarstvennogo universiteta im. Sholom-Aleykhema, 2013, no. 1(12), pp. 068—077.
8. Kozin V. M., Zemlyak V. L. Fizicheskie osnovy razrusheniya ledyanogo pokrova rezonansnym metodom (Physical Fundamentals of Ice Cover Destruction Resonance Method), Komsomol'sk-na-Amure, Birobidzhan, 2013. 249 p.
9. Zemlyak V. L., Kozin V. M., Baurin N. O., Petrosyan G. V. Influence of Peculiarities of the Form of a Submarine Vessel on the Parameters of Generated Waves in the Ice Motion, Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference. «Proceedings of the 24th International Offshore and Polar Engineering Conference, ISOPE 2014», 2014, pp. 1135 — 1140.
•Jc -Jc -Jc
47
