ВЛИЯНИЕ ПОСАДКИ СУДНА НА ЕГО ЛЕДОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 659.62

В.А. Лобанов, д.т.н., профессор, доцент, ФГБУВО «ВГУВТ» В.И. Тихонов, д.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

ВЛИЯНИЕ ПОСАДКИ СУДНА НА ЕГО ЛЕДОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Ключевые слова: ледокол, движительно-рулевой комплекс, ледовые условия, ледовый канал, САЕ-система, конечноэлементное моделирование.

В статье с использованием САЕ-технологий исследован процесс движения во льдах мелкосидящего ледокола проекта 1191 при различных вариантах его посадки. Выявлены качественные особенности такого взаимодействия судна с ледяным покровом. Проведён сравнительный анализ экспериментальных данных по ледовым нагрузкам на корпусе и движительно-рулевом комплексе. Даны количественные оценки влияния посадки судна на его суммарное ледовое сопротивление.

Введение

К настоящему времени разработан достаточный ряд эмпирических, полуаналитических и численных методик расчёта ледового сопротивления, ледовой ходкости и ледопроходимости судов [1-7]. Поверенные репрезентативными натурными данными, | они обеспечивают приемлемый уровень адекватности при решении ледовых задач эксплуатационного характера.

Следует указать, что применимость данных методик ограничена условиями посадки судна «на ровный киль» при его проектной осадке. При этом наличие крена и дифферента в ряду факторов ледового сопротивления корпуса судна и его движи-тельно-рулевого комплекса (ДРК) не рассматривается в принципе. Это обусловлено тем, что на практике транспортное судно, имеющее разрешение классификационного общества на эксплуатацию в ледовых условиях, рекомендуется загружать на уровень проектной осадки (в пределах наиболее прочной зоны его «ледового пояса»). Поэтому в отношении ледовокатегорийного грузового флота будет допустимым оправдать «методическое игнорирование» посадки судна как аргумента, влияющего на его ледовые нагрузки.

Работа ледокольных средств по обеспечению безопасности и эффективности ледовых транспортных операций отличается гораздо более широким спектром необходимых операций, действий, маневров, режимов и динамических приёмов в сравнении с грузовыми судами. При этом натурные наблюдения за эксплуатацией флота во льдах [8, 9] показали актуальность кратковременных режимов работы ледоколов с изменённой посадкой, что сохраняет проблему оценки ледовой ходкости и маневренности для таких условий их эксплуатации.

Научно-техническая работа автора связана с прогнозом ледовых качеств судов внутреннего и смешанного река-море плавания, подавляющее большинство которых по установленным ледовым категориям не превышает неарктический уровень «1се-1» («Лёд-40»). Относительная эффективность и безопасность ледовой эксплуатации такого флота обеспечивается лишь в условиях тёртых льдов и ледяной каши. Созданию приемлемых ледовых условий для работы флота с низкими (неарктическими) ледовыми категориями способствует применение ледокольных средств с многовальными движительными комплексами. Характерным примером такого средства для внутренних водных путей и прибрежных морских районов выступает мелкосидящий ледокол проекта 1191 типа «Капитан Евдокимов». При детальной изученности ледовых ка-

честв этого судна [8], автором не обнаружено каких-либо публикаций по количественным оценкам влияния его посадки на ледовую ходкость.

Существующей потребности в решении частных задач ледокольных работ препятствует невозможность постановки в настоящее время полномасштабных натурных испытаний ледоколов. Альтернативный модельный эксперимент в опытовых ледовых бассейнах для этих целей вряд ли можно рекомендовать в качестве репрезентативного источника информации по целому ряду недостатков, основным из которых является несовершенство модельного ледяного покрова (и, особенно, при анализе взаимодействия судовых движителей со льдом). Невозможность разделения ледовых и гидродинамических нагрузок на корпусе судна и его ДРК, выявления составляющих ледового сопротивления (на корпусе, винтах, рулях) также является значимым ограничением получения достоверной информации в обоих вышеупомянутых случаях.

Авторский опыт показывает, что при отсутствии надёжных натурных или эмпирических данных эти решения могут быть реализованы с использованием CAE-технологий [4, 10, 11, 12]. Ниже это продемонстрировано итогами очередной серии CAE-ледовых испытаний мелкосидящего ледокола при различных вариантах его посадки.

Модель

Теоретические основы CAE-симуляции задач морской и речной ледотехники (типы и формулировки конечных элементов, реологические модели материалов, контактные алгоритмы, конечноэлементное деление тел и сред, приёмы снижения ресур-созатратности задач) разработаны и опубликованы автором в ряде изданий [4, 10, 11].

Показанный ниже анализ осуществлён по результатам CAE-моделирования ряда вариантов посадки и движения ледокола в различных динамических и ледовых условиях. В моделях варьировалась толщина льда (0,5-0,7 м), его раздробленность (сплошной, мелкобитый), скорость судна (2,5-3,5 м/с), его осадка (1,8-2,5 м), крен (05 град.) и дифферент (0-2 град.). Относительная длина и ширина ледяного поля (ледового канала) во всех вариантах изменялась в пределах 1,5-3,5 длины и 3,0-6,0 ширины судна соответственно.

Вариант начального состояния модели показан на рис. 1. Укрупнённо состав ДРК, форма его элементов и их расположение приведены на рис. 2. Основные расчётные данные сведены в табл. 1.

Рис. 1. Пример исходной модели прокладки канала (1 - ДРК ледокола; 2 - корпус судна; 3 - поле сплошного льда)

Рис. 2. Модель ДРК ледокола (1 - руль; 2 - баллер руля; 3 - гребной винт: 4 - валопровод)

Таблица 1

Расчётные характеристики судна

Параметр Единица измерения Величина

Ледокол:

Длина м 73,0

Ширина м 16,0

Осадка м 2,5

Коэффициент полноты водоизмещения 0,75

Наклон форштевня к горизонту градус 17,0

Наклон борта цилиндрической вставки к горизонту градус 78,0

Длина цилиндрической вставки % 41,0

Руль:

Тип - подвесной, полубалансирный

Длина м 2,5

Высота м 2,2

Наибольшая толщина м 0,7

Гребной винт:

Диаметр м 2,0

Шаг м 1,5

Число лопастей 4

Дисковое отношение 0,7

Момент на валу кн-м 35,0

Частота вращения об/мин 260,0

Упор «на швартовах» кН 102,0

Работа судового ДРК и гидродинамическое воздействие на корпус судна и ледяной покров были описаны узловыми силами согласно рекомендациям работ [4, 10, 11]. Для сглаживания колебаний частоты вращения винтов из-за случайности величины внешних нагрузок моделировался следующий закон регулирования движителей:

наибольшая частота их вращения не должна превышать 30 % от номинального значения (табл. 1); падение оборотов винта ниже номинального уровня должно компенсироваться увеличением крутящего момента на валу, но не более, чем на 10 % от номинала (табл. 1).

Характер ледового взаимодействия

Предварительный качественный обзор САЕ-испытаний ледокола в условиях мелкобитых льдов показал, что в реальном «рабочем» (безопасном) диапазоне варьирования осадки, крена и дифферента судна вряд ли следует ожидать значимых межвариантных различий ледовых нагрузок на взаимодействующих конструктивных элементах (корпусе, движителях, рулях). Это наглядно иллюстрирует рис. 3.

в

Рис. 3. Качественное состояние «модельных» каналов в мелкобитых льдах при различных вариантах посадки ледокола (а - посадка на «ровный киль» при проектной осадке 2,5 м; б - крен 5 градусов; в - крен 5 градусов, дифферент на корму 2 градуса)

По характеру «модельных» ледовых трасс (распределению льдов и степени их раздробленности, рис. 3) можно судить о слабой корреляции посадки судна и состояния ледового канала после прохождения ледокола.

Это предположение также подтверждают качественные наблюдения за режимом работы гребных винтов судна. На рис. 4 это продемонстрировано на примере трёх вариантов посадки ледокола при форсировании им ледовой перемычки из сильносплочённых мелкобитых льдов толщиной 0,5 м.

Рис. 4. Временной характер частоты вращения движителей при различных вариантах посадки ледокола (а - наружный левобортный винт; б - внутренний левобортный винт; в - внутренний правобортный винт; г - наружный правобортный винт)

Анализ зависимостей (рис. 4) показывает, что временной характер частоты вращения любого винта (кривые А - посадка судна на «ровный киль» при проектной осадке 2,5 м; кривые В - правобортный крен судна на 5 градусов; кривые С - правобортный крен судна 5 градусов, дифферент на корму 2 градуса) сохраняет характерную неравномерность в каждом из трёх показанных вариантов посадки ледокола. Также следует указать на то, что во всех расчётных вариантах CAE-эксперименты прогнозируют практически непрерывное взаимодействие ДРК судна с ледяным покровом, обтекающим корпус.

В сплошных льдах качественные межвариантные различия непосредственно процесса взлома ледяного покрова более очевидны по сравнению с мелкобитыми льдами (Рис. 5), но однозначная идентификация проложенных ледовых каналов по признаку посадки ледокола далеко не всегда доступна даже опытному ледовому судоводителю или гидрологу (Рис. 6а, 6б).

б

Рис. 5. Характер взлома сплошного льда при различных вариантах посадки ледокола (вид снизу) (а - посадка на «ровный киль» при проектной осадке 2,5 м; б - крен 5 градусов)

в

Рис. 6. Качественное состояние «модельных» каналов в сплошных льдах при различных вариантах посадки ледокола (а - посадка на «ровный киль» при проектной осадке 2,5 м; б - дифферент на корму 2 градуса; в - крен 5 градусов)

Следует отметить, что наличие крена порождает стохастическую асимметрию поперечных ледовых нагрузок на корпусе ледокола. Последнее ухудшает его маршрутную устойчивость [10] при движении в сплошном ледяном покрове, что явно может сказаться на форме и состоянии ледового канала (рис. 6в). При этом уже на качественном уровне наблюдается снижение скорости хода судна по сравнению с вариантом посадки «на ровный киль» (рис. 7, кривые В и А соответственно).

Проиллюстрированным на рис. 6 и 7 особенностям в характере движения и динамике разнопосаженного судна в сплошных льдах с высокой степенью вероятности сопутствуют межвариантные различия в ледовых нагрузках на корпусе ледокола и его ДРК.

уыоспу сотраг»

Рис. 7. Временной характер скорости движения ледокола в сплошных льдах при различных вариантах его посадки

Ледовое сопротивление

Количественные результаты CAE-оценок суммарного ледового сопротивления ледокола в мелкобитых льдах при ряде вариантов его посадки приведены на рис. 8.

Л, 1 1 1 1' , К Уе»5е1 ЗеП|пд _4_Е*еп к*Ы Т 1,а »ШОС111 В Е»еп Ксе1 Т 2 5ятоо№ _С_Н«ч1 »г1т 1гаоо»Ь -Е-1.М Ьеай 1г1т »гаоШЬ _Е_иа( лет гит «тоат

; 1 1 1 . |]|| 1 1 Ш 1 и || 1 ш ШШ ш ■ К 1 н Еуеп К«е1 Т 1.8 РЕМ 3 НеаО 1М РЕМ К Ь191 РЕМ 1. им Гмм) 1Пт рем М 1.1« аит тпт РЕМ N 51егп Епш РЕМ

а ( ь м^Мй Ир ' > |т 1 рм ■1 Щ Ч №

1 ¡1 1 " г ' ? щ

■01 _ _1_ 1 ___ г —±

Рис. 8. Сравнение ледового сопротивления ледокола в мелкобитых льдах при различных вариантах его посадки (А - посадка на «ровный киль» при осадке 1,8 м, сглаженные значения; В - посадка на «ровный киль» при осадке 2,5 м, сглаженные значения; С - дифферент на нос 2 градуса, сглаженные значения; D - крен 5 градусов,

сглаженные значения; Е - дифферент на нос 2 градуса и крен 5 градусов, сглаженные значения; F - дифферент на корму 2 градуса и крен 5 градусов, сглаженные значения; дифферент на корму 5 градусов, сглаженные значения; H-N - соответственно кривым A-F результаты CAE-моделирования)

Анализ сглаженных зависимостей (рис. 8, кривые A-F) показывает, что уровень результирующего ледового сопротивления судна индивидуален в каждом варианте его посадки. При этом одномоментные различия в ледовых нагрузках могут принимать ощутимые величины (рис. 8, наиболее очевидно это видно после ~ 25 с, когда судно полностью входит в ледовое поле и, кроме корпуса, начинается активное взаимодействие со льдами ДРК ледокола). Однако во времени эти различия имеют знакопеременный характер, указывающий на то, что функциональная связь посадки ледокола с уровнем его суммарного ледового сопротивления незначима.

Дифференциация ледового сопротивления по конструктивным элементам (корпус, движители, рули) показывает характер ледовых нагрузок, аналогичный рис. 8 (рис. 9, обозначения кривых соответствуют рис. 8).

Vnmi Setting:

JL-Even Keel T 1.8 srooofh S Evan keel T 2.9 smooth C Head trim smooth D List smooth _E_LIj1 head Mm »mooth F I 111 stern trim smooth JLStern trim smooth H Evan kaal T 18 FEM J Even keel T 2 5 FEM J Head trim FEM K List FEM L Ust head trim FEM M List »tern trim FEM N Stern trim FEM

Рис. 9. Сравнение составляющих ледового сопротивления ледокола в мелкобитых льдах при различных вариантах его посадки (а - ледовое сопротивление корпуса; б - ледовое сопротивление винтов; в - ледовое сопротивление рулей)

а

в

При этом особо следует подчеркнуть знакопеременный характер ледового сопротивления движителей (Рис. 9б). Значительная стохастичность одновременного взаимодействия с ледяной средой четырёх винтов приводит к сравнительно низкому уровню (немногим более 5%) этой составляющей ледового сопротивления в общем балансе продольных ледовых нагрузок на ледокол.

В отношении сплошных льдов на данном этапе можно однозначно утверждать только о влиянии крена на ледовое сопротивление судна (рис. 10).

Farce compare in compact Ice

Рис. 10. Сравнение ледового сопротивления ледокола в сплошных льдах при различных вариантах его посадки (А - посадка на «ровный киль» при осадке 2,5 м, сглаженные значения; В - крен 5 градусов, сглаженные значения; С^ - соответственно кривым A-B результаты CAE-моделирования)

При этом в безопасном диапазоне этого параметра наблюдается значимый прирост суммарного ледового сопротивления ледокола (25-30%) по сравнению с его посадкой на «ровный киль» (Рис. 10, сравнение кривых А и В).

Выводы

1. При невозможности реализации натурных ледовых испытаний судов надёжной альтернативой определения их ледовых качеств остаётся модельный эксперимент (в том числе и виртуальный).

2. Распределение мелкобитых льдов и их раздробленность в «модельных» ледовых каналах указывают на слабую корреляцию посадки судна и качественного состояния канала за ледоколом, а функциональная связь его посадки с уровнем суммарного ледового сопротивления незначима.

3. Для сплошных льдов CAE-эксперименты прогнозируют только влияние крена на ледовое сопротивление судна.

Список литературы:

[1] Akihisa Konno, Akihiro Nakane, Satoshi Kanamori. Validation of numerical estimation of brash ice channel resistance with model test. Proceedings of the 22 International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. June 9-13, 2013, Espoo, Finland. - Access mode: http://www.poac.com/Papers/2013/pdf/POAC13_143.pdf

[2] Anthony F. Molland., Stephen R. Turnock., Dominic A. Hudson. Ship Resistance and Propulsion: practical estimation of ship propulsive power. - New York: Cambridge University Press. 2011. -537 p. - Access mode: http://dl.kashti.ir/ENBOOKS/NEW/Ship%20resistance%20and%20propulsion %20_%20F.Molland%20(20n).pdf

[3] Junji Sawamura, Ryouhei Kikuzawa, Takashi Tachibana, Masaya Kunigita. Numerical investigation of the ice Force Distribution around the Ship Hull in level Ice. Proceedings of the 21 International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. July 10-14, 2011, Montreal, Canada. - Access mode: http://www.poac.com/PapersOnline.html

[4] Lobanov V.A., Pershina V.S. Visualization of CAE-solutions of partial problems of ice navigation. Vessels passing. Scientific Visualization, 2018, volume 10, number 1, pages 89-98, DOI: 10.26583/sv.10.1.07 - Access mode: http://sv-journal.org/2018-1/07/?lang=en

[5] Appolonov Е.М., Sazonov K.E., Dobrodeev А.А., Klementieva N.Yu., Kudrin M.A., Maslich Е.А., Petinov V.O., Shaposhnikov V.M. Studies to develop technologies for making a wider channel in ice. Proceedings of the 22 International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. June 9-13, 2013, Espoo, Finland. - Access mode: http://www.poac.com/Papers/2013/ pdf/POAC13_041.pdf

[6] Ионов Б.П., Грамузов Е.М. Ледовая ходкость судов. 2 издание, исправленное. - СПб.: Судостроение, 2014. - 504 с., ил.

[7] Каштелян В.И., Позняк И.И., Рывлин А.Я. Сопротивление льда движению судна. - Л.: Судостроение, 1968. - 238 с.

[8] Тронин В.А. Повышение безопасности и эффективности ледового плавания судов на внутренних водных путях: диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук: специальность 05.22.16 - Судовождение / Горький, 1990. - 414 с.

[9] Эксплуатационно-технические испытания транспортных и ледокольных судов в ледовых условиях с разработкой предложений, обеспечивающих их круглогодовую эксплуатацию. Отчёт о научно-исследовательской работе по теме №XV-3.2/794147. Научные рук. - Тронин В.А., Богданов Б.В. - Горький.: ГИИВТ, 1981. - 262 с.

[10] Лобанов В.А. Численная оценка ледовых качеств судна. Управляемость. Вестник научно-технического развития, №8, 2012. Электронный журнал, № гос. рег. 0421200120, ISSN 2070 -6847. - Режим доступа: http://www.vntr.ru/ftpgetfile.php?id=619

[11] Лобанов В.А. Разработка с применением CAE-систем нормативных документов по безопасности ледового плавания судна //Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №4 (17) [Электронный ресурс]. - М. 2013. - с. 1-14. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/71tvn413.pdf, свободный - Загл. с экрана.

[12] Hallquist J.O. LS-DYNA 950. Theoretical Manual. Livermore Software Technology Corporation. LSTC Report 1018. Rev. 2. USA, 2001. - 498 p.

Код поля изменен

Код поля изменен

INFLUENCE OF SHIP SETTING ON ITS ICE RESISTANCE

V.A. Lobanov, V.I. Tikhonov

Keywords: icebreaker, propulsion and steering complex, ice condition, ice channel, CAE-system, finite element modeling.

In article with use of CAE technologies process of the movement in ices of the shallow-draft icebreaker of the project 1191 at various options of its setting is investigated. Qualitative features of such interaction of the vessel with an ice cover are revealed. The comparative analysis of experimental data on ice loadings on the case and a propulsion and steering complex is carried out. Quantitative estimates of influence of ship setting on its total ice resistance are given.

Статья поступила в редакцию 18.06.2018 г.