CC BY
9S.N. Girin, Yu. Ye. Voronina, Yu. I. Platov
Keywords: navigation, small depth, transport dock, costruction, docking raids, economic efficiency
The problem concerning the heavy-tonnage vessels passage through Gorodets hydrosystem under the shoal conditions is discussed. Such vessels transportation by means of special transport dock is considered as a possible solution to the problem. The dock design is offered and its operation economic efficiency is analysed.
Статья поступила в редакцию 12.04.2016 г.
УДК 629.12.011
Е.М. Грамузов, д.т.н., доцент ФГБОУВО «НГТУ им Р.Е. Алексеева» А.Г. Ларин, ст. преподаватель ФГБОУ ВО «НГТУ им Р.Е. Алексеева» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24
ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРЕНИЙ И ФОРМЫ ПОДВОДНОГО СУДНА НА ВОЗМОЖНОСТЬ ПОГРУЖЕНИЯ В ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЯХ
Ключевые слова: ледяной покров, ледовый опытовый бассейн, модель естественного льда, проломная нагрузка, теория моделирования, подводное судно.
Статья посвящена экспериментальному изучению влияния размерений и формы подводного судна на величину проломного усилия для ледяного покрова при погружении. Описана экспериментальная установка для исследования пролома ледяного покрова. Приведены результаты модельного эксперимента, показано влияние соотношения размерений и формы подводного судна на величину проломного усилия.
Добыча углеводородов в арктических морях связана со сложными условиями эксплуатации, такими как отрицательные температуры и подвижка ледяных полей. В настоящий момент построены и успешно эксплуатируются ледовые буровые платформы на неглубоком шельфе арктических морей. На относительно больших глубинах добыча вызывает трудности. В связи с этим разрабатываются проекты по подводному бурению. В настоящий момент уже существует несколько таких запатентованных проектов. Для снабжения буровых установок энергией предполагается использовать подводные суда с мощной энергетической установкой. При наступлении неблагоприятной ситуации судно может погрузиться под воду и продолжить снабжение буровой электроэнергией. Оценка возможности погружения судна в ледовых условиях позволяет обеспечить безопасную эксплуатацию судна и безопасность экипажа. Для определения влияния на величину проломной нагрузки для ледяного покрова ее формы и размеров были проведены опыты в специализированном ледовом опытовом бассейне НГТУ им. Р.Е. Алексеева кафедры «Кораблестроение и авиационная техника».
Рассмотрим процессы моделирования взаимодействия судна со льдом при погружении. Теоретическое решение этой задачи пока не получено из-за сложности физических процессов полного пролома ледяного покрова.
Классическая теория моделирования, разработанная Ю.А. Шиманским и Л.М. Но-гидом, предъявляет к модели ледяного покрова следующие требования [1]:
h С E
-f = — = E^ = х; рН =Рм ; Vm = VM, (!)
hM С М ЕМ
где X - модуль геометрического подобия объекта взаимодействующего со льдом;
h - толщина ледяного покрова;
с - предел прочности льда на изгиб;
E - изгибный модуль упругости льда;
р - плотность льда;
V - коэффициент Пуассона льда.
Индексами «н» и «м» обозначены натура и модель соответственно.
Модель ледяного покрова, полностью удовлетворяющая всем условиям моделирования, пока не найдена. Актуальным остается вопрос частичного подобия и связанного с ним метода пересчета результатов на натуру.
Для моделирования ледяного покрова используют модели искусственного льда, в которых прочность льда уменьшена таким образом, чтобы удовлетворить соотношению. Однако такое моделирование требует дорогостоящей технологии изготовления модельного льда и не позволяет полностью смоделировать все условия.
В НГТУ им. Р.Е. Алексеева на кафедре «Кораблестроения» был разработан метод моделирования в естественном льду, который обладает повышенной прочностью, чем требует строгая теория моделирования [1]. При моделировании обеспечивается равенство безразмерных прогибов, подобие параметров изгиба пластины на упругом основании, цилиндрической жесткости и напряженно-деформированного состояния льда. При этом картина разрушения льда в плане будет подобна, следовательно, одинаковыми будут число и расположение точек контакта объекта со льдом.
Сразу следует заметить, что естественный лед обладает повышенной прочностью, чем требует строгая теория моделирования, поэтому широкое распространение получило мнение о невозможности его использования в качестве модели ледяного покрова. Идея использования натурального льда состоит в попытке компенсации повышенной прочности меньшей толщиной [2].
Подобие картин разрушения определяется подобием НДС ледяных пластин, для определения которого воспользуемся дифференциальным уравнением изгиба пластин, на упругом основании, приведенному к безразмерному виду [1].
D-V4 w + w = 0, (2)
Pgl4
где w = w/l - безразмерный прогиб;
l = 1 = 4 D - характерный линейный размер в плане; /а \Pg
E. h3
D = - цилиндрическая жесткость ледяной пластины.
12. (1 -ц2)
НДС ледяного покрова для натуры и модели будет подобным, если
D - = idem. (3)
Pgl4
Так как рМ = рН и g = const выражение можно преобразовать к виду
D L 4
D- = Lt = ^ (4)
DM LM
Таким образом, при соблюдении условия (4) будет обеспечено подобие картин разрушения льда в плане.
Условия (3) и (4) предъявляют к модели ледяного покрова более легкие требования, чем классическая теория моделирования, а, следовательно, упрощается выбор материала для модели льда.
Описанный метод моделирования не противопоставляется более строгому методу, основанному на подборе материала модели льда. Однако, он позволяет расширить объемы модельных исследовании, используя для них открытые бассейны и естественные водоемы, а также производить испытания крупномасштабных и полунатурных моделей.
Пересчет на натуру осуществляется по следующим зависимостям [3]:
К = я4/3 • • hм , (5)
Рн = £ • Рм , (6)
vн =>/!• Vм , (7)
Е
где X Е = —Н— масштаб модулей упругости;
Ем
X = - геометрический масштаб; —м
ун,ум - скорость деформирования натурного и модельного ледяного покрова; РН ,Рм - проломная нагрузка для натурного и модельного льда.
Справедливость изложенного метода моделирования проверялась на моделях речных ледоколов проекта Р-47 выполненных в масштабах 1:27, 1:18, 1:13,5 и проекта 1105 в масштабе 1:50, морского ледокола R - класса в масштабе 1:40 и некоторых других.
Испытания показали удовлетворительную сходимость с натурными данными.
Пересчет сопротивления для широкого диапазона масштабов моделей судов Х = 13.5 + 50, а также для масштабной серии ледокола проекта Р-47 не выявили, сколько-нибудь заметного масштабного эффекта.
Были проведены исследования погружения вмороженных в лед серии унифицированных моделей с целью определения влияния отношения длины судна к ширине
—/, площади ватерлинии, солености льда, угла наклона борта к ватерлинии на спо-
/Б
собность судна погружаться. По результатам испытаний были получены зависимости, с помощью которых могут быть получены данные по проломному усилию для судов с характеристиками, отличными от моделей и для новых ледовых условий. Методика пересчета испытаний моделей объекта с систематически изменяемыми характеристиками базируется на теории моделирования деформирования и разрушения ледяного покрова.
Схематизированные модели подводных судов были выполнены из стальных труб диаметром 0168 мм и разных длин ^ = 500 мм; 12 = 750 мм; 13 = 1000 мм; 14 = 1500 мм с возможностью уточнения масштаба моделей в ходе проектирования натуры. Схемы моделей приведены на рис. 1 и 2. Модели закреплялись к штоку пресса и вмораживались в лед при разной осадке, что соответствовало форме борта близкой к вертикальной а) и наклонной б), в) и соответственно запасу плавучести для этих случаев 20%, 35%, 50%.
Рис. 1. Схемы моделей подводного судна
Рис. 2. Схема вмораживания моделей в лед
Модельные испытания проводились в специальном ледовом опытовом стенде, расположенном на открытом воздухе. Более полное описание стенда дано в [4].
Испытания проводились в пресном льду естественного состава при отрицательных температурах воздуха. Ледовый бассейн заполнялся пресной водой, под пресс устанавливалась модель судна, закреплялась к штоку пресса и оставалась в воде (для заданной осадки) при намораживании льда требуемой толщины.
Испытания проводились для толщин модели льда ~10 мм, ~20 мм, ~30 мм, ~40 мм.
Для аппроксимации проломного усилия предложена формула [2], кН:
L/
P = 1378-(1 + 0,02-^В) • (1 +1,3• h а-V £
(8)
- параметр упругого основания при изгибе ледяной пластины, 1/м;
где 1378 - коэффициент удельной энергии разрушения льда при погружении вмерзшего подводного судна, кПа;
I1 ~Ц 2 )
4 Ек3
Е - модуль упругости льда, принято £=5-106 МПа; ц - коэффициент Пуассона для льда, ц=0,36; р - плотность воды, р=1,000 т/м3; g - ускорение свободного падения, я=9,81 м/с2; £ - площадь ватерлинии судна, м2; к - толщина льда, м;
L, В - длина и ширина ватерлинии судна, м.
Полученные данные при определении влияния L /В и площади объекта использовались для определения проломной нагрузки подводного судна.
2
Планирование эксперимента в полном объеме затруднено. Это связано с неизбежной случайностью толщины ледяного поля в момент проведения испытания. Прогноз толщины намораживаемого льда базируется на времени и температуре воздуха. Но случайные метеорологические факторы (влажность, давление, динамика температуры, ветер) вносят свой вклад в фактическую толщину модели ледяного покрова, которая определяется сразу после разрушения ледяной пластины.
Соотношения геометрических параметров моделей имеют необходимый диапазон изменчивости, но конкретные соотношения параметров проектируемого объекта могут не совпадать с дискретным рядом моделей. Поэтому экспериментальные данные сначала подвергаются предварительной обработке. Строятся диаграммы в координатах сила - прогиб. Численные характеристики диаграмм аппроксимированы полуэмпирическими зависимостями, учитывающими существенные факторы процесса деформирования и разрушения льда. Например, проломное усилие описывается уравнениями вида (8). Затем рассчитываются кривые для моделей с параметрами вариантов натуры. Затем в заданном диапазоне проектируемого объекта, заданных его характеристиках выполняется пересчет данных на натуру.
Пересчет толщины ледяного покрова и проломного усилия выполняется по формулам (5) и (6). Физико-механические характеристики льда при пересчете берутся для модели и натуры соответственно. Для учета влияния ледовых условий на облик и конструктивные особенности подводного судна используется формула расчета проломного усилия, полученная на основе анализа ледовых испытаний (8).
Уравнение (8) показывает, что к снижению проломной нагрузки или к увеличению толщины проламываемого ледяного покрова при погружении приводит уменьшение площади ватерлинии надводного положения, а также уменьшение отношения длины к ширине L /В.
Из формулы (8) видно, что при увеличении отношения длины нагрузки к ее ширине при неизменной площади нагрузки величина проломного усилия возрастает. Минимальное усилие соответствует нагрузке в форме квадрата. В табл. 1 показано относительное увеличение проломного усилия с увеличением отношения сторон нагрузки. За единицу взято проломное усилие при соотношении сторон равном 1. Площадь нагрузки берется в долях квадрата характерного линейного размера
I — у-Л.
/а
Таблица 1
Относительное увеличение величины проломного усилия
Отношение сторон нагрузки ^ Площадь приложения нагрузки ^ — k • 12 (1 - характерный линейный размер при изгибе льда)
к =0,2 к =0,5 к =1,0 к =2,0 к =3,0 к =5,0 к =10,0 к =20,0 к =50,0
1 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
2 1,04 1,03 1,02 1,01 1,01 1,01 1,01 1,00 1,00
3 1,09 1,08 1,06 1,04 1,03 1,03 1,02 1,01 1,01
4 1,13 1,08 1,06 1,04 1,03 1,03 1,02 1,01 1,01
5 1,17 1,11 1,08 1,06 1,05 1,04 1,03 1,02 1,01
6 1,21 1,14 1,10 1,07 1,06 1,04 1,03 1,02 1,01
7 1,26 1,17 1,12 1,08 1,07 1,05 1,04 1,03 1,02
8 1,30 1,19 1,14 1,10 1,08 1,06 1,04 1,03 1,02
9 1,34 1,22 1,16 1,11 1,09 1,07 1,05 1,04 1,02
10 1,39 1,25 1,18 1,13 1,10 1,08 1,06 1,04 1,03
123456789 10
Отношение L/b
Рис. 3. Относительное увеличение проломной нагрузки при изменении относительной площади и отношения длины нагрузки к ширине
Из табл. 1 и рис. 3 видно, что при увеличении сторон нагрузки с 1 до 10 проломное усилие может возрасти почти на 40%. При увеличении относительной площади приложения нагрузки величина проломного усилия возрастает не так заметно. Это характерно для относительно тонкого льда.
В результате можно сделать следующие выводы:
1. Минимальное усилие для полного пролома бесконечного ледяного покрова будет при нагрузке, распределенной в форме квадрата. Увеличение соотношения сторон приводит к возрастанию усилия, необходимого для разрушения.
2. Для относительно тонкого льда при увеличении соотношения усилие возрастает незначительно. Для толстого льда, у которого относительная площадь приложения нагрузки меньше, чем у тонкого льда, усилие возрастает на значительную величину (до 40%). Поэтому для толстого льда следует стремиться, чтобы нагрузка в плане была близка к квадрату.
Получены нижние пределы толщин проламываемого льда. Это связано с тем, что методы пересчета не в полной мере адекватно отражают современное состояние вопроса.
Для конкретного проекта подводного судна должны быть разработаны таблицы и графики, позволяющие принимать эксплуатационные решения о необходимости погружения при вмерзании в лед. Необходимо контролировать соленость воды, температуру воздуха и толщину ледяного покрова.
Список литературы:
[1] Ионов Б.П., Грамузов Е.М. Ледовая ходкость судов. - СПб.: Судостроение, 2001. - 512 с.
[2] Антонов В.С., Грамузов Е.М., Зуев В.А., Ларин А.Г., Трапезников Ю.М. Экспериментальные исследования возможности погружения подводного судна вмерзшего в лед // Труды НГТУ им. Р.Е.Алексеева. - 2013. - № 4.
[3] Алексеев Ю.Н. Литонов О.Е., Панов В.В. .Ледотехнические аспекты освоения морских месторождений нефти и газа. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2001.
[4] Ларин А.Г. Экспериментальная установка для определения возможности погружения и всплытия энергетического модуля в ледовых условиях // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. -2013. - № 1.
THE UNDERWATER VESSEL RATIO LOAD AND SHAPE INFLUENCE ON THE IMMERSION POSSIBILITY IN THE ICE CONDITIONS
E.M. Gramuzov, A. G. Larin
Keywords: ice cover, ice towing tank, natural ice model, breaking load, modeling theory, underwater vessel
The article is devoted to the underwater vessel ratio load and shape influence study in terms of the breaking load value for the ice cover during the immersion. The experimental setup for the ice cover breaking is described. The model experiment results are given, the underwater vessel ratio load and shape correlation influence on the breaking load value is shown.
Статья поступила в редакцию 24.05.2016 г.
УДК 551.466.38: 46.086
С.А. Ермаков, зав. отд. ИПФ РАН, зав. каф. ФГБОУ ВО «ВГУВТ»;
А.В. Купаев, вед. конструктор ИПФ РАН;
И.А. Капустин, с.н.с. ИПФ РАН, ФГБОУ ВО «ВГУВТ»;
А.А. Мольков, н.с. ИПФ РАН, с.н.с. ФГБОУ ВО «ВГУВТ»;
И.А. Сергиевская, зав. лаб. ИПФ РАН, в.н.с. ФГБОУ ВО «ВГУВТ»;
О.В. Шомина, м.н.с. ИПФ РАН
603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46;
603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ДИСТАНЦИОННОМУ ЗОНДИРОВАНИЮ ОРГАНИЧЕСКИХ ПЛЕНОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОЧАСТОТНОГО РАДИОЛОКАТОРА МИКРОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА
Ключевые слова: радиолокационное зондирование, слики, натурный эксперимент, поляризация, пленки ПАВ.
В статье описаны результаты первых натурных экспериментов с использованием многочастотного радиолокатора, проведенных на Горьковском водохранилище в июле-августе 2016 г. Полученные результаты показали перспективность применения многочастотных поляризационных радиолокаторов для решения задач дистанционного зондирования загрязнений поверхности водоемов, в частности, через возможность восстановления интенсивности ветровых волн с различными длинами и анализ их изменчивости под действием загрязняющих пленок.
Введение
Несмотря на то, что развитию дистанционного зондирования морских пленочных сликов в настоящее время уделяется большое внимание, проблема обнаружения и оценки характеристик пленок на поверхности водоемов далека от решения. Присутствие пленок поверхностно-активных веществ (ПАВ), в том числе загрязняющих, на взволнованной водной поверхности приводит к сильному гашению мелкомасштабных ветровых волн. Поэтому области, покрытые пленками ПАВ, хорошо видны на радиолокационных изображениях в виде областей с пониженной (или повышенной в зави-
