CC BY
31
УДК 531.001.362
B. Л. Земляк, В. М. Козин, Е. Г. Рогожникова,
C. В. Радионов, И. А. Коновалов
ВЛИЯНИЕ ТРЕЩИН И РАЗВОДИЙ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ВОЗБУЖДАЕМЫХ ИЗГИБНО-ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН ОТ ДВИЖЕНИЯ ПОГРУЖЁННОГО ТЕЛА
Ранее авторами экспериментально установлено, что эффективность и характер разрушения ледяного покрова изгибно-гравитационными волнами, генерируемыми от движения погружённого тела, вблизи нижней поверхности льда может существенно зависеть от наличия во льду свободной кромки. В свою очередь, влияние на параметры ИГВ также оказывают и характеристики погружённого тела (длина, ширина, наличие цилиндрической вставки). В работе были определены зависимости параметров изгибно-гравитационных волн от рассматриваемых характеристик моделей и ледовых условий (наличия раскрытой трещины и разводий различной ширины). Определён характер разрушения ледяного покрова. Выявлены режимы движения, при которых разрушение льда было наиболее интенсивным.
Ключевые слова: подводное судно, лёд, изгибно-гравитационные волны, раскрытая трещина, разводья.
Введение
На сегодняшний день экипажами российских и иностранных субмарин совершено большое количество арктических походов с длительными переходами подо льдом. Подобные плавания атомных подводных лодок (АПЛ) стали распространённым событием. В будущем следует прогнозировать дальнейшее освоение Арктики подводными судами (ПС), что так-
Земляк Виталий Леонидович — кандидат физико-математических наук, доцент, проректор по научной работе и инновациям (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); e-mail: vellkom@list.ru.
Козин Виктор Михайлович — доктор технических наук, профессор (Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН, Комсомольск-на-Амуре); e-mail: vellkom@list.ru.
Рогожникова Елена Григорьевна — старший преподаватель кафедры информационной безопасности, информационных систем и физики (Амурский гуманитарно-педагогический государственный университет, Комсомольск-на-Амуре); e-mail: Steinbockh@mail.ru.
Радионов Сергей Владимирович — студент (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); е-mail: vellkom@list.ru.
Коновалов Иван Анатольевич — студент (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); е-mail: vellkom@list.ru.
Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 16-19-10097). © Земляк В. Л., Козин В. М., Рогожникова Е. Г., Радионов С. В., Коновалов И. А., 2017
31
же может быть связано с обнаружением на шельфе многочисленных крупных месторождений углеводородов. Особое внимание при этом вызывают вопросы добычи и транспортировки полезных ископаемых. С учётом суровых климатических условий и короткого сезона открытой воды возникает необходимость создания специальных транспортных средств, способных беспрепятственно преодолевать ледяные поля толщиной более 2 метров. Решение данного вопроса требует новых подходов к способам добычи и транспортировки сырья, которые можно реализовать с помощью подводных судов.
Анализ арктической ледовой обстановки показывает, что ледяной покров сохраняется практически в течение всего года на большей части региона. Основным фактором, характеризующим эффективность эксплуатации подводных судов в акватории Северного Ледовитого океана, является возможность осуществления их всплытия в различных ледовых условиях. На сегодняшний день всплытие подводного судна возможно:
- в сплошном ледяном покрове толщиной до 2 метров традиционным методом путём статического нагружения льда снизу (рис. 1);
#
Рис. 1. Всплытие американской АПЛ USS Annapolis (SSN 760) в сплошном льду во время учений ICEX 2009
- в естественных и искусственно образованных полыньях или зонах мелкобитого льда;
- в каналах и разводьях, образующихся в сплошном ледяном покрове под воздействием динамических факторов и приливно-отливных явлений (рис. 2) [1].
Опыт подлёдного плавания в Арктике показывает, что вероятность обнаружения благоприятной ледовой обстановки значительно зависит от района, периода времени и других факторов.
Для разрушения ледяного покрова можно использовать гидродинамические нагрузки, возникающие от движения ПС вблизи его нижней поверхности.
32
Д. Е. Хейсиным [2] теоретически рассмотрена задача движения вихря под сплошным ледяным покровом. В работе [3] экспериментально показана возможность разрушения естественного льда изгибно-гравита-ционными волнами (ИГВ) от движения модели ПС. Ранее авторами установлено, что на параметры ИГВ существенное влияние оказывают ледовые условия, в которых перемещается ПС [4], а также форма судна и его характеристики [5].
В работе выполнено экспериментальное исследование влияния основных характеристик погружённого тела на параметры ИГВ, генерируемых в ледяном покрове при наличии в нём свободной кромки (продольной раскрытой трещины, разводий различной ширины).
1. Подготовка к проведению экспериментальных исследований
Экспериментальные исследования движения моделей ПС под поверхностью ледяного покрова проводились в опытовом ледовом бассейне лаборатории ледотехники Приамурского государственного университета имени Шолом-Алейхема (Россия, г. Биробиджан) [6].
Габариты бассейна составляют: длина 10 м; ширина 3 м; уровень воды в чаше бассейна не менее 0,95 м (рис. 3). Масштаб моделирования А1 = 1 : 120 выбирался исходя из размеров ледового бассейна, при этом длина бассейна обеспечивала выход на стационарный режим движения моделей судов. Ширина была достаточной для исключения влияния отражённых от боковых стенок канала волн на основную волновую систему [7].
Для проведения экспериментов было использовано три модели ПС с различным относительным удлинением и водоизмещением (рис. 4). Модели имели следующие характеристики: модель № 1 — относительную длину Ьш/Вш = 13,3 (где Ьш — длина модели, Вт — ширина модели) и соответствовала судну с полным подводным водоизмещением после пересчёта на натуру Dn = 18000 т; модель № 2 — Ьш/Вш = 8,4, Бп = 24000 т; модель № 3 — Ьш/Вш = 8, Dn = 12000 т.
Рис. 2. Всплытие американской АПЛ USS New Mexico (SSN-779) в разводье, Арктика, 2014 г.
33
Рис. 3. Общий вид ледового бассейна
Рис. 4. Схемы моделей подводных судов
Модель ледяного покрова приготавливалась в ледовом бассейне намораживанием пресноводного льда без примесей заданной толщины (3 мм) естественным холодом, поэтому исследования проводились только в зимний период времени (декабрь — январь). Сохранение необходимого постоянного температурного режима внутри помещения порядка -15 °С обеспечивало приготовление ровного сплошного поля модельного льда в течение 2 — 2,5 ч. Перепад толщины льда у стенок бассейна и в средней части поля не превышал 1 мм. После разрушения модельного поля, лёд удалялся из бассейна, заглубление моделей субмарин выставлялось с учётом изменившегося уровня воды в чаше, а поле намораживалось вновь.
Для проведения опытов была спроектирована и изготовлена необходимая оснастка и сформирован измерительный комплекс для регист-
34
рации колебаний модельного льда. В процессе буксировки модели определялась скорость её движения и записывались профили взволнованной поверхности льда. Для записи колебаний модельного льда использовались бесконтактные лазерные датчики LAS-Z компании Way Con (Германия). Профили ИГВ записывались с помощью программы Test.viewer 2.34. Буксировочная система позволяла проводить испытания модели при скоростях до 2,4 м/ с в режиме установившегося движения. Конструктивно система была выполнена в виде двух рам, устанавливаемых по разные стороны бассейна и оснащённых подвижными балками с блоками проводки бесконечного буксировочного троса. Изменение скорости буксировки моделей субмарин осуществлялось сервоприводом СПШ20 Сервотехника (Россия).
Время движения модели после выхода её на стационарный режим движения не превышало 4 с., в экспериментах фиксировался момент зарождения и раскрытия трещин в модельном льду, что исключало влияние отражения волн от стенок чаши бассейна на профиль записываемой ИГВ. В модельном льду моделировались продольная раскрытая трещина, а также разводья различной ширины. Относительная ширина разводий bn/Bm (где bn — ширина разводья) соответственно составляла: 0,2; 0,4; 0,6; 0,8. Датчик вертикальных перемещений устанавливался на расстоянии 6 м от начала движения модели ПС и на расстоянии 0,01 м от свободной кромки модельного льда.
Для проведения экспериментов использовалась известная методика моделирования [8]. Моделирование естественного льда может осуществляться с использованием различных моделей ледяного покрова, для каждой из которых имеются соответствующие условия подобия.
При использовании естественного льда в качестве модельного толщину моделируемого ледяного покрова будем пересчитывать на натуру по следующей зависимости [9]:
hn = hmXl4/3 ([Ou]n/[Ou]m)"1/3,
где hn — толщина натурного льда; hm — толщина модельного льда; [ojn — предел прочности натурного льда на изгиб; [ojm — предел прочности модельного льда на изгиб (рис. 5).
Определение изгибной прочности модельного льда производилось экспериментально, путём испытания консолей на плаву, для этого использовался намораживаемый лёд толщиной hm = 3 мм. Консоли П-образной формы габаритами l х b = 15 х 45 мм приготавливаются в модельном льду путём выпиливания по штампу. Усилие, затрачиваемое на разрушение консоли, определялось с помощью электронного динамометра Mark-10 (USA).
Известно, что при моделировании морского льда с помощью пресноводного En > Em (где En — модуль Юнга натурного морского льда;
35
Em — модуль Юнга модельного пресноводного льда), однако соотношение Е/о,д для морского и пресноводного льдов практически не отличается. Соблюдение этого условия при моделировании льда чрезвычайно важно [10].
Рис. 5. Осреднённые значения о„ для льда различной толщины [9]
Чтобы картина трещинообразования была видна более ярко, после формирования модельного поля лёд посыпался тонким слоем снега.
Модельные эксперименты проводились при скоростях и^ = 1,6 — 2,17 м/с, глубине погружения моделей dm = 0,21 м и толщине модельного льда ^ = 3 мм.
2. Результаты модельных экспериментов
Для сопоставления полученных данных на первом этапе была выполнена серия экспериментов по разрушению сплошного льда моделями ПС. Результаты экспериментов показаны на рисунке 6. Графики показывают, что при скорости движения порядка 2 м/ с наблюдалось существенное увеличение прогибов льда. Наиболее эффективное разрушение льда происходило при движении моделей № 2 и № 3. Перемещение моделей № 1 даже на скоростях, близких к критическим, при которых волнообразование во льду было максимальным, к существенному разрушению льда не приводило, несмотря на крупное водоизмещение модели. Низкая ле-доразрушающая способность ИГВ было связана с достаточно большим относительным удлинением модели № 1, в результате чего кривизна генерируемых ИГВ была недостаточной для разрушения льда.
Далее были выполнены исследования движения моделей под ледяным покровом, имеющим свободную кромку в виде продольной раскрытой трещины и разводий различной ширины (рис. 7 — 9).
36
Рис. 6. Зависимость тт от скорости движения моделей ПС ит:
1 — модель судна № 1; 2 — модель судна № 2; 3 — модель судна № 3
Рис. 7. Зависимость тт от скорости движения моделей ПС № 1 :
1 — продольная раскрытая трещина; 2 — bn/Bm = 0,2; 3 — bn/Bm = 0,4; 4 — К/Еш = 0,6; 5 — К/Еш = 0,8.
37
Рис. 8. Зависимость тт от скорости движения моделей ПС № 2:
1 — продольная раскрытая трещина; 2 — Ьп/Вт = 0,2; 3 — Ьп/Вт = 0,4; 4 — Ьп/Вт = 0,6; 5 — Ьп/Вт = 0,8.
Рис. 9. Зависимость тт от скорости движения моделей ПС № 3:
1 — продольная раскрытая трещина; 2 — Ьп/Вт = 0,2; 3 — Ьп/Вт = 0,4; 4 — Ьп/Вт = 0,6; 5 — Ьп/Вт = 0,8.
38
Эксперименты показали, что наличие свободной кромки оказывает существенное влияние на деформированное состояние модельного льда. Наблюдалось увеличение прогиба модельного льда в зависимости от параметров моделируемых ледовых условий. Так, при Ьп/^^ = 0,4 наблюдалось резкое увеличение значений шт. Величина критической скорости, при которой ледоразрушающая способность ИГВ была максимальной, осталась неизменной и так же, как для случая сплошного льда, составила порядка 2 м/с.
Как и для случая сплошного льда, наиболее эффективное разрушение льда ИГВ происходило при движении моделей № 2 и № 3. При движении модели № 1 разрушение льда практически не наблюдалось даже при движении в наиболее благоприятных условиях с критической скоростью (при наличии разводья с относительной шириной 0,4). Можно сделать основной вывод, что решающее значение при разрушении льда резонансными ИГВ имеет относительное удлинение ПС, а не его водоизмещение. Для моделей № 2 и № 3 наблюдалось разрушение льда независимо от моделируемых ледовых условий во всём диапазоне исследуемых скоростей (рис. 10).
Рис. 10. Характер разрушения ледяного покрова моделью № 2 при движении вдоль продольной трещины, ил = 1,66 м/с
При скоростях, близких к критическим, площадь разрушения льда была максимальной, а при докритических начинала уменьшаться (рис. 11). При скоростях больше 2 м/ с также наблюдалось интенсивное разрушение льда, однако площадь льдин была наибольшей.
39
Рис. 11. Характер разрушения ледяного покрова моделью № 3 при Ьп/Вт = 0,4, ит = 1,85 м/с
Рис. 13. Характер разрушения ледяного покрова моделью № 3 при Ьп/Вт = 0,8, ит = 2 м/с
40
Наличие свободной кромки показало, что интенсивное появление магистральных трещин происходило при движении моделей вдоль продольной трещины и при bn/Bm = 0,4 (рис. 10 — 11). С ростом ширины разводья интенсивность разрушения снижалась (рис. 12 — 13).
Список литературы
1. Турко С. В. Применение подводных лодок в Арктике // Роль российского флота в защите отечества: материалы III международной научно-практической конференции. Тверь, 2008. С. 18 — 26.
2. Хейсин Д. Е. Динамика ледяного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. 216 с.
3. Козин В. М., Онищук А. В., Марьин Б. Н. Ледоразрушающая способность изгибно-гравитационных волн от движения объектов. Владивосток: Дальнаука, 2005. 191 с.
4. Kozin V. M., Zemlak V. L., Chizhiumov S. D. Mathematical Model of Ice Sheet Deformation Caused by Submarine Motion / / Proceedings of the Twentieth International Offshore and Polar Engineering Conference, Beijing, China, June 20 — 25, 2010. Pp. 1171—1176.
5. 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 Twenty-fourth International Ocean and Polar Engineering Conference Busan, Korea, June 15 — 20, 2014. Pp. 1135 — 1140.
6. Земляк В. Л., Баурин Н. О., Курбацкий Д. А. Лаборатория «Ледотехники» // Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. 2013. № 1(12). С. 68—77.
7. Войткунский Я. И. Сопротивление движению судов. Л.: Судостроение, 1988. 288 с.
8. Козин В. М., Онищук А. В., Марьин Б. Н. Ледоразрушающая способность изгибно-гравитационных волн от движения объектов. Владивосток: Дальнаука, 2005. 191 с.
9. Козин В. М. Обоснование исходных данных для выбора основных параметров СВП, предназначенных для разрушения ледяного покрова резонансным способом: дисс. ... канд. техн. наук. Горький: ГПИ им. А. А. Жданова, 1983. 314 с.
10. Козин В. М., Земляк В. Л., Баурин Н. О., Ипатов К. И. Технология определения физико-механических свойств модельного льда / / Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема, 2016. № 4 (25). С. 32—40.
11. Lewis J. W. Recent Development in Phisical Ice Modeling / / Offshore Technol. Conf. Houston. Техаа 1982. Vol. 4. Pp. 493 —498.
•k -k -k
Zemliak Vitaliy L., Kozin Victor M., Rogozhnikova Elena G., Radionov Sergey V., Konovalov Ivan A. INFLUENCE OF CRACKS AND ICE FRACTURE ON INTENSITY OF EXCITED BENDING-GRAVITATIONAL WAVES FROM THE MOTION OF A IMMERSED BODY
Л 4 5 Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan; Institute of Machining and Metallurgy, FEB RAS, Komsomolsk-on-Amur ; 3 Amur State University of Humanities and Pedagogy, Komsomol'sk-on-Amur)
Previously the authors have experimentally determined that the effectiveness and failure pattern of ice cover caused by flexural-gravity waves generated from the motion of submerged body near ice can greatly depend on the presence in the ice of a free edge. In turn, the influence on the parameters of FGW is also exerted by the characteristics of the immersed body (length, width, the presence of a cylindrical insert). The experiments allowed us to find dependencies of
41
the parameters of flexural gravity waves on the characteristics of the models and ice conditions
(longitudinal crack, ice fracture different widths). Ice cover failure pattern determined. Modes of
motion at which ice breaking was most intensive are detected.
Keywords: submarine vessels, ice, flexural-gravity waves, longitudinal crack, ice fracture.
References
1. Turko S. V. Application of submarines in the Arctic [Primenenie podvodnykh lodok v Arktike], Rol rossiiskogo flota v zashchite otechestva: materialy III mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentcii (Materials of the III International Scientific and Practical Conference «The Role of the Russian Fleet in the Defense of the Country»), Tver, 2008, pp. 18-26.
2. Kheisin D. E. Dinamika ledianogo pokrova (Dynamics of Ice Cover), Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1967. 216 p.
3. Kozin V. M., Onishchuk A. V., Marin B. N. Ledorazrushaiushchaia sposobnost izgibno-gravitatcionnykh voln ot dvizheniia obektov (The Ice-Breaking Capacity of Flexural-Gravity Waves Produced by Motion of Objects), Vladivostok, Dalnauka Publ., 2005. 191 p.
4. Kozin V. M., Zemlak V. L., Chizhiumov S. D. Mathematical Model of Ice Sheet Deformation Caused by Submarine Motion, Proceedings of the Twentieth International Offshore and Polar Engineering Conference, Beijing, China, June 20 — 25, 2010, pp. 1171—1176.
5. 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 Twenty-fourth International Ocean and Polar Engineering Conference, Busan, Korea, June 15 — 20, 2014, pp. 1135 — 1140.
6. Zemlyak V. L., Baurin N. O. and Kurbackiy D. A. Laboratory «Ice technology» [Laboratoriya «Ledotekhniki»], Vestnik Priamurskogo gosudarstvennogo universiteta im. Sholom-Aleykhema, 2013, no. 1(12). pp. 68 — 77.
7. Voitkunskii Ia. I. Soprotivlenie dvizheniiu sudov (Handbook of ship theory), Leningrad, Sudostroenie Publ., 1988. 288 p.
8. Kozin V. M., Onishchuk A. V., Marin B. N. Ledorazrushaiushchaia sposobnost izgibno-gravitatcionnykh voln ot dvizheniia obektov (The Ice-Breaking Capacity of Flexural-Gravity Waves Produced by Motion of Objects), Vladivostok, Dalnauka Publ., 2005. 191 p.
9. Kozin V. M. Obosnovanie iskhodnykh dannykh dlya vybora osnovnykh parametrov SVP, prednaznachennykh dlya razrusheniya ledyanogo pokrova rezonansnym sposobom (Substantiation of Initial Data for Choosing Basic Parameters for Hovercraft Designed for Breaking Ice Cover by Resonant Method), Thesis for Candidate of Technical Sciences, Gorkii, GPI im. A. A. Zhdanova Publ., 1983. 314 p.
10. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Baurin N. O., Ipatov C. I. Technology Definition of Physical and Mechanical Propertieso Model Ice [Tekhnologiia opredeleniia fiziko-mekhanicheskikh svoistv modelnogo lda], Vestnik Priamurskogo gosudarstvennogo universiteta im. Sholom-Aleykhema, 2016, no. 4(25), pp. 32—40.
11. Lewis J. W. Recent Development in Physical Ice Modeling, Offshore Technology Conference, Houston, Texas, 1982, vol. 4, pp. 493—498.
•Jc -Jc -Jc
42
