Движение судна на мелководье

Размещено на http://www.allbest.ru/

37

• Содержание
• Введение
• 1. Сопротивление воды движению судна
• 1.1 Общие сведения о сопротивлении движению судна
• 1.2 Составляющие полного сопротивления движению судна
• 1.2.1 Сопротивление трения гладкой судовой поверхности
• 1.2.2 Влияние кривизны судовых обводов на сопротивление трения
• 1.2.3 Влияние шероховатости судовой поверхности на сопротивление трения
• 1.2.4 Сопротивление формы
• 1.2.5 Совместный учет вязкостных составляющих сопротивления судов
• 1.2.6 Волновое сопротивление
• 2. Влияние мелководья на сопротивление движению судна
• 2.1 Волновое сопротивление
• 2.2 Скоростное проседание
• 2.2.1 Формулы для определения скоростного проседания на мелководье
• 2.2.1.1 Формулы института гидрологии и гидротехники АН СССР для среднетоннажных судов (формулы Г.И.Сухомела)
• 2.2.1.2 Формулы, рекомендуемые НШС МРХ
• 2.2.1.3 Формула А.П.Ковалева
• 2.3 Вязкостное сопротивление
• 3. Потеря скорости судна при движении на мелководье
• 3.1 Влияние ограниченной глубины на скорость судов
• 4. Анализ потери скорости моделей судов радиолокационного тренажёра NVS-90, при движении на мелководье
• 4.1 Опыты на тренажёре NVS-90
• 4.2 Опыт, проведенный на реальном судне
• 4.3 Анализ проведённых опытов
• Заключение

Введение

Плавание на мелководье является одним из наиболее сложных условий, в которых оказывается судно в процессе эксплуатации. И сложность ситуации заключается не только в том, что малый запас воды под килем в данных условиях представляет собой реальную навигационную опасность, но и в том, что поведение судна на мелководье существенно отличается от поведения на глубокой воде.

Суть дипломной работы заключается в следующем:

1. Выяснения причин вызывающих потерю скорости судна;

2. Выяснение причин вызывающих потерю скорости судна, которые изменяются при движении судна на мелководье;

3. Проведение опытов на тренажере;

4. Проведение опыта на реальном судне;

5. Анализ полученных результатов.

Важной особенностью дипломной работы является сравнивание полученных результатов с помощью тренажера с результатами испытаний на настоящем судне, а также их анализ.

1. Сопротивление воды движению судна

1.1 Общие сведения о сопротивлении движению судна

Сопротивление среды, движению водоизмещающих судов, поддержание которых обеспечивается за счет гидростатических (архимедовых) сил, обусловлено в основном физическими свойствами воды.

При движении с некоторой скоростью и судно испытывает силу сопротивления воды R, направленную в сторону, противоположную его движению. Величина этой силы зависит от размеров и формы обводов корпуса, состояния его наружной обшивки, а также режима и условий движения судна.

Рассмотрим, из каких сил слагается сопротивление воды движению судна (рис. 1.1). Выделим на смоченной поверхности судна элементарную площадку d?. Co стороны жидкости на эту площадку действует элементарная гидродинамическая сила, которую можно разложить на нормальную и касательную составляющие. Нормальную составляющую силы, приходящуюся на единицу площади, называют гидродинамическим давлением р, а касательную составляющую, отнесенную к единице площади -- касательным напряжением сил трения ф.

Проинтегрировав по всей смоченной поверхности судна ? проекции на ось х элементарных касательных сил фd?, получим выражение для сопротивления трения (1.1):

(1.1.)

Сопротивление трения является следствием физического свойства реальной жидкости -- вязкости.

Проинтегрировав по всей смоченной поверхности ? судна проекции на ось х элементарных сил гидродинамических давлений pd?, получим выражение для сопротивления давления (2):

(1.2)

Сопротивление давления представляют в виде двух составляющих: сопротивления формы R_ф и волнового сопротивления R_в:

(1.3)

Сопротивление формы является следствием влияния вязкости жидкости на величину и распределение по корпусу судна гидродинамических давлений. Волновое сопротивление возникает вследствие влияния волнообразования на поверхности воды, вызванного движением судна, на распределение гидродинамических давлений по его поверхности. судно мелководье скорость радиолокационный тренажер

Основной гипотезой при изучении сопротивления воды движению судна является предположение о независимости составляющих сопротивления. Считают, что на процесс волнообразования не влияют силы вязкости и наоборот -- на сопротивление трения и формы не влияют волновые движения жидкости. Эта гипотеза нестрогая: в действительности имеет место взаимодействие между составляющими сопротивления.

В соответствии с этой гипотезой полное сопротивление воды движению судна можно записать в виде суммы трех основных составляющих (1.4):

(1.4)

Сумму сопротивления трения и сопротивления формы называют вязкостным сопротивлением судна R_вязк:

(1.5)

При движении судно испытывает также воздействие воздушной среды. Сопротивление воздуха движению судна R_возд, представляющее собой проекцию на направление движения результирующей аэродинамических сил, действующих на надводную часть судна, составляет обычно небольшую долю полного сопротивления среды. Доля воздушного сопротивления может оказаться существенной только у быстроходных судов и у судов, плавающих в штормовых условиях.

1.2 Составляющие полного сопротивления движению судна

1.2.1 Сопротивление трения гладкой судовой поверхности

В гидромеханике при изучении обтекания тел вязкой жидкостью весь ее объем принято разделять на три области (рис. 1.2).

Вследствие влияния вязкости скорость жидкости в прилегающем к телу слое весьма быстро нарастает "от нулевого значения на стенке, где частицы жидкости прилипают к поверхности тела, до величины, близкой к скорости окружающего потока (область 1).

Строго говоря, влияние вязкости асимптотически распространяется по всему объему жидкости, обтекающей тело. Однако с достаточным приближением можно считать, что интенсивное проявление сил вязкости, связанное с наибольшими изменениями скорости, ограничивается небольшой частью потока, именуемой пограничным слоем.

За пределами пограничного слоя силы вязкости утрачивают свою роль. Это позволяет с некоторым приближением считать, что внешняя часть потока весьма мало подвержена действию вязкости, и применять к ней уравнения идеальной (невязкой) жидкости (область ll). Образовавшийся на поверхности обтекаемого тела пограничный слой сбегает с тела у его задней кромки, образуя так называемый вихревой след, или спутную струю (область lll).

При внимательном изучении пограничного слоя можно обнаружить, что при небольших числах Рейнольдса течение жидкости внутри него имеет слоистую структуру. Такой пограничный слой называют ламинарным. Если числа Рейнольдса велики, то может показаться, что практически весь пограничный слой беспорядочно завихрен. Такой пограничный слой называется турбулентным. Однако и в турбулентном пограничном слое вблизи от стенки, препятствующей поперечным перемещениям частиц жидкости, сохраняется очень тонкий слой жидкости с ламинарным режимом течения, который называют ламинарным подслоем.

Величина сопротивления трения зависит главным образом от режима течения внутри пограничного слоя, который определяется размерами и степенью шероховатости поверхности подводной части судна и скоростью его движения.

1.2.2 Влияние кривизны судовых обводов на сопротивление трения

Вследствие продольной и поперечной кривизны судовых обводов расстояние, проходимое от носа до кормы частицами воды при обтекании корпуса судна, оказывается больше соответствующего расстояния для эквивалентной пластины. Кроме того, криволинейность судовых обводов создает продольный и поперечный, перепад скоростей потока на внешней границе пограничного слоя. Все это приводит к изменению местных сил трения вдоль криволинейной судовой поверхности по сравнению с их значениями вдоль пластины. Обусловленное этим изменение сопротивления трения можно оценить с помощью так называемого коэффициента влияния кривизны поверхности на трение (1.6):

(1.6)

Где е, -- сопротивление трения и его коэффициент для объемного тела с криволинейной поверхностью;

, -- то же для эквивалентной пластины.

Как показывают результаты расчетов и экспериментальных исследований моделей судов в опытовом бассейне, значения коэффициента К_кр для судов изменяются в пределах К_кр = 1,02 ? 1,08 при вариации относительного удлинения судна в диапазоне L/B = 10 ? 6.

При выполнении практических расчетов значение коэффициента влияния кривизны судовой поверхности на сопротивление трения включают в остаточное сопротивление, определяемое по результатам модельных испытаний.

1.2.3 Влияние шероховатости судовой поверхности на сопротивление трения

Наружную поверхность моделей судов и других тел, испытываемых в бассейнах и аэродинамических трубах, обычно подвергают такой степени обработки, чтобы в процессе экспериментов ее шероховатость не оказывала влияния на сопротивление, т. е. чтобы модель обтекалась как гидродинамически гладкое тело. Соблюдение этого условия позволяет применять при расчете сопротивления трения моделей формулы для гидродинамически гладких пластин.

Между тем, поверхность наружной обшивки судна всегда имеет шероховатость, которую принято подразделять на общую и местную. Общей называется такая шероховатость, которая распределена относительно равномерно по всей наружной поверхности судна. К такой шероховатости можно отнести, например, неровности от окраски судна, а также волнистость поверхности, возникающую в процессе постройки корпуса. К местной шероховатости относят местные неровности, небольшие выступы, ниши и глухие вырезы в обшивке подводной части корпуса судна.

Дополнительное сопротивление, обусловленное суммарным влиянием всех видов шероховатости судовой поверхности, принято рассматривать как надбавку на шероховатость ?Rш к сопротивлению трения технически гладкой поверхности. С учетом надбавки на шероховатость и кривизны судовых обводов сопротивление трения судна вычисляется по формуле

(1.7)

Значения коэффициента надбавки на шероховатость определяют, сопоставляя результаты натурных и модельных испытаний судна.

1.2.4 Сопротивление формы

При обтекании тела потоком жидкости давление вдоль его поверхности уменьшается от передней точки тела до миделя и возрастает от миделя к корме. В зоне отрицательного градиента давления, т. е. от передней критической точки до точки с минимальным давлением, частицы жидкости движутся с положительным ускорением, пропорциональным градиенту давления; за точкой с минимальным давлением движение частиц происходит против возрастающего давления, т. е. с отрицательным ускорением. В невязкой жидкости накопленного запаса энергии частиц жидкости было бы достаточно для преодоления градиента давления на пути от точки с минимальным давлением до кормовой оконечности. Однако в вязкой жидкости при движении частиц внутри пограничного слоя часть их энергии теряется на преодоление сил трения. Вследствие этого может оказаться, что частицы будут не в состоянии преодолеть положительный градиент давления при движении от точки с минимальным давлением к корме тела. В результате масса частиц вблизи стенки под действием возрастающего давления может начать двигаться против набегающего потока. Обратный поток жидкости оттесняет пограничный слой от поверхности тела и приводит к образованию вихрей. Это явление называется отрывом пограничного слоя от поверхности тела, а тела, при обтекании которых оно наблюдается, называются плохо обтекаемыми. Точка А (рис. 1.3), в которой начинается оттеснение пограничного слоя от поверхности тела обратным потоком жидкости, называется точкой отрыва пограничного слоя. Отрыв пограничного слоя с образованием вихрей искажает картину обтекания тела в кормовой части по сравнению с той, которая наблюдается при обтекании невязкой жидкостью. Это приводит к изменению распределения давления, а именно -- к его уменьшению в кормовой части, и возникновению результирующей нормального давления, направленной в сторону, противоположную движению судна. Эта результирующая и является сопротивлением формы плохо обтекаемого тела.

При обтекании тел большого удлинения с заостренной кормовой оконечностью продольные перепады давления невелики. При этом запас кинетической энергии частиц жидкости может оказаться достаточным для одновременного преодоления как силы трения, так и возрастающего давления на пути от точки с минимальным давлением к корме. В этом случае пограничный слой в кормовой оконечности плавно сходит с поверхности, превращаясь в спутную струю шла с таким характером обтекания называют хорошо обтекаемыми. Наличие пограничного слоя у хорошо обтекаемых тел, несмотря на отсутствие его отрыва, вызывает отклонение линии тока от поверхности тела: это отклонение увеличивается с ростом толщины пограничного слоя по мере приближения к корме. Изменение картины линий тока по сравнению с той, которая наблюдается при обтекании тела невязкой жидкостью, приводит к изменению местных скоростей обтекания, а следовательно, и давлений. Вследствие перераспределения давлений их результирующая на направление потока, обтекающего тело, становится не равной нулю, представляя собой сопротивление формы хорошо обтекаемого тела.

Исследование характеристик пограничного слоя моделей судов с обычными обводами и технически гладкой поверхностью показало, что при отношении длины к ширине (L/B)>6 в кормовой оконечности не наблюдается отрыва пограничного слоя от поверхности корпуса. Безотрывным является также обтекание судов и при (L/B)<6, если расстояние от конца цилиндрической вставки до кормового перпендикуляра, называемое кормовым заострением L_K, удовлетворяет условию (1.8)

(1.8)

Где - площадь погруженной части мидель-шпангоута.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований

показывают, что сопротивление формы при безотрывном обтекании

тел изменяется по законам, свойственным сопротивлению трения. Это дает основание считать, что коэффициент сопротивления формы о_ф будет пропорционален коэффициенту турбулентного сопротивления трения о_тп эквивалентной плоской пластины (1.9) :

(1.9)

Где- коэффициент пропорциональности, величина которого зависит только от формы обводов судна.

1.2.5 Совместный учет вязкостных составляющих сопротивления судов

Вязкостное сопротивление состоит из суммы сопротивления трения с учетом влияния кривизны поверхности судна и сопротивления формы. Полное сопротивление тел или судов, движущихся глубоко под свободной поверхностью, при отсутствии волнообразовании состоит только из вязкостного сопротивления.

Идентичность законов сопротивления трения и формы, наблюдаемая при безотрывном обтекании корпуса судна, позволяет, с учетом формул (1.6) и (1.9), представить коэффициент вязкостного сопротивления в виде

(1.10)

где К_вязв -- множитель, постоянный для данного судна и учитывающий влияние формы обводов на величину вязкостных составляющих сопротивления.

Применение формулы (1.10) для совместного определения вязкостных составляющих позволило бы несколько уменьшить условность допущений при расчете сопротивления воды движению судна, однако методы расчетов, основанные на ее использовании, находятся пока в стадии разработки.

1.2.6 Волновое сопротивление

При движении судна, пересекающего свободную поверхность жидкости, скорость потока вдоль него неравномерна, что приводит к возникновению на корпусе зон повышенного и пониженного давления по сравнению с давлением в не возмущенном потоке. Вследствие этого форма свободной поверхности вблизи судна искажается: в местах увеличения давления наблюдается повышение уровня свободной поверхности, а в местах понижения давления -- опускание. Частицы жидкости, отклоняясь от положения равновесия, под действием сил тяжести начинают совершать колебательные движения, вызывающие периодические изменения формы свободной поверхности, которые представляются наблюдателю в виде волновых движений. С энергетической точки зрения волновое сопротивление определяется затратой мощности на образование судовых волн. Его величина зависит от скорости движения судна, его размерений и формы обводов, а также от условий плавания (глубины фарватера, ширины канала).

Основными волнообразующими центрами являются участки корпуса в носу и в корме, где гидродинамические давления изменяются наиболее сильно. В силу этого около движущегося судна возникают две группы волн -- носовая и кормовая. Наблюдения за носовой и кормовой группами волн показывают, что в каждой из них можно выделить две системы волн -- расходящихся и поперечных.

Расходящиеся волны носовой и кормовой групп располагаются по обе стороны судна рядами, состоящими из отдельных волн с коротким фронтом. При этом фронт каждой волны составляет с диаметральной плоскостью постоянный угол а, величина которого при движении на глубокой воде практически не зависит от скорости движения судна и незначительно меняется с изменением остроты носовой ветви ватерлинии. Среднее значение угла а составляет 36°--40° (рис. 1.4). Середины отрезков расходящихся волн располагаются на прямых линиях, наклоненных к диаметральной плоскости судна под углом в= 0,5а. При движении на глубокой воде расходящиеся волны носовой, и кормовой групп не взаимодействуют и распространяются независимо друг от друга.

Поперечные волны составляют прямой угол с диаметральной плоскостью и располагаются внутри острого угла в. Длина фронта поперечных волн по мере удаления от места зарождения увеличивается, а высота уменьшается, поскольку общий запас их энергии остается неизменным.

Из теории волновых движений жидкости известно, что длина синусоидальных волн ?? и скорость их распространения на поверхности глубокой жидкости н связаны зависимостью (1.11):

(1.11)

Так как скорость распространения судовых волн, сохраняющих по отношению к судну неизменное положение, равна скорости движения судна, то согласно (1.11) с ростом скорости судна длина образующихся волн увеличивается. Следовательно, при различных скоростях движения судна на его длине укладывается различное число поперечных волн.

Замечено, что положение места возникновения носовой и кормовой систем волн около судна почти не зависит от скорости его движения. Носовая система начинается с вершины несколько позади форштевня, кормовая -- с подошвы несколько впереди ахтерштевня. Вследствие этого характер интерференции (наложения) поперечных поли носовой и кормовой систем существенно зависит от скорости судна. Скорости судна, при которых в результате интерференции поперечных волн носовой и кормовой систем их суммарная амплитуда за кормой уменьшается, называются благоприятными; в случае увеличения их суммарной амплитуды -- неблагоприятными.

2. Влияние мелководья на сопротивление движению судна

Понятие “мелководье” относительно. Влияние мелководья на поведение судна зависит не только от глубины моря, но и от габаритов судна и его скорости. Для количественной оценки степени влияния мелководья обычно используются следующие безразмерные параметры:

1. отношение глубины воды к осадке судна H/Т, характеризующее степень стеснения потока по глубине;

2. число мелководья Fr_н, или относительная скорость движения судна в условиях ограниченной глубины.

Существуют различные эмпирические формулы для определения глубины, с которой начинает сказываться мелководье. Согласно одной из формул (2.1) влияние мелководья на поведение судна наблюдается на глубинах:

(2.1)

Где: Н_гл - глубина, м;

d - средняя осадка судна, м;

V_с - скорость судна, м/с;

g - ускорение свободного падения, 9.81 м/с².

Другим критерием оценки влияния мелководья, связанным с изменением картины волнообразования, является “число Фруда” по глубине (2.2):

(2.2)

Согласно этому критерию ощутимое влияние мелководья начинает проявляться при Fr_н>0.4 - 0.5 .

Ограниченная глубина фарватера влияет на все составляющие сопротивления воды движению судна, однако степень их изменения в условиях мелководья по сравнению со случаем движения судна на глубокой воде оказывается различной.

Сопротивление воды движению судна условно делят на вязкостное и волновое. Влияние мелководья на скорость движения судна заключается в изменении как вязкостного, так и волнового сопротивлений. Также можно добавить и увеличение сопротивления воды движению судна из-за увеличения осадки, вследствие скоростного проседания на мелководье, что приводит к увеличению подводной части корпуса судна.

2.1 Волновое сопротивление

В зависимости от глубины и скорости хода выделяются следующие режимы движения.

Наиболее сильно влияние мелководья сказывается на величине и характере изменения волнового сопротивления. Резкое изменение волнового сопротивления связано в данном случае с различием свойств, которыми обладают корабельные волны, образующиеся на глубокой и мелкой воде.

Между длиной поперечных волн, образующихся при движении судна на мелкой и глубокой воде (лн и л?), а также между скоростью распространения волнового профиля в этих условиях (Vн и V?), существуют соотношения (2.3) и (2.4):

при (2.3)

при (2.4)

Предельная скорость распространения поперечных волн на мелководье теоретически достигает значения и равна скорости перемещения одиночной волны, имеющей вид бугра с возвратно-поступательным движением частиц жидкости.

Пока скорость движения судна на мелководье такова, что длина образующихся при этом волн незначительно отличается от длины волн на глубокой воде, картина волнообразования в обоих случаях практически остается одинаковой (см. рис. 1). Наблюдения показывают, что это условие соблюдается при скорости (при )

Вместе с увеличением длины волн при дальнейшем возрастании скорости движения судна на мелководье начинается трансформация картины волнообразования (рис. 2.2, а). В результате этого увеличивается угол раствора расходящихся волн, искривляется их фронт, который оказывается обращенным выпуклой стороной к судну и одновременно возрастает высота волнового профиля, в движение вовлекаются дополнительные массы жидкости, и волновое сопротивление возрастает по сравнению с движением на глубокой воде с той же скоростью.

По мере приближения скорости к значению фронт расходящихся волн носовой группы разворачивается настолько, что они сливаются с поперечными волнами, образуя общую поперечную волну, движущуюся вместе с судном и расположенную около форштевня (рис. 2,2, б). По своим свойствам такая волна приближается к одиночной волне, а ее высота при малых отношениях H/T и для судов с полными обводами может оказаться весьма значительной. При этом имеет место максимальное волновое сопротивление и просадка судна.

При скоростях, превышающих значение , поперечная волна исчезает, и около судна остается лишь система расходящихся волн с фронтом, обращенным вогнутой стороной к судну (рис. 2,2, в). Угол раствора таких расходящихся волн уменьшается с ростом скорости, приближаясь при больших скоростях к значению этого угла на глубокой воде. В этом случае на мелководье сопротивление воды движению судна несколько меньше, чем на глубокой воде, наблюдается уменьшение средней осадки и дифферента на корму.

На рис. 2,3 представлены результаты сопоставления волновых систем для этих случаев. Хорошо заметны усиление поперечных волн у оконечностей и увеличение амплитуды корабельных волн в целом на мелководье. О волнообразовании судна можно также судить по рис. 2,4, на котором даны перспективные изображения свободной поверхности.

2.2 Скоростное проседание

Термин “скоростное проседание” обозначает разность между глубинами под килем движущегося судна и судна, не имеющего хода относительно воды.

Причиной скоростного проседания судна является следующий физический процесс, происходящий вокруг движущегося судна.

При рассмотрении движения судна относительно воды можно в равной степени говорить о движении воды относительно судна. Таким образом, частицы воды, встречающие на своем пути корпус судна, вынуждены его огибать вдоль бортов и днища.

Поскольку вода обладает свойством неразрывности, то вытесняемые в стороны частицы воды, двигаясь по криволинейной траектории, за то же самое время должны пройти больший путь чем частицы, движущиеся по прямой. Следовательно, скорость частиц, огибающих судно, выше скорости частиц, движущихся по прямой. Кроме того, эти частицы, находившиеся в состоянии покоя относительно грунта, образуют поток, движущийся относительно грунта в направлении, встречном направлению движения судна.

Зависимость между скоростью потока жидкости и давлением жидкости на данном участке описывается уравнением Бернулли (2.5):

где :Р - давление жидкости на данном участке;

g - плотность жидкости;

V_в - скорость потока.

Из выражения (2.5) видно, что если на каком либо участке скорость движения жидкости увеличивается, то для сохранения равенства должно понизиться давление.

Следовательно, во время движения судна, чтобы выражение (2.5) сохранялось, вокруг судна происходит падение давления, а следовательно, и уровня воды.

Это и является причиной скоростного проседания судна. Из выражения (2.5) видно, что чем больше скорость потока, движущегося вдоль корпуса судна, тем больше падает давление, и тем значительнее проседание судна.

Поле вызванных скоростей не симметрично относительно миделя, следовательно, не симметрично и поле давления воды вдоль движущегося судна (рис.6). В носовой части формируется поле повышенного давления за счет лобового сопротивления формы корпуса, замедляющего набегающий поток. В кормовой части замедление потока, огибающего судно, (а следовательно, и повышение давления) происходит за счет влияния “попутного потока”, движущегося вместе с судном. Однако, работа винта, создающего дополнительное разряжение воды у кормовой оконечности, существенно влияет на результирующую величину поля давлений.

Участки повышенного давления в носовой и кормовой оконечностях имеют разную природу и разные величины, зависящие от многих параметров погруженной части корпуса. Несимметричность поля давления вдоль корпуса приводит к тому, что скоростное проседание происходит с изменением дифферента судна. Для большинства судов, имеющих обычную конфигурацию корпуса (без носового бульба), характерно проседание с дифферентом на корму.

Скоростное проседание с дифферентом на нос характерно для крупнотоннажных судов. Результаты натурных испытаний показывают, что у судов с коэффициентом общей полноты С_в > 0.8 проседание носовой оконечностью больше, чем кормовой.

При выходе судна на мелководье скоростное проседание увеличивается в сравнении с проседанием на глубокой воде. Причин тому несколько. Одной из причин является меняющаяся картина волнообразования (рис.2,7). В общем случае движущееся судно образует две системы волн: поперечную, распространяющуюся перпендикулярно диаметральной плоскости судна, и систему волн, образующую сектор (рис.2,7, а).

Ширина волнового сектора зависит от значения Fr. На мелководье, по мере приближения скорости судна к критическому значению, угол между ДП судна и фронтом расходящихся волн увеличивается. При достижении скорости судна значения, близкого к критическому (Fr » 1), обе системы волн вырождаются в две поперечные волны - носовую и кормовую.

Образовавшиеся поперечные волны имеют значительную амплитуду. У судов с обычными обводами корпуса носовая волна располагается под носовой оконечностью, а кормовая волна - несколько позади кормовой оконечности. Это приводит к тому, что носовая оконечность всплывает на волне с увеличением дифферента на корму.

Другой причиной дополнительного проседания судна на мелководье является малый запас воды под килем. Как уже говорилось, частицы воды, огибающие корпус, движутся с большей скоростью, образуя поле вызванных скоростей (встречный поток). Если поле вызванных скоростей достигает грунта, то там возникает пограничный слой, где силы трения притормаживают встречный поток воды.

Но для того, чтобы то же количество воды успевало проходить под днищем, скорость потока увеличивается. А увеличение скорости потока под днищем приводит к дополнительному падению давления в этом районе, что и приводит к дополнительному проседанию корпуса.

Для расчета скоростного проседания судна на мелководье существует целый ряд эмпирических формул, дающих порой существенно отличающиеся результаты. Рассмотрим лишь некоторые из этих формул.

2.2.1 Формулы для определения скоростного проседания на мелководье

2.2.1.1 Формулы института гидрологии и гидротехники АН СССР для среднетоннажных судов (формулы Г.И.Сухомела)

Таблица 1

L/B	4	5	6	7	8	9	12
K		1.32	1.23	1.19	1.17	1.15	1.1

Проседание кормы в этом случае находится по формуле (2,7):

где a - коэффициент, зависящий от соотношения длины судна L к его ширине В (табл.2).

Таблица 2

L/B	3.5 - 5.0	5.0 - 7.0	7.0 - 9.0
a	1.5 - 1.25	1.25 - 1.1	1.1

К сожалению, разработчики метода не указывают, какую длину следует учитывать. Наиболее логичным представляется использовать в расчетах длину судна по действующей ватерлинии.

Так как фактическое соотношение L/B довольно редко принимает табличные значения, то определение коэффициентов К и a линейной интерполяцией при нелинейности этих функций вводит некоторую погрешность в конечный результат. Для решения этой проблемы предлагается график, построенный на основании таблиц 1 и 2 (рис.2,9).

2.2.1.2 Формулы, рекомендуемые НШС МРХ

Таблица 3

L/B	6	7	8	9
K	0.76	0.62	0.54	0.47

2.2.1.3 Формула А.П.Ковалева

Таблица 4

L/B	4	5	6	7	8	9
K	1.35	1.03	0.80	0.62	0.55	0.48

Как уже говорилось выше, при плавании на мелководье с ограниченной акваторией у судна появляется дополнительное проседание. Величину дополнительного проседания можно приблизительно вычислить по преобразованной формуле А.П.Ковалева (2,10):

Таблица 5

?к /??	3	4	5	6	8	10	12
K'	0.98	0.61	0.44	0.35	0.24	0.18	0.15

Из таблицы видно, как быстро увеличивается проседание судна при уменьшении поперечного сечения канала. Поскольку зависимость К' от

2.3 Вязкостное сопротивление

Сопротивление вязкостной природы, состоящее из сопротивления трения и сопротивления формы, определяется давлениями и напряжениями трения на корпусе, которые подвержены существенному влиянию мелководья. Увеличение вязкостного сопротивления может быть ощутимым уже в условиях относительно слабого мелководья (Н/Т < 6), о чем свидетельствуют полученные при различной глубине воды кривые коэффициента полного сопротивления модели судна (рис, 2,12), которые при малых числах Фруда (Fr < 0,1) полностью определяются вязкостной составляющей сопротивления.

Исследования позволили выявить особенности влияния мелководья на характеристики обтекания судов и вязкостную составляющую их сопротивления.

Под влиянием мелководья разрежения на значительной длине корпуса существенно возрастают, вследствие чего местные скорости обтекания и касательные напряжения трения на этой части судна больше, чем на глубокой воде при одинаковой скорости. Кроме того, в отличие от условий глубокой воды, на мелководье величина коэффициента давления р в фиксированных точках при Н/Т = const оказывается зависящей от скорости движения (рис. 2.12). Это свидетельствует о том, что в условиях мелководья сопротивление формы и сопротивление трения зависят не только от числа Рейнольдса и глубины воды, но и от числа Фруда.

Положительный градиент давления в кормовой оконечности увеличивается по мере уменьшения глубины фарватера, а при Н/Т -- const он возрастает с увеличением скорости движения (см. рис. 2,13). Однако, если в условиях глубокой воды положительный градиент давления обычно распространяется до крайней кормовой точки, что характерно для безотрывного обтекания корпуса, то в условиях ограниченной глубины (при H/T < 2) кривая р (х) в корме имеет участок, где р = const, что указывает на отрыв пограничного слоя, который связан с потерями кинетической энергии вследствие подтормаживания потока, движущегося в направлении резко возрастающего давления.

Модельные исследования с визуализацией обтекания (рис. 2,13) показывают, что размеры области отрыва пограничного слоя в кормовой оконечности возрастают с уменьшением глубины акватории и с увеличением скорости движения. То же самое происходит и с толщиной зоны отрывного течения, о чем свидетельствуют измеренные профили скоростей в пограничном слое . Возникающее при отрывном обтекании интенсивное вихреобразование существенно увеличивает вязкостную составляющую сопротивления судна на предельном мелководье (Н/Т <2).

Следует указать еще на одну причину увеличения вязкостного сопротивления судна в условиях предельного мелководья. Когда запас воды под килем невелик (Н/Т < 1,5), вызываемые движением судна скорости распространяются до дна водоема, на котором при этом возникает пограничный слой с поперечными градиентами скоростей, соизмеримыми с соответствующими градиентами на корпусе. Расчеты этого пограничного слоя показывают, что трение на дне фарватера может ощутимо увеличивать составляющую сопротивления вязкостной природы.

Таким образом, вязкостное сопротивление судна на мелководье содержит дополнительные компоненты (трение на дне и сопротивление отрыва), которые при безграничной глубине воды у того же судна отсутствуют. Это исключает возможность использования свойства аффинности при расчете вязкостного сопротивления в этих условиях.

Проблемы, связанные с моделированием составляющих сопротивления на мелководье, изучены еще недостаточно и в настоящее время не существует физически обоснованного метода пересчета сопротивления модели на натурное судно, который бы соответствовал специфическим особенностям обтекания и сопротивления в условиях ограниченной глубины фарватера. Это вынуждает для мелководья использовать традиционный метод Фруда. При этом в остаточное сопротивление наряду с волновой составляющей оказываются включенными и переносятся на натурное судно по критерию гравитационного подобия значительно большие, чем в случае глубокой воды, силы вязкостной природы. Такой подход в известной мере оправдан тем, что эти силы содержат сопротивление отрыва, существенно зависящее от числа Фруда. Область отрыва пограничного слоя на мелководье (H/T < 3) неустойчива, нередко наблюдается периодический сход крупных вихрей с кормовой оконечности, которые в следе за моделью образуют дорожку Кармана. В этих условиях сопротивление модели нестабильно, что вызывает значительный разброс экспериментальных точек, вносит элемент неоднозначности в результаты испытаний, вынуждая прибегать к их осреднению, и снижает точность прогноза сопротивления судна. У натурных судов неустойчивость обтекания и нестабильность сопротивления на предельном мелководье проявляется еще сильнее вследствие таких факторов, как неровности дна, рыскание, течение и т. п.

3. Потеря скорости судна при движении на мелководье

3.1 Влияние ограниченной глубины на скорость судов

Современные способы учета влияния мелководья на скорость при натурных испытаниях основаны на гипотезе О. Шлихтинга, согласно которой при одинаковом сопротивлении скорость судна на глубокой воде v отличается от его скорости в условиях мелководья v_H на величину суммарной потери скорости ?v, состоящую из двух компонентов:

-- потеря скорости из-за увеличения вязкостной составляющей сопротивления;

-- потеря скорости из-за увеличения волновой составляющей сопротивления.

Обычно суммарную потерю скорости представляют в относительной форме (3,1):

(3,1)

и выражают в процентах от скорости .

В настоящее время в международной и отечественной практике натурных испытаний судов для учета влияния ограниченности глубины моря на мерных линиях используются диаграммы Лэкенби или формулы Скотта.

Приведенная на рис. 3,1 диаграмма Лэкенби является графическим представлением следующей полуэмпирической формулы, полученной на основе экспериментальных данных (3,2):

 (3,2)

При щ_м / Н ² > 0,05.

Диаграмма позволяет определить относительную потерю скорости, если известны глубина воды Н, площадь погруженной части мидель-шпангоута щ_м и число Фруда по глубине воды . На диаграмме имеется четыре зоны, для которых характерны следующие особенности;

зона ABCD ( соответствует отсутствию влияния мелководья;

зона BEFC соответствует возрастанию только вязкостного сопротивления;

зона DСНJ соответствует возрастанию только волнового сопротивления;

зона CFGH соответствует одновременному увеличению и вязкостного, и волнового сопротивления.

Скотт разработал полуэмпирические формулы для учета влияния мелководья при определении скорости судов на глубокой воде по результатам натурных испытаний на недостаточно глубоких мерных линиях.

Основная формула Скотта связывает значения скорости на глубокой воде н и в условиях мелководья н_Н при одинаковом сопротивлении (3,3):

(3,3)

Где

?н_W=0 при ;

?н_W=0,00013 при .

В этой формуле величины , , даны в узлах, глубина воды Н - в метрах, площадь мидель-шпангоута щ_м в квадратных метрах.

Из этой формулы следует, что относительная потеря скорости судна на мелководье при одинаковом с условиями глубокой воды сопоставлении составляет (3,4):

(3,4)

Где =0 при , ?н_W=0,00013 при .

4. Анализ потери скорости моделей судов радиолокационного тренажёра NVS-90, при движении на мелководье

4.1 Опыты на тренажёре NVS-90

Для анализа потери скорости судна использовались следующие модели судов:

1. Универсальное судно:

Дедвейт - 26771 т

Длина - 182,9 м

Ширина - 24,4 м

Осадка - 9,8 м

Коэффициент общей полноты - 0,612

2. Контейнеровоз:

Дедвейт - 37636 т

Длина - 194,5 м

Ширина - 30,5 м

Осадка - 11,2 м

Коэффициент общей полноты - 0,566

3. Балкер:

Дедвейт - 54600 т

Длина - 174 м

Ширина - 31,1 м

Осадка - 12 м

Коэффициент общей полноты - 0,841

4. Танкер в балласте:

Дедвейт - 97430 т

Длина - 330,7 м

Ширина - 51,8 м

Осадка - 11,1 м

Коэффициент общей полноты - 0,512

5. Танкер в грузу

Дедвейт - 253966 т

Длина - 330,7 м

Ширина - 51,8 м

Осадка - 11,1 м

Коэффициент общей полноты - 1,331

Сущность опытов заключалась в следующем - представленные модели судов помещались в условия мелководья с начальной скоростью (эксплуатационная скорость для каждого судна в зависимости от загрузки), в результате влияния мелководья (влияние мелководья описано в разделе 2) скорость судна начинала падать. Каждая десятая узла потери скорости моделей судов и время на этот момент записывалось для дальнейшего анализа.

В работе выполнено два вида опытов:

1. Модели судов помещались в район с приблизительно одинаковой малой глубиной для оценки потери скорости;

2. Реальное судно было испытано в практически тех же условиях для сравнения с результатами полученными при использования тренажера.

Район выполнения опытов первого вида:

Координаты начала испытаний:

Ш=50° 57,7' N, ??=1° 42,4' E, -пролив Ла-Манш, побережье Франции. Грунт-песок. Смоделирована ситуация без внешних возмущений (нет ветра, течения, прилива, волнения).

Опыт №1:

Начальные условия:

тип судна - универсальное (№1)

начальная скорость V=15 узлов

глубина Н=21,8 м

Зависимость падения скорости судна на мелководье от времени:

y = -5,76t + V

Скорость судна на заданной глубине, вычисленной по формуле (3,3):

Потеря скорости судна в процентах при движении на мелководье:

?V_%=5,2%

Опыт №2:

Начальные условия:

тип судна - контейнеровоз (№2)

начальная скорость V=23 узлов

глубина Н=21,7 м

Контейнеровоз
Время минуты	Скорость узлы	Глубина метры	Число Фруда	H/Т метры
0:00	23	21,7	0,81	1,9
0:15	22,9
0:20	22,8
0:40	22,7
0:50	22,6
1:00	22,5	21,3	0,80	1,9
1:20	22,4
1:42	22,3
2:00	22,3
3:00	22,2	19,7	0,82	1,8
3:13	22,1
3:27	22
3:50	21,9
4:00	21,9	19	0,82	1,7
4:16	21,8
5:00	21,8	20,4	0,79	1,8

Зависимость падения скорости судна на мелководье от времени:

y = -5,659t + V

Скорость судна на заданной глубине, вычисленной по формуле (3,3):

Потеря скорости судна в процентах при движении на мелководье:

?V_%=6,3%

Опыт №3:

Начальные условия:

тип судна - балкер (№3)

начальная скорость V=14 узлов

глубина Н=21,7 м

Балкер
Время	Скорость	Глубина	Число Фруда	Н/Т
минуты	узлы	метры
0:00	14	21,7	0,49	1,81
0:20	13,9
0:48	13,8
1:00	13,8	21,1	0,49	1,76
1:22	13,7
2:00	13,6	21,5	0,48	1,79
2:09	13,5
3:00	13,4	22,1	0,47	1,84
3:10	13,3
4:00	13,2	22,7	0,45	1,89
4:39	13,1
5:00	13,1	19,7	0,48	1,64

Зависимость падения скорости судна на мелководье от времени:

y = -4,457t + V

Скорость судна на заданной глубине, вычисленной по формуле (3,3):

Потеря скорости судна в процентах при движении на мелководье:

?V_%=5,2%

Опыт №4:

Начальные условия:

тип судна - танкер в балласте (№4)

начальная скорость V=17 узлов

глубина Н=21,7 м

Танкер в балласте
Время минуты	Скорость узлы	Глубина метры	Число Фруда	H/Т
0:00	17	21,7	0,60	1,95
0:12	16,9
0:31	16,8
0:41	16,7
1:00	16,6	21,3	0,59	1,92
1:33	16,5
2:00	16,4	21,7	0,58	1,95
2:18	16,3
2:50	16,2
3:00	16,2	22,4	0,56	2,02
3:26	16,1
4:00	16,1	19,6	0,60	1,77
4:06	16
4:41	15,9
5:00	15,9	19,4	0,59	1,75
5:10	15,8
6:00	15,8	21,6	0,56	1,95
6:37	15,7

Зависимость падения скорости судна на мелководье от времени:

y = -4,099t + V

Скорость судна на заданной глубине вычисленная по формуле (3,3):

Потеря скорости судна в процентах при движении на мелководье:

?V_%=8,8%

4.2 Опыт, проведенный на реальном судне

Характеристики судна приведены в приложении 1.

Район проведения опытов второго типа:

Координаты начала испытаний:

Ш=74° 37,0' N, ??=068° 14,4' E, - Карское море, полуостров Таймыр. Грунт-песок.

Погодные условия:

Ветер: 270-8 м/с, море: 270-1 балл, течений нет.

Опыт №1:

Начальные условия:

тип судна - танкер (№6)

начальная скорость V=12 узлов

глубина Н=28,5 м

Танкер "Хатанга"
Время минуты	Скорость узлы	Глубина метры	Число Фруда	H/Т
0:00:00	12	68	0,24	7,01
0:35:00	11,9	34	0,33
0:35:22	11,8
0:35:53	11,7
0:36:00	11,7	29	0,36	2,99
0:36:10	11,6
0:36:42	11,5
0:37:00	11,5	28,7	0,35	2,96
0:37:09	11,4
0:37:40	11,3
0:37:55	11,2
0:38:00	11,2	28,5	0,34	2,94
0:38:32	11,1
0:38:50	11
0:39:00	11	28,5		2,94

Зависимость падения скорости судна на мелководье от времени:

y = -5,501t + V

Скорость судна на заданной глубине вычисленная по формуле (3,3):

Потеря скорости судна в процентах при движении на мелководье:

?V_%=8,3%

4.3 Анализ проведённых опытов

Как видно из опытов наблюдаются следующие закономерности:

- При попадании в условия мелководья с высокой скоростью (выше критической) скорость судна практически сразу начинает падать;

- В падении скорости судна также наблюдается некоторая зависимость - скорость судна падает по линейной зависимости, которую можно выразить в виде (4,1): судно мелководье скорость радиолокационный тренажер

V_h (t) =V + а?t (4,1)

Где: V_h(t) - скорость движения судна в любой момент времени;

V- начальная скорость движения судна;

а - ускорение судна;

t - время.

Наблюдается также закономерность в определении коэффициента а, который зависит от основных размерений судна - дедвейта, длины, ширины и осадки. С увеличением этих элементов коэффициент а уменьшается по абсолютной величине, но так как знак у коэффициента отрицательный следует то, что при уменьшении коэффициента ускорение уменьшается, что влечет за собой меньшее падение скорости.

Конечное значение скорости в принципе можно сопоставить со значениями которые можно получить при использовании формулы (3,3).

Наблюдается и закономерность в процентном отношении начальной и конечной скорости судна в зависимости от дедвейта судов (рис 4,1):

Эта закономерность может быть выражена зависимостью (4,2):

y = 1769?V_%² - 8541?V_% + 35270 (4,2)

При опроксимации с помощью полинома 2 степени получаем квадратичную зависимость ускорения судна от дедвейта (4,3):

y = 7991а² - 17062а + 36830 (4,3)

Заключение

Анализ приведенных в дипломной работе формул показывает, что наблюдается строгая зависимость потери скорости судна как от глубины под килем судна, так и от основных размерений судна. Также в дипломной работе приведены формулы выведенные при помощи анализа данных и графиков приведенных в п. 4.2.

При проведении опытов выбраны достаточно хорошие условия как со стороны гидрометеорологических факторов, так и со стороны рельефа дна, который на протяжении опытов не только не меняется, но и пригоден для использования моделей судов с разной осадкой.

При сравнении результатов полученных на тренажере с результатами испытаний на реальном судна можно говорить о совпадении результатов, что является доказательством успешности проведенных опытов, исключением является поведение танкера на мелководье. Причиной этому является слишком малый запас глубины под килём 1,5?2 метра. Формулы которые были выбраны для расчетов в дипломной работе не захватывают этот диапазон глубин под килем судна.

Размещено на Allbest.ru