Влияние льда на гидродинамику судна

05.22.19 Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Лобанов Василий Алексеевич

Волжская государственная академия водного транспорта (Нижний Новгород) доцент кафедры Судовождения и безопасности судоходства

Аннотация

В работе приведены некоторые оценки чистого ледового и гидродинамического сопротивления судна с помощью CAE-систем. Отмечено, что в общем случае отождествление гидродинамического сопротивления судна для условий чистой воды и во льдах некорректно. Показано, что условия применения приближённых методов численного моделирования движения судна во льдах определяются уровнем значимости ледовых и гидродинамических нагрузок на корпусе судна.

Ключевые слова: Судно, ледовые качества, ледовое сопротивление, конечноэлементное моделирование, CAE-системы.

The Abstract

In the paper some evaluates of pure ice and hydrodynamic resistance of the vessel with the help of CAE systems. It was noted that, in General, the identification of the hydrodynamic resistance of the vessel for the conditions of pure water and in ice incorrectly. It is shown that the conditions of application of approximate methods of numerical simulation of the motion of the vessel in the ice is determined by the level of significance of ice and hydrodynamic loads on the hull of the vessel.

Keywords: Vessel, ice Performances, ice Resistance, finite element modeling, CAE-systems.

Сохраняющаяся в настоящее время потребность в проведении ледовых транспортных операций с участием флота внутреннего, прибрежного и морского плавания оставляет актуальной задачу обеспечения безопасности судоходства во льдах. Основополагающим принципом безопасности плавания во льдах является соответствие ледовых качеств судов ледовым условиям и режимам плавания. Ледовые качества - это способности судна в процессе эксплуатации противостоять ледовым явлениям как водного, так и атмосферного характера. Поэтому достоверные оценки этих способностей являются важным условием обеспечения безопасности судна.

Безусловно, самым надёжным способом определения ледовых качеств являются натурные ледовые испытания судна. Но для современного судовладельца эта процедура, как правило, неприемлема по причинам экономического характера. Это обусловлено высокой вероятность получения судном ледовых повреждений с последующим выводом из эксплуатации и дорогостоящим восстановительным ремонтом. Другим источником получения сравнительно достоверной информации о ледовых качествах судна принято считать модельный эксперимент. Но полномасштабность его осуществима разве что в современных, оснащённых передовым оборудованием НПО или КБ. Если учесть, что таковых насчитываются единицы, то следует ожидать заведомо неприемлемых условий для большинства судовладельцев. Поэтому для решения подобных экспертных ледовых проблем в настоящее время начинает практиковаться виртуальное моделирование с применением CAE-систем [4].

CAE-системы - это программные комплексы, обеспечивающие численные решения в задачах механики твёрдых тел и различных сред [8]. Реализация виртуальной модели позволяет имитировать, практически, любой процесс взаимодействия судна с ледяным покровом. Поэтому виртуальная модель является не только альтернативой реальной модели, но и в ряде случаев - единственным средством получения достоверных данных. Но при этом она обладает очень существенным ограничением: уровень её адекватности помимо выбранных моделей материалов и контактных алгоритмов напрямую зависит от степени детализации и дискретизации при описании взаимодействующих тел и сред. Погоня за точным решением проблемы порождает гиперресурсоёмкие модели, обработка которых «под силу» только суперпроизводительным вычислительным комплексам (задача, распаралеленая на сотни подзадач). Как правило, ледовые эксперты не располагают таковыми возможностями. В лучшем случае, вычислительная система поддерживает несколько параллельных процессоров (допустима мультиядерность и гипертрейдинг) с оперативной памятью в несколько Гб.

Одним из приёмов адаптации CAE-систем к решению ледовых проблем на базе доступных многоядерных персональных компьютеров при многократном снижении ресурсоёмкости задач является замена воздействия воды как контактной среды силами на поверхностях ледяных образований, корпусе судна и движителях. При этом для предварительного расчёта корпусных сил и упора винтов с применением традиционных полуэмпирических или нормативных методик используется гипотеза о независимости ледовых и гидродинамических нагрузок [1,7]. Однако данная гипотеза пока не подтверждена экспериментально из-за отсутствия каких-либо технических средств, реализующих раздельное измерение этих нагрузок на корпусе и движителях судна. Первые попытки автора использовать возможности CAE-моделирования для оценки степени приемлемости упомянутой гипотезы были предприняты в отношении гребных винтов в статье [6]. Результаты, полученные в ней, в общем случае не подтвердили гипотезу о независимости ледовых и гидродинамических нагрузок.

Настоящая работа, по сути, является кратким дополнением публикации [6] в отношении корпусных ледовых и гидродинамических нагрузок.

Модель оценки ледового и гидродинамического воздействия на корпус судна производились по результатам реализации конечноэлементной модели движения судна в канале, заполненном льдами (Рис. 1).