Delist.ru

Разработка методики оценки гидродинамического водейсвия на плавающие машины,входящие в прибойную зону (05.05.2009)

Автор: Малахов Дмитрий Юрьевич

]„Їя^„J

=сил сопротивления движению и сил тяги на участках и др.

С точки зрения изучения процесса преодоления последней разрушающейся волны прибойной зоны интерес представляет соотношение кинетических энергий машины и набегающей на берег волны, а также скорость подхода волн к берегу. Из этого соотношения можно найти требуемую скорость входа машины в прибойную зону, гарантирующую успешность входа. В Приложении к диссертационной работе представлены расчетные зависимости требуемой скорости машины от массы разрушающейся волны при различных ее параметрах по длине и по высоте.

Теоретические исследования позволили построить графики зависимости требуемой скорости плавающей машины от массы разрушающейся волны при различных ее параметрах по длине и высоте (рис. 3), а также графики изменения скорости волны по мере приближения ее к берегу при нескольких значениях углов прибрежного дна (рис.4).

Из графика на рис. 4 следует, что чем больше угол наклона прибрежного дна, тем больше скорость волны на любом расстоянии от берега. Следовательно, больше будет и кинетическая энергия волны. Поэтому входить в воду прибойной зоны следует в местах, где угол наклона минимальный, что приводит к уменьшению скорости волны и ее кинетической энергии.

На основании теоретических расчетов приведены также графики зависимости изменения скорости плавающей машины, построенные при движении ее в прибрежной зоне при различной балльности волнения (3, 4, 5 баллов), при нескольких расстояниях от уреза спокойной воды и с различными углами уклона дна.

Как следует из расчетных зависимостей изменения скорости движения плавающих машин по мере приближения их к берегу после преодоления череды последних разрушающихся волн, увеличение угла берегового склона приводит к увеличению скорости плавающей машины, но с разной интенсивностью.

На рис. 5 приведены несколько связанных между собой зависимостей, с помощью которых можно выполнить оценку возможности входа плавающей машины в прибойную зону при различных по балльности волнениях и уклонах береговых склонов. В правой верхней части этого комбинированного графика приводятся кинетические энергии Ека плавающих машин разных полных масс в зависимости от скорости движения плавающей машины Vа. В левой верхней части рисунка показаны кинетические энергии Екв фронтальных участков волн различной балльности в зависимости от скорости волн св. В левой нижней части рисунка приведена зависимость скорости волны св на мелководных участках в зависимости от глубины воды h. А в правой нижней части рисунка для нескольких значений угла ( берегового склона показана зависимость между расстоянием S от уреза спокойной воды и глубиной воды h.

По мнению соискателя, для определения силового воздействия волн на плавающую машину нецелесообразно применять методики расчета нагрузок на гидротехнические сооружения (особенно методику, предложенную во втором разделе СНиП 2.06.04-82*) вследствие больших отличий в размерах и формах указанных сооружений и плавающей машины.

Рис.3. Расчетные зависимости требуемой скорости плавающей машины от массы разрушающейся волны при различных ее параметрах

по длине и высоте

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям процесса входа плавающих машин в воду прибойной зоны, оценке гидродинамического воздействия на них.

Экспериментальные исследования модели плавающей машины проводились в опытовом бассейне 15 ЦНИИИ им. Д.М. Карбышева. В торцевой части бассейна противоположной волновой установке, было расположено плоское горизонтальное фальшдно, имитирующее мелководный участок. На фальшдно был установлен модельный откос, который имитировал прибрежный береговой и подводный склоны. Угол уклона модельного откоса мог дискретно регулироваться в пределах от 5 до 14 градусов. Модель плавающей машины, оборудованная измерительной аппаратурой, закреплялась на шарнирном подвесе, позволяющем ей совершать продольно-угловые перемещения относительно центра масс, а также вертикальные перемещения (рис. 6). В качестве критерия подобия между моделью и натурой использовался критерий Фруда.

Рис.4. Графики изменения скорости волны по мере приближения ее к берегу при нескольких значениях углов прибрежного дна

Программа предусматривала проведение экспериментов для различных уклонов дна (1/4; 1/5; 1/6; 1/8; 1/12), а также для различных положений модели относительно уреза спокойной воды.

Программой также предусматривались эксперименты по оценке изменения силы воздействия волны и по оценке изменения разворачивающего момента на плавающую машину в зависимости от курсового угла ее движения к направлению распространения волны (( ( 0(; ( ( 15(; ( ( 30(). Программа исследований предполагала пересчет результатов модельных исследований на натуру.

В ходе экспериментальных исследований модели плавающей машины измерялись следующие параметры:

- характеристики волнения (длина волны (В, высота волны НВ, период волны Tв);

- продольное (перпендикулярное фронту распространения волны) силовое воздействие на модель Рх;

- разворачивающий момент относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести модели (точку подвеса) Мр;

- вертикальное перемещение центра тяжести модели Zм;

Рис. 5. Графические зависимости для оценки возможности движения плавающей машины в прибойной зоне при различных по балльности

волнениях и уклонах береговых склонов:

, 1 – 2 балла ((=10 м, Нв=0,5 м),

2 - 3 балла ((=11,35 м, Нв=1,25 м), 3 - 4 балла ((=21,9 м, Нв=2 м);

Рис. 6. Схема лабораторной установки и размещения датчиков: 1-модель; 2- датчик вертикальных перемещений; 3-тензодатчик определения фронтального силового взаимодействия; 4, 5-датчики продольно-угловых перемещений и разворачивающего момента; 6-волнографы, 7-модельное дно

- продольно-угловое перемещение модели относительно ее центра тяжести (.

Все эксперименты проводились при одних и тех же параметрах модельного волнения глубокой воды.

Схема размещения модели плавающей машины при одном из выбранных углов заложения модельного дна, а также с учетом расположения волнографов приведена на рис. 7.

При каждом фиксированном положении модельного дна выполнялась серия экспериментов, в которой на каждом этапе модель последовательно размещалась на определенных расстояниях от уреза спокойной воды, в характерных точках трансформации волнового профиля (накат волны после обрушения, момент обрушения, несколько точек в процессе трансформации), что позволяло получить информацию о воздействии на модель волны на различных стадиях ее разрушения. В каждой из этих точек проводилась серия экспериментов, в которых модель располагалась сначала фронтально к волне, затем под углами 15 и 30 градусов к направлению ее распространения.

В ходе экспериментальных исследований были проведены эксперименты, моделирующие процесс прохождения модели плавающей машины от берега через зону разрушающихся волн. В результате опытов были получены параметры волнового воздействия на модель плавающей машины в зависимости от уклона берега в зоне разрушения волны, положения плавающего средства относительно разрушающейся волны, высоты и периода разрушающейся волны.

Наблюдения подтверждают, что самым важным и решающим фактором, влияющим на безопасность машин и характеризующим характер силового воздействия разрушающихся волн на машину, является положение модели плавающей машины относительно волны во время ее разрушения. Если модель плавающей машины находилась на гребне волны в момент ее разрушения или на тыловом склоне разрушающейся волны, то возникали силы Рх, способствующие перемещению модели по направлению к берегу. Если расстояние от центра тяжести модели плавающей машины до гребня составляло около 0,1 длины самой модели, тогда дифферент модели был наибольшим. Если же расстояние от модели до гребня было равно приблизительно длине самой модели, тогда она испытывала относительно небольшой дифферент. Если рассматривать угол дифферента модели плавающей машины как функцию ее положения относительно разрушающейся волны, можно сказать, что когда длина модели соотносилась с длиной волны приблизительно как 1:2, модель плавающей машины имела наибольший угол дифферента, когда ее центр тяжести находился впереди или позади разрушающейся волны приблизительно на расстоянии 0,1 длины модели. Профиль разрушающейся волны был наиболее крутым в момент ее разрушения. Если модель плавающей машины находилась впереди или позади гребня волны на расстоянии приблизительно равном длине модели, модель плавающей машины имела наименьший угол дифферента. Знание такой зависимости может

Рис. 7. Схема расположения модели плавающей машины и волнографов при угле уклона прибрежного дна 4(47( (заложение 1/12)

быть применено при проведении модельных и натурных испытаний, так как позволяет создавать наиболее благоприятные условия для движения машины в прибойной зоне путем ее маневрирования.

Наблюдения за характером взаимодействия разрушающихся волн и модели плавающей машины подтверждают важный вывод предыдущих исследований: при прохождении через прибойную зону машина должна находиться под прямым углом к разрушающейся волне. При этом снижается возможность ее поворота бортом к волне. В противном случае велика вероятность опрокидывания плавающей машины разрушающейся волной.

Результаты экспериментов приведены в табличной и в графической форме, пересчитаны на натуру. Полученные таким образом графики могут послужить основой для проектирования движительно-рулевых комплексов, а также позволят судить о возможности преодоления плавающими машинами прибоя с учетом положений эргономики.

Так, на рис.8 представлены параметры волнения и силовые факторы, действующие на модель плавающей машины при уклоне дна 1/4 (в работе получены данные при уклонах дна от 1/12 до 1/4, а также при различных схемах расположения модели на откосе).

Основные выводы и рекомендации

1. В работе решена важная научно-практическая задача – впервые, наряду с изучением процесса разрушения волн прибойной зоны разработана методика и осуществлена количественная оценка гидродинамического воздействия прибойных волн на модель плавающей машины. В результате испытаний масштабной модели плавающей машины получен экспериментальный материал, представляющий собой свыше 14000 численных данных, характеризующих параметры волнового воздействия на модель плавающей машины в зависимости от уклона берега в зоне разрушения волны, положения плавающего средства относительно разрушающейся волны, высоты и периода разрушающейся волны.

В работе выполнены расчеты параметров, характеризующих: изменение кинетических энергий волн и плавающей

загрузка...