Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор исследований в области взаимодействия судов со льдом 12
1.1 Необходимость в современном транспортно-ледокольном обеспечении 12
1.2 Краткий обзор существующих исследований особенностей движения судов в ледовых условиях 14
1.3 Сопротивление льда движению ледоколов и судов ледового плавания 16
1.4 Экспериментальное определение ледового сопротивления 19
1.5 Классическая теория моделирования движения судов во льдах 30
1.6 Физико-механические характеристики ледяного покрова 35
1.7 Моделирование сопротивления разрушения в тонком естественном льду 41
1.8 Выводы и постановка задачи исследования 45
2 Моделирование солености при испытаниях судов в битых льда 48
2.1 Влияние солености на плотность воды и льда 48
2.2 Влияние солености на силы трения при движении судна в битых льдах 50
2.3 Моделирование солености в пресноводном опытовом бассейне 52
2.4 Методика проведения испытаний и измерительные системы 54
2.5 Определение характеристик погрешностей измерительной системы 58
2.6 Результаты модельных испытаний в соленой воде 64
2.7 Алгоритм пересчета сопротивления обломков льда на натурное судно с учетом изменения солености воды и проверка правильности пересчета 69
2.8 Сравнение результатов в бассейне с данными испытаний натурных судов 76
2.9 Резюме 77
3 Новый подход к моделированию битого льда 78
3.1 Дискретная модель битого льда 78
3.2 Расчет сплоченности (заполнения) ледяного поля из шариков 79
3.3 Испытания в дискретной модели битого льда 80
3.4 Переход от диаметра шариков к толщине плоского льда 82
3.5 Анализ результатов испытаний в битом льду и сравнение их с натурой 95
3.6 Резюме 97
4 Новые возможности модельных исследований ходкости ледоколов 98
4.1 Моделирование ледового сопротивления судов 98
4.2 Определение физико-механических свойств лабораторного льда. Опыты по разрушению ледяных балок при изгибе на плаву 103
4.3 Алгоритм проведения испытаний в лабораторном льду и пересчета результатов на натуру 105
4.4 Модельные испытания и сравнение результатов с данными натурных судов 106
4.5 Резюме 115
5 Методика определения ледового сопротивления арктических судов путем проведения модельных испытаний во льдах в пресноводных опытовых бассейнах 116
5.1 Требования к проведению испытаний моделей во льдах 116
5.2 Методика проведения испытаний 116
5.3 Резюме 119
Заключение 121
Литература
- Краткий обзор существующих исследований особенностей движения судов в ледовых условиях
- Влияние солености на силы трения при движении судна в битых льдах
- Расчет сплоченности (заполнения) ледяного поля из шариков
- Определение физико-механических свойств лабораторного льда. Опыты по разрушению ледяных балок при изгибе на плаву
Введение к работе
Актуальность исследования. В развитии ледокольного флота
прогнозирование ледового сопротивления и нахождение путей его уменьшения является одной из важных задач, которая позволяет вместе со снижением энергетических затрат уменьшить эксплуатационные затраты.
Несмотря на значительный прогресс аналитических методов расчета ледового сопротивления, экспериментальные исследования являются наиболее надежным способом выполнить прогнозирование ледового сопротивления при проектировании судов.
Для экспериментального решения задач прогнозирования ледового сопротивления используется модельный эксперимент, который проводится в ледовых бассейнах на моделях. Моделирование ледяного покрова является сложнейшей задачей, и поэтому до настоящего времени ведутся поиски новых моделей льда, технологий проведения ледовых испытаний, а также исследования в проведении модельных испытаний.
Прогнозирование ледового сопротивления важно не только для ледоколов, но и для всех судов, плавающих во льдах, а также ледостойких инженерных сооружений, что значительно повышает актуальность поставленной задачи.
В большей степени развитию исследований ледовой ходкости судов способствует освоение арктического шельфа с огромными запасами природных ископаемых – нефти, газа, железной руды и прочего. В связи с этим важной задачей является оценка ледовых воздействий на морские сооружения (ледостойкие нефтегазовые платформы, терминалы и т.п.).
Немаловажное значение имеет прогнозирование ледовой ходкости судов на внутренних водных путях со своими особенностями ледового режима, которые существенно различаются даже в пределах одного бассейна.
Выбор главных размерений проектируемого судна или инженерного
ледостойкого сооружения, формы обводов их корпуса, мощности главных
двигателей, типа и размещения движительно–рулевого комплекса,
рациональное назначение категории ледовых усилений корпуса невозможно осуществить без знания величины ледовой нагрузки. Несмотря на значительный прогресс в развитии аналитических методов расчета ледовых нагрузок, экспериментальные исследования на моделях являются наиболее надежным способом выполнить прогнозирование на начальных этапах проектирования.
Из выше сказанного можно заключить, что разработка новых способов моделирования, новых моделей льда, технологий проведения испытаний и способов пересчета результатов на натуру является актуальной задачей при проектировании судов ледового плавания и ледостойких морских сооружений, что позволит создавать эффективный ледокольный флот, уменьшая затраты на проектные работы, модельные исследования и эксплуатацию.
Цель работы. Создание моделей ледяного покрова и технологии, позволяющих проводить экспериментальные исследования на моделях в ледовых условиях с использованием пресноводных опытовых бассейнов и естественного намораживания льда. Для выполнения данной цели подлежали решению следующие задачи:
1.Выполнить анализ методов моделирования ледяного покрова в ледовых бассейнах мира, а так же существующих методов пересчета ледового сопротивления на натуру;
2.Получение критериев подобия при моделировании ледяного покрова;
3.Изучение теоретического подхода и практической реализации возможности проведения испытаний в естественном льду, намораживаемом при отрицательных температурах воздуха;
4.Исследование влияния солености воды на ледовую нагрузку;
5.Разработка методики учета солености воды при испытаниях в пресноводных ледовых бассейнах;
6. Разработка эффективных моделей лабораторного льда, отвечающих не
только основным требованиям моделирования (теории подобия и
размерностей), но и реализующие современные подходы к проведению модельных испытаний;
7.Разработка методик проведения модельных испытаний, технологий приготовления лабораторного льда и способов пересчета результатов на натуру;
8.Составление алгоритма и разработка методики прогнозирования ледовых воздействий со стороны битого и сплошного льда в пресноводных опытовых бассейнах на моделях судов и ледостойких инженерных сооружений.
Объектом научного исследования являются суда ледового плавания, ледоколы и морские ледостойкие инженерные сооружения.
Предметом научного исследования являются модели ледяного покрова для имитации сплошного и битого льдов и технологии проведения испытаний.
Методы исследования. В ходе работы применялись следующие методы исследования: численные методы, статистические методы, методы физического моделирования, модельный эксперимент с применением теории подобия и методы вычислительной математики с помощью средства анализа «поиск решения» в пакете Microsoft Excel 2010.
Научная новизна. В итоге проведенных в работе исследований получен ряд новых научных результатов:
обобщены данные по моделям и технологиям приготовления лабораторного льда, которые используются в современных ледовых бассейнах мира;
экспериментальным путем доказана возможность применения гибридной модели лабораторного льда при модельных испытаниях судов в сплошных и битых льдах;
разработана технология проведения испытаний в бассейнах с использованием естественного холода, позволяющая при небольших экономических затратах проводить широкий круг исследований с вариацией корпусов судов;
предложена методика пересчета результатов испытаний на натуру, в которой учтено влияние солености воды и характеристик ледяного покрова;
Основные положения, выносимые на защиту:
–моделирование солености воды при прогнозировании параметров ледовой
нагрузки на моделях в пресноводных ледовых бассейнах;
– модель и технология приготовления лабораторного битого льда;
–технология проведения испытаний в битых льдах и методика пересчета
результатов на натурное судно;
–модель и технология приготовления лабораторного сплошного льда, в
которой используется синтетический наполнитель и технология естественного
замораживания;
– технология проведения испытаний в сплошных льдах и методика пересчета
результатов на натурное судно;
Практическая значимость. Разработаны практический метод
моделирования сплошного и битого льда и методика пересчета результатов модельных испытаний на натуру. Даны практические рекомендации по проведению модельных испытаний во льду, а также способ учета влияния солености воды и характеристик ледяного покрова при моделировании. Все
указанные методы и приемы реализованы в специально разработанной
методике. Полученные в диссертации экспериментальные данные
свидетельствуют о том, что обладая штатом работников всего лишь в два три человека за короткие сроки и с небольшими экономическими затратами можно оптимизировать элементы судна или гидротехнического сооружения.
Внедрение. Результаты исследований, а также разработанная методика
были использованы в НИР, выполненных кафедрой «Кораблестроение и
авиационная техника» для ОАО КБ по проектированию судов «Вымпел», АО
ЦКБ «Лазурит», ОАО «СПМБМ «Малахит», ООО «Комплексные
инновационные технологии».
Результаты исследований внедрены в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е.Алексеева и используются в учебном процессе при проведении занятий по дисциплинам «Физическое и математическое моделирование», «Взаимодействие судов со льдом» и «Физика и механика льда».
Достоверность. Результаты выполненных исследований основываются на строго обоснованных и доказанных критериальных зависимостях теории подобия. Достоверность теоретических выводов качественно подтверждается результатами специально подготовленных и реализованных экспериментов, в которых использовались сертифицированные и апробированные системы, устройства и инструменты. Имеющиеся натурные данные и результаты проведенных автором испытаний хорошо согласуются.
Апробация работы. Результаты работы были доложены:
–На VII, VIII, IX, X, XI и XIV Международных молодежных научно-
технических конференциях «Будущее технической науки», Нижний Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2015 годах;
–На Всероссийской научно-технической конференции ''Современные
технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве'', посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009 г.
–На XVI нижегородской сессии молодых ученых (технические науки), Нижний Новгород, 2011 г.
–На научно-технической конференции по проблемам мореходных качеств судов, корабельной гидромеханики, освоения Арктики и освоения шельфа,
моделей морской среды в экологии – «XLIV Крыловские чтения», Санкт-Петербург, ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, 2011 г.
–На второй Всероссийской научно-технической конференции – «Полярная механика», Санкт-Петербург, ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2014 г.
–На международной научно–практической конференции «Актуальные
проблемы технических наук», Уфа, 2015 г.
–На Всероссийском научно–техническом конкурсе работников обществ Группы ОСК, Москва, АО «Объединенная судостроительная корпорация», 2015г.
Публикации. Основные материалы исследования отражены в двадцати двух публикациях автора, в том числе четыре статьи в сборниках, входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ.
Получено одно авторское свидетельство на динамометр, разработанный автором при модернизации опытового ледового бассейна НГТУ.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 151 страницу основного машинописного текста, в том числе 69 рисунков и графиков, 25 таблиц, списка литературы из 166 наименований, 4 приложения.
Краткий обзор существующих исследований особенностей движения судов в ледовых условиях
Движение судна в ледовых условиях существенно отличается от движения на чистой воде. Значительное увеличение сопротивления движению судна и падение тяги гребных винтов вызывает уменьшение скорости движения. Наличие льда затрудняет маневрирование судна. Движение судна в ледовых условиях затруднено так же из-за заклинивания корпуса во льду, забивая льдом движительно-рулевых комплексов, недостаточной прочности корпуса в носовой оконечности, нарушением работоспособности ряда общесудовых систем и др.
К основным режимам движения судов во льдах относятся: - самостоятельное плавание непрерывным ходом в сплошном льду или за ледоколом; - работа при разбегах, когда непрерывным ходом лед не может быть разрушен; - самостоятельное плавание непрерывным ходом в битых льдах и в каналах с битым льдомНаиболее интересным и малоизученным является режим плавания судна в канале проложенным ледоколом. При движении в канале корпус сложным образом взаимодействует с обломками льда и кромками канала, при этом увеличивается сопротивление движению. В зависимости от ледовых условий в канале и формы обводов корпуса движительно-рулевой комплекс испытывает перегрузки. Полезная тяга винтов при ударах обломков льда о лопасти изменяется в зависимости от числа и силы ударов и величины льдин. Наличие обломков льда в районе работы гребных винтов изменяет их динамические характеристики - упор и момент на гребном валу, коэффициенты засасывания и попутного потока. Изменяются и условия работы рулей.
Сделаем краткий обзор существующих работ, посвященных практике эксплуатации и исследованиям особенности движения судов в ледовых условиях. Известно достаточно много работ, посвященных взаимодействию судов со льдом. Существенные результаты получены: Алексеевым Ю.Н., Апполоновым Е.М., Афанасьевым В.И., Беляшовым В.А., Бронниковым А.В, Виноградовым И.В., Грамузовым Е.М., Двойченко Ю.А., Зуевым В.А., Ионовым Б.П., Каштеляном В.И., Ковалем Г.М., Крыловым А.Н., Лавровым В.В., Макаровым CO., Ногидом Л.М., Позняком И.И., Рабиновичем М.Е., Рунебергом Р.И., Рьшлиным А.Я., Сазоновым К.Е., Сегалом З.Б., Трониным В.А., Тряскиным В.Н., Хейсиным Д.Е., Цоем Л.Г., Шиманским Ю.А., Яковлевым М.С., Аткинса А., Ассура А., Валанто П., Ишибаши И., Кейнонена А., Левиса И., Милано В., Татинкло Ж.-П, Тимко Г., Шварца И., Эдвардса Р., Энквиста Э. и многими другими [10,17,18,20,45,53,54, 95,96,106,132,133,140,144,145].
Работы Зуева В.А. [27,28,29,30,31,32,33,34,35,44], Грамузова Е.М. [13,14,15,16,40], Ионова Б.П. [40,41,42,43,] и Сазонова К.Е. [98,99,101,102,103,104,] посвящены современным методам расчета ледовой ходкости судов. Особое внимание уделено методам расчета ледового сопротивления судов в различных ледовых условиях при установившемся движении и работе набегами. Приводятся результаты натурных и лабораторных исследований в ледовом бассейне широкого круга проблем ледовой ходкости судов. Представлены исследования в области теории и технологии моделирования в ледовом бассейне взаимодействия судов со льдом. Рассмотрены современные модели лабораторного льда. Впервые в систематизированном виде представлены результаты теоретических и натурных исследований маневренности судов во льдах.
Также особое внимание хотелось бы уделить статьям Каштеляна В.И. особенно, тем в которых говорится о попадании льда под днище судна [46,47,48,49,50,51,52,53,54].
В работах Рабиновича М.Е. [28,29,35,88,89,90,91,143] совместно с Зуевым В.А. и Яковлев М.С. говорится о моделировании ледовой среды при экспериментальных исследованиях движения судна в битых льдах, описаны экспериментальные исследования движения судов в ледовых условиях, обосновываются размеры парафиновых плиток, имитирующих ледовое поле в модельных испытаниях. Описывается влияние плотности льда на ледовое сопротивление движению судна.
Были проанализированы современные работы [84,151,152], посвященные морскому и пресному льду. Представлены результаты исследования прочностных характеристик и трещиностойкости образцов морского льда. Описьшаются результаты опытного изучения показателей прочности и вязкости разрушения льда из лагуны Ноторо в Охотском море вблизи Хоккайдо. По испытаниям на изгиб и растяжение отыскивается вязкость разрушения. Вводится расчетная модель для оценки вязкости разрушения в функции от размера зерен льда, эффективной поверхностной энергии и упругих констант.
В [9] описано экспериментальное исследование динамической прочности морского и пресного льда. Приведены результаты динамических испытаний пресноводного и морского (искусственно изготовленного из пресной воды и морской соли) льда при различных температурах, скоростях деформации и солености морского льда.
Обобщенный анализ работ представленных авторов и работ [1,6,12,22,59,60,62,65,66,82,131,133,136,138] показывает необходимость продолжить экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия судов со льдом, совершенствовать технику и методику модельных испытаний судов во льдах. 1.3 Сопротивление льда движению ледоколов и судов ледового плавания
При изучении сопротивления льда движению судна его обычно рассматривают как дополнительное к сопротивлению судна в чистой воде, разделяя, таким образом, полное ледовое сопротивление на сопротивление воды движению судна и чисто ледовое сопротивление [34]. R +R , (1.1) где Кчл - чисто ледовое сопротивление; R6 - сопротивление воды.
Анализ работ разных авторов [34,41,40,46,96,101] показывает, что возникновение ледового сопротивления движению судна в сплошных льдах обусловлено следующими причинами: работой на разрушение ледяного покрова корпусом судна; потерями энергии при раздроблении льда корпусом; трением льда о корпус судна; работой, затрачиваемой на переворачивание и притапливание разрушенного льда; гидродинамическим сопротивлением движению обломков льда, раздвигаемых корпусом судна. Чистое ледовое сопротивление можно считать состоящим из двух составляющих [34]: R4n =Rp + Ro6n (1-2) где R - сопротивление, возникающее в результате разрушения сплошного льда корпусом и его трения о кромку целого льда, снятия снега и дробления; Ro6jl - сопротивление обломков, обусловленное взаимодействием корпуса с обломками разрушенного ледяного покрова.
Влияние солености на силы трения при движении судна в битых льдах
Изучению ледяного покрова замерзающих морей посвящено очень большое число работ, выполненных широким кругом специалистов из различных российских и зарубежных научно-исследовательских организаций и университетов. Однако необходимо признать, что лидирующая роль в изучении морского льда принадлежит Арктическому и Антарктическому научно-исследовательскому институту (ААНИИ), который на протяжении более 70 лет проводит широкомасштабные теоретические и экспедиционные исследования «географических» и «физических» параметров ледяного покрова арктических и антарктических морей [7,34,40,53,11].
Морской лёд - лёд, образовавшийся в море (океане) при замерзании воды. Так как морская вода солёная, замерзание воды с солёностью, равной средней солёности Мирового океана происходит при температуре около -1,8С.
Важнейшие свойства морского льда - пористость и солёность, определяющие его плотность (от 0,85 до 0,94 г/см3). Из-за малой плотности льда льдины возвышаются над поверхностью воды на 1/7 - 1/10 их толщины. Таяние морского льда начинается при температуре выше -2,3 С. По сравнению с пресноводным он труднее поддаётся раздроблению на части и более эластичен. Одним из наиболее важным физическим свойством воды и льда является плотность. Плотность воды, как и всякого другого вещества, является функцией температуры и давления: P = f(t,P) (2.1) Обычно функция (2.1) для воды определяется экспериментально и выражается в виде таблицы 2.1 или формулы.
Согласно молекулярно-кинетической теории строения вещества с повышением температуры возрастает скорость движения молекул, увеличивается объем тела, уменьшается его плотность. Поэтому с повышением температуры плотность жидкостей, как правило, уменьшается. Однако вода в интервале температур от 0 до 4С ведет себя аномально. В этом интервале с повышением температуры плотность воды увеличивается, а при температуре выше 4С - уменьшается. Температурная аномалия плотности воды объясняется особенностью строения ее молекулы. При нагревании воды одновременно идут два противоположно направленных процесса: нормальное увеличение объема вследствие усиления теплового движения молекул и уменьшение объема при изменении кристаллической решетки за счет перемещения молекул в пустоты упаковки. При температуре выше 4С интенсивнее идет процесс увеличения объема и, следовательно, уменьшения плотности воды за счет увеличения расстояния между ее молекулами. Аномальным свойством является также своеобразное поведение плотности при фазовом изменении состояния воды. В момент образования льда плотность воды скачкообразно уменьшается примерно на 10%. Плотность дистиллированной воды при 0С равна 999,87 кг/м3, плотность льда, образовавшегося из той же воды, при 0С составляет 916,7 кг/м3. Благодаря этому свойству появление льда сопровождается не уменьшением объема, а его увеличением, плавление льда - не расширением, а сжатием. Причина аномалии заключается в особенностях структуры воды. При охлаждении воды кристаллическая решетка непрерывно деформируется, переходя от кварцевой (более плотной) к тридимитовой (более рыхлой). К моменту замерзания завершается полная перестройка молекул, что и приводит к увеличению объема. Аномальное изменение плотности воды в интервале температур от 0 до 4С и в момент замерзания играет колоссальное значение в природе и технике.
В практических расчетах значение плотности воды может быть принято постоянным: р=1000 кг/м3. Более точное значение плотности учитьшается тогда, когда изучаемый процесс зависит от разности плотностей Рисунок 2.1- Зависимость плотности воды от ее солености р, т/м 1.030 1.025 1.020 1.015 1.010 1.005 1.000 Плотность соленой воды превышает плотность дистиллированной воды и зависит от состава растворенных солей и общей солености s. Общая соленость морской воды не превосходит 40%о, тогда как в соленых озерах она достигает 250-300%о.
На рисунке 2.1 показано изменение плотности воды при изменении солености при нормальном давлении.
В свою очередь лед как физическое тело обладает замечательной способностью существенно изменять свои упругопластические свойства и структуру даже при незначительных колебаниях температуры и давления. Плотность льда, образовавшегося при кристаллизации пресной воды при 0С и нормальном давлении, составляет в среднем 917 кг/м3. Следовательно, плотность пресноводного льда меньше плотности воды. Плотность льда зависит от его структуры, температуры и в большей степени от его пористости (во льду рек и водоемов почти всегда наблюдаются пузырьки воздуха).
С понижением температуры плотность льда увеличивается, а объем уменьшается. В зависимости от температуры плотность и удельный объем льда можно рассчитать по формулам Вейнберга [7]:
Плотность льда, образовавшегося в результате замерзания соленой воды (морской или озерной), зависит не только от его температуры и количества воздушных пузырьков в нем, но еще и от содержания солей в прослойках между кристаллами льда и от количества в этих прослойках рассола. И то и другое зависит от быстроты замерзания и от возраста льда. Старый морской лед имеет иное распределение солености по глубине, чем молодой. В морском льду рассол стекает вниз по неизбежным во льду трещинам, вследствие чего соленость его непрерывно изменяется во времени. Соленость льда всегда меньше солености воды, из которой он образовался.
Плотность морского льда увеличивается по мере повышения солености воды и уменьшается с ростом содержания воздушных пузырьков.
Рассмотренный выше материал показывает, как соленость влияет на плотность воды и льда. Ниже рассматривается как плотность воды и льда влияет на сопротивление судна при движении судна в битых льдах.
Результаты исследования работ [88,89,91] показывают, что влияние плотности льда на сопротивление обломков льда существенно и его необходимо учитывать, особенно в методиках прогнозирования сопротивления. Для оценки влияния плотности воды и льда на сопротивление рассмотрим движение на поверхности воды, покрытой битым льдом, сплоченностью 10 баллов, плоской пластины, размерами LxBxH. М - масса пластины. Плотность воды —рв, льда -рп. Давление льдин на пластину: (ре- Рл)яК, где hn - толщина льда.
Расчет сплоченности (заполнения) ледяного поля из шариков
После проверки на грубые промахи был отброшен один результат измерения, то есть количество замеров 29. В связи с этим необходимо пересчитать статистические параметры наблюдения. Результаты расчета сведены в таблицу 2.7 столбец 5.
Если опытов достаточно много, то относительная частота приближается к вероятности, а гистограмма превращается в закон распределения случайной величины. Наиболее распространен нормальный закон распределения, по которому вероятность
Для определения, насколько точно распределение изучаемых величин подчиняется закону нормального распределения были вычислены дополнительные статистические параметры наблюдения, представленные в таблице 2.7 и описанные ниже.
Вариационный коэффициент характеризует степень изменчивости явления в процентах. Показатель точности характеризует точность проведенных опытов. Показатель асимметрии характеризует суммарное смещение кривой фактического распределения от центра кривой нормального распределения.
Показатель эксцесса характеризует отличие фактического распределения отклонений от закона нормального распределения по концентрации отдельных значений относительно центра кривой нормального распределения.
Если отношение показателей асимметрии и эксцесса к их ошибкам по модулю меньше трех, то асимметрия и эксцесс не имеют в данном случае существенного значения и распределение изучаемых величин подчиняется закону нормального распределения [56,71].
По рассчитанным параметрам в таблице можно сделать вывод о том, что изучаемые величины подчиняются закону нормального распределения. При использовании теории вероятности и закона нормального распределения ошибку оцениваем по доверительному интервалу с использованием метода Стьюдента.
Доверительный интервал, в который попадает «истинное» значение, измеряемой величины с заданной вероятностью. tst - гарантийный коэффициент Стьюдента получается из теории в табличной форме в зависимости от доверительной вероятности и числа опытов [56,71]. При доверительной вероятности 0,95, обычно используемой в инженерной практике и числе опытов 29 коэффициент Стьюдента получается равным
Абсолютная ошибка измеренной величины частоты следования сигналов с датчика получилась равной 0,3 Гц. Тогда относительная погрешность данных измерений составляет 0,5%.
Как показали многочисленные опыты применения данной системы и технологии измерений, общая погрешность системы измерений не превышает 5% (в данном измерении показатель точности составила 4,1%), что допустимо при технических расчетах на начальных стадиях проектирования судов. Данный метод проведения модельных испытаний применяются во многих ведущих организациях по проектированию судов, как в России, так и за рубежом.
Здесь показаны результаты испытаний модели ледокола проекта 1105 в битом модельном льду разной толщины и сплоченности при разной солености воды. Результаты испытаний в пресной и соленой воде при толщине битого льда 8, 15, 20мм и сплоченности в 10, 8, 6 баллов приведены на рисунке 2.12, 2.13, 2.14.
Параллельно проведены испытания в чистой воде, результаты которых также представлены в графической форме.
Результаты модельных испытаний в битом льду разной толщины, сплоченности показывают, что изменение солености воды от 0%0 до 35%0 приводит к изменению ледового сопротивления на модели до 35-40%). 0, S6_sol=0 Ж S8_sol=15 S10_sol=35
Полиномиальная (S10_sol=15) Полиномиальная (S10_sol=35) Рисунок 2.12 - Результаты модельных испытаний модели пр. 1105 в битом льду толщиной 8мм и сплоченностью 10. 8, 6 баллов при солености воды 0,15и350/оо( - сплоченность в баллах; sol - соленость в /0о) 0,0 0,2 S6_sol=0 S8_sol=15 S10_sol=35 Полиномиальная (S8_sol=0) Полиномиальная (S10_sol=15)
В этой главе выполнен расчет солености воды от ее температуры при нормальном давлении. Данный расчет и полученный график необходим для моделирования морской воды в ледовом бассейне. Показано, когда изучаемый процесс зависит от разности плотностей Ар, то необходимо использовать более точные значения плотностей.
Показывается влияние солености на плотность воды и льда. Соленость является основным фактором изменяющим плотность воды и льда, а, следовательно, и сопротивление судна в битом льду. При этом влияние плотности воды и льда на сопротивление обломков льда существенно и его необходимо учитывать, особенно в методиках прогнозирования сопротивления.
Описывается разделение ледового сопротивления на составляющие. Для моделирования солености для пересчета на другую плотность воды и льда получены коэффициенты. Коэффициенты являются функцией солености и определяются по полученным графикам.
Дано описание лабораторной установки, которая была модернизирована под испытания в агрессивной среде - соленой воде. Описаны условия и способ моделирования битого льда. Тут же представлено описание измерительной системы применительно для испытаний судов в битых льда и соленой воде. Подробно описана методика проведения модельных испытаний и определены характеристики погрешностей измерений системы.
Представлены результаты модельных испытаний в пресной и соленой воде. Анализ полученных данных позволил экспериментально подтвердить и обосновать метод пересчета результатов модельных испытаний в пресной воде на натурное судно, эксплуатирующее в соленой воде. Изложенная в этой главе информация позволила предложить и написать методику проведения модельных испытаний в битом льду с последующим пересчетом
Определение физико-механических свойств лабораторного льда. Опыты по разрушению ледяных балок при изгибе на плаву
Испытания в бассейне могут быть проведены по двум схемам в зависимости от того, что необходимо получить для натурного судна.
Первая схема это когда, стараются получить одинаковую толщину тонкого естественного льда, на разных тягах испытывают модель и получают буксировочную кривую сопротивления для конкретной толщины льда. По полученным значениям скорости и сопротивления (тяги), строится график RM=AVM) при hM=const.
Вторая схема это когда, испытания проводят при постоянной тяге в разных толщинах лабораторного льда и тогда получают кривую ледопроходимости. Как правило, тяга винтов определяется на чистой воде, поэтому здесь необходимо учесть, что упор винтов ледоколов существенно зависит от их взаимодействия с обломками льда. По результатам натурных исследований [18] можно считать, что при движении в толщинах льда близких к предельным, упор уменьшается на 8-10% по сравнению с упором на чистой воде. Причем пропорционально упору изменяется и тяга (сопротивление). В данной схеме испытаний модель ледокола буксируется во льду при постоянной тяге (PeM=const) при этом определяется скорость модели vM и толщина льда. После проведения серии испытаний при PeM=const строятся диаграммы ледопроходимости модели vM=f(hM) при PeM=const, которые затем могут быть приведены к виду RM=f(vM) при hM=const. Данный подход определения ледопроходимости связан с тем, что результаты натурных испытаний ледоколов в литературе представлены в виде диаграмм ледопроходимости при максимальной мощности энергетической установке.
Первичные результаты испытаний представляются в графической форме (Рисунок 5.2). Технология проведения испытаний в лабораторном льду Последовательность пересчета результатов испытаний с модели на натуру для судов арктического плавания выглядит следующим образом: - скорость движения натурного судна vH = vM А/2; - толщина сплошного натурного льда hH =hM X; - сопротивление натурного судна RH=RM- k ; - тяга винтов натурного судна Рон =Рем А, . Пересчет сопротивления натурного судна с учетом солености воды в районе эксплуатации:
В этой главе описаны требования к проведению испытаний моделей в новом лабораторном льду. Изложена методика проведения испытаний и пересчета результатов с модели на натуру. Пересчет результатов испытаний и сравнение с натурными данными, представленные в предыдущей главе, показывают адекватность предложенной методики испытаний в новой модели лабораторного льда и пересчета результатов. Испытания моделей судов проводились в ледовом опытовом бассейне НГТУ по методике, описанной выше.
Испытания в новом лабораторном льду проводились в зимний период года, что связано со спецификой бассейнов с естественным охлаждением. Толщины льда для моделей и рекомендуемые скорости движения или натекания льда, лимитируются данными по условиям эксплуатации судов или гидродинамических сооружений.
В итоге для получения кривых сопротивления и диаграмм ледопроходимости в сплошных льдах при солености отличной от нуля необходимо учитывать поправки при пересчете на натуру. В данной методике испытания арктических судов происходит частичное моделирование (не учитывается соленость воды и льда). При частичном моделировании сопротивление можно откорректировать поправками.
Предложенная методика определения ледового сопротивления арктических судов путем проведения модельных испытаний в сплошных льдах в опытовых бассейнах может считаться корректной и применяться при проведении испытаний в опытовых бассейнах с естественным охлаждением на начальных этапах проектирования.
Тема диссертационной работы связана с проблемами определения параметров взаимодействия битого и сплошного льда с судами и инженерными сооружениями на основе моделирования в пресноводном опытовом бассейне. Исследование направлено на разработку технологии проведения модельных испытаний в сплошном и битом льдах в пресноводных бассейнах с естественным намораживанием ледяного покрова и методики пересчета результатов испытаний в сплошном и битом льдах на натурное судно и является логическим продолжением НИР, проводимых кафедрой по проблемам взаимодействия судов и инженерных сооружений со льдом.
Научная направленность работы рассматривает вопросы экспериментального решения задач прогнозирования параметров взаимодействия судов и инженерных сооружений со льдом, используя модельный эксперимент.
В ходе проведенного диссертационного исследования получены следующие основные результаты: 1. выполнен анализ методов моделирования ледяного покрова в ледовых бассейнах мира, а так же существующих методов пересчета ледового сопротивления на натуру; 2. усовершенствованы методики проведения модельных испытаний и способы приготовления моделированного сплошного и битого льда; 3. разработан способ пересчета результатов модельных испытаний с учетом механических характеристик композитной модели ледяного покрова и влияния солености воды, а также других параметров; 4. исследованы механические характеристики усовершенствованной малоизученной композитной модели ледяного покрова; 5. разработаны практические рекомендации по приготовлению и использованию дискретной и композитной моделей льда. 6. составлен алгоритм и разработаны методики прогнозирования ледовых воздействий со стороны битого и сплошного льда в пресноводных опытовых бассейнах на модели судов и ледостойких инженерных сооружений.
Результаты выполненных в диссертации исследований использованы кафедрой "Кораблестроение и авиационная техника" НГТУ им. Р.Е. Алексеева в учебной деятельности для определения сопротивления судов методом модельных испытаний и в научно-исследовательских работах, выполняемых кафедрой. Предложенные методы рекомендуются к использованию при моделировании сопротивления судов ледового плавания в сплошных и битых льдах в пресноводных опытовых бассейнах.
Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, соответствуют поставленным целям и задачам, обеспечивают новизну, теоретическую и практическую значимость научно-исследовательской работы.