Оценки безопасных условий ледового плавания судов с применением cae -систем
Скачать 2.57 Mb.
|
5.Сравнительный анализ оценок достижимых режимов эксплуатации судов во льдах 5.1.Общие сведения В настоящей главе проведён сравнительный анализ результатов конечноэлементного моделирования и аналитических расчётов с использованием традиционных методик при оценках ходкости, поворотливости и устойчивости судна на курсе в ледовых условиях. В целях сопоставимости результатов численных экспериментов и известных полуэмпирических подходов моделировалось транспортное судно с традиционными обводами (если не оговорено дополнительно), прототипом которого был сухогруз ледового класса проекта 1557 («Сормовский»). При этом имеется ввиду наличие клинообразного носового заострения в плоскости конструктивной ватерлинии, U и V-образных носовых шпангоутов, цилиндрической вставки и безтуннельной кормы. Для описания судна использовалась Лагранжева оболочка из трёх и четырёхузловых элементов. Толщина элементов подбиралась из условия сохранения общей прочности корпуса. При таком способе не соблюдается равнозначность местной прочности, но здесь необходимо отметить, что местные деформации корпуса не оказывают значимого влияния на исследуемые в данной главе ледовые качества судов [25,77,78]. Поэтому для ускорения расчётов в большей части численных экспериментов корпус моделировался недеформируемым материалом – «MAT_RIGID». Лёд и вода (в ряде вариантов) были сформированы набором восьмиузловых элементов объёмного типа в Лагранжевой и Эйлеровой формулировках соответственно. Общее количество элементов колебалось в пределах 700 000 – 1 500 000 ед. в зависимости от варианта расчёта. Используемые модели материалов (сталь, лёд, вода), их физико-механические характеристики и алгоритмы контактного взаимодействия тел приведены в п.п. 3.2., 3.3. и в работах [31,32,35]. Основные параметры ледяного покрова выбирались исходя из ледового класса прототипа судна – «лёд-40» («Ice-1»). При этом моделировалось поле мелкобитого льда как «регулярными» (равновеликими), так и «нерегулярными» (разновеликими) льдинами протяжённостью 5 – 20 м. Варьировались толщина льда (0,1 – 0,5 м), сплочённость (2 – 10 баллов), ширина ледовой трассы (~ 3 – 15 ширин судна), подвижки и сжатия льда (0 – 3 балла). Эквивалентом действия движительно-рулевого комплекса являлись узловые силы, зависящие от параметров движения судна с учётом рекомендаций п. 4.3. Пример полной конечноэлементной модели приведён на рис. 74, а типового KEYWORD-файла – в Приложении 1. 5.2.Ходкость Ледовая ходкость описывает способность судна к передвижению во льдах. Традиционно она выражается зависимостью скорости его прямолинейного движения от параметров ледяного покрова: толщины, прочности (разрушенности), раздробленности, сплочённости, торосистости, заснеженности. Однако применимость указанной трактовки данного ледового качества допустима при оценке эксплуатационных показателей работы судна. Опыт экспертной работы по оценке ледовых качеств судов внутреннего и смешанного плавания убедил автора в том, что с точки зрения обеспечения безопасности такое представление, по крайней мере, не полно хотя бы по двум следующим соображениям. В реальных условиях реакция судна на влияние льда и регулирующее воздействие со стороны рулевого комплекса изменяет его «идеальную» ходкость, так как оно приобретает ощутимую рыскливость. В практических целях важна оценка этого качества для управляемого судна (при попытках удержания его в границах заданного маршрута плавания). Аналитические методики не позволяют сделать это. Кроме этого обширный круг задач безопасности судоходства связан с анализом движения судна за относительно короткий интервал времени. Но даже прямолинейное движение в однородных льдах имеет неустановившийся характер. Поэтому в таких случаях прогноз безопасных условий с позиций усреднения параметров движения (что и предлагают традиционные решения) будет иметь низкую оправдываемость. Следует заметить, что для большинства исследуемых судов ходкость во льдах как качество лимитирующее безопасность справедливо только для сплочённых и сильносплочённых льдов (7-10 баллов). В более разреженной ледяной среде (сплочённостью менее 7 баллов) границы безопасных условий будут определяться прочностью корпусных конструкций. Применительно к анализу ледовой ходкости в битых льдах сейчас существует достаточное количество зависимостей для расчёта ледового сопротивления судна (п. 1.2.). Однако уже само многообразие этих решений говорит не в пользу их безупречности. Каждое имеет свои изъяны, в первую очередь проявляющиеся в весомых различиях расчётных ледовых нагрузок для сопоставимых условий. Расхождения в выборе аргументов предлагаемых зависимостей – другой признак несовершенства. Так, например, эти противоречия очевидны в отношении значимости влияния прочности и степени раздробленности мелкобитых льдов на ходкость судна. Изобилие используемых корректирующих коэффициентов также указывает на недостатки традиционных методик. Последнее является результатом введения различных оговорок, упрощений, допущений, априорно принимаемых условий. При этом источники статистической информации для получения этих коэффициентов ограничены определённым набором данных натурных или модельных испытаний. Поэтому попытки экстраполяции методик на иные условия или суда, как правило, приводят к некорректным результатам вплоть до их неприемлемости. Модель взаимодействия. Аналитические модели взаимодействия судна с мелкобитым льдом, реализованные в полуэмпирических методиках, базируются на предположениях авторов о характере обтекания ледяной средой корпуса судна. Задача контакта сведена к двумерной в плоскости ледяного покрова. При этом для нахождения преобладающих составляющих ледовых нагрузок – инерционных (импульсивных) и диссипативных некорректно назначаются скорости среды, связывая их только с раздвиганием льда [27,77,66]. Фактически лёд не только раздвигается, но интенсивно деформируется и разрушается (рис.85).
Последнее существенно изменяет теоретическую картину поля скоростей в ледяном покрове. В качестве примера на рис. 86 представлено распределение скоростей в траверзном сечении льда в районе первого теоретического шпангоута для двух произвольных моментов времени (23 с и 58 с).
Поведение линий С и D (рис. 86) указывает на то, что согласно методике [27] скорость льда в его плоскости для любого поперечного сечения не зависит от удалённости по траверзу. Но это противоречит результатам конечноэлементного моделирования. Кривые А и В демонстрируют значительное падение поперечной скорости среды с удалением от борта судна. К аналогичным выводам можно прийти, анализируя работы [77,79], где в качестве расчётного аргумента используется нормальная к действующей ватерлинии скорость льда. Не согласуются результаты численного эксперимента и с заявлениями авторов полуаналитических методик в отношении перераспределения перемещений в плоскости ледяного покрова. Так в [27] отмечено, что «… при движении в сплочённых мелкобитых льдах возмущение среды происходит в основном в направлении, перпендикулярном к диаметральной плоскости судна, и частично в направлении движения судна. Результаты многочисленных наблюдений, а также специально проведённые расчёты свидетельствуют о том, что перемещения льдин в направлении движения судна малы по сравнению с соответствующими поперечными перемещениями…». Численный эксперимент в большей части случаев показывает не только соизмеримость этих величин, но также и превышение продольного сдвига ледяной среды по отношению к её траверзному смещению (рис. 87).
Из рис. 87б видно, что смещение основной массы льдов в поперечном направлении не превосходит 10 м. Продольный дрейф (рис. 87а) значительной части среды достигает 20 м и более. Все полуаналитические зависимости получены в предположении свойств однородности, изотропности ледяной среды и сплошности её контакта с корпусом судна [27]. Согласно первому свойству, средняя плотность мелкобитого льда является постоянной величиной. Изотропность означает, что свойства среды не зависят от произвольно выбранного направления в её плоскости. Однако на практике эти условия далеко не всегда выполняются, что приводит к эффектам противоположным прогнозу традиционных методик. Часто это проявляется в нарушении теоретического баланса скорости судна и его ледового сопротивления, согласно которому ледовые усилия находятся в квадратичной зависимости от скорости движения. Так, например, эта взаимосвязь не однозначна для толстых (более 0,4 м) мелкораздробленных сплочённых льдов. Здесь при возмущении ледяной среды подвижным судном образуются локальные зоны её торошений и наслоений, чередующиеся с разводьями. Подобное явление упомянуто в работе [66] и подтверждается численным экспериментом (рис. 88). Сплочённость, а частично и толщина льда перераспределяются, приводятся в движение его большие массы, что порождает рост ледового сопротивления при снижении скорости хода судна. Это проиллюстрировано на рис. 89.
Анализ кривых рис. 89 показывает хотя и не монотонное, но увеличение ледовой нагрузки (сглаженное значение, кривая А) при почти троекратном устойчивом падении скорости (кривая С) к окончанию моделируемого периода. При движении в тонких льдах качественные признаки образующейся неравномерности параметров среды явно не выражены. Однако в ряде случаев здесь также зафиксировано несоответствие экспериментальной кривой «скорость движения – ледовое сопротивление» её теоретическому аналогу. Так на рис. 90 описан эпизод форсирования с полного хода перемычки из мелкобитого «нерегулярного» льда толщиной 0,2 м. Из анализа кривых видно, что плавное замедление хода судна в 1,3 раза (кривая С) практически не сказывается на уровне продольных ледовых нагрузок, оставляя их в пределах ~100 кН (сглаженное значение, кривая В).
Необходимо отметить временный характер таких явлений. Продолжительность их занимает несколько минут. Но в задачах безопасности судоходства – это значимый период. Кроме того, плавание во льдах, по сути, представляет череду ускорений и замедлений движения судна. В структуру всех традиционных зависимостей расчёта ледового сопротивления судна входит постоянная составляющая (статическая, не зависящая от скорости движения). Однако её значения по данным различных источников далеки от согласия. Для сопоставимых условий верхние границы оценок [27] отличаются от нижних [78] более чем на порядок. Это свидетельствует об отсутствии надёжных натурных данных, подтверждающих методические положения авторов. В рамках настоящей работы предпринята попытка оценить вклад данной составляющей. При этом для нескольких вариантов ледовых условий было смоделировано движение судна с очень малой скоростью – 0,1 м/с. Выбор предела скорости в первую очередь обусловлен возможностями вычислительной системы автора – за разумное время нужно было получить достаточное для анализа перемещение судна. Для данной скорости разница между чистым ледовым сопротивлением и его статической составляющей не превышает 2% [77,79], что вполне допустимо для приближённой оценки последней. Результаты расчётов продольных ледовых нагрузок по одному из вариантов показаны на рис. 91.
Поведение кривых ледового сопротивления (рис. 91, В – расчёт, А – сглаженные значения) свидетельствует о его сильной временной изменчивости. Но если следовать логике авторов классических методик, то для практически незначимой фиксированной скорости хода сопротивление должно быть близко к постоянной величине. Поэтому статическую составляющую здесь следует интерпретировать как среднее значение кривой сопротивления (рис. 91, линия С). Причём применение полученного значения справедливо в понятии только как «потенциальная сопротивляемость ледяного покрова для неподвижного судна». Корректность экстраполяции постоянной составляющей на подвижное судно (для разных скоростей, но тех же расчётных морфометрических характеристик льдов) сомнительна. Об этом свидетельствуют как вышеприведённые результаты численных расчётов, так и следующее наблюдение. При низких скоростях хода судна лёд в большей степени успевает раздвигаться, уплотняться, перераспределяться по площади канала. Высоким значениям скорости свойственно интенсивное деформирование и разрушение льдин в окрестностях судна. То есть скорость судна сказывается на свойствах ледяной среды. Последнее утверждение можно проиллюстрировать данными рис. 92, где показаны два варианта (линии 1 и 2) скоростного роста ледового сопротивления танкера проекта 19614 при его движении в канале, заполненном «нерегулярными» мелкобитыми сильносплочёнными льдами толщиной 0,5 м.
Кривые 1 и 2 (Рис. 92) демонстрируют значимое различие уровней ледового сопротивления судна (до 100 кН и более) в одном и том же ледовом канале, но при различных законах разгона судна. В рамках известных методик влияние подвижного судна на характеристики ледяной среды учесть невозможно, его можно только смоделировать. Поэтому отождествление неподвижной и по-разному возмущённой среды, выраженное в наличии статической составляющей, нельзя признать правомерным (по крайней мере, применительно к краткосрочным задачам безопасности). Подавляющее большинство авторов сводит оценку ледовой ходкости к расчёту чистого ледового сопротивления судна, полагая при этом его гидродинамические характеристики во льдах аналогичными для свободной воды. В общем случае такой приём несправедлив (п. 4.2.), но аналитически эта проблема пока не разрешена, что дополнительно снижает достоверность известных методов. Идеальная и реальная ходкость. Ощутимое ограничение всех традиционных методик в отношении задач ледовой безопасности заключается в «идеализации» ледовой ходкости, сводящей движение судна к абсолютно прямолинейному. Фактически из-за асимметрии ледовых нагрузок оно стремиться уйти в сторону от заданной маршрутной линии. Попытки удержания судна в допустимых границах по критериям безопасности плавания сопровождаются его зарыскиваниями. Их амплитуда и частота определяют реальную ледовую ходкость – скорость перемещения в заданном направлении. Очевидно, что реальная ходкость будет зависеть как от характеристик ледяного покрова, так и от эффективности управления судном. Причём второй фактор является доминирующим. Однако рыскливость судна во льдах не устранима даже при очень жёстком законе управления, обеспечивающем практическую прямолинейность движения для чистой воды. Рис. 93 поясняет это на примере моделирования движения судна в сплочённых «регулярных» льдах протяжённостью около 5,0 м.
Анализ кривых рис. 93 показывает, что амплитуда знакопеременного угла дрейфа увеличивается с ростом толщины льда. При малых значения толщин и высоких скоростях движения судна ледяной покров интенсивно разрушается корпусом, незначительно увеличивая рыскливость (кривая А для толщины льда 0,2 м). Но для более толстых льдов меняется характер их взаимодействия с судном. Моделирование показывает существенное уменьшение степени дробления льдин при возрастании нагрузок от их раздвигания и деформирования. При этом многократно падает продольная скорость судна, сила тяги винтов приближается к режиму «на швартовах», увеличивая эффективность рулевого комплекса. В результате – существенный рост угла дрейфа (кривая С для толщины льда 0,5 м) и связанные с этим потери скорости хода в направлении маршрута по сравнению с прямолинейным движением. Данное утверждение хорошо иллюстрирует рис. 94.
На нём показаны кривые скорости хода судна в сильносплочённых (9-10 баллов) мелкобитых (протяжённость льдин 5,0 – 6,0 м) льдах толщиной 0,5 м. Кривая А описывает движение реально управляемого судна, линия В – судна, идущего прямолинейно. Принципиальным отличием этих кривых является разница скоростей в конце расчётного временного интервала. Если у прямолинейно идущего судна скорость стабилизируется в пределах 1,75 – 1,85 м/с, то для управляемого она заметно ниже (1,13 м/с) и продолжает падать. Частные задачи безопасности. Опыт научно-инженерной деятельности автора был неоднократно связан с экспертной оценкой последствий ледовых аварий судов внутреннего плавания. При этом для повышения достоверности выводов в достаточном ряде случаев эксперты вынуждены были прибегать к численному моделированию ситуации. Это, например, такие задачи, как оценка реакции судна на внедрение в ледяное поле при различных скоростях хода, на изменение в процессе движения ледовой обстановки, параметров ледового канала, на воздействие подвижек, дрейфа и сжатий льдов; расчёт инерционных характеристик судна; оценка навала льдов на счаленные и ошвартованные объекты и пр. Подобные процессы сравнительно непродолжительны, как правило, конкретизированы или оговорены дополнительными условиями, а решаемые задачи в конечном итоге сводятся к анализу ходкости или ледового сопротивления при указанных ограничениях. В известных методиках эти проблемы либо неразрешимы, либо решения на базе усреднённых значений ледовых усилий имеют недостоверный отклик. В качестве подтверждения этого на рис. 95 показаны временные зависимости продольных ледовых корпусных усилий и скорости хода судна, полученные методом конечноэлементного моделирования, в сопоставлении с результатами расчётов этих параметров по методикам [27,69,78,79]. Расчётный вариант а) описывает вход и движение судна (немногим более трёх минут) в поле сплочённого мелкобитого «нерегулярного» льда толщиной 0,5 м. Вариант б) – в поле аналогичного «регулярного» льда при протяжённости льдин в пределах 20,0 м (около 3,5 минут). Вариант в) – в поле «регулярного» льда толщиной 0,2 м с протяжённостью льдин 5,0 – 6,0 м (около одной минуты).
Рассмотрение зависимостей рис. 95 выявляет немонотонность конечноэлементных кривых ледового сопротивления (на графиках показано сглаженное значение параметра, линии А) в отличие от функций, полученных на основе полуаналитических методик (кривые С и D). При этом зависимость ледовых нагрузок, рассчитанная по [78,79] (кривые D, рис. 95а, 95б), даёт явно заниженный уровень, что предрекает неадекватный разгон судна в анализируемых условиях (кривые F, рис 95а, 95б). Не лучший результат показывают и методики [27,69], прогнозирующие «заклинивание» судна на 104 с и 63 с для вариантов а) и б) соответственно (кривые Е, рис. 95а, 95б). Численный эксперимент для варианта а) предсказывает сначала его незначительный разгон (до скорости около 2,2 м/с) и последующее замедление со стабилизацией в пределах 1,55 – 1,65 м/с (кривая В, рис. 95а). Вариант б) характеризуется более «тяжёлыми» ледовыми условиями, но и в этом случае согласно конечноэлементной модели судно способно непрерывно продвигаться со скоростью около 0,55 м/с (кривая В, рис. 95б). С уменьшением толщины и горизонтальных размеров льдин возрастает степень доверия к методикам [78,79] (рис. 95в). Для тонких полей (менее 0,3 м) при протяжённости ледяных образований 5,0 – 6,0 м расчёты скорости по ним показывают результат близкий к модельному (кривая F, рис. 95в). Источники [27,69] демонстрируют примерно полуторакратное завышение ледовых нагрузок (кривая С, рис. 95в) и падение скорости (кривая Е, рис. 95в), что не согласуется с натурными данными [79]. Следует отметить, что численный эксперимент предсказывает значительную временную изменчивость ледового сопротивления даже при сравнительно устойчивой скорости хода судна. В доказательство этого на рис. 96 приведён расчёт продольной ледовой нагрузки на корпусе судна в одном из вариантов моделирования.
Анализ функций рис. 96 показывает, что конечноэлементная модель прогнозирует значительную дисперсию ледовых сил (кривая В). При этом даже сглаженное значение этого параметра (кривая А) для относительно стабильной скорости движения 3,35 – 3,45 м/с (кривая С) отличает высокая неравномерность, что имеет место в действительности. Колебания сглаженной величины ледовых сил превышают 53% от её максимального значения. Влияние сплочённости льда на ходкость. Сплочённость битых льдов наряду с их толщиной стоит в ряду основных факторов, определяющих ходкость судна. Это признаётся всеми авторами известных полуаналитических и эмпирических методик, но количественные характеристики этого влияния неудовлетворительно согласуются как между собой, так и с результатами численного моделирования. В качестве примера для «регулярных» мелкобитых льдов протяжённостью 5,0 м и толщиной 0,5 м на рис. 97 показаны расчётные временные зависимости скорости хода судна, полученные согласно методикам [27,69,78,79], в сравнении с модельными кривыми.
Для разреженных льдов сплочённостью 6 баллов поведение аналитических зависимостей (Рис. 97, D – для методик [27,69], G – для методик [78,79]) аналогично численной кривой – А. При этом для расчётного периода времени характерен рост скорости движения с её последующей стабилизацией. Однако аналитические функции демонстрируют явно завышенный результат. Так превышение в скорости стабилизации по отношению к уровню конечноэлементной кривой колеблется в пределах 10% - 22%. В сплочённых льдах (8 баллов) согласно численному эксперименту ход судна практически не изменяется (3,3 м/с – 3,35 м/с, рис. 97, кривая В). Методики [78,79] (Рис. 97, кривая H) по-прежнему предсказывают рост скорости, а методики [27,69] (рис. 97, кривая Е) напротив – её падение. При этом разница между аналитически полученными скоростями стабилизации и прогнозом модели сохраняется на уровне 13% - 15%. Для сильносплочённых льдов (9-10 баллов) методики [78,79] (Рис. 97, кривая I) дают неприемлемый результат. Он проявляется в неадекватном ускорении судна (хотя и незначительном) и почти четырёхкратном завышении скорости стабилизации. Заметно лучше согласуются с численным экспериментом (Рис. 97, кривая С) расчёты по методикам [27,69] (рис. 97, кривая F). Но и в этом случае расхождение в скоростях стабилизации превышает 70%. Влияние прочности льда на ходкость. Согласно принятой классификации характеристик ледяного покрова его прочность по стадиям таяния характеризует параметр, именуемый разрушенностью. Вопрос о влиянии прочности мелкобитого льда на ходкость судна для автора настоящей работы оставался открытым до начала использования им в инженерных и научных целях CAE-систем. Оправданием тому служило отсутствие достоверных данных о таком влиянии и наличие разногласий по этому поводу в известных трудах. Так авторы работ [78,79] даже не упоминают об этом аргументе, в [66] высказано утверждение (согласующееся с более ранними работами) о практической незначимости данного влияния. В противовес сказанному в статье [69] в зависимость для расчёта продольных ледовых нагрузок на корпусе транспортного судна введён эмпирический коэффициент, учитывающий разрушенность битых льдов. В работе [21] для оценки ледового сопротивления ледокольного судна в аналогичных условиях в явном виде используется прочность льда на изгиб. Автором проведён расчёт серии вариантов движения судна в мелкобитых льдах различной прочности. Варьировались пределы текучести и прочности льда в интервале 90% - 50% от значений, принятых в работе [35] (п. 3.2.). При этом несущественно колебался модуль упрочнения, упругие константы льда оставались неизменными. Согласно классификации льдов внутренних водоёмов это соответствует их разрушенности в пределах 1 – (3-4) балла. Характерные результаты моделирования показаны на рис. 98.
Кривые В, С и Е (рис. 98) описывают временную зависимость скорости судна в мелкобитых прочных зимних льдах различной толщины и раздробленности. Кривые ходкости A, D, F получены для тех же морфометрических характеристик льда при его разрушенности 3-4 балла (что соответствует относительной прочности 0,5). Сопоставление соответствующих пар функций (А и В; С и D; Е и F) демонстрирует расхождения между ними. Но разница эта нестабильна и невелика, в среднем составляя 2% - 5%. В реальных условиях эксплуатации разрушенность льдов, как правило, имеет меньшую величину. Кроме того следует отметить, что в большей степени эта характеристика является качественной, нежели количественной. Оценивается она визуально по внешним признакам состояния льда (определяющую роль при этом играет опыт наблюдателя) и уже поэтому не может претендовать на объективность. Таким образом, в отношении связи прочности мелкобитых льдов и ходкости судна результаты конечноэлементного моделирования полностью подтверждают выводы авторов работы [66] – в «рабочем» диапазоне изменения прочности льда этим влиянием можно пренебречь. Для сравнения на рис. 98 также показана кривая G, полученная согласно методике [69] и характеризующая поведение скорости судна во льдах разрушенностью 3-4 балла, морфометрически однотипных вариантам Е и F. Её численный аналог (кривая F) располагается выше на 35% - 55%, что нельзя признать в качестве удовлетворительной сходимости результатов численных и аналитических решений в отношении учёта прочности льда. Влияние раздробленности льда на ходкость. Применительно к битым льдам раздробленность характеризует степень их измельчения. Её можно выразить величиной средней протяжённости примерно равновеликих льдин, доминирующих на данном участке ледовой трассы (в ледовом канале). В естественных условиях при достаточно длинных маршрутах этот параметр обладает существенной изменчивостью. По этой причине почти все авторы при расчётах эксплуатационной ледовой ходкости не используют раздробленность в качестве аргумента в предлагаемых зависимостях. Их методики построены на основе сильно усреднённых натурных или модельных данных [79]. Однако такой подход нельзя признать справедливым при решении задач безопасности. Неучёт раздробленности льдов для локальных зон порождает дополнительные ощутимые ошибки в оценке движения судна. Об этом свидетельствуют результаты конечноэлементного моделирования, представленные на рис. 99.
Кривые А, С и Е (рис. 99) описывают движение судна в поле мелкобитого льда толщиной 0,3 м; 0,4 м и 0,5 м соответственно при средней протяжённости льдин 5,0 м. Линии B, D, F – в аналогичном поле при протяжённости льдин 20,0 м. Попарное сопоставление кривых (А и В; С и D; Е и F) показывает наличие расхождений, выражающихся в значимом ускорении хода с уменьшением протяжённости льдин. Так к моменту установившегося движения прирост скорости колеблется в пределах 10% - 45% в зависимости от толщины льда. Кривая G (рис. 99), иллюстрирующая результаты расчёта ходкости по методикам [27,69] для льдов варианта В, предсказывает «заклинивание» судна на 120 с, не согласуясь как с результатами численного эксперимента, так и натуры. Влияние ширины ледового канала на ходкость. Большинство известных полуаналитических и эмпирических зависимостей для расчёта сопротивления битого льда движению судна получены в предположении свободно дрейфующих льдов не стеснённых кромками припая. На практике проводки флота часто осуществляются в границах ледовых каналов различной ширины. При этом предполагается наличие эффекта стеснения акватории, что должно сказываться на ходкости судов. Рядом авторов предприняты попытки оценить влияние этого стеснения на ледовые корпусные нагрузки [23,27,69,74]. Качественные результаты такой оценки сводятся к тому, что с уменьшением ширины ледового канала растёт ледовое сопротивление и ухудшается ходкость судна. Однако далеко не единичные численные опыты, поставленные автором настоящей работы, показали результаты, вносящие сомнения в однозначность такой связи, что нельзя игнорировать при решении задач безопасности. В качестве примера на рис. 100 приведены результаты моделирования движения судна в каналах различной ширины, заполненных мелкобитыми «регулярными» льдами протяжённостью 5,0 м при их толщине 0,5 м и сплочённости 9-10 баллов.
Модельные кривые А, В и С (Рис. 100) описывают временные зависимости скорости движения судна в каналах шириной 170 м, 100 м и 50 м соответственно. Как видно, они демонстрируют не только существенные количественные, но и качественные различия с их полуаналитическими аналогами, полученными по методикам [27,69] (Рис. 100, линии D, E, F). Даже для судов, формы которых мало способствуют притапливанию битых льдов и ледовое противодействие корпусу, в основном, определяется раздвиганием ледяной среды в её плоскости, конечноэлементное моделирование не подтверждает устойчивой корреляции ширины канала и ледового сопротивления судна. Так, например, на рис. 101 показаны кривые ледового сопротивления танкера проекта RST27 при его движении в ледовых каналах различной ширины, заполненных мелкобитыми сильносплочёнными льдами толщиной 0,5 м.
Сравнение кривых рис. 101 (1 – ширина канала 20 м; 2 – ширина канала 40 м; 3 – ширина канала 60 м) показывает, что увеличение ширины канала в её «рабочем» диапазоне вряд ли ощутимо скажется на снижении уровня ледового сопротивления судна. Ходкость судов с нетрадиционной формой корпуса. Классические полуэмпирические методики расчёта ледового сопротивления базируются на обобщении результатов испытаний судов с традиционными обводами. Однако применение новых конструктивных решений для речных судов явно требуют уточнения этих методик. В первую очередь это относится к анализу ходкости «бульбоносых» судов с ледовым классом, которые начинают активно использовать в составе флота внутреннего и смешанного река-море плавания. Попытки применения аналитических зависимостей при оценке ледовой ходкости судов с подобными формами корпуса в сравнении с результатами численного моделирования показали практическую неприемлемость первых для указанной цели (Рис. 102). Результаты статистической обработки данных численных экспериментов по оценке ледовой ходкости танкера проекта RST27 в «рабочем» диапазоне ледовых условий приведены на рис. 102а (толщина мелкобитых и тёртых льдов до 0,65 м; сплочённость 6 – 10 баллов; относительная ширина ледового канала 2,0 – 2,5). Для сравнения на рис. 102б, 102в приведены аналогичные функции, рассчитанные для сопоставимых условий по нормативной методике [23] и с учётом классических полуаналитических подходов [27,69]. Первое, на что обращает внимание сравнительный анализ графиков (Рис. 102) – это слишком большой разброс в оценках расчётной ледовой категории судна. Согласно требованиям нормативной методики [23] она эквивалентна толщине мелкобитых льдов сплоченностью 9 баллов, преодолеваемых непрерывным ходом в канале при 20% уровне от достижимой скорости на чистой воде (при условии использования энергетической установки на полную мощность). При установленном РМРС ледовом классе «Ice-1» для данного танкера расчётная ледовая категория должна находиться в пределах 0,4 м. Зависимости, показанные на рис. 102, показывают следующие величины этой характеристики: численный эксперимент – в пределах 0,45 м; методика [23] – около 0,8 м; методики [27,69] – немногим менее 0,2 м. Как видно, нормативная методика [23] даёт слишком завышенный результат (близкий к ледовому классу «Ice-3»), методики [27,69] – недооценку реальной ледопроходимости теплохода.
Другой очевидный результат сравнения кривых рис. 102б и 102в с данными численного эксперимента (Рис. 102а) заключается в явном преувеличении нормативными и полуэмпирическими методиками [23,27,69] влияния сплочённости мелкобитых льдов на ходкость судна. Как показывает практика ледового плавания и подтверждает конечноэлементное моделирование, влияние неровностей кромок канала, естественные изменения его ширины и направления довольно быстро сказываются на перераспределении сплочённости льдов в окрестностях подвижного судна. Поэтому данный фактор следует интерпретировать скорее как качественную (сильно усреднённую) характеристику льдов, нежели количественную. Наименьшие расхождения в численных, нормативных и аналитических оценках ледовой ходкости танкера наблюдаются для тёртых льдов, хотя приемлемого согласия здесь также нет. |
Похожие:
 | Общие правила плавания и стоянки судов в морских портах Российской Федерации и на подходах к ним Омский институт водного транспорта (филиал) фбоу впо «Новосибирская государственная академия водного транспорта» |  | Отчет о научно-исследовательской работе Разработка критериев оценки качества очистки внутренних поверхностей трубопроводов систем теплоснабжения жилого фонда г. Красноярска... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Обеспечить усвоение учащимися особенностей экономико-географического положения, природных условий и природных ресурсов района, акцентировать... | | Объединение специалистов по охране труда прошлое, настоящее, будущее Президент Межрегиональной Ассоциации содействия обеспечению безопасных условий труда «эталон» |
| Рабочая программа по дисциплине «Элементы систем автоматики судов» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Задачи автоматизированного проектирования 4 развитие cad/cam/cae-систем 10 Остальные, так называемые косвенные проектные работы, занимающие примерно одну треть общего времени на конструирование, могут быть... |
| Положение о режиме работы гоу сош №1173 Положение разработано для регламентирования безопасных условий воспитательно-образовательного процесса и четкой организации труда... | | О назначении ответственных лиц за организацию безопасной работы В целях обеспечения здоровых и безопасных условий труда и проведения учебно – воспитательного процесса, во исполнение ст ст. 212,... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Распределение обязанностей в работе по созданию безопасных условий труда и предупреждению детского травматизма между членами администрации... | | 1 История развития спортивного плавания Построить график рекордов... Кафедра теории и методики спортивного и синхронного плавания, аквааэробики, прыжков в воду и водного поло |
| 1 История развития спортивного плавания Построить график рекордов... Кафедра теории и методики спортивного и синхронного плавания, аквааэробики, прыжков в воду и водного поло | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цель урока: Добиться усвоения учащимися условий плавания тел на основе изученного понятия об архимедовой силе |
| Задачами контрольно-пропускного режима в образовательном учреждении... Оу и создание безопасных условий для обучающихся и работников оу и других лиц, находящихся в здании и на территории оу | | Процедуры контроля судов государством порта Ссылаясь на статью 15 (j) Конвенции о Международной морской организации, касающуюся функций Ассамблеи в отношении правил и руководств,... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... В связи с установлением электронного прибора учета посещения обучающихся и работников школы, а также в целях создания безопасных... | | Город окружного значения нижневартовск В целях эффективной организации образовательного процесса, обеспечения безопасных условий для жизнедеятельности школы, в соответствии... |
