CC BY
39
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАЧКИ СУДНА НА СИЛЫ
И МОМЕНТЫ ВОЛНОВОГО ДРЕЙФА 1 2 Bу Mинь ^ок , Фам Тхи Тхань Хай Email: [email protected]
гБуу Минь Hгок - магистр технических наук;
2Фам Тхи Тхань Хай - магистр технических наук, кораблестроительный факультет, Вьетнамский Морской университет, г. Хайфон, Социалистическая Республика Вьетнам
Аннотация: в статье рассматривается определение сил волнового дрейфа, действующих на судно при качке на регулярном волнении на основании трехмерного потенциального метода. Данный метод основан на интегрировании давления второго порядка по смоченной поверхности судна, качающегося на регулярном волнении с малой амплитудой. При этом, для определения сил волнового дрейфа необходимы только значения потенциалов первого порядка и его производных. В статье приводятся результаты расчетов сил волнового дрейфа судна на мелководье различных глубин. Приводится исследование влияния отдельных видов качки на составляющие дрейфовых сил. Расчеты показали: амплитуды отдельных видов качки значительно влияют на моменты и силы волнового дрейфа. Ключевые слова: мелководье, регулярное волнение, качки, силы волнового дрейфа.
STUDY THE INFLUENCE OF THE SHIP'S MOTIONS ON THE WAVE DRIFT FORCES AND MOMENTS Vu Minh Ngoc1, Pham Thi Thanh Hai2
1Vu Minh Ngoc - Master of Science;
2Pham Thi Thanh Hai - Master of Science, SHIPBUILDING FACULTY, VIETNAM MARITIME UNIVERSITY, HAI PHONG, SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM
Abstract: the paper presents the determination of the wave drift forces, acting on the ship's motions in regular waves by means of the three-dimensional source technique. The method is based on a direct integration of the steady quasi-second order pressure over the wetted surface of the body oscillating freely in regular waves of small amplitude. Only the first order velocity potentials and their derivatives along the body surface at rest are required when considering the desired drift forces. The paper presents results of the computations of mean second order wave forces (drift forces) for different shallow water. The investigation of the influence of different components of motions (roll, pitch and heave) on the components of drift forces is given. The considerable influence of the amplitudes of different modes of motion (heave, pitch and roll) on the drift forces is illustrated graphically and discussed. The article presents the results for different type of ships. The analysis of these results shows the amplitude of each component of ship's motion significant influence on the wave drift forces and moments.
Keywords: shallow water, ship motions, wave drift forces, regular waves.
УДК 629.123
1. Введение
Качкой называется колебательное движение, совершаемое судном как абсолютно твердым телом при плавании его на поверхности спокойной или взволнованной воды. Она представляет собой отрицательное явление, поэтому мореходным качеством судна счиатается умеренность качки [4].
Вопросы поведения судна в различных эксплуатационных условиях, таких как: течения, волнение, изменение глубины акватории (мелководье), а также задачи позиционирования в
режимах эксплуатации, усложненной наличием мелководья, изучены до сих пор недостаточно полно. Возникающие в результате внешнего волнового воздействия гидродинамические силы первого порядка определяют качку судна, в то время как возмущающие силы второго порядка определяют силы волнового дрейфа, вызывая постоянные и переменные перемещения судна.
2. Метод расчета
Общие формулы определяют силы волнового дрейфа, действующие на судно при качке на регулярном волнении, имеют вид:
Геег п- 2Ф(1) г п92Ф(1)
А + (^ - ХУ))+ [% - Ъ + Хх]-
^(2)(х, У,7) = Р-
1
+ ЪУ -¥Х)]■
+р! и
д 2Ф(1)
дtдg ,0) лтДО ^
дt дц
ййЮ0 +
-Ф(1) -Ф(1) -Ф(1) -Ф(1) -Ф(1) -Ф1 +--+
п У дц дц дд дд
1 г _
(ахп)А.сой— г^^соъ (ес(аш))сЯ л л
дф(1) +"ФТ]
(1)
Ы?\х, у, 7) = р-
пт пд2Ф(1) г пд2Ф(1)
Л[(#, + -^у))]-^- + [ц - (Ъ+Хх)]—
+|д + (ву -¥х)]
+р4 Я
2
иг( дФ(1) -Ф(1) дФ(1) дФ(1) дФ(1) дФ(1)
д 2Ф' дздд
(г х и)с!О0 +
2 Где: 1 дФ
д^ д^ дц дц дд дц ,(1) д7
(2)
(г х п )с1С10
1 лл сФ(1) 1 л _
2 о дI 4 1Г/Г
дФ
g дt дt В соответствии с линейной теорией качки судна, потенциал Ф можно записываться в виде следующей суперпозиции:
6
Ф = <Ро(£,ц,д)е с + %(£,ц,д)е-ш + ^из<з, (3)
3=1
где: <р0 потенциал набегающего волнения. Для случая жидкости ограничного глубины к:
^ ек^0{д + к)
1Цо со§ Р+ц ^П Р)
< = -' Ьш - - х <£ с
(4)
к
где: Р - курсовой угол, ю - частота набегающего волнения, ^ - определяется из дисперсионного соотношения:
со2 / g = /и0tк^0к. (5) где: < - потенциал дифрагированного движения жидкости, < - потенциал скорости
возмущенного движения жидкости, обусловленного отдельными вращательными или поступательными колебаниями судна как твердого тела на поверхности спокойной воды.
Все потенциалы, входящие в формулу (3), и амплитуды качки определяются на основании решения трехмерной потенциальной задачи качки судна и разработанного авторами [1]. В качестве данной программы результаты расчетов для серии 60 и танкера сопоставлялись с расчетными и экспериментальными данными Pinkster, Newman и приведены в [1, 2]. Для танкера смешаного плавания (длина судна L=140м, щирниа судна В=16,6м, осадка судна T=4,2 м) полученные результаты расчетов были сопоставлены с экспериментальными данными, полученными в мелководной бассейна Крыловский государственный научный центр. для относительной глубины H/T=2,14. Полученные сопоставления показывают хорошо согласование расчетных и экспериментальных данных. Исключение составляет область резонанса бортовой качки, где значения, полученные численным путем, уменьшаются и меняют знак на противоположный. Как было отмечено ранее, эффект обусловлен отличием значений натурного и расчетного коэффициента вязкостного демпфирования.
Существенным фактором при решении является то, какие перемещения, в количественном и качественном соотношении, будет совершать судна под действием волнения. В настоящей исследование проводится исследование влияния мелководья на силы и момента волнового дрейфа при учете и отсутствии влияния основных видов качки судна на волнении, таких как: бортовая, вертикальная и килевая. В качестве судна численного расчета были рассмотрены судно танкер и серии 60 под действием регулярного волнения при различных курсовых углах.
Рис. 1. Результаты численного и экспериментального исследования безразмерных коэффициентов продольной, поперечной СВД и разворачивающего момента, действующей на танкер смешаного плвания при куровом угле волны равном: а) 180, б)225°и в) 270°в зависимости от периода набегающего
регулярного волнения
Исключение одного из видов качки из расчета теоретически соответствует случаю, когда судно ограничено в перемещениях при швартовке у причала или заякорению при позиционировании судна на месте проведения работ.
На рисунках 2-3 представлены результаты расчета безразмерных величин силы волнового дрейфа и момента, действующих на танкер при куровом угле волны равном 45 и судно серии 60 при курсовом угле волны равном 135° в условиях мелкой воды, в зависимости от набегающего регулярного волнения с частотой ю, 1/сек. Данные результаты сопоставлялись с аналогичными величинами, полученными без учета вертикальных перемещений объектов. Как видно из рисунков 2-3, для обоих судов наблюдается возрастание значений безразмерных горизонтальных величин силы волнового дрейфа и момента с уменьшением относительной глубины воды Н1Т , причем это характерно и для величин силы волнового дрейфа и момента, не учитывающие перемещения вертикальные. Отсутствие вертикальной качки сказывается на результате в области средних и низких частот со < 0,8, и особенно наглядно это проявляется для судна серии 60. При ю >1 все значения получаются для различных относительных глубин,
становятся близки друг к другу, поэтому при ю ^ да амплитуды всех перемещений стремятся к нулю. В случае танкера на попутном волнении (курсовом угле волны равном 45°) расхождение в полученных результатах на всем протяжении частот фактически отсутствует. Всё-таки, для обоих судов в области длинных волн значения, полученные без учета вертикальных перемещений, превышаются соответствующие величины, учитывающие все типы колебаний, и в резонансной области бортовой качки (ю = 0,4 для танкера и ю = 0,5 для судна серии 60) достигают максимальных значений.
Похожий характер поведения кривых рассчитываемых величин наблюдается также и на встречном волне (курсовом угле волны равном =135°), за исключением того факта, что имеется более в большой степени расхождение в полученных значениях безразмерных величин горизонтальных силы волнового дрейфа и момента. Здесь, в области низких частот, также присутствует превышение значений, не учитывающих вертикальные перемещения судна, над сходственным величинами, полученных с учетом их влияния. Сдвиг максимальных значений силы волнового дрейфа в область низких частот происходит как при учете всех колебаний судна, так и при отсутствии влияния вертикальной качки. Следует отметить, что максимальные значения достигаются, в основном, при HIT = 1,25. Так, в количественном соотношении, наибольшие значения безразмерных горизонтальных силы волнового дрейфа и момента накосых волнениях без учета качки в резонансной зоне превышают похожие величины с учетом качки примерно в 2-3 раза. Отсутствие учета амплитуд вертикальной качки приводит, в ряде случаев, к резкому увеличению значений разворачивающего момента в области низких частот и смене его знака. Для судна серии 60 при курсовом угле волны равном 135° и (ю = 0,6) безразмерный разворачивающий момент, вычисленный без учета вертикальной качки, имеет отрицательные значения, самостоятельно от H /Т. С учетом амплитуд вертикальной качки, соответствующие значения безразмерного разворачивающего момента имеют положительные значения (рис. 3).
Рис. 2. Безразмерные продольная, поперечная силы разворачивающего момента волнового дрейфа, действующие на танкер при курсовом угле волны, равном 45°
0,2 0,4 0,0 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
5га учета вертикальной качки -О— н/т=1,25 -¿-№Т=1,75 —П-№т=з,о с учетом перттгалт.ттой глчки 4 Н'Т=1.25 А Н/Т=1,75 —Н7г=з,0
Рис. 3. Безразмерные продольная, поперечная силы разворачивающего момента волнового дрейфа,действующие на судно серии 60 при при курсовом угле волны, равном 45°, на регулярной волне в
условиях мелководья
Сопоставительный анализ, выполненный для представленных на рис. 4 и рис.5 результатов расчета безразмерных продольной, поперечной сиыл волнового дрейфа и разворачивающего момента, действующих на судно серии 60 и танкер на встречном и попутном волнениях, показал, что на величину безразмерных горизонтальных составляющих сиыл волнового дрейфа отсутствие в расчетах бортовой качки фактически не сказывается. Как видно из рис. 4 и рис. 5, результаты, полученные с учетом и без учета бортовых наклонений в расчетах для обоих судов для разных относительных глубин воды, полностью совпадают на протяжении всего диапазона частот.
Рис. 4. Безразмерные продольная, поперечная силы и разворачивающий момент волнового дрейфа, действующие на танкер при курсовом угле волны, равном 45°
Для безразмерных горизонтальных величин поперечной силы волнового дрейфа и разворачивающего момента, действующих на судно серии 60 на попутном волне при различных относительных глубинах воды, (рис. 6), отсутствие в расчетах влияния килевой качки, приводит к увеличению значений безразмерных поперечной силы волнового дрейфа и разворачивающего момента в области 0,6 <с <1 , по сравнению с похожими величинами, полученными с учетом всех типов колебаний. При с < 0,4 значения уменьшаются, а при со > 1 величины безразмерной силы волнового дрейфа и момента становятся пропорциональны. Как видно из представленного рисунка, для безразмерной продольной составляющей силы волнового дрейфа характер поведения расчетной величины не соположене, то есть в области длинных волн, при отсутствии в расчетах килевой качки, значения возрастают и имеют максимум в резонансной области (0,4< с < 0,6). На примере безразмерного разворачивающего момента хорошо видно, как максимумы значений величины момента сдвигаются из области средних волн (резонансной зоны килевой и вертикальной качки) в область длинных волн, где момент меняет свой знак на противоположный, причем наибольших значений безразмерный момент достигает при Н / Т = 1,25.
Рис. 5. Безразмерные продольная, поперечная силы и разворачивающий момент волнового дрейфа, на регулярном волнении в условиях мелкой воды
Рис. 6. Безразмерные продольная, поперечная силы и разворачивающий момент волнового дрейфа, действующие на танкер при курсовом угле волны, равном 135°
3. Заключение
Проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы:
- Отсутствие одного из типов колебаний в различной степени воздействует на безразмерные величины составляющих сил и момента волнового дрейфа и по-разному проявляет себя для разных типов судов. Отсутствие учета амплитуд вертикальной качки приводит, в основном, в большой степен к уменьшению значений поперечной силы волнового дрейфа в зоне низких частот, самостоятельно от различных значения глубины воды и курсового угла, а также к изменению значений разворачивающего момента в той же области частот как в качественном, так и в количественном отношении. Неучет амплитуд вертикальных колебаний приводит к смене знака данного момента.
- Неучет амплитуд бортовой качки проявляется в зоне резонанса данного типа колебаний и приводит к уменьшению значений поперечной силы волнового дрейфа в этой области частот, независимо от глубины воды фарватера.
- Отсутствие учета амплитуд килевой качки в расчетах силы волнового дрейфа приводит к увеличению значений поперечных составляющих, смене знака разворачивающего момента на противный, а также к изменению продольной составляющей как в количественном, так и в качественном отношении.
- Точное определение всех составляющих силы и момента волнового дрейфа возможно только при учете амплитуд всех шести типов колебаний судна. Исключение из расчетов одного из них приводит к большой степени погрешности не только в количественном, но и в качественном смысле.
Список литературы /References
1. Семенова В.Ю., Щегорец С.В. Применение трехмерной потенциальной теории для определения сил волнового дрейфа, действующих на судно при качке в условиях мелководья. Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики // XLIV Крыловские чтения. СПб., 2011.
2. Щегорец С.В., Тан Хтун Аонг О влиянии качки на дрейфовые силы, действующие на плавучее сооружение в условиях мелководья // Научно-технические ведомости. СПбГПУ. № 1. 2011.
3. Справочник по теории корабля: В трех томах. Том 2. Статика судов. Качка судов / Под ред. Я.И. Войткунского. Л.:Судостроение, 1985. 440 с.
4. Борисов Р.В., Семенова В.Ю. Качка корабля: учебное пособие. СПбГМТУ. СПб 2009. 76 стр.
