CC BY
12
УДК 656.6
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЗАГРУЗКИ КРУПНОТОННАЖНЫХ СУДОВ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ЧАЙКОВСКОГО
ШЛЮЗА
Решетников М.А., аспирант, кафедра «Водные пути и гидротехнические сооружения», ФГБОУ ВО «Волжский государственный университет водного транспорта», e-mail: [email protected]
В статье приведено исследование возможности повышения загрузки крупнотоннажных судов при их прохождении Чайковского шлюза путем снижения запаса в 40см согласно правил плавания по внутренним водным путям Российской Федерации. В качестве инструмента исследования используется математическое моделирование, позволяющее провести серию виртуальных экспериментов выхода судна из камеры шлюза с пониженными запасами под днищем судна. В статье отмечается, что кроме гидродинамических процессов сопровождающих процесс выхода судна из камеры судоходного шлюза, большое влияние оказывают волновые процессы в низовом подходном канале вызванные опорожнением камеры шлюза. Проведенная серия виртуальных экспериментов выхода крупнотоннажного судна из камеры шлюза в низовой подходной канал показывает, что существует возможность снижения запаса под днищем корпуса судна.
Ключевые слова: судоходный шлюз, просадка судна, повышение загрузки, математическое моделирование
RESEARCH OPPORTUNITIES TO IMPROVE THE LOADING OF LARGE SHIPS AS
THEY PASS CHAIKOVSKY LOCK
Reshetnikov M., the post-graduate student, Waterways and hydrotechnical construction chair, FSBEIHE «Volga State University of Water
Transport», e-mail: [email protected]
The article presents research opportunities to improve the loading of large ships as they pass Chaikovsky's gateway by reducing the stock of 40cm in accordance with the rules of navigation on inland waterways of the Russian Federation. As the instrument of research used mathematical simulation models to conduct a series of virtual experiments, the release of the ship from the lock chamber with reduced reserves under the bottom of the ship. The article notes that in addition to hydrodynamic processes accompanying the process of release of the ship from the chamber shipping lock had been greatly affected by wave processes in the lower approach channel caused by the emptying of the lock chamber. A series of virtual experiments yield large-tonnage ships from the lock chamber in the lower approach channel shows that there is a possibility of reducing the margin under the bottom of the hull.
Keywords: shipping gateway, the drawdown of the ship, increase download, mathematical modeling
Россия является страной обладающей громадной сетью водных путей. Протяженность внутренних водных путей России составляет порядка 101,7 тыс.км.
В состав гидротехнических сооружений обеспечивающих судоходство по внутренним водным путям России входит 109 судоходных шлюзов. Отказ от первоначального плана заполнения Чебоксарского и Нижнекамского водохранилища, обозначил две слабых точки в единой глубоководной системе (ЕГС). Ими стали нижние бьефы Городецкого и Чайковского шлюзов, так как наличие в них проходных для крупнотоннажного флота глубин, напрямую зависит от попусков гидроэлектростанции (ГЭС). В результате и в первом, и во втором случае лимитирующим участком стали пороги камер шлюзов. Наиболее остро данная проблема выражена на Чайковском шлюзе в период низких уровней воды. Таким образом крупнотоннажный флот вынужден, ожидать попуска ГЭС, или проходить данный участок со сниженной загрузкой, что влечет снижение прибыли судовладельцев.
Судоходные сооружения Чайковского района гидротехнических сооружений (ЧРГС) расположены в Предуралье, в Пермском крае. К судоходным сооружениям ЧРГС относятся: двухниточный однокамерный шлюз и подходные каналы (верховой и низовой). Стоит отметить, что характерной чертой Чайковского шлюза является большая призма опорожнения, которая в совокупности с низовым подходным каналом, большой длины и малой емкостью, создает
66.3 66.1 65.9 65.7 65.5 65.3
9:00 10:00 11:00 12:00 13:00
значительные изменения уровня воды на пороге камеры шлюза. Объем призмы опорожнения составляет порядка 210000м3.
Для исследования возможности повышения загрузки крупнотоннажных судов при прохождении Чайковского шлюза, предлагается отдельное исследование волнового режима нижнего подходного канала и динамики поведения системы "судно-шлюз" при выходе судна из камеры судоходного шлюза. Исследование включает в себя как традиционный подход наблюдения (натурные исследования), так и применение современных достижений математического моделирования для исследования волновых процессов и динамики поведения системы "судно-шлюз".
Для исследования волновых процессов в низовом подходном канале, вызванных опорожнением камеры шлюза, были проведены натурные исследования. Была создана сеть из 6 временных водомерных постов. Для привязки отметок хода уровней была создана высотная сеть опирающаяся на 2 репера. Значения уровня воды фиксировалось с дискретностью в 1 минуту на протяжении 10 часов. По данным полученным при наблюдении строились графики хода уровней по временным водомерным постам (рис.1).
Для заполнения информационных пробелов в наблюдениях за ходом уровня разработана математическая модель. Структура потока в общем случае описывается системой уравнений Навье-Стокса, дополненная уравнением неразрывности потока (см. формулу 1).
Принимая во внимание то, что моделирование процесса волноо-
:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00
2 §
о ю
Время
Рисунок 1 - График изменения абсолютной отметки свободной поверхности воды на пороге камеры Чайковского шлюза по данным
31.09.2011
бразования связано с математическим моделированием поведения двухфазной среды (вода-воздух), для уравнений (1) используем дискретизацию расчетной области с помощью метода контрольного объёма [1]. Для отслеживания положения свободной поверхности используется VOF-модель предложенную C.W. Hirt и B.D. Nicholls [4, с. 201-225]. В математической модели также учитывается поверхностное натяжение по теории предложенной Блекбилом [4, с. 335-354]. Для моделирования волны используется высоко Рейноль-дсовская гипотеза турбулентности (к-е модель).
dVx dt dVy dt
dVz dt dK dx
v
v -
d2V d2V d2V
X dx2 + * dz2 J
d2V у д2у d2y + y
»x2 Э/ dz2
d2v; d2v + : d2V ] + г
= F
Эх'
= F -У P
1 3,
dy
X Oy- ÖZ
dVz __1 .dp dz p dt
= F -
1 »,
'P
»z
( 1 )
где t - время;
Vj Vz - компоненты абсолютной скорости движения жидкости;
F, F, F - компоненты массовых сил;
x y z '
p - пьезометрическое давление;
P - плотность;
? ' - эффективная вязкость
После построение CAD модели определялись граничные области. Были определены четыре входных сечения, выходные сечения, донная область и горизонтальная плоскость. Каждая граничная область описывается соответствующими условиями. На завершающем этапе геометрическая модель разбивалась на расчетные ячейки. Общее количество расчетных ячеек составляет порядка 2,5 млн.
Для проведения верификационных расчетов с целью проверки
адекватности разработанной математической модели натурным данным предложено сравнение графиков колебания свободной поверхности воды у порога шлюза. Анализируя графики, было получено что мат. Модель вполне адекватно описывает колебания уровня воды, а коэффициент корреляции составляет порядка 0,906, что вполне достаточно для дальнейшего исследования.
Подводя результат исследования волновых процессов в низовом подходном канале Чайковского шлюза можно сделать вывод: при малых глубинах на подходах, амплитуда подъема уровня первого полупериода несколько меньше амплитуды провала глубины на втором полупериоде. На третьем полупериоде (второй подъем уровня воды) амплитуда меньше чем при первом пике и далее устанавливается тенденция к классическому затуханию амплитуды (рис.2 ).
Следующей частью исследования возможности увеличения загрузки крупнотоннажных судов является исследование динамики поведения системы "судно-шлюз" при выходе судна из камеры шлюза. Были проведены натурные исследования, основной частью которых был сбор информации о выходе судов из камеры шлюза. Были получены зависимости скорости судна от расстояния до верхней головы. По полученным данным был составлен осреднен-ный график скорости выхода судна типа "Волго-Дон" из камеры Чайковского шлюза (рис. 3).
Выход судна из камеры шлюза сопровождается сложными гидродинамическими явлениями, вызывающими как изменение осадки судна, так и колебаниями свободной поверхности воды по всей длине камеры. Учитывая многофакторность и сложность гидродинамических процессов сопровождающих процесс выхода судна из камеры шлюза, а также его слабо изученность, далее разработана математическая модель, для изучения просадки шлюзующегося судна.
Структура потока описывается, как и для модели, описывающей волновые процессы, однако в данной модели учитываются подвижные граничные условия, и также моделируется поведение судна с двумя степенями. Результатами математического моделирования стали данные о просадке судна в процессе выхода из камеры шлюза.
Результаты математического моделирования приведены в таблице 1.
-натурные данные ......расчетные величины
Рисунок 2 - Графики колебания свободной поверхности воды на пороге камеры Чайковского шлюза
♦ экспериментальные данные -расчетный аппроксимационный график
Рисунок 3 - График изменения скорости выхода судна типа «Волго-Дон» при его выходе из камеры судоходного шлюза
УПРАВЛЕНИЕ
Таблица 1. Величина минимального динамического запаса под корпусом судна
Осадка судна, м Запас под днищем, см
25 33 40
3,1 касание касание 23
3,2 - касание 9
3.25 - 12 -
3,3 касание 10 7
Движение Волго-Дона с осадкой в 3,3 и 3,25 м, возможно, как с запасом в 0,4м, так и с запасом в 0,35м. Движение с осадкой в 3,2 и 3,1м, возможно только с запасом в 0,4м, как это и предполагается правилами плавания по ЕГС [2].
Таким образом суда типа "Волго-Дон" имеют возможность проходить Чайковский шлюз с запасами глубин под корпусом суда в 35 см при осадках 3,3 и 3,25 м, при этом шлюзование должно происходить с промежуточным отстоем судна в камере шлюза, а величина динамического запаса под корпусом не снизится минимально допустимой величины, по указанию зам министра Горькова, в 20 см для Чайковского шлюза.
Экономический эффект от увеличения загрузки судов возможно рассматривать только со стороны судовладельцев. Возможная прибыль за навигацию от увеличения осадки составляет порядка 8 млн. руб. Стоит отметить что судить о дополнительной прибыли за больший срок не предоставляется возможным в связи с возможным изменением судопотока. Спрогнозировать изменение доходной ставки от перевозки грузов из-за увеличения судопотока практически невозможно ввиду действия множества факторов, присущих рыночной экономики.
Литература:
1. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости / С. Патанкар С. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.
2. Правила плавания по внутренним водным путям Российской Федерации (утв. приказом Минтранса РФ от 14 октября 2002 г. N 129).
3. Brackbill, J.U. A continuum method for modelling surface tension / J.U. Brackbill, D.B. Kothe, С. Zemache. - Comput. Phys., 1992., 100.
4. Hirt, C.W. Volume of Fluid (VOF) method for dynamical free boundaries / C.W. Hirt, B.D. Nicholls// J. Comput. Phys., 1981. № 39.
УДК 004.02
АЛГОРИТМ ОЦЕНКИ МЕТОДОВ ФИЛЬТРАЦИИ НАВИГАЦИОННЫХ ДАННЫХ В GNSS-МОНИТОРИНГЕ МОРСКОГО ТРАНСПОРТА
Игнатюк В.А., д.ф.-м.н, профессор кафедры «Информационных технологий и систем», Владивостокский государственный
университет экономики и сервиса, e-mail: [email protected], Сметанин С.И., аспирант, Владивостокский государственный университет экономики и сервиса, e-mail: [email protected], Евстифеев А.А., аспирант, Владивостокский государственный университет экономики и сервиса, e-mail: [email protected]
В статье рассматриваются вопросы оценки эффективности методов, уменьшающих количество исходящего трафика в системах спутникового мониторинга (GNSS-мониторинга). Приводятся алгоритмы вычисления предлагаемых оценочных параметров - коэффициента точности и коэффициента уменьшения трафика. Коэффициент точности определяет, насколько (в процентах) трек, полученный при обработке исследуемыми методами, соответствует реальной траектории движения транспортного средства. Коэффициент уменьшения трафика показывается, насколько меньше трафика, при использовании рассматриваемого метода, необходимо потратить на передачу данных до сервера системы спутникового мониторинга (по сравнению с треком, полученным без подобной обработки). В изложенном анализе существующих алгоритмов фильтрации навигационных данных GNSS-трекера делается вывод о недопустимости использования подобных методов, если существует необходимость обеспечить максимально полную безопасность движения транспортного средства. В частности, такая проблема является актуальной в судовождении, где требуется отслеживать траекторию движения транспортного средства относительно заранее проложенного маршрута в реальном времени.
Ключевые слова: GNSS мониторинг, уменьшение трафика, трекеры, навигационная информация, треки.
ALGORITHM FOR EVALUATING FILTRATION METHODS OF NAVIGATION DATA IN THE GNSS-MONITORING MARITIME TRANSPORT
Ignatyuk V.A., Dr. Sci. Sciences, professor of the Information Technologies and Systems chair, Vladivostok State University of Economics and
Service, e-mail: [email protected]
Smetanin S.I., the post-graduate student, Information Technologies and Systems chair, Vladivostok State University of Economics and Service,
e-mail: [email protected],
Evstifeev A.A., the post-graduate student, Information Technologies and Systems chair, Vladivostok State University of Economics and Service,
e-mail: [email protected]
The article deals with the evaluation of the effectiveness of methods of reducing the amount of outgoing traffic in the satellite monitoring (GNSS-monitoring) systems. Algorithms for calculating the proposed estimation parameters - accuracy factor and the coefficient reducing traffic. accuracy ratio determines the extent (percentage) track, obtained by processing methods studied corresponds to the actual path of the vehicle. Traffic reduction factor shows how much traffic is less, by using this method, it is necessary to spend for data transmission to the satellite monitoring system server (compared with the track obtained without such treatment). In the above analysis of the existing filtering algorithms navigation GNSS-tracker data concludes that the inadmissibility of the use of such methods, if there is a need for the greatest possible safety of the vehicle. In particular, this problem is relevant in navigation, where a real-time tracking the trajectory of the vehicle with respect to pre-paved route.
Keywords: GNSS monitoring, reduction of traffic trackers, navigation information, tracks.
Состояние проблемы
На настоящий момент, одной из главных проблем в отрасли GNSS мониторинга является отсутствие глобального покрытия приемо-передающей сети, способной обеспечить непрерывный обмен информацией между трекерами, устанавливаемыми на транспортных средствах (ТС) и серверами системы спутникового мониторинга [1]. Данная проблема является актуальной при условии использования дорогих каналов связи, характерных для мониторинга морского транспорта, а также некоторого наземного
транспорта (грузоперевозки на дальние расстояния). Обычные системы спутникового мониторинга, работающие в пределах покрытия мобильной связи, могут использовать дешёвые тарифы для организации обмена информацией между трекерами и конечным сервером приёма данных, но при мониторинге морского транспорта необходимо использовать другие каналы связи.
Одним из способов организовать подобную, непрерывную трансляцию навигационной информации, является использование спутникового интернета (системы Иридиум, Инмарсат) [2]. Тем не
