CC BY
0
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 539.3
В. Л. Земляк, Козин В.М.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВСПЛЫТИЯ ДВУХКОРПУСНОГО СУДНА В ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЯХ
Предложены новые способы разрушения ледяного покрова путём возбуждения подводным двухкорпусным судном в ледяном покрове резонансных изгибно-гравитационных волн (ИГВ). Для этого корпуса судов соединены между собой с возможностью изменения расстояния между ними. Во время движения судна в их носовых оконечностях формируют гидродинамическую завесу, что увеличивает высоту генерируемых ИГВ. Поток воды в завесе может периодически изменяться с частотой, равной половине периода ИГВ, или путём создания гидроудара, что, в свою очередь, повысит эффективность разрушения льда.
Ключевые слова: лед, изгибно-гравитационные волны, двухкорпусное судно.
Введение. На сегодняшний день интерес к автономным подводным аппаратам (АПА) различного назначения постоянно растёт. Это связано сширокими перспективами использования беспилотных АПА в научноисследовательской, аварийно-спасательной и иной деятельности. Тем не менее, в научной литературе в качестве погружённых тел, как правило, используются модели в виде тела вращения с описанными геометрическими характеристиками DARPA SUBOFF [13] и Joubert BB2 [10].Исследования влияния формы АПА на его гидродинамические характеристики встречаются нечасто. В работе [9] авторы на основе модели Joubert BB2 исследовали влияние глубины погружения тела, расположения рубки относительно мидель-шпангоут и формы носовой оконечности на характер волнообразования с целью выбора оптимальной формы АПА.
Divsalar [12] провёл численное исследование гидродинамических ха-
Земляк Виталий Леонидович — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры технических дисциплин (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан, Россия); e-mail: vellkom@list.ru.
Козин Виктор Михайлович — доктор технических наук, профессор, (Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН, Комсомольск-на-Амуре, Росия);e-mail: vellkom@list.ru.
© Земляк В. Л., Козин В.М., 2024
рактеристик АПА с учётом особенностей формы носовой и кормовой оконечности. Были рассмотрены три различные модели носа и кормы. Полученные результаты сравнивались с данными для корпуса подводной лодки DARPA SUBOFF [13]. Учитывая влияние рассмотренных параметров на гидродинамические характеристики, мы сделали вывод, что форма корпуса с пулеобразным носом и острым хвостом более оптимальна, чем модель DARPA SUBOFF.
При движении АПА в ледовых условиях его гидродинамические характеристики также будут меняться. Известно [9], что при определённой скорости движения нагрузки, в том числе погружённой, частота изгибной волны, распространяющейся в свободной пластине, будет равна частоте гравитационной волны на поверхности чистой воды. В результате в системе лёд-вода будут генерироваться прогрессивные ИГВ, при определённой интенсивности которых может произойти разрушение ледяного покрова. Свойства ИГВ изучались различными авторами [11, 14-16]. Очевидно, что на параметры ИГВ также существенное влияние будет оказывать и форма погружённого тела, а для повышения лёдоразрушающей способности ИГВ могут быть использованы различные дополнительные устройства.
1. Повышение эффективности разрушения льда от движения двухкорпусного подводного судна
Известно техническое решение [4],в котором подводное судно представляет собой два подводных корпуса,расположенных параллельно друг другу. Корпуса соединены между собой носовым и кормовым раскосами, обеспечивающими изменение расстояния между ними посредством приводов, что может оказывать влияние на силу Архимеда, поддерживающую лёд над корпусом судна, в результате чего произойдёт разрушение ледяного покрова под собственным весом. Недостатком конструкции является низкая эффективность энергии волновых колебаний воды для разрушения льда.
Для повышения лёдоразрушающей способности подводных судов может быть использована теория крыла [1]. Кормовые оконечности подводных корпусов раздвигаются в горизонтальной плоскости, а носовые оконечности сдвигаются на угол а. В результате дополнительно к волновой нагрузке создаётся область пониженного давления между устройствами (рис.1). Зона пониженного давления при воздействии на ледяной покров в виде дополнительной распределённой нагрузки увеличит интенсивность разрушения льда между корпусами и расширит формирующейся канал разрушенного льда.
Рис. 1. Способ разрушения ледяного покрова (вид сверху)[5]
2. Использование гидродинамической завесы
Для увеличения толщины разрушаемого ледяного покрова может быть использована гидродинамическая завеса. В работе [1] показано, что рост гидродинамического давления в носовой оконечности погружённого тела приводит к увеличению волнового сопротивления и соответственно к росту высоты возбуждаемых гравитационных волн на свободной поверхности воды и ИГВ при наличии ледяного покрова. В результате роста кривизны волн увеличиваются изгибные напряжения и соответственно лёдоразрушающая способность ИГВ. Повышение давления в носовой оконечности многокорпусного подводного судна и понижение давления между корпусами сформирует вертикальную гидродинамическую завесу, то есть поток жидкости, направление скоростей в котором будет ориентировано поперёк направления скоростей набегающего потока [3]. Отклонение частиц воды от первоначально заданного направ-лениядвижения приведёт к изменению давления в потоке и формированию гидродинамической завесы, то есть "стены", что приведёт к дополнительному повышению давления перед ней и понизит давление за завесой в области между корпусами[6].
Для реализации технического решения под ледяным покровом начинают перемещать подводное судно 1 с корпусами, расположенными параллельно друг другу, со скоростью, близкой к критическому значению, то есть со скоростью, при которой во льду генерируются ИГВ наибольшей кривизны (рис. 2).
Рис. 2. Способ разрушения ледяного покрова (вид сверху) [6]
Если разрушения льда не происходит, то при помощи приводов 2 (рис. 3) кормовые оконечности подводных корпусов раздвигают, а носовые сдвигают в горизонгачъной штоскости.
Рис. 3. Способ разрушения ледяного покрова (вид сверху) [6]
В результате между корпусами возникнет область пониженного давления 3 нагрузка, от которой добавится к волновой нагрузке на лёд от ИГВ.
Для повышения лёдоразрушающей способности генерируемых ИГВ во время движения судна включают насосы 4, установленные в носовых оконечностях корпусов, способные откачивать за борт воду, находящуюся в пространстве между лёгким и прочным корпусами. Всасывающие 5 и нагнетающие 6 отверстия насосов, расположенные в разных корпусах, ориентированы навстречу друг другу под противоположными углами наклона, что обеспечивает циркуляционное движение воды 7 между ними. В результате в носу многокорпусного судна сформируется гидродинамическая завеса 8, что приведёт к возникновению областей повы-
шенного (перед ней) 9 и пониженного 10 (за ней) давления (рис. 4). Кри-
визна интенсивности ИГВ возрастёт, как и эффективности разрушения ледяного покрова.
3. Использование гидродинамического удара и интерференции
Повышения эффективности разрушения льда можно добиться путём создания гидроудара. Известно [2], что при внезапном уменьшении скорости движения жидкости возникаетгидравлический удар, то есть-резкий ростдавления в потоке. Если предложенное техническое решение [6] не приведёт к разрушению ледяного покрова, то в гидродинамической завесе формируют встречное течение против часовой стрелки. В результате скорость течения в завесе резко уменьшится и возникаетгид-роудар. Формирование дополнительнойобласти повышенного давления перед завесой увеличитдеформации льда,повысив эффективность его разрушения[7].
Д.Е. Хейсиным установлено[9], что периодическое приложение нагрузки кледяному покрову с частотой резонансных ИГВ значительно увеличивает егодеформации по сравнению со стационарно приложенной нагрузкой. Следовательно, периодическое увеличение давления между корпусами судна с резонансной частотой приведёт к возбуждению в ледяном покрове дополнительных к основным резонансных ИГВ. При этом необходимо, чтобы время воздействия сил, возбуждающихдо-полнительные ИГВ, равнялось половине периода основных резонансных ИГВ, величина которого определяется по зависимости [9]:
где D - цилиндрическая жёсткость ледяной пластины; рл - плотно-стьльда; h- толщиналедяного покрова^- ускорение силы тяжести.
В результате возникнет дополнительная к генерируемым ИГВ раскачка ледяного покрова, что приведёт к росту изгибныхнапряжений и повышению эффективностиразрушения льда [16].
Заключение. Предложены новые способы разрушения ледяного по-
Рис. 4. Способ разрушения ледяного покрова (вид спереди) [6]
ИГВ
крова резонансным методом путём генерирования ИГВ, реализуемым двухкорпусным подводным судном, корпуса которого соединены между собой с возможностью изменения расстояния между их носовыми и кормовыми оконечностями. С помощью насосов, установленных в носу, при движении судна генерируется волновая завеса. Поток воды в завесе может периодически изменяться с частотой, равной половине периода ИГВ, или путём создания гидроудара, что, в свою очередь, повысит эффективность разрушения льда.
Исследование выполнено в рамках проекта FSNZ-2024-0010 (№ 1024060700009-7-2.3.2) на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания вузам.
Список литературы
1. Войткунский Я. И. Сопротивление движению судов. - Л.: Судостроение, 1988, 288 с.
2. Дмитревский В. И. Гидромеханика. - М.: Транспорт, 1962, 296 с.
3. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1978.
4. Многокорпусное судно / Авторское свидетельство СССР 1688550. Козин В. М., Шепель В. Т. 1989.
5. Многокорпусное судно / Патент РФ 2100248. C1. Козин В. М., Шепель В. Т, Ризван А. А., Кобец Т. И. 1999.
6. Способ разрушения ледяного покрова / Патент РФ 2784537. C1. Козин В. М., Земляк В. Л., Жуков Д. С. 2021.
7. Способ разрушения ледяного покрова / Патент РФ 2801370. C1. Козин В. М., Земляк В. Л., Некозырева К. С., Духнов К. А. 2022.
8. Способ разрушения ледяного покрова / Патент РФ 2801370. C1. Козин В. М., Земляк В. Л., Васильев А. С., Чингалаев С. А. 2022.
9. Хейсин Д. Е. Динамика ледяного покрова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1967, 216 с.
10. Anderson B., Chapuis M., Erm L., Fureby C., Giacobello M., Henbest S., Jones D., Jones M., Kumar C., Liefvendahl M., Manovski P., Norrison D., Quick H., Snowden A, Valiyff A., Widjaja R., Woodyatt B. Experimental and computational investigation of a generic conventional submarine hull form / In: 29th Symposium on naval hydrodynamics, Gothenburg, Sweden, 26-31 August 2012.
11. Bukatov A. E., Bukatov A. A. Vibrations of a floating elastic plate upon nonlinear interaction of flexural-gravity waves / / Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2018. Vol. 59. P. 662 - 672. https://doi.org/10.1134/S0021894418040120.
12. Divsalar K. Improving the hydrodynamic performance of the SUBOFF bare hull model: a CFD approach // ActaMechanicaSinica. 2020, vol. 36(1), pp. 44-56. https://doi.org/1007/s10409-019-00913-7.
13. Groves N. C., Huang T. T., Chang M. S. Geometric Characteristics of DARPA SUBOFF Models (DTRC Model Nos. 5470 and 5471) / Bethesda, Maryland, USA: David Taylor Research Centre, 1989. 90 p.
14. Khabakhpasheva T. I., Shishmarev K. A., Korobkin A. A. Large-time response of ice cover to a load moving along a frozen channel / / Applied Ocean Research. 2019. Vol 86. P. 154 - 165. https://doi.org/10.1016/j.apor.2019.01.020.
15. Xue Y. Z., Zeng L. D., Ni B. Y., Korobkin A. A., Khabakhpasheva T. I. 2021. Hydroelas-
tic response of an ice sheet with a lead to a moving load / / Physics of Fluids. 2021. Vol. 33. 037109. https://doi.org/10.1063/5.0037682.
16. Zeng L. D., Korobkin A. A., Ni B. Y., Xue Y. Z. Flexural-gravity waves in ice channel with a lead / / Journal of Fluid Mechanics. 2021. 921. A10.
https://doi.org/10.1017/jfm.2021.335.
•Jc -Jc -Jc
Zemlyak Vitaly L.1, Kozin Victor M.2 INCREASING THE EFFICIENCY OF TWO-HULL VESSEL SURFACING IN ICE CONDITIONS
(1Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan, Russia 2 Institute of Machining and Metallurgy, FEB rAs, Komsomolsk-on-Amur, Russia)
New methods of ice cover destruction are proposed by exciting resonant flexural-gravity waves (FGW) in the ice cover by an underwater double-hulled vessel. For this purpose, the hulls of the vessels are connected to each other with the possibility of changing the distance between them. During the movement of the vessel, a hydrodynamic curtain is formed in their bow ends, which increases the height of the generated FGW. The water flow in the curtain can periodically change with a frequency equal to half the FGW period or by creating a hydraulic shock, which in turn will increase the efficiency of ice destruction
Keywords: ice, flexural-gravity waves, double-hulled vessel.
References
1. Voitkunsky Ya. I. Resistance to ship movement / L.: Shipbuilding, 1988, 288 p.
2. Dmitrevsky V. I. Hydromechanics / M.: Transport, 1962, 296 p.
3. Loitsyansky L. G. Mechanics of liquid and gas / M.: Science, 1978, 736 p.
4. Multi-hull vessel / USSR Author's Certificate 1688550. Kozin V.M., Shepel V.T. 1989.
5. Multi-hull vessel / Russian Federation Patent 2100248. C1. Kozin V. M., Shepel V. T., Rizvan A. A., Kobets T. I. 1999.
6. Method for breaking ice cover/ Russian Federation Patent 2784537. C1. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Zhukov D. S. 2021.
7. Method for breaking ice cover / Russian Federation Patent 2801370. C1. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Nekozyreva K. S., Dukhnov K. A. 2022.
8. Method for breaking ice cover / Russian Federation Patent 2801370. C1. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Vasiliev A. S., Chingalaev S. A. 2022.
9. Kheisin D. E. Ice cover dynamics/ L.: Gidrometeoizdat, 1967, 216 p.
10. Anderson B., Chapuis M., Erm L., Fureby C., Giacobello M., Henbest S., Jones D., Jones M., Kumar C., Liefvendahl M., Manovski P., Norrison D., Quick H., Snowden A., Valiyff A., Widjaja R., Woodyatt B. Experimental and computational investigation of a generic conventional submarine hull form / In: 29th Symposium on naval hydrodynamics, Gothenburg, Sweden, 26-31 August 2012.
11. Bukatov A. E., Bukatov A. A. Vibrations of a floating elastic plate upon nonlinear interaction of flexural-gravity waves / / Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2018. Vol. 59. P. 662 - 672. https://doi.org/10.1134/S0021894418040120.
12. Divsalar K. Improving the hydrodynamic performance of the SUBOFF bare hull model: a CFD approach // ActaMechanicaSinica. 2020, vol. 36(1), pp. 44-56. https: //doi. org/1007/ s10409-019-00913-7.
13. Groves N. C., Huang T. T., Chang M. S. Geometric Characteristics of DARPA SUBOFF Models (DTRC Model Nos. 5470 and 5471) / Bethesda, Maryland, USA: David Taylor Research Centre, 1989. 90 p.
14. Khabakhpasheva T. I., Shishmarev K. A., Korobkin A. A. Large-time response of ice cover to a load moving along a frozen channel / / Applied Ocean Research. 2019. Vol. 86. P. 154 - 165. https://doi.org/10.1016/j.apor.2019.01.020.
15. Xue Y. Z., Zeng L. D., Ni B. Y., Korobkin A. A., Khabakhpasheva T. I. 2021. Hydroelastic response of an ice sheet with a lead to a moving load / / Physics of Fluids. 2021. Vol. 33. 037109. https://doi.org/10.1063/5.0037682.
16. Zeng L. D., Korobkin A. A., Ni B. Y., Xue Y. Z. Flexural-gravity waves in ice channel with a lead / / Journal of Fluid Mechanics. 2021. 921. A10. https://doi.org/10.1017/jfm.2021.335.
•Jc -Jc -Jc
