CC BY
12
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т 1, №1
УДК 532.529:551.48
СОЗДАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЛОСКОЙ РЫБОЛОВНОЙ СЕТИ ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ОБТЕКАНИИ
CREATION OF OPTIMUM CONDITIONS IN EXPERIMENT FOR DIFINITION OF FACTOR OF RESISTANCE OF A FLAT FISHING NETWORK AT A CROSS-
SECTION FLOW
A.V. Kikot
Аннотация. В статье приведены различные факторы, которые влияют на сопротивление сетного полотна в составе орудия лова при его работе. Рассмотрены обобщенные параметры, учитывающие эти факторы при определении лобового коэффициента сопротивления плоской сети. Выявлены возможности контроля обобщенных параметров при проведении и обработке эксперимента. Для определения участка движения опытного образца с постоянной скоростью в лабораторной установке применен метод последовательных приближений в экспериментальной форме. Получены новые значения коэффициента лобового сопротивления в переходной области сопротивления при числах Рейнольдса менее 150.
Ключевые слова: лабораторная установка; плоская рыболовная сеть; лобовой коэффициент сопротивления; число Рейнольдса; сплошность сети.
Abstract. In article various factors which influence resistance drag-net in structure of the fishing- tackle at its work are listed. The generalized parameters considering these factors at calculation of frontal factor of resistance of a flat network are examined. Opportunities of the control of the generalized parameters are revealed at carrying out and processing of experiment. The method is applied to definition of a site of movement of a pre-production model with constant speed in laboratory installation consecutive calculation in the experimental form.
Keywords: laboratory installation; a flat fishing network; frontal factor of drag; Reynolds's number; network's geometry.
Основную долю сопротивления орудия лова составляет сопротивление сетного полотна, которое зависит от многих факторов: положения сетного полотна относительно потока воды; диаметра сетной нити - d; шага ячеи - a; посадочных коэффициентов - ux, uy; материала полотна; площади сети - F; скорости движения воды - v и т.д. Экспериментальным определением сопротивления сетного полотна и его безразмерного аналога коэффициента гидродинамического сопротивления японские и русские исследователи занимались на протяжении ста лет [1] и продолжают заниматься в настоящее время, так как в практике проектирования орудий рыболовства назрела необходимость провести анализ уже имеющихся формул для уточнения их использования по критерию Рейнольдса. Наиболее исследованной к настоящему времени является автомодельная область сопротивления, наименее - переходная область при числах Рейнольдса менее 150. Экспериментальные исследования для уточнения и получения новых значений коэффициента в переходной области сопротивления не потеряли актуальности [2]. По поводу экспериментальных методов мнения исследователей расходятся. Одни считают, что лучше проводить натурный или полунатурный эксперимент с большими отрезками сетей в естественном потоке воды [3], другие отдают предпочтение модельному эксперименту [4]. Как отмечено в [4], натурные исследования обходятся очень дорого, их результаты не всегда
А.В. Кикот
можно расшифровать, так как сложно выделить влияние отдельных факторов на изучаемое явление в чистом виде.
В настоящее время для вычисления силы лобового сопротивления плоской рыболовной сети в переходной области сопротивления используется коэффициент Сх ,определяемый по обобщенной формуле, неоднократно использованной А.Л.Фридманом, М.М. Розенштейном, А. А. Недоступом и другими авторами:
Сх = А
(Щ= АКеГ; Яех== ^ =А (1)
Яе I Х Х V ^
где Яех - число Рейнольдса, вычисляемое по гидравлическому размеру ячеи X, ¥0 -сплошность сетного полотна.
Формул много, но наиболее известными являются следующие:
Сх = 3
( 2^ Г7
С х = 16
Яе
( 2^0. Яе
. 0,28
формула Фридмана-Данилова,
- формула Kawakami,
Сх = 4.2
( 2^0. Яе
ч 0,18
формула Уатато1о.
(2)
(3)
(4)
Приведенные выше формулы, как отмечают их авторы, дают удовлетворительные результаты при определении коэффициентов сопротивления при числах Рейнольдса более 150. Была поставлена задача, получить новые значения коэффициентов сопротивления для плоской рыболовной сети в переходной области сопротивления и числах Рейнольдса менее 150 [2]. За критерий корректности экспериментальных данных была принята возможность стыковки и плавного продолжения стандартной кривой сопротивления для плоской сети в зону чисел Рейнольдса менее 150, достроенной по данным, полученным на новой лабораторной установке. Стандартная кривая сопротивления - это график зависимости коэффициента гидродинамического сопротивления плоской сети при поперечном обтекании от числа Рейнольдса [5].
Для экспериментального определения коэффициента гидродинамического сопротивления плоской рыболовной сети при поперечном обтекании было спроектировано и запатентовано устройство в государственном реестре полезных моделей Российской Федерации (патент №95838 РФ,МПК 001М 10/00; №2010109706) [6].
Схема лабораторной установки приведена на рис. 1. Тип установки - гравитационный с использованием принципа действия известной машины Атвуда. Установка включает в себя: резервуар с водой 1, поперечную связь 2 с направляющими роликами 3, рамку 4 с сеткой 5, шайбу 6, гибкую нить 7, съемный груз переменной массы 8. На дно резервуара рамка с сеткой опускается под действием собственного веса. Для поднятия рамки из резервуара к нити подвешивались дополнительные мерные грузы. Время подъема измерялось электронным секундомером. Расчетом определяли значения силы сопротивления сетки вместе с оснасткой при различных скоростях. Для получения силы сопротивления пустой рамки с оснасткой проводили аналогичные испытания.
http://vestnik-nauki.ru/
3 7 3 2
Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки для определения коэффициента гидродинамического сопротивления сетного полотна при поперечном обтекании
На первом этапе отработки модельного эксперимента решали вопрос о выборе размеров, формы и материала рамки . В эксперименте были опробованы две рамки. Рамка № 1 имела следующие характеристики: материал - дюралюминий; форма - квадрат; профиль обода - двутавровый; ширина полки - 20 мм; внешняя сторона полки - 500 мм. От этой рамки в дальнейших экспериментах пришлось отказаться, так как при ее бесконечных поднятиях и опусканиях наблюдалось сильное перемешивание слоев воды в емкости, что негативно влияло на величину силы сопротивления. Кроме того рамка из дюралюминия потеряла устойчивость и были нарушены начальные условия эксперимента о том, что испытания проводятся на плоской сети. Основные характеристики рамки №2: материал -сталь; форма - квадрат; профиль обода - круглый пруток диаметром ё = 8 мм; внешняя сторона квадрата - 238 мм. Все сетки натягивались на рамку с посадочными коэффициентами ux = uy = 0,707 . Модуль продольной упругости стали на порядок выше, чем у дюралюминия, поэтому явления потери устойчивости не наблюдалось. Линейные размеры рамки № 2 практически в два раза меньше, чем у рамки № 1, поэтому интенсивного перемешивания слоев воды не происходило.
На втором этапе отработки эксперимента решали вопрос о том, чтобы сетное полотно, натянутое на рамку, оставалось плоским на протяжении всей серии эксперимента. Для этого сетку замачивали в воде целые сутки, а затем в мокром состоянии натягивали на рамку так, чтобы не было провисания при ее движении в воде.
На лабораторной экспериментальной установке опытный образец перемещали по вертикали со дна емкости до свободной поверхности жидкости. Перемещение образца при этом состояло из двух участков: участка его движения с ускорением в начале пути, на котором скорость возрастала от нулевого до какого-то конечного значения, и участка установившегося движения, т.е. движения с постоянной скоростью. В гидромеханике принято определять коэффициент гидродинамического сопротивления при его перемещении с постоянной скоростью, так как в этом случае нет необходимости учитывать инерционные нагрузки при обработке опытных данных. Поэтому на третьем этапе отработки эксперимента решали вопрос об определении величины участка движения образца с переменной скоростью. Величина этого участка была найдена экспериментальным путем методом последовательных приближений [7]. Приближения выполнялись до тех пор, пока разность между двумя соседними замерами исследуемой функции не стала меньше наперед заданной относительной погрешности 8. Предельная относительная погрешность определения скорости V была задана равной 8 = 3%. Время начала движения рамки с сетным образцом определяли последовательно для нескольких вариантов подъема: при нулевом расстоянии I = 0 рамки от дна емкости ; при I = 0,05 м; при I = 0,10 м ; при I = 0,15 м. Сравнивали значения скоростей движения рамки из двух соседних опытных серий: - V = 8V. Процесс закончили тогда, когда два последующих приближения совпали между собой с заданной наперед точностью. Результаты расчетов приведены в таблице.
Обозначения в таблице: ё - диаметр нити; а - шаг ячеи; Б0 - сплошности сети; Н -высота подъема образца; Ц - среднее время подъема образца, подсчитанное по данным шести опытов; V; - скорость движения образца, определенная по 1:ср; Л= V] 1 - V; и £¡+1,; -абсолютная погрешность и относительная погрешность скорости между двумя соседними приближениями.
Таблица - Определение длины участка движения экспериментального образца с переменной скоростью методом последовательных приближений. Сетка № 1+ рамка №1; характеристики сетки: ё = 1,4 мм; Б0= 0,239; а = 11,7 мм___
ть г Н, м ^^ с V м/с Д=^+1- V i+1, i , %
300 0,95 20,09 0,047 0,002
0,90 18,19 0,049 - 0,001 4,2
0,85 15,44 0,055 0,006 11,5
0,80 14,5 0,055 0,0 0,0
400 0,95 9,53 0,101 - -
0,90 7,81 0,115 0,014 12,9
0,85 7,03 0,120 0,005 4,2
0,80 0,101 0,117 -0,003 2,5
500 0,95 6,74 0,141 - -
0,90 5,71 0,158 0,017 11,4
0,85 5,14 0,165 0,007 4,3
0,80 4,95 0,162 -0,003 1,83
От приближения к приближению средние погрешности определения скорости подъема рамки с сеткой по результатам расчетов в таблице распределились следующим образом: £сР2.1=9,5%; £ср3.2= 6,6%; £ср4,з=1,44%. Наименьшая средняя относительная погрешность скорости £ср4,з=1,44%<3% была получена при значениях С= 0,15 м. На этом процесс
http://vestnik-nauki.ru/
приближений был закончен. Значение I = 0,15 м от высоты подъема рамки составляло приблизительно 16%, что заведомо больше разгонного участка, подсчитанного теоретически в [8]. Поэтому в дальнейшем при выполнении всех опытов замеры времени подъема рамки проводились при I = 0,15 м от днища бака, что позволило полностью исключить участок подъема рамки с переменной скоростью .
При проведении эксперимента и обработке опытных данных, полученных на лабораторной установке, контролировались два обобщенных параметра: число Рейнольдса и сплошность сети. Число Рейнольдса позволило учесть скорость перемещения опытного объекта в воде, диаметр нитей сетного полотна, кинематическую вязкость воды. При помощи сплошности были учтены геометрические параметры сети: размер ячеи, посадка сети, диаметр нитей. Большинство факторов, влияющих на величину гидродинамического коэффициента сопротивления в переходной области сопротивления, при проведении эксперимента было учтено.
В результате обработки опытной информации с использованием теории случайных функций была выведена новая расчетная формула для коэффициента сопротивления Сх плоских сетей в переходной области сопротивления при числах Рейнольдса Яе<150:
С . = 19,4
(
Яе
,0,36
(5)
Сплошная линия на рис. 2 - результат расчета коэффициента сопротивления по
формуле (5).
Сх
Л.5
3.5
2.5
О О О О 1 л. 2 ■+- + + А ООО 5
- о XXX 3 - - ~ - в
е> ■ о
А + о о о
+■ о --г А + + Л -1
Л Л л
АО 60 ЮО 200 ЗОО Яе
Рисунок 2 - Экспериментальные зависимости для коэффициента Сх = / (Яех), полученные методами теории случайных функций
Для плоской сети в переходной области сопротивления были получены две формулы (5) для Яе<150 по результатам лабораторных экспериментов и для 150< Яе<1000 по результатам других исследователей. График сопряженных зависимостей показан на рис. 3. Сплошная линия - результат расчета по формуле (5), штриховая - по формуле других исследователей. Стыковка двух кривых была проведена при критерии Рейнольдса, равном 200 [5] .
2015, Т 1, №1
Сх 5 4
3
2 1
ю2 103 ю4 Rex
Рисунок 3 - График сопряженных зависимостей коэффициента С\. по формулам (5) и других
исследователей
Таким образом, плавный вид аппроксимирующих кривых на рисунках 2 и 3 и выполненное продолжение стандартной кривой сопротивления в сторону Re<150 указывает на то, что в лабораторном эксперименте действительно были созданы оптимальные условия для получения гидродинамических коэффициентов плоской рыболовной сети при поперечном обтекании в переходной области сопротивления.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Наумов В.А., Бояринова Н.А. Эмпирические формулы для коэффициента сопротивления плоских рыболовных сетей при поперечном обтекании // Известия КГТУ, 2012. № 24. С.143-150.
2. Бояринова Н.А. Совершенствование метода расчета гидродинамического сопротивления плоской рыболовной сети при поперечном обтекании: автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук 05.18.17 - Промышленное рыболовство. Калининград: ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2015. 24 с.
3. Сенин Н.Т. К вопросу о сопротивлении сетей: сборник научных трудов. Вып.1. М.: Мосрыбвтуз, 1939. С .155-206.
4. Мельников В.Н., Лукашов В.Н. Техника промышленного рыболовства: учебник. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. 312 с.
5. Наумов В. А. Великанов Н.Л., Кикот А. В. и др. Схема создания полуэмпирической модели сопротивления плоской рыболовной сети при поперечном обтекании // Рыбное хозяйство, 2011. № 3. С.96-99.
6. Устройство для определения гидродинамического сопротивления сетного полотна: Государственный реестр полезных моделей Российской Федерации / В. А. Наумов, Н. Л. Великанов, А.В. Кикот, Н.А. Бояринова. Патент № 95838 РФ, МПК G01M 10/00; № 2010109706 от10 июля 2010 года.
7. Кикот А.В., Бояринова Н.А. Экспериментальное определение длины участка неравномерного движения сетного образца // Инновации в науке, образовании и бизнесе: Х Международная научная конференция (17-19 окт): Тр.: в 2 ч. Калининград: ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2012. Ч.1. С.231-233.
8. Бояринова Н.А. Оценка неравномерности вертикального движения плоской сети // Труды VIII международной научной конференции, посвященной 80-летию образования университета. Ч. 1. Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ», 2010. С.238-240.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Кикот Алла Владимировна ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», г. Калининград, Россия, кандидат технических наук, доцент кафедры водных ресурсов и водопользования, член-корреспондент Российской инженерной академии, E-mail: [email protected].
Kikot Alla Vladimirovna FSEI HPE «Kaliningrad State Technical University», Kaliningrad, Russia, The Water Resources Department, Candidate of Technical Science, Associate Professor, Member of Russian Engineering Academy,
E-mail: [email protected].
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с автором статьи: 236022, Калининград, Советский пр., 1, КГТУ, ГУК, каб. 322. Кикот А.В.
8(4012)99-53-37
