CC BY
69
Лобанов Василий Алексеевич
Lobanov Vasily Alekseevich Волжская государственная академия водного транспорта (Нижний Новгород) Volga State Academy of Water Transport (Nizhniy Novgorod) доцент кафедры Судовождения и безопасности судоходства The Safety of Navigation and Shipping department - associate professor
кандидат технических наук Candidate of technical sciences Доцент / Associate professor E-Mail: [email protected]
05.22.19 Эксплуатация водного транспорта, судовождение
Влияние льда на гидродинамику судна
The ice influence on the vessel hydrodynamics
Аннотация: В работе приведены некоторые оценки чистого ледового и
гидродинамического сопротивления судна с помощью CAE-систем. Отмечено, что в общем случае отождествление гидродинамического сопротивления судна для условий чистой воды и во льдах некорректно. Показано, что условия применения приближённых методов численного моделирования движения судна во льдах определяются уровнем значимости ледовых и гидродинамических нагрузок на корпусе судна.
The Abstract: In the paper some evaluates of pure ice and hydrodynamic resistance of the vessel with the help of CAE systems. It was noted that, in General, the identification of the hydrodynamic resistance of the vessel for the conditions of pure water and in ice incorrectly. It is shown that the conditions of application of approximate methods of numerical simulation of the motion of the vessel in the ice is determined by the level of significance of ice and hydrodynamic loads on the hull of the vessel.
Ключевые слова: Судно, ледовые качества, ледовое сопротивление,
конечноэлементное моделирование, CAE-системы.
Keywords: Vessel, ice Performances, ice Resistance, finite element modeling, CAE-systems.
Введение
Сохраняющаяся в настоящее время потребность в проведении ледовых транспортных операций с участием флота внутреннего, прибрежного и морского плавания оставляет актуальной задачу обеспечения безопасности судоходства во льдах. Основополагающим принципом безопасности плавания во льдах является соответствие ледовых качеств судов ледовым условиям и режимам плавания. Ледовые качества - это способности судна в процессе эксплуатации противостоять ледовым явлениям как водного, так и атмосферного характера. Поэтому достоверные оценки этих способностей являются важным условием обеспечения безопасности судна.
Безусловно, самым надёжным способом определения ледовых качеств являются натурные ледовые испытания судна. Но для современного судовладельца эта процедура, как правило, неприемлема по причинам экономического характера. Это обусловлено высокой вероятность получения судном ледовых повреждений с последующим выводом из
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
эксплуатации и дорогостоящим восстановительным ремонтом. Другим источником получения сравнительно достоверной информации о ледовых качествах судна принято считать модельный эксперимент. Но полномасштабность его осуществима разве что в современных, оснащённых передовым оборудованием НПО или КБ. Если учесть, что таковых насчитываются единицы, то следует ожидать заведомо неприемлемых условий для большинства судовладельцев. Поэтому для решения подобных экспертных ледовых проблем в настоящее время начинает практиковаться виртуальное моделирование с применением САЕ-систем [4].
САЕ-системы - это программные комплексы, обеспечивающие численные решения в задачах механики твёрдых тел и различных сред [8]. Реализация виртуальной модели позволяет имитировать, практически, любой процесс взаимодействия судна с ледяным покровом. Поэтому виртуальная модель является не только альтернативой реальной модели, но и в ряде случаев - единственным средством получения достоверных данных. Но при этом она обладает очень существенным ограничением: уровень её адекватности помимо выбранных моделей материалов и контактных алгоритмов напрямую зависит от степени детализации и дискретизации при описании взаимодействующих тел и сред. Погоня за точным решением проблемы порождает гиперресурсоёмкие модели, обработка которых «под силу» только суперпроизводительным вычислительным комплексам (задача, распаралеленая на сотни подзадач). Как правило, ледовые эксперты не располагают таковыми возможностями. В лучшем случае, вычислительная система поддерживает несколько параллельных процессоров (допустима мультиядерность и гипертрейдинг) с оперативной памятью в несколько Гб.
Одним из приёмов адаптации САЕ-систем к решению ледовых проблем на базе доступных многоядерных персональных компьютеров при многократном снижении ресурсоёмкости задач является замена воздействия воды как контактной среды силами на поверхностях ледяных образований, корпусе судна и движителях. При этом для предварительного расчёта корпусных сил и упора винтов с применением традиционных полуэмпирических или нормативных методик используется гипотеза о независимости ледовых и гидродинамических нагрузок [1,7]. Однако данная гипотеза пока не подтверждена экспериментально из-за отсутствия каких-либо технических средств, реализующих раздельное измерение этих нагрузок на корпусе и движителях судна.
Первые попытки автора использовать возможности САЕ-моделирования для оценки степени приемлемости упомянутой гипотезы были предприняты в отношении гребных винтов в статье [6]. Результаты, полученные в ней, в общем случае не подтвердили гипотезу о независимости ледовых и гидродинамических нагрузок.
Настоящая работа, по сути, является кратким дополнением публикации [6] в отношении корпусных ледовых и гидродинамических нагрузок.
Модель
Оценки ледового и гидродинамического воздействия на корпус судна производились по результатам реализации конечноэлементной модели движения судна в канале, заполненном льдами (Рис. 1).
Рис. 1. Исходная геометрия модели для анализа ледового и гидродинамического воздействия на корпус судна (1 - судно; 2 - вода; 3 - лёд)
Прототипом модельного судна в данной работе послужил речной портовый буксир-ледокол проекта Р-47. Относительная длина, ширина и глубина канала составляли 3,3; 3,2 и 1,7 соответственно. Лёд толщиной 0,5 м варьировался в расчётных вариантах по признаку раздробленности: сплошной, мелкобитый, тёртый. В целях уменьшения влияния кромок канала анализировался одноминутный разгон судна от неподвижного состояния до скорости малого хода (2,65 м/с). При этом моделировалась как реальная посадка судна (изменяющаяся в процессе движения из-за воздействия льдов), так и его плоское движение.
Типы, формулировки конечных элементов, модели материалов, алгоритмы контактных взаимодействий тел обоснованы автором в свободно доступных источниках [2,3,5]. Общее количество конечных элементов модели в зависимости от варианта расчёта незначительно колебалось в пределах 500 000 ед.
Анализ результатов
Репрезентативные данные продольного гидродинамического сопротивления судна по нескольким вариантам численных экспериментов представлены на рис. 2.
г го. а
§ Ш а.
С
о
° И
/
* ,
. 4 - *
: 'У\ V * * 4^ **
**\ ‘V -С: X + * \ **« • *.♦ *** Ъ щ + « * / У г-"-
[ . ; Л* ■ ** *. ^ *♦ ' & 4 * 4***1*} 111 ^ жж ** * *2 Г**** Ч£> > Ч*.ч * *•** Я >5**/ V; * * * 4* щ \
Г
1.6 1.8 2 2.
Скорость
.2 2.4 2.6
движения, м/с
Рис. 2. Гидродинамическое сопротивление судна в различных ледовых условиях
Анализ зависимостей рис. 2 показывает, что отождествление буксировочного сопротивления судна для условий чистой воды (кривая 1) и во льдах некорректно. Продольные гидродинамические нагрузки на корпусе судна в ледовых условиях превышают этот параметр для чистой воды. При этом отмечается тенденция роста сопротивления с уменьшением степени раздробленности льдов (2 - тёртый лёд, реальная посадка судна; 3 -тёртый лёд, плоское движение судна; 4 - мелкобитый лёд, реальная посадка судна; 5 -сплошной лёд, плоское движение судна). Так, например, в реальных условиях плавания прототипа модели (мелкобитые и тёртые льды, кривые 2 и 4, рис. 2) следует ожидать 1,5 - 2,0-кратного прироста сопротивления против этой характеристики на чистой воде.
Сплошной лёд исследованной толщины (0,5 м) находится за пределами ледопроходимости данного судна. Зависимость буксировочного сопротивления, полученная для этих ледовых условий (кривая 5, рис. 2) носит чисто теоретический характер. Она демонстрирует более чем четырёхкратное потенциальное увеличение гидродинамических нагрузок по отношению к аналогичному параметру на чистой воде.
Тем не менее, приведённые выше результаты не следует трактовать в пользу неприемлемости приближённых методов конечноэлементного моделирования движения судна во льдах. В первую очередь для принятия решения об условиях применения таких методов нужно исходить из уровня значимости ледовых и гидродинамических нагрузок на корпусе судна. Для пояснения этого утверждения на рис. 3 и 4 приведены графики, сопоставляющие величины ледового и гидродинамического сопротивления модельного судна в условиях мелкобитых и тёртых льдов соответственно (кривые 1 - буксировочное
сопротивление на чистой воде, кривые 2 - гидродинамическое сопротивление во льдах, кривые 3 - ледовое сопротивление).
& 1 >
А 1 '++ **Ч\«
V ъ \ ♦ - Г' * * /
% V *4^ Ф * ? * * 4 ч + ♦ / *4.
} / ' 2 V 1 * *
\ / * /
/ 4 /
/ ♦? { к* ’ ’ л *. -/ /.
* \ ..... V Г***'. * * ♦ , V »♦ ч»*** 7 > :,С .4 ^ «« а ± ШшР.
к т
ф
о
а.
Е
о
о
О 0.2 0.4 0.6 0.8
1 1.2 1.4 1.£
2 2.2 24 2.6
Скорость движения, м/с
Рис. 3. Сравнение ледового и гидродинамического сопротивления судна для мелкобитых
льдов
*
сТ
5
I 18 0)
С
т
5
5 16
о.
с
о
О 1Л
:
;;
Д‘ .. ‘V ^ Н'; . /
\ V* У£ К.; ■... '/
" V ** *► * * * 1
(+ * *+++ й" ЯЫ* Ф
& 4 + 4 ^ • *; . •;
* + ♦ ► 4 * V 4 ? \ ;+г * V +, + *
* ч к? т *♦ ,. ., * ♦ V * ■■ 1.. ■'
« .А 4 и,!**, /7 * +** ! 4 4 ^ * 4 ‘+4 * / 4 *+ * * ♦ * •- *
0.2 0.4 0.6 0.8
1.2 1.4 1.6
2 2.2 2.4 2.6
Скорость движения, м/с
Рис. 4. Сравнение ледового и гидродинамического сопротивления судна для тёртых льдов
Так, для мелкобитых льдов (Рис. 3) ледовое сопротивление (кривая 3) в среднем более чем на порядок превосходит гидродинамическое (кривая 2). Поэтому, если даже пренебречь реальным приростом последнего (кривая 2) и принять его на уровне условий чистой воды (кривая 1), то вероятная погрешность, связанная с таким допущением, не превысит 5%, что вполне приемлемо для практического использования.
А вот для тёртых льдов (Рис. 4) такой подход вряд ли приемлем. В этом случае реальные гидродинамические нагрузки (кривая 2) составляют примерно 75% от ледовых (кривая 3), то есть они находятся на сопоставимых уровнях. Если учесть, что буксировочное сопротивление на чистой воде (кривая 1) на треть меньше того же параметра в ледовых условиях (кривая 2), то такая замена даст уже ощутимую ошибку.
Выводы
1.В общем случае отождествление гидродинамического сопротивления судна для условий чистой воды и во льдах некорректно.
2.Возможность применения приближённых методов численного моделирования движения судна во льдах определяется уровнем значимости ледовых и гидродинамических нагрузок на корпусе судна.
ЛИТЕРАТУРА
1. Караулин Е.Б., Караулина М.М., Беляшов В. А., Белов И.М. Оценка периодических нагрузок, действующих на гребной винт при взаимодействии со льдом. // Научн. - техн. сборник Российского Морского Регистра Судоходства. Вып. 31. - СПб.: РМРС,
2008. - с. 9З-10б.
2. Лобанов В.А. Алгоритм контактного взаимодействия тел со льдом в задачах с конечноэлементной постановкой. Дифференциальные уравнения и процессы управления, №3,
2009. Электронный журнал, рег. №П2З75 от 07.03.97 ISSN 1817-2172, http://www.neva.ru/journal/j/pdf/lobanov2.pdf
3. Лобанов В. А. Гидродинамика льда в задачах с конечноэлементной постановкой. Дифференциальные уравнения и процессы управления, №1, 2010. Электронный журнал, рег. №П2З75 от 07.03.97 ISSN 1817-2172, http://gamma.niimm.spb.su/diffjournal/j/pdf/lobanov3.pdf
4. Лобанов В.А. Использование CAE-систем при оценках ледовых качеств судов / Лобанов В.А.// Речной транспорт (XXI век). 2012. - № 5 (59). - с. б9. - Режим доступа: http://www.rivtrans.com/sites/default/files/science/NAUKA_RT_5-59_20l2.pdf
5. Лобанов В. А. Моделирование льда в задачах с конечноэлементной постановкой. Дифференциальные уравнения и процессы управления, №4, 2008. Электронный журнал, рег. №П2З75 от 07.03.97 ISSN 1817-2172, http://www.neva.ru/journal/j/RU/numbers/2008.4/issue.html
6. Лобанов В.А. Численные оценки ледовых качеств гребных винтов//Интернет-журнал «Науковедение». 2012 №4 (13) [Электронный ресурс].-М. 2012. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/5ltvn4l2.pdf, свободный - Загл. с экрана.
7. Тронин В.А. Повышение безопасности и эффективности ледового плавания судов на внутренних водных путях: диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук: специальность 05.22.1б - Судовождение / Горький, 1990. - 414 с.
8. Hallquist J.O. LS-DYNA 950. Theoretical Manual. Livermore Software Technology Corporation. LSTC Report 1018. Rev. 2. USA, 2001. - 498 p.
Рецензент: Клементьев Александр Николаевич, зав. кафедрой, доктор технических наук, Волжская государственная академия водного транспорта
б
