CC BY
40
УДК 626.9:330.15
С.И. Пиляев, Н.А. Губина
ФГБОУВПО «МГСУ»
ВОЗДЕЙСТВИЕ МОРСКИХ ВОЛН НА ПОДВОДНЫЕ
В решении больших задач обеспечения продуктами моря постоянно растущих потребностей народного хозяйства особое значение приобретает моределие (ма-рикультура), предполагающее выращивание морских объектов при использовании специальных гидробиотехнических сооружений. Как показала практика, культивирование морепродуктов в промышленных масштабах невозможно без разрешения вопросов расчета и конструирования таких сооружений. В специальной литературе эти вопросы освещаются слабо или вообще не рассматриваются. Изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований воздействия волн на гидробиотехнические сооружения, в частности на подводные рыбоводные садки.
Ключевые слова: марикультура, выращивание рыб, подводные рыбоводные садки, гидробиотехнические сооружения.
Развитие промышленности, рост населения планеты требуют увеличения добычи продуктов моря. В настоящее время преимущественное развитие в морском товарном рыбоводстве получило садковое выращивание рыб.
Подводные рыбоводные садки, как правило, состоят из двух относительно жестких элементов — верхнего и нижнего. Рассмотрим схему (рис. 1) рыболовного садка, описание которого подробно изложено в [1]. Верхний и нижний элементы в плане круглые и имеют стандартные размеры: верхний элемент диаметром 01 = 14 м закреплен (подвешен к поверхности воды) тремя буями при помощи тросов из капрона диаметром = 4 см, длиной ¡1 = 19,85 м; нижний элемент диаметром В2 = 10 м расположен ниже верхнего на глубине 7,5 м, прикреплен к нему шестью тросами из кеврала диаметром d2 = 0,8 см, длиной ¡2 = 7,76 м. Верхний элемент расположен на глубине Н1 = 15 м.
В [1, 2] излагалась методика динамического расчета данной конструкции, были рассмотрены вопросы моделирования и проведения экспериментальных исследований, а также приведены результаты лабораторных исследований.
В данной статье подробно изложено теоретическое решение задачи определения усилий в тросах, удерживающих рыбоводный садок при волновых воздействиях.
Для решения поставленной задачи были составлены уравнения перемещений жестких дисков и получены дифференциальные уравнения свободных колебаний садка.
Вертикальные перемещения 5П,533 , 513 определяются по формулам:
где ¡п — длины стержней (тросов); Е — модуль упругости материала троса; Е — площадь поперечного сечения троса.
РЫБОВОДНЫЕ САДКИ
—^ + — 3FE 6F
ВЕСТНИК
МГСУ-
2/2014
а 1 - 1
2-2
1 м
2800 2800 2800 2800
111 00
Рис. 1. Схема рыбоводного погружного садка: а — вид сверху; б — вид сбоку; в — сечение 2-2; А — каркас садка (верхний и нижний жесткие диски); ПЛ — платформа; БЦ — балластные цистерны (блоки плавучести); ОГ — ограждение платформы; КС — съемный контейнер для загрузки корма для рыб
б
в
При определении горизонтальных перемещений 522,544,524 возможны четыре различных взаиморасположения связей и направления движения системы в целом при волновых колебаниях.
Ниже приводятся варианты взаиморасположения связей (рис. 2—5), направления движения и формулы для определения перемещений при 4 возможных направлениях подхода волн, где J 2 — горизонтальные единичные перемещения верхнего диска; J 4 — горизонтальные единичные перемещения нижнего диска (верхние диски — крепление 3 тросами; нижние диски — крепление 6 тросами).
8 22 =
I
2F E
^ 44 =
I
1
2F E
4 F2 E2
^ 24 842 822
I
2 F E
Рис. 2. Схема 1-го варианта взаиморасположения тросов и направления перемещений
8 22 =
I
3F E
8 44 =
I
U
3FXEX 6F2 E2
8 24 8 22 .
Рис. 3. Схема 2-го варианта взаиморасположения тросов и направления перемещений
8 22 =
1
2 ЕЕ
544 =
l
L
2 FE 6 F2E2
К =S22
Рис. 4. Схема 3-го варианта взаиморасположения тросов и направления перемещений
822 = 1
3FE
8=8 8 = 1
24 22, 44 _
1
3 EE^ 4* F2 EE2
ВЕСТНИК
МГСУ-
2/2014
Рис. 5. Схема 4-го варианта взаиморасположения тросов и направления перемещений
Выражение для перемещений получается при составлении уравнения проекций на горизонтальную ось.
Далее следует решение дифференциальных уравнений [3—5] и определение частот собственных колебаний по направлению вертикальной оси.
Решения уравнений [1] имеют вид
y = Aj sin wt; y3 = A3 sin wt.
Используя выражение (1), получим:
(l -djjmjw2) A + ^j3m2 w2 A3 =0;
53 j mw2 A +(l -^33m2 w2) A3 =0.
Уравнения (2) имеют тривиальное решение Aj = A3 и решение: ( 1-5п mw2) 5j 3m2 w2
(1)
(2)
A =
53 j mw2 ( j-533m2 w2)
(3)
Поделив все члены уравнения (3) на mw , обозначив — = km и
2 ---------- m2_, „ 1 ,
получаем:
m
mw
A = -
1
mw
(^-5J j) km5l 3 53 j (X-km^33 )
= 0,
(Я-5 i х)(к-кт 5зз )-5 \зкт = 0 и далее.
После чего получается квадратное уравнение относительно X:
X2 - Я(5П - кт5зз ) + km (^:5зз - ) = 0.
Для удобства решения уравнения обозначается p = S12 + ктд33, <7 = (бп5 -8j23^km, получается
X2 - pX + q = 0. Решение (4), как известно:
33
(4)
(5)
Частота колебаний будет определяться по формуле w2 = —
m1
Гидравлика. Инженерная гидрология. Гидротехническое строительство УЕБТЫНС
_мвви
Решение уравнений, определяющих поперечные колебания относительно вертикальной оси (6), может быть выполнено аналогично, опуская промежуточные операции, получая для уравнения (4) следующие значения коэффициентов:
822т у2 + §24т2 Л + У2 = 0;
(6)
842т У2 +844т2 у>4 + У4 = 0.
Р = 822 + ктЪ44 , Ч = (822844 - 52М ) К ■
Для определения частот собственных колебаний используется также уравнение (4):
X2 - рХ + ч = 0, (4)
и его решение (5):
N 2
(5)
Но в этом случае р и 4 будут равны:
Р = 822 + кт^44 ,
Ч = (822844 ) кт,
^ 22 = 8 24 .
Предварительно вычисляются по приведенным формулам значения 522 и 544, используя значения для всех четырех вариантов взаиморасположения тросов и направления перемещений.
Подстановкой значений р и 4 в решение (5) находятся Х1 и X2 для всех
(Г 7 2п
вариантов, а затем с использованием зависимости ^ =. - и Т = — нахо-
V Хт ^
дятся значения частот w и периодов Т колебаний.
Определение усилий в тросах от собственного веса (статический расчет) не требует пояснений, при этом следует отметить, что учет взвешивающего влияния воды на такие конструкции не оказывает существенного влияния.
Далее рассмотрим определение нагрузки и усилий от воздействия регулярных волн (рис. 6).
Рис. 6. Схема регулярной волны
Вертикальную нагрузку при прохождении вершины волны над сооружением следует определять по формуле
ВЕСТНИК о/ОП-1/1
2/2014
1
Q2г = ^ pgD2 hy г, (7)
chk (^ - г)
где уг =-; г — расстояние от поверхности воды; а — глубина воды.
сИЫ.
При определении коэффициента динамичности при действии вертикальной нагрузки следует отметить, что конструкция имеет две собственные частоты вертикальных колебаний. Волновое воздействие приближенно можно считать гармоническим, тогда, как известно, коэффициент динамичности можно
определить по формуле -1/
Л
w
Горизонтальную нагрузку при прохождении вершины волны над сооружением рекомендуется определять по формуле [1]
Ч* )= 1 pg ъЫяр2 У г wtkp , (8)
о
где к^ — коэффициент проницаемости, принимаем кр = 0,5 (необходимо уточнить экспериментальным путем).
Далее были определены усилия в тросах, соединяющих нижний жесткий элемент с верхним шестью тросами из кевлара, и усилия в тросах, соединяющих сооружение с поплавками.
Экспериментальные исследования по воздействию волн на подводный рыбоводный садок при регулярном волнении проводились при глубине воды в лотке 150 см [2, 6, 7]. Масштаб моделирования был принят равным 1:20 (предельная величина для волнового лотка при принятых размерах моделей).
Волны в опытах с регулярным волнением [8—10] возбуждались с периодами Т = 1...1,8 с, причем при каждом значении периода воспроизводились волны с тремя-четырьмя значениями высоты волны в пределах к = 10.35 см.
Моделирование воздействия волн на погружной рыбоводный садок осуществлялось по Фруду.
Исследования проводились с двумя моделями с крупной и мелкой сеткой.
В волновом лотке система крепления модели была оборудована четырьмя кольцевыми тензодатчиками.
Сигналы тензометрических датчиков регистрировались электронно-измерительной аппаратурой. Параметры волн контролировались стандартным волномером типа РУС. При исследовании воздействия регулярных волн на модели в волновом лотке синхронно и непрерывно измерялись усилия в якорной оттяжке после плавучести О усилия в якорной оттяжке до плавучести О усилия в силовом вертикальном стропе О2 и усилия в силовом наклонном стропе О при волновых режимах с различными высотами и периодами волн.
Длина реализации при исследованиях определялась прохождением 12.15 волн.
При сопоставлении теоретических и экспериментальных данных были получены удовлетворительные результаты, при расхождении до 20.30 %
Для совершенствования методики расчета целесообразно провести дополнительную серию опытов по уточнению коэффициента проницаемости, который учитывается при расчете волновой нагрузки.
Библиографический список
1. Пиляев С.И., Муравьев В.Б. Исследование воздействия волн на модель подводного рыбоводного садка // Вестник МГСУ 2010. Спецвып. № 1. С. 37—42.
2. Пиляев С.И. Особенности моделирования волновых процессов на акваториях портов // Вестник МГСУ 2010. № 4. Т. 2. С. 30—35.
3. Stokes G.G. On the theory of oscillatory waves // Mathematical and Physical Papers. Cambridge, 1880, vol. 1, рр. 197—229. DOI: 10.1017/CB09780511702242.013.
4. Michell J.H. The highest waves in Water // Phil. Mag. Ser. 5. 1993, vol. 36, рр. 430—437.
5. КрыловЮ.М. Спектральные методы исследования и расчёта ветровых волн. Л. : Гидрометеоиздат, 1966. 256 с.
6. Longuet-Higgins M.S., Cockelet E.D. The deformation of steep surface waves on water: Part I. A numerical method of computation // Proc. Roy. Soc. London, 1976, vol. A342, рр. 157—174. DOI: 10.1098/rspa.1976.0092.
7. Лаппо Д.Д., Стрекалов С.С., Завьялов В.Н. Нагрузки и воздействия ветровых волн на гидротехнические сооружения. Л. : ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1990. 432 с.
8. Кожевенников М.П. Гидравлика ветровых волн. М. : Энергия, 1972. 263 с.
9. Сретенский Л.Н. Теория волновых движений жидкости. 2-е изд. М. : Наука, 1977. 816 с.
10. Крылов Ю.М., Стрекалов С.С., Цеплухин В.Ф. Ветровые волны и их воздействие на сооружения. Л. : Гидрометеоиздат, 1976. 256 с.
Поступила в редакцию в декабре 2013 г.
Об авторах: Пиляев Сергей Иванович — кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры гидротехнических сооружений, Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(495)287-49-14, доб. 14-16, [email protected];
Губина Надежда Андреевна — кандидат технических наук, доцент кафедры гидротехнических сооружений, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)287-49-14, доб. 14-16, [email protected].
Для цитирования: Пиляев С.И., ГубинаН.А. Воздействие морских волн на подводные рыбоводные садки // Вестник МГСУ. 2014. № 2. С. 171—178.
S.I. Pilyaev, N.A. Gubina
IMPACT OF SEA WAVES ON UNDERWATER FISH-BREEDING CAGES
Cultivation of sea objects is of great importance while solving the problems of providing the constantly growing requirements of the national economy with sea products. Cultivation of sea objects uses special hydrobiotechnical constructions. As the practice showed, cultivation of seafood is commercially impossible without solving the questions of calculating and designing such constructions. In special literature these questions are poorly covered or not considered at all. In the article the results of theoretical and pilot studies of waves influence on hydrobiotechnical constructions is provided, in particular on underwater fish-breeding cages.
This article offers the theoretical solution to the problem of determining the efforts of the ropes holding the fish tank under wave influences. In order to solve this problem, the equations of hard drives movements were set up and the differential equations of free oscillations of buzz were obtained.
When determining the horizontal movements, the four different configurations of connections and the system motion directions in general are possible in case of wave
ВЕСТНИК о/ОП^/1
2/2014
oscillations. Next step is the solution of the differential equations and determination of natural oscillation frequency in the direction of the vertical axis. Defining efforts in the ropes from their own weight (static calculation) is self-explanatory, it should be noted that accounting for the weighing influence of water on such structures does not have significant influence.
Further the authors defined loading and efforts from the regular waves' impacts.
Modeling of the waves influence on submersible fish tank was carried by Fraud method. The studies were conducted with two models with large and small mesh. The signals of strain gauge sensors were registered by electronic measuring equipment.
When comparing the theoretical and experimental data, satisfactory results have been obtained. It was determined that in order to improve the calculation methods it is appropriate to carry out an additional series of experiments for the refinement of the permeability coefficient, which is included in the calculation of the wave load.
Key words: mariculture, fishes culture, underwater fishing cages, hydrobiotechni-cal constructions.
References
1. Pilyaev S.I., Murav'ev V.B. Issledovanie vozdeystviya voln na model' podvodnogo rybovodnogo sadka [Research of the Waves Influence on the Model of Underwater Fish-breeding Cage]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, special edition, no. 1, pp. 37—42.
2. Pilyaev S.I. Osobennosti modelirovaniya volnovykh protsessov na akvatoriyakh portov [Features of Wave Processes Modeling on Water Areas in Ports]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, no. 4, vol. 2, pp. 30—35.
3. Stokes G.G. On the Theory of Oscillatory Waves. Mathematical and Physical Papers. Cambridge, 1880, vol. 1, pp. 197—229. DOI: 10.1017/CB09780511702242.013.
4. Michell J.H. The Highest Waves in Water. Phil. Mag. Ser. 5, 1993, vol. 36, pp. 430—437.
5. Krylov Yu.M. Spektral'nye metody issledovaniya i rascheta vetrovykh voln [Spectral Methods of Investigation and Calculation of Wind Waves]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1966, 256 p.
6. Longuet-Higgins M.S., Cockelet E.D. The Deformation of Steep Surface Waves on Water: Part I. A Numerical Method of Computation. Proceedings of the Royal Society. London, 1976, vol. A342, pp. 157—174. DOI: 10.1098/rspa.1976.0092.
7. Lappo D.D., Strekalov S.S., Zav'yalov V.N. Nagruzkii vozdeystviya vetrovykh voln na gidrotekhnicheskie sooruzheniya [Loads and Impacts of Wind Waves on the Hydraulic Structures]. Leningrad, VNIIG im. B.E. Vedeneeva Publ., 1990, 432 p.
8. Kozhevennikov M.P. Gidravlika vetrovykh voln [Hydraulics of Wind Waves]. Moscow, Energiya Publ., 1972, 263 p.
9. Sretenskiy L.N. Teoriya volnovykh dvizheniy zhidkosti [Theory of the Wave Motions of Fluid]. 2-nd edition. Moscow, Nauka Publ., 1977, 816 p.
10. Krylov Yu.M., Strekalov S.S., Tseplukhin V.F. Vetrovye volny i ikh vozdeystvie na sooruzheniya [Wind Waves and their Impact on Buildings]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1976, 256 p.
About the authors: Pilyaev Sergey Ivanovich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Hydraulic Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; monokap@ mail.ru; +7 (495) 287-49-14, extension number 1416;
Gubina Nadezhda Andreevna — Candidate of Technical Sciences, Assiciate Professor, Department of Hydraulic Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected]; +7 (499) 287-49-14, extension number 1416.
For citation: Pilyaev S.I., Gubina N.A. Vozdeystvie morskikh voln na podvodnye rybo-vodnye sadki [Impact of Sea Waves on Underwater Fish-Breeding Cages]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 2, pp. 171—178.
