УЧЕТ ГЛУБИНЫ АКВАТОРИИ В РАЙОНЕ ШВАРТОВКИ ТАНКЕРА ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Авторы:
1.
Мурманский государственный технический университет
2.
Мурманский государственный технический университет
3.
Мурманский государственный технический университет
Тип:
Статья
Страницы:
с 53
по 58
Статус:
Опубликован
Получено:
20.05.2016
Одобрено:
25.05.2016
Опубликовано:
25.05.2016
Классификаторы:
УДК [656.61.052.7:629.123.56]:[551.462/3:551.466.3.001.57]
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
математическая модель, швартовная операция, волновое воздействие, танкер
Аннотация (русский):
Представлен способ учета влияния мелководья при моделировании волнового воздействия в районе выполнения швартовной операции. Исследование выполнено посредством моделирования движения танкера, управляемого по отклонениям. Морские нефтяные терминалы, как правило, размещаются в районах с относительно небольшой глубиной, поэтому фактор влияния глубины акватории необходимо учитывать как существенный, определяющий характер волнового воздействия на крупнотоннажные танкеры. В условиях мелководья может существенно изменяться спектр волнения и, как следствие, характер силовых воздействий, определяемых им, что неизбежно влечет за собой изменение маневренных свойств швартующегося к нефтяному терминалу танкера. Для учета влияния глубины акватории в районе выполнения швартовной операции был использован спектр ТМА (TEXEL storm, MARSEN, ARSLOE) , который принимает во внимание одновременно и развитие ветровых волн в условиях конечной глубины, и смешанный характер волнения. Основным назначением представленных здесь спектров является не вычисление средних значений и дисперсий силовых воздействий, а генерация воздействия сил и моментов, образуемых нерегулярным волнением при программном моделировании движения танкера.
Представлен способ учета влияния мелководья при моделировании волнового воздействия в районе выполнения швартовной операции. Исследование выполнено посредством моделирования движения танкера, управляемого по отклонениям. Морские нефтяные терминалы, как правило, размещаются в районах с относительно небольшой глубиной, поэтому фактор влияния глубины акватории необходимо учитывать как существенный, определяющий характер волнового воздействия на крупнотоннажные танкеры. В условиях мелководья может существенно изменяться спектр волнения и, как следствие, характер силовых воздействий, определяемых им, что неизбежно влечет за собой изменение маневренных свойств швартующегося к нефтяному терминалу танкера. Для учета влияния глубины акватории в районе выполнения швартовной операции был использован спектр ТМА (TEXEL storm, MARSEN, ARSLOE) , который принимает во внимание одновременно и развитие ветровых волн в условиях конечной глубины, и смешанный характер волнения. Основным назначением представленных здесь спектров является не вычисление средних значений и дисперсий силовых воздействий, а генерация воздействия сил и моментов, образуемых нерегулярным волнением при программном моделировании движения танкера.
Ключевые слова:
математическая модель, швартовная операция, волновое воздействие, танкер
математическая модель, швартовная операция, волновое воздействие, танкер
Состояние проблемы Инновационный способ управления морскими подвижными объектами при управлении по отклонениям носовой и кормовой точек от прицельной линии широко применяется в моделировании. Рассматриваемый способ (в том числе и при моделировании швартовных операций) был неоднократно продемонстрирован в других работах [1-6]. В нашей работе предлагается способ учета мелководья при расчете влияния волнового воздействия на объекты швартовки. Размещение морского нефтяного терминала, как правило, осуществляется в районах с относительно небольшой глубиной, поэтому фактор влияния глубины акватории необходимо учитывать как существенный, определяющий характер волнового воздействия на танкер при выполнении швартовной операции. Это обстоятельство весьма характерно для крупнотоннажных танкеров, имеющих соответствующую осадку. Методы и результаты исследования В условиях мелководья может существенно изменяться спектр волнения и, как следствие, характер силовых воздействий, определяемых им, что неизбежно влечет за собой изменение маневренных свойств швартующегося к нефтяному терминалу танкера. Обычно для учета указанного фактора используют спектр ТМА (TEXEL storm, MARSEN, ARSLOE), который принимает во внимание одновременно и развитие ветровых волн в условиях конечной глубины, и смешанный характер волнения, которое может быть как в виде ветрового волнения, так и зыби. Спектр ТМА обычно представляют в такой форме: В этом выражении справа представлен спектр рассматриваемого волнения на глубокой воде JONSWAP (Joint North Sea Wave Project), определяемый зависимостью: В спектр JONSWAP (JS) входят два параметра, которые позволяют получить его в виде модификации широко применяемого спектра Пирсона - Московица (P-M). Параметр g характеризует превышение максимума спектра JS над максимумом спектра P-M (обычно он берется равным 2). Параметр s характеризует ширину участка спектра JS, превосходящего по величине спектр P-M. Обычно указанный параметр выбирается следующим способом: Остальные параметры стандартны для всех спектров: - средняя частота волнения; - максимальная частота; m0 - параметр, выбираемый так, чтобы ; HS - значительная высота волны, обозначаемая как h1/3. Представленные параметры можно выразить через одну характеристику интенсивности волнения, например, через высоту волны 3%-й обеспеченности h3 %: Редукционная функция частоты спектра за глубину моря имеет следующее выражение: Для демонстрации влияния глубины моря Н на характер спектра на рис. 1 показаны три спектра для высоты волны 3 %-й обеспеченности, равной 5 м. Это JS спектр для глубокой воды и спектр ТМА для глубины моря 20 и 50 м. На рис. 1 хорошо прослеживается, что при уменьшении глубины моря падает доля частот в низкой области и растет их доля в верхней области. На рис. 2 приведен фрагмент программы MathCad[1] для расчета спектра с учетом глубины акватории. Рис. 1. Фактор глубины акватории для трех глубин моря (20, 25 и 30 м): вертикальная ось - редукционная функция частоты спектра за глубину моря, горизонтальная ось - частота волнения (а); спектры JS и STMA для глубины моря 20 и 50 м: вертикальная ось - спектры волнения, горизонтальная ось - частота волнения (б) Рис. 2. Фрагмент программы MathCad для расчета спектров JS и STMA (рис. 1) Данные рис. 1 и 2 демонстрируют, как изменяются усилия от действия нерегулярного волнения и их средние значения. Для примера на рис. 3 приведены средние значения амплитуды поперечной силы с учетом глубины моря, фрагмент программы MathCad для их расчета и формулы MathCad для соответствующих вычислений усилий. Рис. 3. Средние значения амплитуды поперечного усилия при различных значениях курсового угла волнения (q) для высоты волны h3 % = 5 м для глубокой воды и глубины моря 20, 25, 30 и 50 м Отметим, что средние значения почти не зависят от глубины. Дело в том, что спектр за счет глубины смещается, но суммарная интенсивность его остается примерно на одном уровне. Следует отметить, что изменения амплитуд усилий на разных частотах более заметны. Это продемонстрировано на рис. 4 (для поперечного усилия) и рис. 5 (для вращающего момента). Построены спектральные плотности поперечного усилия и момента для глубокого моря и глубины 30 м (в верхней части рисунка приведены формулы MathCad для соответствующих вычислений усилий). Рис.4. Влияние глубины акватории на амплитуду поперечного усилия на различных частотах: танкер в грузу, высота волны 5 м, угол волнового дрейфа 45°, глубина моря 30 м На нижних частотах в диапазоне 0,3-0,7 Гц разница между спектрами вполне ощутима, ее необходимо учитывать в моделировании движения танкера при выполнении швартовной операции. Рис. 5. Влияние глубины акватории на амплитуду вращающего момента на различных частотах: танкер в грузу, высота волны 5 м, угол волнового дрейфа 45°, глубина моря 30 м Таким образом, представлен алгоритм расчета силового воздействия на танкер со стороны нерегулярного волнения с учетом глубины акватории, где выполняется швартовная операция. Это позволяет оценить степень влияния глубины акватории в районе выполнения швартовки, что повышает достоверность результатов моделирования процесса швартовки танкера в условиях мелководья с использованием способа управления по отклонениям. Выводы Основным назначением представленных здесь спектров является не вычисление средних значений и дисперсий силовых воздействий, а генерация воздействия волновых сил и моментов, образуемых нерегулярным волнением при программном моделировании движения танкера. Исследование по данной теме подробно представлено в других наших работах в контексте проблемы генерации случайных значений сил и моментов при моделировании движения танкера, управляемого по отклонениям.
1. Холичев С. Н. Моделирование процесса швартовки к борту судна-партнера на финальном этапе сближения судов «борт к борту» с использованием инновационного способа управления судном / С. Н. Холичев, С. А. Агарков // Вестн. Мурманск. гос. техн. ун-та. 2015. Т. 18, № 1. С. 88-93.
2. Холичев С. Н. Моделирование процесса швартовки к борту судна-партнера с использованием инновационного способа управления судном / С. Н. Холичев, Ю. И. Юдин, С. О. Петров // Вестн. Мурманск. гос. техн. ун-та. 2015. Т. 18, № 1. С. 81-87.
3. Юдин Ю. И. Моделирование процесса управляемого движения судна вдоль линии положения / Ю. И. Юдин, С. В. Пашенцев // Вестн. Мурманск. гос. техн. ун-та. 2013. Т. 16, № 1. С. 141-147.
4. Юдин Ю. И. Моделирование управляемого движения судна по произвольной траектории / Ю. И. Юдин, С. В. Пашенцев // Эксплуатация водного транспорта. 2012. № 3 (69). С. 32-36.
5. Петров С. О.Моделирование движения танкера на нефтяном терминале в открытом море при управлении на перекрестии / С. О. Петров, Ю. И. Юдин, С. Н. Холичев // Вестн. Мурманск. гос. техн. ун-та. 2015. Т. 18, № 3. С. 60-67.
6. Петров С. О. Стратегия управления движением танкера на перекрестии / С. О. Петров, С. А. Агарков // Вестн. Мурманск. гос. техн. ун-та. 2015. Т. 18, № 1. С. 55-59.
