Новосибирск, Новосибирская область, Россия
Россия
Россия
Россия
Россия
Россия
Россия
Рассматривается проведенный в 2020 г. на акватории Новосибирского водохранилища натурный сопоставительный эксперимент по одновременному дрейфу шести морских спасательных плотов вместимостью по 6 человек. Каждый плот снабжался одним из разработанных гидродинамических якорей (ГДЯ); один плот имел штатный парашютный плавучий якорь; один плот не имел никаких средств предотвращения дрейфа. Один из лучших результатов по снижению скорости дрейфа показал крыльевой гидродинамический якорь. Для разработки методов проектирования такого рода ГДЯ проведено определение гидродинамических сил в прямом опытовом бассейне Сибирского государственного университета водного транспорта (СГУВТ) методом буксировки с разными скоростями и углами атаки. По проведенным в прямом опытовом бассейне СГУВТ испытаниям ГДЯ получены коэффициенты гидродинамических сил. Отмечено, что ГДЯ изготовлен в нату-ральную величину, что не требует пересчета по критериям подобия; значения коэффициентов показывают не-стабильную зависимость от скорости буксировки, что объяснено влиянием погрешностей экспериментального метода и потребовало осреднения результатов. Для обоснования возможности применения метода осреднения привлечены результаты численного моделирования работы ГДЯ, проведенные в программе Ansys Fluent, ко-торые выявили весьма слабую зависимость коэффициентов от скорости потока. На этом основании принято решение о возможности осреднения коэффициентов, относящихся к скоростям потока v ≥ 0,2 м/с, при которых разброс значений коэффициентов сравнительно небольшой. Осредненные значения коэффициентов, полученных в физическом эксперименте, аппроксимированы в своих диапазонах углов атаки квадратичными полиномами для сглаживания результатов и облегчения их использования в математических моделях работы устройства.
гидродинамический якорь, физический эксперимент, коэффициенты гидродинамических сил, аппроксимация эмпирических коэффициентов, дрейф плота
Введение
В рамках проблемы совершенствования средств предотвращения опрокидывания и уменьшения дрейфа спасательных плотов с целью снижения риска гибели спасающихся и ускорения их обнаружения при проведении поисково-спасательных операций в ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет водного транспорта» (СГУВТ) в 2019–2022 гг. выполнялась работа, поддержанная государственным заказом № 110-00018-21-00 на 2021 г. В этой работе в качестве основного рабочего органа для предотвращения опрокидывания плота на крутых волнах с опрокидывающимся гребнем предложено использовать якоря присоединенной массы (ЯПМ), а для предотвращения дрейфа – гидродинамические якоря (ГДЯ). Разработано, изготовлено и испытано несколько разновидностей таких якорей; часть из них защищена патентами на изобретения Российской Федерации [1–4]. Для обеспечения возможности всплывшему спасательному плоту оставаться вблизи места гибели судна разработана конструкция контейнера для размещения плота и его ГДЯ, предваряющая развертывание и начало работы ГДЯ еще до окончания процесса газонаполнения плота [5]. Разработана также конструкция для стабилизации диаметральной плоскости ГДЯ относительно направления дрейфа плота [6]. Таким образом, разработан необходимый минимум технических средств, обеспечивающих работоспособность системы снижения дрейфа плота.
Натурный сопоставительный эксперимент по дрейфу плотов
Многие нюансы реальной работы системы «плот – трос – якорь» удалось обнаружить и осознать в процессе проведенного на Новосибирском водохранилище натурного сопоставительного эксперимента 2020 г. по одновременному дрейфу шести спасательных плотов [7] (рис. 1).
Рис. 1. Дрейф плотов во время сопоставительного эксперимента на Новосибирском водохранилище
Fig. 1. Drift of rafts during a comparative experiment at the Novosibirsk reservoir
В ходе натурного сопоставительного эксперимента на Новосибирском водохранилище по дрейфу плотов, оснащенных разными устройствами снижения дрейфа, включая штатное в виде подводного парашютного купола, для дальнейших исследований выбор пал на ГДЯ, содержащий твердотельные крылья из гнутого листа с ограничителями углов поворота крыльев [1]. Общий вид экспериментального образца крыльевого ГДЯ, состоящего из трех килей, между которыми установлены две пары гнутых листовых крыльевых профилей, приведен на рис. 2.
Рис. 2. Общий вид экспериментального образца крыльевого ГДЯ
Fig. 2. General view of the experimental wing sample HDA
Обоснование экспериментальных исследований гидродинамического якоря
Помимо продолжения технического совершенствования ГДЯ, дальнейшие работы необходимо вести в направлении создания методологии проектирования ГДЯ с заданными параметрами конечного результата по снижению дрейфа плота с ГДЯ. В этом направлении возникает задача разработки математической модели, описывающей взаимодействие качающегося на волнении и дрейфующего под действием ветра и ветро-волнового течения плота и взаимодействующего с ним через якорный трос ГДЯ. В этом взаимодействии определяющая роль принадлежит гидродинамическим силам, возникающим на ГДЯ при его перемещении якорным тросом.
Теоретическое определение гидродинамических сил вследствие полной нестационарности движения можно отнести к задачам неблизкой перспективы, а инженерные методы проектирования нужны уже в настоящее время. Для определения гидродинамических сил понадобилось проведение специально поставленных экспериментов в прямом опытовом бассейне СГУВТ с различными образцами ГДЯ, выполненными в натурную величину с эффективной площадью около 0,4 м2 (рис. 3).
Рис. 3. Испытания опытного образца крыльевого ГДЯ
в опытовом бассейне СГУВТ: момент протяжки
крыльевого ГДЯ на рабочем ходу
Fig. 3. Tests of the prototype of the wing housing HDA
in the experimental pool of the SSUWT: the moment
of pulling the wing housing HDA on the working stroke
По этой причине не требуется пересчета скоростей буксировки, и они назначались в соответствии со скоростями орбитального движения плота на волнении в разных фазах его периода.
Обработка результатов экспериментов
Обработка экспериментов, проведенных в опытовом бассейне для определения гидродинамических сил и моментов на крыльевом ГДЯ, свидетельствует о зависимости коэффициентов гидродинамических сил (КГС) не только от угла атаки α ГДЯ, но и от скорости v потока (скорости буксировки).
Особенность зависимости проявилась в том, что наиболее нестабильными оказались значения КГС при малых скоростях потока v, тогда как при средних и высоких скоростях значения КГС достаточно близки (рис. 4).
а б
Рис. 4. Коэффициент поперечной силы ky(α, v) в физическом эксперименте:
а – в диапазоне углов атаки рабочего хода ГДЯ; б – в диапазоне углов атаки холостого хода ГДЯ
Fig. 4. The coefficient of transverse force ky(α, v) in a physical experiment:
a – in the range of angles of attack of the working stroke of the HDA;
б – in the range of angles of attack of the idling stroke of the HDA
Сравнение с аналогичной зависимостью, полученной в численном эксперименте [8], проведенном путем решения замкнутой системы уравнений Навье – Стокса, уравнения неразрывности, уравнения состояния среды и уравнения баланса полной энергии в пакете Ansys Fluent [2], определило, что зависимость значений КГС от скорости потока незначительна (рис. 5), что позволяет осреднять значения КГС по аргументу скорости потока v. Поскольку численный эксперимент тоже имеет ограниченную достоверность из-за ограничений программ пакета Ansys Fluent по допустимому числу ячеек разбиения сплошной среды, из-за преобразования уравнений Навье – Стокса в уравнения Рейнольдса и использования гипотезы Буссинеска для моделирования явлений турбулентности, его результаты также необходимо проверять физическим экспериментом.
Рис. 5. Коэффициент поперечной силы ky(α, v) в численном эксперименте
Fig. 5. The coefficient of transverse force ky(α, v) in a numerical experiment
В то же время результат численного эксперимента о практической независимости КГС от скорости потока может быть использован в физическом эксперименте (имеющем свои пределы достоверности) как необходимость освободить результаты КГС от влияния скорости v, например путем осреднения значений КГС по скорости. И возникает вопрос о том, для каких скоростей допустимо осреднение, поскольку это связано с погрешностью получаемых средних величин.
В результате анализа всего пакета величин КГС kx, ky, km к осреднению приняты КГС, полученные на скоростях v > 0,2 м/с.
Аппроксимация коэффициентов гидродинамических сил
Осредненные значения КГС желательно иметь в аналитическом виде хотя бы в практически актуальном диапазоне углов атаки α. Этот диапазон для рабочего хода ГДЯ определен в пределах α = 45 ÷ 90º, а для холостого хода в пределах α = 315 ÷ 360º. Аппроксимация проведена квадратичным полиномом вида
k = aα2 + bα + c,
где a, b, c – коэффициенты аппроксимации, полученные способом наименьших квадратов по осредненным значениям КГС (таблица).
Коэффициенты аппроксимации коэффициентов гидродинамических сил,
осредненных по средним и высоким скоростям буксировки
Coefficients of approximation of the coefficients of hydrodynamic forces averaged over medium
and high towing speeds
|
Коэффициент сил |
Вид движения |
Диапазон α |
Коэффициенты аппроксимации |
||
|
a |
b |
c |
|||
|
kx |
Рабочий ход |
45 ÷ 90º |
–0,000295 |
0,049853 |
–0,790234 |
|
Холостой ход |
315 ÷ 360º |
–0,000110 |
0,075549 |
–13,466018 |
|
|
ky |
Рабочий ход |
45 ÷ 90º |
–0,001167 |
0,172871 |
–6,709887 |
|
Холостой ход |
315 ÷ 360º |
0,000460 |
–0,337709 |
65,331868 |
|
|
km |
Рабочий ход |
45 ÷ 90º |
–0,055082 |
6,694316 |
–157,043826 |
|
Холостой ход |
315 ÷ 360º |
–0,005884 |
4,068123 |
–702,020606 |
|
Графическое сравнение экспериментальных осредненных значений КГС и их аппроксимированных значений представлено на рис. 6.
а б
Рис. 6. Аппроксимация коэффициентов гидродинамических сил kx, ky, km в диапазоне углов атаки ГДЯ:
а – аппроксимация коэффициента kx, рабочий ход; б – аппроксимация коэффициента kx, холостой ход
Fig. 6. Approximation of the coefficients of hydrodynamic forces kx, ky, km in the range of angles of the HDA attack:
a – approximation of the coefficient kx, working stroke; б – approximation of the coefficient kx, idling;
в г
д е
Рис. 6 (окончание). Аппроксимация коэффициентов гидродинамических сил kx, ky, km
в диапазоне углов атаки ГДЯ: в – аппроксимация коэффициента ky, рабочий ход;
г – аппроксимация коэффициента ky, холостой ход; д – аппроксимация коэффициента km, рабочий ход;
е – аппроксимация коэффициента km, холостой ход
Fig. 6 (Ending). Approximation of the coefficients of hydrodynamic forces kx, ky, km in the range of angles
of the HDA attack: в – approximation of the coefficient ky, working stroke; г – approximation ky coefficient, idle stroke;
д – approximation of the km coefficient, working stroke; e – approximation of the km coefficient, idle stroke
Заключение
Таким образом, результат аппроксимации КГС позволяет сгладить не имеющий физического обоснования (кроме погрешностей экспериментального метода) разброс экспериментальных значений КГС. Аналитическая форма представления нелинейных по своей физической природе коэффициентов гидродинамических сил упрощает применение результатов эксперимента при математическом моделировании работы ГДЯ в составе системы «плот – трос – ГДЯ».
1. Пат. RU2743456C1. Стабилизатор позиционирования плавающего объекта / Сичкарёв В. И., Кузьмин В. В. № 2743456; заявл. 01.06.2020; опубл. 18.02.2021.
2. Пат. RU2751044C1. Гидродинамический якорь / Сичкарёв В. И., Черенович А. С., Кузьмин В. В. № 2751044; заявл. 29.09.2020; опубл. 07.07.2021.
3. Пат. RU2785310C1. Гидродинамический якорь / Сичкарёв В. И., Черенович А. С.; № 2785310; заявл. 25.01.2022; опубл. 06.12.2022.
4. Пат. RU2792851C1. Гидродинамический якорь / Сичкарёв В. И., Черенович А. С., Титов С. В., Конова-лов В. В., Розов И. В.; № 2792851; заявл. 19.12.2022; опубл. 27.03.2023.
5. Пат. RU2779886C1. Контейнер спасательного плота (варианты) / Сичкарёв В. И., Черенович А. С. № 2779886; заявл. 15.10.2021; опубл. 14.09.2022.
6. Пат. RU2785309C1. Стабилизатор положения неуправляемого объекта / Сичкарёв В. И., Черенович А. С. № 2785309; заявл. 25.02.2022; опубл. 06.12.2022.
7. Сичкарёв В. И., Титов С. В., Коновалов В. В., Черенович А. С., Иванов И. А., Пласкеев А. В., Дмитриев А. С., Шевцов И. В., Сахнов Д. Ю. Проведение натурного сопоставительного эксперимента с гидродинамическими якорями спасательных плотов на Новосибирском водохранилище // Науч. проблемы трансп. Сибири и Дальнего Востока. 2022. № 3. С. 28–39.
8. Сичкарёв В. И., Хохряков А. Н., Покалюхин Ю. С., Бабенко А. В. Компьютерное моделирование работы крыла гидродинамического якоря // Науч. проблемы трансп. Сибири и Дальнего Востока. 2022. № 1. С. 20–28.
