1

На правах рукописи

Со Мое Аунг

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧКИ

СУДНА В МЕЛКОВОДНЫХ СТЕСНЕННЫХ ФАРВАТЕРАХ

Специальности: 05.08.01 – Теория корабля и строительная механика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2014 2

Работа выполнена на кафедре теории корабля ФГБОУ ВПО «СанктПетербургский государственный морской технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент, Семенова Виктория Юрьевна

Официальные оппоненты Разумеенко Юрий Васильевич, доктор технических наук, профессор, ВУНЦ ВМФ ВМА им. адмирала Кузнецова Н.Г. « Военно-морской политехнический институт», профессор.

Живица Сергей Григорьевич, кандидат технических наук, ФГУП «Крыловский государственный научный центр», ведущий научный сотрудник.

Ведущая организация ФАУ «Российский морской регистр судоходства», г.

Санкт-Петербург.

Защита состоится _«17» июня2014_ в 14: на заседании диссертационного совета Д.212.228.01, созданного на базе СПбГМТУ по адресу: г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д.

3, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте СПбГМТУ http://www.smtu.ru Автореферат разослан Отзывы просим направлять в 2-х экземплярах по адресу:

по почте – 190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3, СПбГМТУ (отдел ученого секретаря).

при наличии электронной подписи – e-mail: [email protected]

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук А.И. Гайкович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Несмотря на значительный прогресс в мировом судостроении и эксплуатации флота, ряд существенных вопросов проблем мореходности представляются исследованными в недостаточной степени. К одному из таких вопросов относится определение гидродинамических характеристик судна и амплитуд его качки в условиях стесненного фарватера (в канале, параллельно причалу).

Рост перевозок в прибрежных районах морей и в мелководных акваториях, грузовые операции, проводимые у причальных комплексов в портах в условиях волнения, обеспечение эффективной швартовки крупнотоннажных судов связаны с определенной опасностью повреждения судна и даже причального комплекса. Корректное определение характеристик качки судна в условиях стесненного фарватера позволит обеспечить безопасность проведения перечисленных работ и уменьшить возможность повреждения судов.

Плавание в условиях фарватера, ограниченного не только по глубине, но и твердыми вертикальными границами ведет к существенному изменению мореходных качеств судов.

Данное обстоятельство связано с изменением распределения гидродинамических давлений на смоченной поверхности судна, вследствие чего изменяются в количественном и качественном отношении суммарные гидродинамические силы, действующие на судно со стороны окружающей его жидкости.

Существующие в настоящее время в российской практике методы расчета гидродинамических характеристик качки судна в условиях стесненного фарватера в основном базируются на решении двумерной задачи. Кроме этого, большинство работ ограничено определением коэффициентов присоединенных масс и демпфирования. Очевидно, что решение трехмерной гидродинамической задачи о качке судна параллельно причалу (параллельно вертикальной стенке) и в канале ( параллельно двум вертикальным стенкам) является актуальной проблемой.

ЦЕЛЬЮ настоящей диссертационной работы является разработка методов и программ расчета качки судна на мелководье параллельно вертикальной стенке, имитирующей причал, и качки судна в канале ограниченной глубины на основании трехмерной потенциальной теории.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи :

Разработка трехмерного численного метода и соответствующих программ расчета качки в условиях ограниченного вертикальными границами фарватера;

Проведение сравнительных и систематических расчетов гидродинамических коэффициентов, возмущающих сил, дрейфовых сил и амплитуд качки параллельно вертикальной стенке и в канале;

Исследование влияния на перечисленные величины таких факторов как:

Изменения расстояния между судном и вертикальной границей;

Изменения ширины канала;

Изменения относительной глубины фарватера.

Сравнение влияния количества вертикальных границ на гидродинамические характеристики качки при прочих равных условиях МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В диссертации использованы аналитические методы гидродинамической теории качки, методы вычислительной математики.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. Разработан трехмерный численный расчетный метод для определения качки судна на мелководье параллельно вертикальной стенке;

2. Впервые проведено систематическое исследование влияния изменения расстояния между судном и вертикальной стенкой на характеристики качки судна в условиях мелководья.

3. Разработан трехмерный численный расчетный метод для определения качки судна в мелководном канале ;

4. Проведено систематическое исследование влияния изменения ширины канала, места расположения судна по ширине канала, а также количества вертикальных преград на характеристики качки.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И ВЫВОДОВ подтверждается корректностью математических выкладок, обоснованностью используемых допущений, результатами экспериментальной проверки разработанных методов и алгоритмов, сравнением с некоторыми результатами других авторов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ Основным практическим результатом данной диссертации является разработка трехмерных численных методов и соответствующего программного комплекса для расчета качки судна в условиях различных стесненных фарватеров.

Теоретические положения работы, а также полученные в ней практические результаты могут быть использованы :

1) в задачах нормирования остойчивости судов смешанного типа «река-море»;

2)для решения других проблем безопасности мореплавания, таких как: оценка качки заякоренных судов в портах и каналах, в задачах динамики ошвартованных у причала судов;

анализ движения судов в штормовых условиях в условиях фарватера ограниченной глубины РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Результаты работы были внедрены на кафедре теории корабля СПбГМТУ и в Российском морском регистре судоходства.

АППРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные положения и результаты диссертации были доложены на конференции НТК XLV “Крыловские Чтения” (Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидродинамики), С.- Петербург ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 5 работ. Из них 1 работа в личном авторстве, доля автора в остальных 50%. В рецензируемых научных изданиях перечня Минобрнауки России опубликованы 4 статьи. Из них 1 работа в личном авторстве, доля автора в остальных- 50%.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, списка литературы, включающего 66 наименования. Общий объем работы составляет 160 страницу, в том числе 116 рисунков и 1 таблицу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

Метод расчета качки судна на мелководье параллельно вертикальной стенке.

Результаты исследования влияния изменения расстояния между судном и вертикальной преградой на гидродинамические характеристики качки судна Метод расчета качки судна в мелководном канале Результаты исследования влияния ширины канала, места расположения судна в канале на характеристики качки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и основные задачи исследований, приводится краткое содержание работы по главам.

В первой главе проводится обзор зарубежных и отечественных работ по методам исследования качки судов в канале и параллельно вертикальной преграде. Обосновываются цели настоящей работы.

В отличие от качки судна в безграничной жидкости, число работ, посвященных решению задач гидродинамики качки судов в жидкости с твердыми вертикальными границами весьма ограничено. Одним из первых подобных исследований является работа Степанова В.А.

в которой предпринята попытка построения гидродинамической теории качки судов, движущихся на отмели параллельно линии берега. К сожалению, рассматриваемая работа ограничена только теоретическими разработками.

В работах Воробьева, Капустянского, Bay, Demirel были рассмотрены двумерные методы определения присоединенных масс различных тел в прямоугольном канале и вблизи вертикальной стенки. В работе Takaki представлено двумерное решение задачи о продольной качке судна в канале.

Анализ всех этих работ показал значительное влияние вертикальных стенок на гидродинамические коэффициенты присоединенных масс, демпфирования, возмущающие силы как в качественном так и в количественном отношении.

Существующие работы, в которых предпринята попытка решения данной задачи в трехмерной постановке ограничены объектами исследования. В них отсутствует изучение влияния изменения глубины акватории, а также расстояния между объектом и вертикальной стенкой на все перечисленные характеристики качки. Кроме того, в некоторых из этих работ отсутствует учет качки вообще.

В связи с этим, основной целью настоящей диссертационной работы является разработка методов и программ расчета качки судна на мелководье параллельно вертикальной стенке, имитирующей причал, и качки судна в канале ограниченной глубины на основании трехмерной потенциальной теории и проведение систематических исследований влияния расстояния между судном и вертикальной преградой на характеристики качки.

Во второй главе формулируются и решаются задачи о качке судна на мелководье параллельно вертикальной стенке и о продольной качке в канале ограниченной глубины. Приводится описание численных методов решения данных трехмерных задач.

В параграфе 2.1 рассматривается общая постановка задачи о качке судна параллельно вертикальной стенке. Приводятся граничные условия, необходимые для решения задачи.

В соответствии с линейной теорией качки судна, искомый потенциал можно представить в виде следующей суперпозиции :

где Потенциалы движения жидкости должны удовлетворять следующим условиям :

В параграфе 2.2 приводится описание численного метода решения задачи о качке судна параллельно вертикальной стенке. Для решения данной задачи используются методы интегральных уравнений и зеркальных отображений.

Искомые потенциалы, в соответствии с теоремой Грина, представляются следующим образом :

1, 1 - функция Грина, полученная в результате применения метода зеркального отображения Неизвестная интенсивность источников j(,, ) в (8) определяется из соответствующей системы интегральных уравнений.

В параграфе 2.3 приводится описание разработанного численного метода решения задачи о качке судна в канале ограниченной глубины.

В этом случае неизвестные потенциалы ищутся в виде:

Грина в канале.

Функцию G k можно представить в виде следующей суперпозиции:

где Для определения функций, входящих в (13 ) и ( 14 ) используются выражения (15 ) и ( 16 ) Функция G F представляет собой сумму зеркальных отображений, находящихся на бесконечном удалении от начала координат. В настоящей работе используется специальный способ ее вычисления, позволяющий избежать использования бесконечных рядов. Данный способ основан на асимптотической аппроксимации функции Грина на бесконечном удалении от судна.

где образом:

M0 1 Int(7h / Bk );

M1 2 1 Int(7(10T) / Bk ) В случае произвольного расположения судна по ширине канала в решении изменится определение величины m.При четных значениях m Bk 2, Bk1 - расстояния между судном и каждой из стенок канала Bk 2 Bk1 Bk Неизвестная интенсивность источников j (,, ) в (11) определяется из соответствующей системы интегральных уравнений В параграфе 2.4 рассматривается определение амплитуд качки и сил волнового дрейфа при качке судна в стесненном фарватере Гидродинамические коэффициенты присоединенных масс, демпфирования, а также возмущающие силы определяются по хорошо известным формулам.

Система уравнений качки судна имеет вид.

Ее решение имеет вид :

Следует отметить, что при качке судна параллельно вертикальной стенке необходимо учитывать взаимодействие всех шести видов колебаний. То же самое относится и к случаю произвольного расположения судна по ширине канала.

При расположении судна посередине канала остаются только уравнения продольной качки Разработанный комплекс программ позволяет также определять силы волнового дрейфа, возникающие при качке судна в стесненном фарватере.. Данные силы являются нелинейными силами второго порядка, но полностью определяются на основании решения линейной задачи качки.

Определение дрейфовых сил и моментов производится по формулам Где В третьей главе проводится исследование качки судна на мелководье параллельно вертикальной стенке. Осуществляется апробация результатов, полученных при использовании разработанного метода и соответствующей программы.

Расчеты качки по разработанным методу и программе проводились для разных типов судов и объектов, характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 Характеристики объектов Судно 60й серии Транспортное Для решения задачи использовалась разбивка смоченной поверхности на треугольные панели (рис.1).

В целях апробации разработанных метода и программы расчета качки судна параллельно вертикальной стенке, полученные результаты для танкера и полусферы были сопоставлены с экспериментальными и расчетными данными Oortmerssen и J Xia Из приведенных на рис2-3 результатов видно их отличное согласование.

Рис 2. Значение коэффициентов присоединенных масс и демпфирования для танкера в сравнении с Рис.3. Значения вертикальной возмущающей силы и продольной силы волнового дрейфа для В параграфе 3.1 проводится исследование влияния изменения расстояния между судном и вертикальной стенкой на значения коэффициентов присоединенных масс, демпфирования, возмущающих сил и амплитуды качки.

На рис.4,5 приведены результаты расчетов коэффициентов присоединенных масс и демпфирования в зависимости от изменения расстояния до вертикальной стенки.

Полученные результаты показали, что при некоторых значениях безразмерных частот присоединенные массы имеют отрицательные значения. Подобные результаты вызваны не недостатками метода, а связаны с наличием стоячих волн между корпусом судна и стенкой, которые приводят к изменению поля скоростей, а следовательно и к изменению гидродинамических характеристик судна. Кроме этого, происходит сдвиг максимальных значений присоединенных масс в зону больших частот при уменьшении расстояния до стенки.

Максимальные значения коэффициентов демпфирования также увеличиваются при уменьшении расстояния b1 и сдвигаются в область высоких частот При качке судна паралелльно вертикальной стенке все шесть видов колебаний становятся взаимосвязанными и возникает необходимость рассчитывать 21 коэффициент присоединенных масс и демпфирования. На рис.5 приведены результаты расчетов некоторых из них. Видно, что данные коэффициенты увеличиваются по абсолютному значению при приближении к стенке.

Их максимумы также сдвигаются в область больших частот при уменьшении расстояния между судном и стенкой.

Рис 4. Значения коэффициентов демпфирования и присоединенных масс 0. 0. 0. Рис 6. Значения возмущающих сил в зависимости от изменения расстояния Для зависимостей возмущающих сил возможно наличие нескольких максимумов. В большинстве случаев происходит их сдвиг в зону больших безразмерных частот при уменьшении расстояния до стенки (рис.6) На встречном волнении, из–за несимметричного обтекания, возникают поперечная возмущающая сила, кренящий и разворачивающий моменты. Их амплитуды увеличиваются при уменьшении расстояния между судном и стенкой.

Рис 7. Значения АЧХ качки сухогруза Новгород в зависимости от изменения Hq при H/T=1.2 и = Рис 8. Значения АЧХ качки сухогруза Новгород в зависимости от изменения Hq при H/T=1.2 и = Расчеты амплитудно-частотных характеристик различных видов качки показали, что :

При расположении судна лагом, наличие стенки в большей степени влияет на амплитуды вертикальной качки. При приближении судна к стенке происходит удаление резонансных амплитуд в область высоких частот. В случае бортовой качки значительного смещения резонансных амплитуд не происходит, однако в ряде случаев, имеет место их увеличения при приближении и вертикальной стенке. (рис.7) На встречном волнении возникают поперечно-горизонтальная, бортовая качка и рысканье, обусловленные наличием соответствующих возмущающих сил и взаимодействия всех шести видов колебаний. Амплитуды данных видов колебаний небольшие, однако они возрастают при приближении к стенке.(рис.8) В работе также проводилось исследование влияния изменения относительной глубины на все рассмотренные выше характеристики при постоянном расстоянии до стенки. Анализ полученных результатов показал, что уменьшение глубины H/T приводит к увеличению и характерному сдвигу максимальных значений коэффициентов присоединенных масс, демпфирования, возмущающих сил в область низких частот.(рис9) Рис.9. Влияние H/T на коэффициенты демпфирования, присоединенной массы, амплитуды качки, В параграфе 3.2 проведено исследование влияния вертикальной стенки на дрейфовые силы.

Анализ полученных результатов показал, что при уменьшении расстояния между судном и вертикальной стенкой значения сил волнового дрейфа увеличиваются и происходит смещение их максимальных значений в сторону высоких частот (рис.10). Силы волнового дрейфа могут иметь по,,два” характерных резонансных пика, обусловленных влиянием резонансных амплитуд вертикальной и бортовой качки. На соответствующих частотах происходит многократное увеличение сил волнового дрейфа при приближении к вертикальной преграде. На встречном волнении влияние вертикальной стенки приводит к появлению условиях неограниченного фарватера Рис. 10. Значения сил волнового дрейфа в зависимости от изменения расстояния до вертикальной Независимо от расстояния до вертикальной стенки и курсового угла уменьшение относительной глубины H/T приводит к значительному увеличению всех шести компонент сил волнового дрейфа (рис.11) В четвертой главе рассматриваются результаты расчетов продольной качки судов в канале ограниченной глубины.

В целях апробации разработанных метода и программы расчета качки судна в канале было проведено сопоставление результатов расчетов вертикальных возмущающих сил и продольной силы волнового дрейфа, действующих на неподвижную полусферу с результатами расчетов и экспериментов J Xia для трех относительных ширин канала Полученные сопоставления приведены на рис.13 из которых видно отличное согласование результатов для всех относительных ширин.

Из представленных графиков видно, что при качке в канале объект может иметь несколько резонансов. Волновые числа и частоты, соответствующие резонансным режимам определяются как Следовательно, уменьшение ширины канала будет отодвигать резонансы в зону больших частот (рис 12а ), и наоборот, при увеличении Вк данные явления будут иметь место уже в зоне низких частот (рис12 б) Рис.12. Значения вертикальных возмущающих сил и продольных сил волнового дрейфа для полусферы при различных относительных ширинах канала.

В параграфе 4.1 приводится исследование влияния ширины канала на значения коэффициентов демпфирования, присоединенных масс, возмущающих сил, амплитуд качки и сил волнового дрейфа. Характерные результаты расчетов приведены на рис.13-17 для различных типов судов -0. Рис.13. Значения коэффициентов демпфирования в зависимости от изменения ширины канала для Рис.14. Значения коэффициентов присоединенных масс в зависимости от изменения ширины канала Рис.15. Значения возмущающих сил и моментов в зависимости от изменения ширины канала для Рис.16. Амплитудно-частотные характеристики продольной качки сухогруза Новгород в зависимости от 0. -0. Рис.17. Значения сил и моментов волнового дрейфа в зависимости от изменения ширины канала для Анализ результатов показал, что уменьшение ширины канала приводит к увеличению значений коэффициентов демпфирования, возмущающих сил и моментов и сдвигу их максимальных значений в область больших частот.

Коэффициенты присоединенных масс при вертикальной качке могут принимать отрицательные значения при уменьшении ширины канала на всем диапазоне частот, увеличиваясь тем не менее по абсолютной величине.

Изменение ширины канала никак не влияет на амплитуды продольно-горизонтальной качки, в диапазоне относительных частот < 2 амплитуды вертикальной и килевой качки также не зависят от изменения ширины канала. При увеличении частот происходит сдвиг их максимальных значений амплитуд в зону больших частот при уменьшении ширины канала.

Силы волнового дрейфа, также как и в случае расположения судна параллельно вертикальной стенке, имеют несколько,,пиков”. При уменьшении ширины канала происходит сдвиг этих,,пиков” в зону больших частот (рис17 ). Кроме этого, происходит некоторое увеличение значений сил и моментов по абсолютному значению в зоне частот >0.5. В зоне