Технические науки

2. Механика

Морева И.Н., Парфеньев А.И., Соболев А.С.

Севастопольский национальный технический университет

Экспериментальное определение коэффициентов волнового демпфирования в опытовом бассейне

I. Введение

Теоретическая гидромеханика и теория корабля получили за последнее столетие значительное развитие. Однако расширение возможностей расчета гидромеханических характеристик различных морских сооружений не приводит к ограничению задач гидромеханического эксперимента. Более того, область использования гидродинамических лабораторий даже расширяется. Это объясняется тем, что на основе данных эксперимента возможно получить более достоверные результаты.

Одним из важных вопросов качки полупогружных морских платформ (ПМП) является определение гидродинамических характеристик качки на свободной поверхности жидкости. Анализ разработанных на сегодняшний день методов определения гидродинамических характеристик (ГДХ) качки судов показал, что все эти методы подразделяются на теоретические и экспериментальные.

Теоретические методы базируются, в основном, на линейной гидродинамической теории качки с использованием гипотезы плоских сечений.

К экспериментальным относятся работы, базирующиеся на методике гидродинамических особенностей.

Однако теоретические методы определения ГДК качки имеют принципиальные недостатки. Во-первых, они справедливы только при относительно малых амплитудах качки, не учитывают вязкостных составляющих сопротивления воды и, во-вторых, они не предназначены для определения ГДК качки ПМП.

II. Постановка задачи

В связи с выше сказанным, теоретические зависимости должны дополняться экспериментальными данными. Одним из экспериментальных методов определения ГДХ качки является метод свободных затухающих колебаний. Особенно широко он используется для определения вертикальной и бортовой качки. Этот метод позволяет определять коэффициенты демпфирования при любом заданном законе сопротивления. Недостатком является, то, что он не позволяет определять ГДХ качки при частотах, отличных от частоты собственных колебаний. Однако, характерные особенности амплитудно-частотной характеристики позволяют приближенно принимать коэффициент демпфирования и момент инерции присоединенных масс воды постоянными, не зависящими от частоты, обеспечивая в расчетах качки на нерегулярном волнении, достаточную для инженерных расчетов точность. Экспериментальных исследований по определению ГДХ бортовой качки методом свободных затухающих колебаний было проведено множество. Сюда относятся графики В.А. Мореншильдта для водоизмещающих морских судов с большим отношением L/B и малыми коэффициентами общей полноты. Большое практическое значение имеют графики и номограммы В.В. Луговского [3] для присоединенного момента инерции и коэффициента демпфирования при квадратичном законе сопротивления транспортных, буксирных и промысловых cудов, для судов с полными обводами и большими отношениями В/Т, характерными для судов технического флота.

При решении вопроса по определению ГДХ качке ПМП необходимо подобрать из имеющихся графиков и номограмм те, которые охватывали бы данный класс. При анализе имеющихся данных выяснилось, что данные сооружения не входят в существующие графики и номограммы. Поэтому можно сказать, что рассматриваемый класс морских сооружений занимает промежуточное положение среди рассмотренных в данных работах типов судов. Это определяет необходимость проведения экспериментальных исследований по определению ГДХ качки ПМП на модели характерной для рассматриваемого класса сооружений.

Для проведений исследований была создана экспериментальная модель ППБУ, прототипом которой является ППБУ «Шельф 1». Габариты экспериментальной модели представлены ниже.

Верхнее строение: длина 0,42 м; ширина 0,33 м; высота 0,02 м.

Понтоны: длина наибольшая 0,62 м, ширина 0,1 м, высота 0,045 м.

Стабилизирующие колонны: диаметр, 0,07 м, высота 0,12 м.

Экспериментальные исследования проводились на тихой воде при различном заглублении стабилизирующих колонн. Модель была оборудована навигационной системой отслеживания поведения модели, позволяющая вести синхронную запись на ЭВМ угловых перемещений и ускорений по трем осям х, у, z.

По результатам эксперимента были построены затухающие колебания: бортовой, килевой и вертикальной качки. С помощью специально разработанного программно-математическое обеспечения, которое обеспечивает вычисление амплитудных характеристик вертикальных и угловых перемещений, были получены значения коэффициентов демпфирования. Результаты экспериментального исследования (пунктирная линия) и решение программно – математического обеспечения (сплошная линия) представлены на рисунках 1 – 6.

Бортовая качка θ, град

 

Рисунок 1 – Коэффициент затухания 0.2 при заглублении колонн на 0.078м

Рисунок 2 – Коэффициент затухания 0.5 при заглублении колонн на 0.093м

Вертикальные колебания ζg, м

Рисунок 3 – Коэффициент затухания 0.4 при заглублении колонн на 0.078м

Рисунок 4 – Коэффициент затухания 0.35 при заглублении колонн на 0.093м

 

Килевая качка ψ, град

Рисунок 5 – Коэффициент затухания 0.4 при заглублении колонн на 0.078м

Рисунок 6 – Коэффициент затухания 0.1 при заглублении колонн на 0.093м

 

Из рассмотрения приведенных на рисунках характеристик можно сделать вывод, что амплитуды вертикальной, бортовой и килевой качки, полученные в результате расчета с использованием математической модели, имеют хорошее качественное и удовлетворительное совпадение с результатами экспериментальных исследований. С помощью программно-математического обеспечения были получены коэффициенты демпфирования при различном заглублении стабилизирующих колонн для конкретного вида качки.

III. Выводы

1. Разработанное программно-математическое обеспечение обеспечивает вычисление амплитудных характеристик различных видов качки морских полупогружных платформ при различных коэффициентах демпфирования.

2. С помощью серии экспериментальных исследований были найдены коэффициенты демпфирования для созданной экспериментальной модели, прототипом которой является ППБУ «Шельф 1».

3. Полученные коэффициенты волнового демпфирования методом свободных затухающих колебаний могут быть использованы для исследования нелинейной качки морских плавучих сооружений.

Литература

1. Салькаев А.З. Расчет гидродинамических сил, действующих на контур произвольной формы и уравнения бортовой качки.- Труды ЦНИИ им. А.Н.Крылова, 1967, вып. 235.

2. Хаскинд А.В. Гидродинамическая теория качки корабля.– М.: Наука,1973–262с.

3. Луговский В.В. Нелинейные задачи мореходности корабля. Л., Судостроение», 1966.