34
2.5. Влияние мелководья на управляемость и инерционно-тормозные характеристики судна
Мелководье существенно влияет непосредственно на маневренные характеристики судов. Устойчивость на курсе на мелководье с ровным рельефом дна возрастает. Наблюдаемое на практике увеличение рыскливости
судов на мелководье, особенно при числах |
Fr |
0.8 |
, объясняется возрастанием |
возмущающих сил, связанных с неравномерностью распределения глубин в мелководных районах. При выполнении поворотов угловая скорость и угол дрейфа значительно меньше, чем на глубокой воде. При крутых циркуляциях даже при довольно значительных глубинах (порядка двух осадок) угол дрейфа почти в два раза меньше такового циркуляции на глубокой воде. Радиус циркуляции с уменьшением глубины возрастает и при Н/Т ≈ 1,5 при одинаковых прочих условиях примерно на 30% больше радиуса циркуляции на глубокой воде.
Исследования А.Д.Гофмана показали, что ухудшение поворотливости на мелководье носит закономерный характер. Для определения радиуса циркуляции на мелководье Rм им получена следующая зависимость [6]:
|
R /{1 0.1 |
T |
|
T |
2 |
}. |
|
|
RM |
|
0.71 |
|
|
|
(56) |
||
H |
|
|
||||||
|
|
|
H |
|
|
|
||
где: R∞ - радиус установившейся циркуляции на глубокой воде, м.
Изменение радиуса циркуляции на мелководье можно представлять в таблице 1.
Таблица 1 – Изменение радиуса циркуляции на мелководье
RM/R∞ |
1.005 |
1.01 |
1.04 |
1.08 |
1.12 |
1.24 |
1.43 |
1.6 |
1.94 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т / H |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
0.4 |
0.5 |
0.6 |
0.7 |
0.8 |
0.9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зависимость радиуса поворотливости на мелководье изображена на следующем графике (рис. 12):
RM/R∞
2 1,8 1,6 1,4 1,2 1
0 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1 |
Т/Н
Рисунок 12 – Изменение радиуса циркуляции на мелководье
Отношение угловой скорости поворота на мелководье ωм к угловой скорости на глубокой воде ω∞ оказалось весьма стабильным для судов
35
различных типов (табл. 2).
Таблица 2 - Изменение угловой скорости поворота на мелководье
ωм / ω∞ |
1.00 |
0.98 |
0.94 |
0.90 |
0.83 |
0.78 |
0.63 |
0.44 |
0.34 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т / H |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
0.4 |
0.5 |
0.6 |
0.7 |
0.8 |
0.9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зависимость угловой скорости поворотливости от Т/H на мелководье изображена на графике, приведенном на рисунке 13:
ωM/ω∞
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
Т/Н |
Р |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 13 – Изменение угловой скорости на мелководье
Как видно из приведенного анализа, количественное изменение параметров циркуляции на мелководье по сравнению с глубокой водой может быть существенным и судоводитель обязан это учитывать при плавании в стеснённых условиях. Такая информация необходима и для разбора аварий, связанных со столкновением судов и посадкой на мель.
Уменьшение угла дрейфа на мелководье является благоприятным обстоятельством, поскольку оно позволяет увеличивать размеры судов для беспрепятственного прохождения лимитирующих поворотов. Снижение падения скорости на циркуляции в условиях мелководья объясняется уменьшением углов дрейфа.
При движении судна на мелководье основное влияние на его инерционнотормозные характеристики оказывают три фактора: увеличение сопротивления воды, увеличение присоединённых масс и моментов инерции, изменение коэффициента влияния корпуса на движитель.
Увеличение сопротивления воды приводит не только к уменьшению инерционности судна, но и к снижению его начальной (установившейся) скорости при одинаковой частоте вращения винта [7-9].
Несмотря на повышение гидродинамического сопротивления движению на мелководье, рост присоединённой массы воды увеличивает силы инерции судна. Поэтому при прочих равных условиях на мелководье тормозные пути
36
судна как при пассивном, так и при активном торможении увеличиваются. Этому способствует также снижение пропульсивных качеств гребного винта при работе на задний ход в условиях мелководья. Кроме того, увеличение присоединённого момента оказывает стабилизирующее влияние на траекторию судна при свободном и активном торможении.
Оценка влияния мелководья на инерционно-тормозные характеристики судна существенно зависит от того, при каких начальных условиях производить сравнение. Если сравнивать тормозные пути при одинаковых режимах движения, то тормозные пути на мелководье будут меньше аналогичных на глубокой воде на 20-30%. Однако соотношение существенно изменится, если сравнивать тормозные пути при одинаковых начальных скоростях.
Результаты моделирования, подтверждённые натурными наблюдениями, показывают, что выбег судна Sв при свободном торможении на мелководье всегда меньше, чем на глубокой воде.
δSв(V) = (Sв∞ – Sвм) / Sв∞, |
(57) |
При активном торможении на мелководье возможно как относительное сокращение тормозного пути, так и его увеличение по сравнению с той же начальной скоростью на глубокой воде. В случае движения судна в районе малых глубин с неровным рельефом дна вода, вытесняемая носовой частью, встречает препятствие со стороны повышенного участка. Носовая волна со стороны отмели становится выше и увеличивает давление на нос в сторону, противоположную отмели. В результате возникает явление “отталкивания” носовой части от отмели. В районе кормы возникает “притягивание” судна в сторону более мелководного участка. Такое действие сил обусловлено уменьшением поступления потока воды к гребному винту со стороны отмели и образовавшегося падения давления перед винтом с этого борта.
При работе винта на задний ход разрежение между кормой и отмелью исчезает, силы “притягивания” кормы не действуют. Эффективность работы руля также сводится к нулю. Если в это время судно ещё сохраняет достаточный ход вперёд, тогда под действием боковых сил гребного винта его нос начинает отклоняться вправо. Однако при маневрировании в мелководных районах гавани или подходного канала, когда у судна очень малый ход вперёд или же движение вперёд вообще отсутствует, влияние гидродинамических сил может иметь преобладающее значение. Если участок отмели находится с левого борта, тогда поток воды от гребного винта создаёт между отмелью и корпусом повышенное давление, что вызывает уклонение кормы вправо, вопреки обычной тенденции для кормы с винтом правого шага при работе машины на задний ход уклоняться влево.
Все перечисленные обстоятельства осложняют маневрирование судов в районах с малыми глубинами. Несвоевременный их учет может осложнить плавание и поставить судно в затруднительное положение. Поэтому при движении на мелководье, особенно в стеснённых условиях портов и рейдов, желательно знать рельеф дна, чтобы заблаговременно проанализировать его
37
влияние на судно и предвидеть, как оно будет себя вести на том или ином участке.
Степень влияния определяется относительной глубиной воды Н/Тср. Ограниченность глубины значительно влияет на сопротивление движению судна, существенно возрастают гидродинамические коэффициенты и присоединенные массы. Это влияние обусловлено тем, что изменяется характер волнообразования на свободной поверхности воды и изменяется структура потока, обтекающего корпус [9,10].
Если судно движется постоянным курсом, то при Fгн ≤ 0,6 изменение поперечной неинерционной гидродинамической силы и момента незначительно. При дальнейшем увеличении скорости происходит резкое изменение указанных сил, что ограждает изменение характера обтекания.
Относительное увеличение обобщенных присоединенных масс на мелководье слабо зависит от соотношения главных размеров судна и формы корпуса. По этой причине для определения присоединенных масс вводят коэффициенты
К 11 |
|
|
|
|
22 Н |
|
|
|
|
11Н |
; К 22 |
|
; К 66 |
|
|||||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
22 |
|
|
||||
|
11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
66 Н 66 Н
(58)
где: 11 ; 22 ; 66 - присоединенные массы по продольной оси Х, поперечной У и
присоединенный момент инерции на глубокой воде. С индексом «н» обозначены те же величины на мелководье.
Коэффициент сопротивления на мелководье можно определить по эмпирической формуле Гофмана [6]
К |
|
|
|
|
К |
|
|
М |
Н |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|
(1 0,044 |
0,34 F |
) |
2 |
||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Т |
|
rн |
|
|
|
|
|
ср |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
(59)
Поперечная гидродинамическая сила при поворотливости мало зависит от радиуса циркуляции и главным образом зависит от угла дрейфа. По этой причине поперечная гидродинамическая сила на мелководье близка по значению к поперечной силе при прямолинейном движении с соответствующим углом дрейфа. С учетом сказанного профессор Демин С.И. предложил эмпирическую формулу для приближенного учета влияния мелководья на позиционную поперечную составляющую гидродинамической силы.
|
|
|
КУ 1 2 /(Т ср / Н ). |
(60) |
|
На мелководье существенно уменьшается угол дрейфа на циркуляции. Это объясняется тем, что центробежная сила не зависит от глубины. Как следствие происходит уменьшение относительного падения скорости.
Указанные факторы в совокупности приводят к существенному изменению маневренных качеств судна – ухудшается управляемость и устойчивость.
38
Расчет элементов поворотливости будет производиться по формулам
|
Н / Т |
|
эр |
k |
|
|
; |
H / T |
|
эр |
k |
|
|
; D |
H / T |
D |
эр |
k |
|
; D |
H / T |
D |
эр |
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
1 |
|
1 |
|
|
1 |
|
2 |
|
2 |
|
|
2 |
T |
T |
|
D |
|
y |
|
у |
|
Dу |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
||
(61)
где:
k |
|
1 |
; k |
|
2 |
; k |
D |
; k |
D |
|
|
|
|
|
T |
|
Y |
- коэффициенты мелководья. Их значения определяются по
следующим формулам [5]
k |
|
|
1 |
k |
|
|
2 |
k |
D |
|
T |
k |
Dy |
|
1.55 1.81 (T / H ) 1.84 (T /
2.35 4.63 (T / H ) 4.84 (T
1.60 2.77 (T / H ) 3.51 (T
0.27 0.42 (T / H ) 2.09 (T
H ) |
2 |
; |
|
||
|
|
/H )2
/H )2
/H )2
;
;
(62)
Учитывая результаты моделирования и экспериментальных проверок, можно признать целесообразным создание специальной дополнительной информации по учёту влияния мелководья на инерционно-тормозные характеристики судна. При плавании на мелководье следует использовать имеющуюся на судне основную информацию, интерполируя значение выбега и тормозного пути между соседними графиками на фактическую скорость судна на мелководье.
2.6.Порядок выполнения натурных наблюдений
Целью проведения натурных испытаний является определение маневренных качеств вновь построенных судов.
При подготовке к испытаниям разрабатывают программу испытаний, а перед выходом в море устанавливают на судне приборы и устройства измерительно-регистрационного комплекса и подбирают испытательную партию.
Согласно с требованиями ИМО для натурных испытаний необходима акватория с глубиной, при которой не проявляется мелководье, свободная для маневрирования. Натурные наблюдение рекомендуется проводить при ветре до 3-х баллов.
При выполнении натурных испытаний используют следующие виды маневров: установившаяся циркуляция; пассивное торможение; активное торможение; разгон на переднем ходу; разгон на заднем ходу; прямая спираль; обратная спираль; симметричный зигзаг; несимметричный зигзаг.
При выполнении испытаний кроме замера кинематических характеристик выполняют траекторные измерения, причем, чем точнее траекторные измерения, тем достовернее будут результаты испытаний. Как показали проводимые натурные наблюдения, наиболее точным способом получения траектории является определение направления по оптическому пеленгатору, а расстояния по углу снижения плавающего ориентира с помощью секстана или
39
определения пеленга и расстояния плавающего ориентира по РЛС. Последнее время, после появления спутниковых систем, работающих в дифференциальном режиме, преимущественно используются такие системы, как обладающие высокой точностью. Однако при этом они не позволяют учесть действие неизвестного течения, которое существенно влияет на результаты определения. Порядок выполнения измерений достаточно подробно изложен в работах [2,4,7,9,10].
Из эксперимента установившаяся циркуляция, можно определить параметры циркуляции при различных углах перекладки и получить диаграмму управляемости.
Из эксперимента пассивного торможения, можно определить коэффициент сопротивления судна Кэ.
Из эксперимента активного сопротивления, можно определить силу упора винта Рэmax.
Прямая и обратная спираль позволяют построить диаграмму управляемости f ( ) и получить данные для оценки зоны неустойчивости. Симметричный и несимметричный зигзаг позволяют получить эксплуатационные и аварийные характеристики сдерживания поворота.
Характеристики разгона позволяют изучить поведение судна при маневрировании на ограниченной акватории.
2.7 Определение переходных коэффициентов.
2.7.1 Определение переходного коэффициента из эксперимента пассивного торможения
|
К |
|
|
К |
|
1.Производят расчет площади смоченной поверхности по формуле (9).
2.Производят расчет коэффициента сопротивления Красч по формуле (8).
3.Производят расчет коэффициента Кэ по формуле (10), переведя V0 в м/с.
4.Производят расчет переходного коэффициента по сопротивлению
|
|
|
|
К |
|
|
|
э |
К |
|
. |
|
расч |
||
|
|
|
2.7.2 Определение переходного коэффициента из эксперимента активного торможения
1.Производят расчет силы упора винта на швартовых Ршв по формуле (14).
2.Производят расчет коэффициента усиления упора винта Суу по формуле
(15).
3.Производят подбор значения коэффициента аэ методом итераций, в следующей последовательности. Принимают значение аэ =1 и рассчитывают
время торможения по формуле |
t |
m |
при этом Vн в м/с. После этого |
|
|||
K э *Vн |
рассчитывают разность t t tэ111 . Если t 0 , то аэ=1.
Если t 0 то это значит, что аэ>1. После этого принимают значение аэ=2 и
40
по формуле (23) рассчитывают значение времени. Процедуру подбора повторяют до тех пор, пока разница между расчетным и экспериментальным временем не будет меньше 1 секунды.
Если t 0 то это значит, что аэ<1. После этого принимают значение аэ=0.5 и по формуле (21) рассчитывают значение времени. Процедуру подбора повторяют до тех пор, пока разница между расчетным и экспериментальным временем не будет меньше 1 секунды. Обычно бывает достаточно пяти приближений.
4.Производят расчет экспериментального значения силы упора винта по формуле (17)
5. Производят расчет значения силы упора винта
Р |
расч |
|
мах |
||
|
по формуле
P |
расч |
P |
C |
|
|
|
|
|
|
мах |
шв |
|
YY |
|
.
|
p |
|
6. Производят расчет переходного коэффициента
P |
э |
/ P |
pаас |
|
|
||
max |
max . |
||
|
Р |
|
по формуле
2.7.3 Определение переходных коэффициентов параметров циркуляции
1.Производят расчет угла дифферента в градусах по формуле
|
T |
K |
T |
H |
57.3 |
|
|
||||
|
|
L |
|
||
|
|
|
|
|
2.Производят расчет фактора руля и
3.Производят расчет коэффициента
корпуса по формуле (49).K по формуле (50).
4.Производят расчет относительного удлинения руля по формуле (51)
5.Производят расчет площади пера руля без кронштейна по формуле
(52)
6. |
Производят расчет параметров циркуляции |
1 |
, 2 |
,DТ |
|
|
расч |
расч |
расч |
формулам (45-48)
7.Значения переходных коэффициентов определяются:
и DУрасч по
|
|
|
|
|
э |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
pасч |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
э |
|
|
|
2 |
||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
pасч |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
D |
э |
|
|
|
|
||
|
|
T |
||
|
|
|
||
D |
|
|
pасч |
|
T |
|
D |
||
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
; |
|
|
|
D |
э |
||
|
|
y |
|||
|
|
|
|||
Dy |
D |
pасч |
|||
|
|||||
|
|
y |
|
||
|
|
|
|
||
.
Если в задании результаты эксперимента не приведены, то переходные коэффициенты принимать равными единице. Если на судне 2 руля, то при расчете Sp% по формуле (52) значение Sp умножают на 2.
41
2.8. Расчет характеристик пассивного торможения
Расчет характеристик пассивного торможения рекомендуется производить в следующей последовательности (для заданного варианта режима движения и водоизмещения).
1.Производят расчет площади смоченной поверхности по формуле (9).
2.Производят расчет коэффициента сопротивления Красч по формуле (8).
3.Получают значение коэффициента сопротивления экспериментально-
расчетным способом по формуле
K |
эр |
K |
расч |
|
K |
|
|
|
.
4. Производят расчет пути, команды в метрах по формуле
пройденного
S |
I |
t |
I |
V |
|
0. |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
0 |
|
судном за время прохождения
514 .
и переводят его в кабельтовы (кбт): S I S I
185.2
5.Производят расчеты пути пассивного торможения в метрах по формуле
(7)через одну десятую отношения V0/V , переводят в кабельтовы и заносят полученные значения в табл.3.
При выполнении расчетов сохраняют два знака после запятой, а результаты в таблице округляют до одной десятой кбт. Все результаты расчетов должны быть приведены в работе подробно.
6.Производят расчет времени пассивного торможения в секундах и пути в
метрах по формуле (6) через одну десятую отношения V0 / V, результаты округляют до одной десятой секунды и заносят в табл.3.
7.Суммируют данные пути и времени I и II этапов.
8.По данным таблицы 3 строят графики V(t) и S(t) для всех режимов
(рис.17) и линейные графики в форме ИМО (рис.18).