Расчет моментов гидродинамических сил, действующих на корпуса судов при расхождении в канале. Методические рекомендации

2.2Воздействие сил и моментов на корпус судна в двух ситуациях. . . . . 9

2.3Расчет влияния скорости судна на безопасное отклонение его от оси

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Приложение 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Приложение 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3

1. ПРЕДИСЛОВИЕ

Практические занятия — одна из форм учебного занятия, направленная на развитие самостоятельности учащихся и приобретение умений и навыков.

Данные учебные занятия углубляют, расширяют, детализируют полученные на лекции знания. Практическое занятие предполагает выполнение студентами по заданию и под руководством преподавателей одной или нескольких практиче-

ских работ.

Порядок проведения практического занятия:

1. Вводная часть:

-сообщение темы и цели занятия;

-актуализация теоретических знаний, необходимых для работы с обору-

дованием, осуществления эксперимента или другой практической деятельно-

сти.

2. Основная часть:

- разработка алгоритма проведения эксперимента или другой практиче-

ской деятельности;

-проведение инструктажа;

-ознакомление со способами фиксации полученных результатов;

-проведение экспериментов или практических работ.

3. Заключительная часть:

-обобщение и систематизация полученных результатов;

-подведение итогов практического занятия и оценка работы студентов.

Авторы уверены, что данные методические указания помогут студентам сэкономить время в процессе работы, избежать ошибок в оформлении резуль-

татов занятия, грамотно доложить суть своей работы.

Авторы искренне благодарны рецензентам: кандидату технических наук,

доценту Мокерову Л.Ф., доценту Деренкову Л.Е. за ценные замечания и реко-

мендации в ходе работы над методическими рекомендациями.

4

2.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Для выполнения расчетов по теме практического занятия студенты должны владеть твердыми знаниями по сущности гидродинамических явле-

ний, возникающих при движении судна в ограниченном фарватере (в дан-

ном случае — в канале).

Судоводитель не знающий природу этих сил –потенциально опасен при управлении судном и не имеет права находиться на мостике.

Ниже приводится минимум теоретических положений по данному вопро-

су.

2.1 Моменты и силы, действующие на корпус судна

Морское судно — сложное инженерное сооружение, предназначенное для плавания по речным и морским путям. При движении корпус судна взаи-

модействует с границами двух сред — воды и воздуха и подвергается воздей-

ствию гидродинамических и аэродинамических сил.

При управлении судном приходится учитывать его характеристики: дли-

ну, осадку, ширину, форму и размеры надводной и подводной частей, наличие и особенности средств управления судном.

Глубина водоема и осадка судна оказывают основное влияние на управ-

ление судном, так как при маневрировании на мелкой воде, возникают силы гидродинамического взаимодействия, которые существенно влияют на харак-

тер поведения судна, как объекта управления. Воздействие гидродинамических

иаэродинамических сил, делает процесс маневрирования судна очень сложным

итребует от судоводителя обширных познаний.

Особенно сложно управление судном в условиях ограниченного фарвате-

ра, например в судоходном канале. Перед тем, как говорить о силах и момен-

тах, действующих на корпус судна, рассмотрим средства управления и их ха-

рактеристики.

Все средства управления на судах делятся на две основные группы:

5

1)Главные средства управления;

2)Вспомогательные средства управления.

В свою очередь они делятся на:

1) Механизмы (устройства), управляющие движением судна — разгоном,

торможением. Проще говоря, заставляющие судно двигаться вперёд и назад.

2)Механизмы (устройства) управляющие угловым движением — курсом

иугловой скоростью.

Главным образом, интерес представляет рабочие органы устройств. Для главных движительных устройств такими органами на морских и речных транспортных судах чаще всего бывают винты фиксированного или регулируе-

мого шага, а для рулевых устройств — перо руля.

Гребной винт представляет собой систему лопастей и создает силу упора,

которая зависит от частоты вращения винта и его геометрических характери-

стик. Существенное влияние на силу упора оказывает взаимодействие винта с корпусом судна. Силу упора без учёта такого взаимодействия называют упором изолированного винта, а с учетом взаимодействия — тягой.

Руль (перо руля) представляет собой вертикальное крыло в корме судна,

проворачивающееся с помощью баллера. При движении судна, при отклонен-

ном от диаметральной плоскости руле и при движении в потоке воды возника-

ет поперечная сила, создающая момент относительно вертикальной оси, про-

ходящей через центр тяжести судна. Данная сила равна квадрату скорости по-

тока воды, обтекающей перо руля и зависит от геометрических характеристик руля. Ее еще называют рулевой силой.

Теоретические расчёты сил, моментов возникающих на корпусе судна,

сложны и занимают много времени. Поэтому они редко используются на прак-

тике. Но есть общие закономерности, знание которых обязательно в повседнев-

ной работе судоводителя.

6

Далее рассмотрим силы и моменты, действующие на судно в процессе управления.

Все силы, действующие на судно делятся на три группы:

1.Движущие;

2.Внешние;

3.Реактивные.

К движущим силам относят силы, создаваемые средствами управления судна. К ним относятся боковая сила руля, силы создаваемые средствами ак-

тивного управления (САУ) и упор гребного винта.

К внешним силам относят силы природного характера, волнение моря,

давление ветра, течение.

К реактивным силам относят силы и моменты, возникающие при воздей-

ствии на судно движущих и внешних сил. Реактивные силы зависят от линей-

ных и угловых скоростей.

Реактивные силы делятся на два типа:

1) Инерционные силы и моменты. Обусловлены инертностью судна и присоединенных масс жидкости. Данные силы возникают только при наличии линейного, углового, центростремительного ускорений. Инерционная сила все-

гда направлена в сторону противоположную ускорению. Если судно двигается равномерно и прямолинейно, инерционной силы не будет.

2) Неинерционные силы и их моменты обусловлены вязкостью воды за бортом. Являются гидродинамическими силами и моментами. Их принято под-

разделять по характеру движения судна, при котором они возникают, позици-

онные и демпфирующие.

О позиционных силах и моментах, можно сказать, что они действуют на судно при прямолинейном движении судна с углом дрейфа.

Демпфирующие силы и моменты — это добавочные силы и моменты,

обусловленные вращением судна вокруг вертикальной оси.

8

Общий случай движения судна описывается системой из трёх дифферен-

циальных уравнений движения: двух уравнений сил — продольной Х и попе-

речной Y осям и уравнение моментов вокруг оси Z.

(1)

В левых частях этой системы стоят инерционные силы и моменты: в пер-

вых двух — соответствующие проекции силы инерции и центробежной силы, а

в третьем уравнении — инерционный момент относительно вертикальной оси.

В правых частях уравнений находятся неинерционные силы и моменты, кото-

рые записаны в общем виде. Первое уравнение системы характеризует движе-

ние судна по оси Х при разгоне и торможении. Его решение позволит оценить инерционно-тормозные характеристики судов.Второе уравнение позволяет по-

лучить зависимости для дрейфа судна на циркуляции и под воздействием ветра.

Решение третьего уравнения используется при оценке управляемости судна.

Данная система не может быть проинтегрирована до конца, так как все неинерционные силы и моменты входящие в систему, выражаются нелинейны-

ми зависимостями от поступательной и угловой скоростей.

9

Однако с помощью ЭВМ для моделирования движения судна при манев-

рировании, система может решаться числовыми методами.

2.2 Воздействие сил и моментов на корпус судна в двух ситуациях

А) Расхождение судов При расхождении двух судов, на их корпуса действуют дополнитель-

ные внешние силы, обусловленные гидродинамическим воздействием кор-

пусов. Под влиянием этих сил, суда могут терять управляемость и создавать опасную ситуацию.

В зависимости от сочетания различных факторов и взаимного положения судов, возникающие при гидродинамическом контакте, на корпусах судов по-

перечные силы Y(г) и моменты М(г) могут менять свой знак и может происхо-

дить не только «притяжение», но и «расталкивание» судов. Поперечная сила

Y(г) положительна по знаку, если она направлена в сторону борта встречного или обгоняемого судна. Момент зарыскивания М(г) считается положительным по знаку, если он стремится развернуть носовую оконечность рассматриваемо-

го судна в сторону борта встречного или обгоняемого судна.

В гидромеханике известно, что в идеальной жидкости вдоль линии потока действует закон сохранения энергии, который записывается в виде уравнения Бер-

нулли:

v — скорость потока,

h — высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,

p — давление в точке пространства, где расположен центр массы рас-

сматриваемого элемента жидкости,

g — ускорение свободного падения.

Представим, два одинаковых судна движутся в идеальной (невязкой) жид-

кости параллельно и с одинаковыми скоростями при ограниченном расстоянии между бортами (рис. 2). Этот случай гидромеханически равносилен случаю обра-

10