Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ус экзамен / 31-40.docx
Скачиваний:
90
Добавлен:
08.02.2016
Размер:
1.1 Mб
Скачать

31.Что такое критическая скорость при плавании в стесненных условиях?

Критическая скорость.

Сопротивление воды движению судна условно делят на вязкостное и волновое. Влияние мелководья на скорость движения судна заключается в изменении как вязкостного, так и волнового сопротивлений.

Увеличение вязкостного сопротивления на мелководье связано с изменением поля вызванных скоростей. В разделе 11.1 были вкратце описаны причины увеличения скорости потока воды, огибающей корпус судна при движении на мелководье и в канале. А рост скоростного потока, естественно, приводит к росту вязкостного сопротивления.

Рост вязкостного сопротивления сильно зависит от соотношения глубины и осадки судна, что наглядно отражено на графике (рис.111.8), полученном на основании материалов испытаний модели судна.

Рис.10.8 Рост сопротивления судна

Здесь величина Rv / Rv оо - есть отношение вязкостных сопротивлений на мелководье и на глубокой воде соответственно.

Еще большее изменение при ограничении глубины претерпевает волновое сопротивление. Как уже упоминалось выше, движущееся судно создает вокруг себя систему поперечных волн и систему расходящихся волн в виде сектора. Из теории волн относительно малой амплитуды известно, что при равных скоростях распространения прогрессивных волн их длина λ на мелкой воде больше, чем на глубокой.

Зависимость между длиной волны от ее скоростью определяется следующим выражением:

Предельной скоростью распространения волн данного типа в условиях мелководья является критическая скорость Vкр, соответствующая числу Фруда по глубине FrH ≈ 1, м/с:

Из этого следует, что предельная длина волн данного типа на мелководье зависит от глубины:

(10.19)

Однако, скорость волн, создаваемых движущимся судном, зависит от скорости судна. И поскольку существует зависимость между длиной волны и ее скоростью, то задавая скорость расходящимся волнам судно тем самым задает им и длину.

Исходя из выражения (10.19) получается, что если глубина моря ограничивает предельную длину волн, то этим она задает предельно возможную скорость распространения волн.

По мере приближения скорости судна Vc к критическому значению Vкр (либо увеличение скорости судна, либо уменьшение глубины моря) длины расходящихся волн увеличиваются, что приводит к расширению волнового сектора. Расширяющийся сектор взволнованной поверхности требует все больших энергетических затрат на свое поддержание. И наконец, при Vc ≈ Vкр , когда угол фронта расходящихся волн носовой и кормовой групп с диаметральной плоскостью судна близок к 90о, происходит сложение поперечных и расходящихся систем волн, образуются две мощные поперечные волны, которые как бы запирают судно.

Поскольку волны достигли предельной длины (и соответственно, предельной скорости) и двигаться быстрее уже не могут, то дальнейшее увеличение мощности, передаваемой на винт, приводит лишь к увеличению амплитуды этих волн, но не дает увеличения скорости судна. Для преодоления этого барьера двигатель должен развить такую мощность, которая бы на глубокой воде соответствовала скорости судна на 5-6 узлов больше, чем эта Vкр.

Потерю скорости на мелководье (в %) при плавании в зоне докритических скоростей можно приближенно рассчитать по эмпирической формуле Демина [10.6]:

(10.20)

Значение должно получаться со знаком “минус”, если же получается положительное значение, то потерю скорости считают равной нулю.

После преодоления судном критической скорости поперечные волны им больше не создаются, и остаются лишь расходящиеся волны, что приводит к существенному уменьшению волнового сопротивления.

Мощная поперечная волна, образующаяся при достижении судном скорости, близкой к критической, не подчиняется теории волн относительно малой амплитуды, и скорость ее дальнейшего движения уже не зависит от скорости судна. Эта волна (“спутная волна”) может самостоятельно перемещаться на очень большие расстояния со скоростью, при которой она образовалась.

  1. Как влияет мелководье и стесненность судового хода на скорость, управляемость и инерционно-тормозные характеристики судна?

Влияние мелководья на скорость движения судна заключается в изменении как вязкостного, так и волнового сопротивлений.Увеличение вязкостного сопротивления на мелководье связано с изменением поля вызванных скоростей. В разделе 11.1 были вкратце описаны причины увеличения скорости потока воды, огибающей корпус судна при движении на мелководье и в канале. А рост скоростного потока, естественно, приводит к росту вязкостного сопротивления.

Рост вязкостного сопротивления сильно зависит от соотношения глубины и осадки судна. Еще большее изменение при ограничении глубины претерпевает волновое сопротивление. Как уже упоминалось выше, движущееся судно создает вокруг себя систему поперечных волн и систему расходящихся волн в виде сектора. Из теории волн относительно малой амплитуды известно, что при равных скоростях распространения прогрессивных волн их длина λна мелкой воде больше, чем на глубокой.

Зависимость между длиной волны от ее скоростью определяется следующим выражением:

Предельной скоростью распространения волн данного типа в условиях мелководья является критическая скорость Vкр, соответствующая числу Фруда по глубинеFrH ≈ 1, м/с:

Из этого следует, что предельная длина волн данного типа на мелководье зависит от глубины:

(10.19) Однако, скорость волн, создаваемых движущимся судном, зависит от скорости судна. И поскольку существует зависимость между длиной волны и ее скоростью, то задавая скорость расходящимся волнам судно тем самым задает им и длину.

Исходя из выражения (10.19) получается, что если глубина моря ограничивает предельную длину волн, то этим она задает предельно возможную скорость распространения волн.

По мере приближения скорости судна Vcк критическому значениюVкр(либо увеличение скорости судна, либо уменьшение глубины моря) длины расходящихся волн увеличиваются, что приводит к расширению волнового сектора. Расширяющийся сектор взволнованной поверхности требует все больших энергетических затрат на свое поддержание. И наконец, приVc ≈ Vкр , когда угол фронта расходящихся волн носовой и кормовой групп с диаметральной плоскостью судна близок к 90о, происходит сложение поперечных и расходящихся систем волн, образуются две мощные поперечные волны, которые как бы запирают судно.

Поскольку волны достигли предельной длины (и соответственно, предельной скорости) и двигаться быстрее уже не могут, то дальнейшее увеличение мощности, передаваемой на винт, приводит лишь к увеличению амплитуды этих волн, но не дает увеличения скорости судна. Для преодоления этого барьера двигатель должен развить такую мощность, которая бы на глубокой воде соответствовала скорости судна на 5-6 узлов больше, чем эта Vкр

Потерю скорости на мелководье (в %) при плавании в зоне докритических скоростей можно приближенно рассчитать по эмпирической формуле Демина [10.6]:

Значение должно получаться со знаком “минус”, если же получается положительное значение, то потерю скорости считают равной нулю.

После преодоления судном критической скорости поперечные волны им больше не создаются, и остаются лишь расходящиеся волны, что приводит к существенному уменьшению волнового сопротивления.

Управляемость и инерционные характеристики судна на мелководье и в узкости

Влияние мелководья на управляемость судна проявляется в снижении эффективности пера руля. Происходит это по следующим причинам. Как уже говорилось, движущееся судно имеет перепад давлений вдоль корпуса. В результате этого уровень воды в средней части пониженный, а в районе форштевня и ахтерштевня - повышенный. Перепад уровней воды в кормовой оконечности приводит к тому, что вода, перетекая от повышенного уровня к пониженному, образует попутный поток, скорость которого зависит от величины перепада уровней воды. При движении судна на мелководье перепад давлений (и как следствие - уровней воды) увеличивается по мере приближения скорости судна к ее критическому значению Vкр .

Вращающий момент, создаваемый пером руля, при всех прочих равных условиях зависит от скорости набегающего потока. Увеличение скорости попутного потока при выходе судна на мелководье снижает скорость набегающего на перо руля потока и, как следствие, снижает эффективность рулевого устройства.

Другим фактором, влияющим на управляемость, является то, что при выходе судна на мелководье для сохранения прежней скорости требуются большие энергетические затраты, чем на глубокой воде. Эта дополнительная энергия расходуется на то, что в процесс волнообразования вовлекаются дополнительные массы воды. Таким образом происходит увеличение кинетической энергии движущейся вместе с судном воды, а следовательно, и кинетической энергии системы “судно плюс присоединенные массы воды”.

Увеличение инерционности судна при падении эффективности пера руля приводит к ухудшению маневренных и тормозных характеристик судна.

Увеличение радиуса установившейся циркуляции на мелководье можно приблизительно определить из выражения:

(10.21) где Rоо - радиус установившейся циркуляции на глубокой воде.

Конечно, выражение (10.21) имеет больше информативное значение, чем практическое, т.к. обычно требуется информация об эволюционном периоде циркуляции. Однако, оценив величину изменения радиуса установившейся циркуляции, можно приближенно оценить и степень изменения эволюционного участка циркуляции.

При движении судна в узкости наблюдаются те же явления в поведении судна, что и на мелководье с неограниченной акваторией, только проявляется все это в более резкой форме.

33.Как проявляется гидродинамическое взаимодействие между судами при встречах и обгонах?

Взаимодействие судов при встречном расхождении схематично выглядит следующим образом:

I. Под влиянием областей повышенного давления обоих судов их носовые части будут стремиться отклониться в разные стороны.

II. Самый опасный момент в ситуации – массы воды от носовых оконечностей устремляются к области пониженного давления и увлекают за собой носовые части обоих судов.

III. В этой ситуации в узком пространстве между бортами скоростьVводы увеличивается, давление будет меньше, чем со стороны наружных бортов. Суда будут стремиться сблизиться бортами.

IV. В этой ситуации кормовые части будут находиться напротив областей пониженного давления и будут стремиться друг к другу.

V. Повышенное давление в кормовых оконечностях обоих судов будет их взаимно отталкивать, стремясь отвести друг от друга.

Такое взаимодействие судов проявляется сильнее при расхождении судов на больших скоростях и на малых расстояниях между ними. Большему влиянию подвергается меньшее из встречных судов.

Взаимодействие судов при обгоне схематически выглядит так:

I. Судно А приближается к судну Б. Когда носовая часть судна А приблизится к корме судна Б, тогда за счет разности давлений в оконечностях нос судна А и корма судна Б будут сближаться.

II. В этом случае наблюдается боковое смещение судов или присасывание вследствие того, что гидродинамические силы сохраняют свое направление, а точки их приложения смещаются ближе к миделю.

III. Судно А кормовой частью приблизилось к носовой части судна Б, за счет разности давлений в оконечностях нос судна Б и корма судна А будут стремиться сблизиться.

В целях безопасности расхождения судов на малых (траверзных) расстояниях рекомендуется снижать скорость движения, она должна быть не более . Необходимо также иметь расстояние между бортами судов не менееменьшего из судов (встречное расхождение) идля обгона.

Рис.10.10 Взаимодействие судов при обгоне

Взаимодействие судов между собой и стенками канала при обгоне схематически выглядит так:

I. При приближении обгоняющего судна А к траверзу кормы Б руль на Б перекладывают вправо, чтобы удержать судно Б от разворота в сторону обгоняющего.

II. Когда мидель обгоняющего судна А поравняется с кормой обгоняемого Б, перекладывают руль на Б на левый борт, чтобы удержать его корму от навала.

III. По завершению обгона судно Б может оказаться значительно правее прежнего пути. Для постепенного возвращения к оси канала руль следует поставить в ДП. Если после обгона судно Б будет очень близко к берегу, тогда, чтобы корма не навалилась на берег, руль перекладывают вправо, сохраняя движение к оси канала.

Рис.10.12 Влияние стенок канала при обгоне

Для расчета конкретных значений гидродинамической силы Yги моментаМг:

Yг = cykρV2(0,5L)2,Mг = cmkρV2(0,5L)2,

где cykиcmk– коэффициенты гидродинамической поперечной силы и ее момента.

34.Дрейф судна с остановленными двигателями.

При наличии ветра судно в данных обстоятельствах дрейфует с некоторой скоростью, направление которой в общем случае не совпадает с направлением действующего ветра.

При установившемся дрейфе аэродинамическая сила А уравновешивается гидродинамической силой R. Для равновесия судна по курсу необходимо, чтобы аэро- и гидродинамическая силы действовали в одной плоскости. При этом условии аэро- и гидродинамический моменты уравновешивают друг друга.

Указанному условию соответствуют положения судна носом или кормой строго против ветра, однако это случаи неустойчивого равновесия, так как при любом случайном отклонении ДП от данного направления возникает поперечная аэродинамическая сила, момент которой стремится развернуть судно еще больше от линии ветра. Одновременно возникает поперечная гидродинамическая сила, момент которой разворачивает судно в том же направлении, что и аэродинамический момент (рис. 75).

Действующие при свободном дрейфе силы и их моменты стремятся развернуть судно приблизительно лагом к ветру, следовательно, где-то вблизи этого направления и должно быть положение устойчивого равновесия. Данный вывод подтверждается опытом: суда в установившемся свободном дрейфе располагаются примерно лагом к ветру.

Аналитическое определение условий устойчивого свободного дрейфа выражается системой трех уравнений (6.1), которые для случая установившегося режима, т. е. при отсутствии инерционных сил, а также равенства нулю силы упора винта и силы на руле, имеют вид:

Rx = Ax

Ry = Ay (7.17)

MR = MA

Система (7.17) выражает условие равновесия аэро- и гидродинамических сил по осям X и Y, а также равновесие аэро- и гидродинамического моментов вокруг оси Z.

Продольная гидродинамическая сила Rx выражается зависимостью:

(7.18)

где Сx — коэффициент продольной гидродинамической силы, который для движения с углом дрейфа может быть получен по эмпирической формуле

Продольная аэродинамическая сила Ах выражается приближенной формулой:

Ax= 1.3QxW2cosqW(7.20)

где Qx — лобовая площадь парусности, м2.

Поперечную аэродинамическую силу (Н) можно рассчитать по формуле

(7.2)

где Саy- безмерный коэффициент аэродинамической силы, зависящий от формы надводной части судна и косового угла ветра

Саe=(0.8 ÷ 1.3)sinqW

Qy – боковая площадь парусности (площадь проекции надводной части на ДП) м2;

ρа – массовая плотность воздуха (ρа≈ 1,226 кг/м)

Плечо поперечной аэродинамической силы 1А относительно ЦТ можно определить по приближенной формуле:

где —относительное плечо аэродинамической силы, выраженное в долях длины корпуса ()

L —длина судна между перпендикулярами, м

ЦП - отстояние ЦП от ЦТ, м.Полученное выражение дает возможность для любого значения угла дрейфа «а» определить значение курсового угла ветра qW при котором обеспечивается равновесие сил по продольной и поперечной осям одновременно.

Второе условие устойчивого свободного дрейфа выражается равновесием аэро- и гидродинамического моментов относительно вертикальной оси, проходящей через ЦТ судна.

второе условие равновесия при свободном дрейфе

qw= 2(а0– 450+ 180 ℓцп) .(7.24)

Рис. 7.6. Положение судна при свободном дрейфе в зависимости от знака смещения ЦП от ЦТ

а) ЦП смещен в нос от ЦТ; б) ЦП смещен в нос от ЦТ

35.Плавание судов в условиях ветра. Гидродинамическая сила и ее момент.

Плавания судов в условиях ветра

Сила ветра оценивается в баллах по двенадцати балльной шкале.

Скорость ветра в судовых условиях измеряется над верхним мостиком с помощью анемометра. При этом измеряется так называемая кажущаяся скорость ветра W, вектор которой представляет собой разность двух векторов — вектора истинного ветра WИ и вектора скорости судна , т. е.

( 7.1)

Вектор кажущегося ветра, помимо скорости, характеризуется курсовым углом qW, т. е. углом между носовой частью ДП и кажущимся направлением ветра. За направление ветра принимается то, откуда дует ветер (ветер дует «в компас»).

Курсовые углы ветра измеряются от 0 до 180° вправо и влево от ДП (курсовые углы правого или левого борта).

Геометрический смысл формулы (7.1) характеризуется векторным треугольником.

Под влиянием движения судна вперед со скоростью V курсовой угол кажущегося ветра будет всегда меньше, чем истинного.

Гидродинамическая сила и ее момент.

Поперечная аэродинамическая сила Ау создает боковое перемещение судна - дрейф со скоростью Vy, в результате чего корпус судна движется с углом дрейфа «а». В этих условиях корпус судна испытывает сопротивление со стороны воды в виде гидродинамической силы R, имеющей поперечную составляющую Rv.

Подводная часть судна характеризуется площадью проекции погруженной части на ДП. Эту площадь Sy для приближенных оценок можно принимать равной произведению длины судна между перпендикулярами на среднюю осадку:

Sy = L*dСР

При движении судна лагом, когда а=90°, точка приложения силы реакции воды (гидродинамической силы R) носит название центра бокового сопротивления (ЦБС).

Приближенно можно считать, что ЦБС совпадает с центром площади проекции погруженной части судна на ДП, а по длине судна практически совпадает с ЦТ.

При посадке судна на ровный киль ЦБС, как и ЦТ, примерно совпадает с мидель-шпангоутом

Если угол дрейфа не равен 90°, то точка приложения гидродинамической силы смещается по ДП в направлении движения, т. е. навстречу набегающему потоку воды. Если угол дрейфа меньше 90°, то точка приложения смещается от ЦБС в сторону носа, а при угле дрейфа более 90° -в сторону кормы, т.е. смещение точки приложения гидродинамической силы имеет ту же закономерность, что и для аэродинамической. Однако величина смещения точки приложения гидродинамической силы примерно в 2 раза больше, чем аэродинамической при одинаковых углах атаки (a=qw), что объясняется более совершенными обводами подводной части и, следовательно, более выраженным проявлением свойств крыла.

Плечо поперечной гидродинамической силы относительно ЦТ можно приближенно рассчитывать по формуле:

R = 0.5 + где R - относительное плечо поперечной гидродинамической силы, выраженное в долях длины корпуса;

ЦБС отстояние ЦБС от ЦТ, м.

В соответствии с формулой (7.4) точка приложения гидродинамической силы имеет максимальное смещение при углах дрейфа, близких к 0 и 180°, когда это смещение достигает ±0,5L, т. е. точка приложения приближается к носовому или кормовому перпендикуляру.

Угол дрейфа, близкий к 180°, судно может иметь при движении назад.

Рис. 7.3, Силы, действующие на судно при движении с углом дрейфа

Поперечная составляющая гидродинамической силы Ry создает гидродинамический момент MR относительно вертикальной оси, проходящей через ЦТ судна,

MR=RW1R .(7.5)

Поперечная гидродинамическая сила Ry в (Н) рассчитывается по формуле':

RY = CYSYV2 (9.6)

где ρ – массовая плотность забортной воды, кг/м3;

SY – площадь проекции подводной части корпуса судна на ДП, м2;

Соседние файлы в папке ус экзамен