Исследование управляемости судов в условиях ветра и волнения

Безопасность плавания судна в штормовых условиях во многом зависит от способности судна маневрировать и двигаться заданным курсом. Как показывает морская практика, при движении в условиях ветра и волнения судно может потерять управляемость. Потеря управляемости проявляется в том, что судно с переложенным на максимальный угол рулем не может совершить полную циркуляцию, а становится под некоторым углом к ветру и волнению и движется практически прямолинейно с большим углом дрейфа. Движение судна оказывается возможным только в ограниченных диапазонах углов встречи с волной [29], [38], [40], [58], [59], [62].

Потеря управляемости наиболее вероятна при малых скоростях хода (не более 10 уз). При увеличении скорости хода способность судна маневрировать повышается [38], [40]. Однако, обеспечение управляемости за счет увеличения скорости хода не всегда является возможным. Если в открытом море можно увеличить скорость или двигаться в заданном направлении галсами, то при движении в узкостях необходимо двигаться малыми ходами по заданному фарватеру. Для подводных лодок скорость движения которых в надводном положении не больше 10 — 12 уз, потеря управляемости при интенсивности волнения более 5−6 баллов является достаточно типичным явлением [14], [15], [31].

Задачу обеспечения безопасности плавания в штормовых условиях (с точки зрения управляемости) можно разбить на следующие задачи:

— разработка методики прогнозирования маневренных качеств судна в условиях ветра и волнения и построение диаграмм, позволяющих судоводителю определить скорость хода и диапазон курсовых углов к волне, при которых судно может двигаться, сохраняя управляемость. Имея на борту такую информацию, судоводитель может оценить возможности судна при движении к заданной точке маршрута и построить наилучшую траекторию своего движения, а в случае невозможности такого движения принять решение о штормовом отстое;

— разработка конструктивных мероприятий по обеспечению управляемости судна в условиях ветра и волнения. Как показывает опыт исследований, выполненных в обеспечение проектирования судов различных классов, все мероприятия, направленные на улучшение управляемости (поворотливости) судна на тихой воде, такие как увеличение площади руля или установка на судне рулей повышенной эффективности, одновременно приводит к улучшению характеристик управляемости судна в условиях ветра и волнения. В практике проектирования судов и кораблей существует правило, что для обеспечения управляемости судна площадь руля должна составлять 1,5 — 2,0% от площади диаметральной плоскости подводной части корпуса судна. Было бы полезным отработать рекомендации по увеличению указанной величины в зависимости от скорости хода и интенсивности морского волнения, при которых должна сохраняться управляемость.

Указанные задачи наилучшим образом могут быть решены методом математического моделирования движения судна, поскольку при этом может быть учтено воздействие на судно ветра и волнения, а также различные режимы работы средств активного управления движением.

Исходные данные для математической модели, включая гидродинамические и аэродинамические характеристики судна, а также средние значения волновых сил наиболее достоверно определяются в результате модельных испытаний.

Основным препятствием на пути исследования характеристик управляемости судна в штормовых условиях методом прямого физического моделирования является практическая невозможность моделирования в условиях опытового бассейна ветра в относительно большой акватории, достаточной для циркуляции модели с небольшим углом перекладки руля. Имеющиеся в мореходных и шельфовых бассейнах воздуходувки используются, главным образом, при исследовании динамики объектов, работающих в режиме динамического позиционирования или стоящих на якорях.

Вместе с тем, даже в отсутствии возможности моделирования ветра, метод прямого физического моделирования целесообразно использовать для оперативной, качественной оценки особенностей управления движением судов в условиях волнения. Что касается подводных лодок, имеющих в надводном положении сравнительно небольшую парусность, то для них метод прямого физического моделирования может дать также достаточно достоверную и количественную оценку характеристик управляемости в условиях волнения.

Однако методология физического моделирования требует существенной доработки, связанной со следующими обстоятельствами. При наличии в маневренно-мореходном бассейне волнопродуктора нерегулярного волнения, обеспечивающего моделирование реального морского волнения, для оценки возможности выполнения судном того или иного маневра, необходимо выполнить достаточно большое число опытов. Это объясняется необходимостью набора статистики, поскольку время маневра оказывается значительно меньше времени реализации, достаточной для идентификации нерегулярного волнения заданной интенсивности.

Чтобы уменьшить число опытов, испытания лучше проводить на регулярном волнении, эквивалентном с точки зрения средних значений волновых сил и момента нерегулярному волнению заданного спектра.

Задача определения эквивалентного регулярного волнения может быть решена только при известной структурной зависимости сил и момента волнового дрейфа от параметров судна. Также необходимо использование математической модели движения судна в условиях ветра и волнения, с использованием которой можно выполнить сопоставительные расчеты для нерегулярного и регулярного волнения.

До последнего времени при определении параметров эквивалентного регулярного волнения считалось, что высота регулярной волны должна равняться высоте 3% обеспеченности нерегулярного волнения, а длина регулярной волны равняться средней длине волны спектра. Часть авторов, стремясь получить более оптимистический результат, считали, что надо брать высоту не 3%, а 20% обеспеченности. Однако в обоих случаях получалось, что с увеличением интенсивности волнения моря управляемость судна улучшается, что противоречит морской практике. Таким образом задача определения параметров эквивалентного регулярного волнения до настоящего времени является нерешенной.

Математические модели движения судна на тихой воде, а также в условиях ветра, представлены в ряде работ [13], [28], [43], [60], [63]. Для описания движения судна в условиях волнения их необходимо дополнить выражениями для средних составляющих волновых сил и момента. Существующие экспериментальные данные [10], [12], [23] позволяют определить (или пересчитать с прототипа) средние значения поперечной (боковой) волновой силы и волнового момента только для неподвижного судна (как правило, для добывающих судов и буровых платформ [11], [35], [57]), из-за чего эти величины исторически получили название сил и момента волнового дрейфа.

Даже в относительно свежих публикациях (как отечественных [7], [23], [26], [103], так и зарубежных [84], [85], [86], [87], [104]) посвященных вопросам управляемости, констатируется тот факт, что на данный момент, нет методики расчета волновых сил действующих на судно, маневрирующее в штормовых условиях.

Попытки использования таких данных по волновым силам (не учитывающих скорость хода судна) в математических моделях движения маневрирующего судна показали существенное несоответствие результатов математического моделирования и результатов натурных и модельных испытаний [68], [69], [70], [79].

Очевидно, что причиной указанного несоответствия является отсутствие в структурных выражениях для сил и момента волнового дрейфа зависимости от скорости движения (точнее от кинематических параметров) судна и направления его движения по отношению к волне.

Таким образом, первоочередной задачей исследования особенностей движения судна в условиях волнения является задача определения сил и момента волнового дрейфа, действующих на маневрирующее судно.

С учетом сказанного, целью диссертационной работы было решение следующих задач:

— разработка расчетно-экспериментального метода определения сил и момента волнового дрейфа, действующих на маневрирующее судно;

— определение структурных выражений для сил и момента волнового дрейфа в зависимости от параметров волнения и кинематических параметров судна;

— определение зависимости коэффициентов структурных выражений для сил и момента волнового дрейфа от геометрических характеристик судна, и, в результате, разработка расчетной методики определения этих сил;

— разработка требований к математической модели движения судна в условиях ветра и волнения, для достоверного моделирования;

— разработка методики определения параметров регулярного волнения, эквивалентного с точки зрения сил волнового дрейфа нерегулярному волнению заданного спектра, для исследования управляемости судна в условиях волнения в маневренно-мореходных бассейнах, не имеющих волнопродукторов нерегулярного волнения;

— разработка методики определения характеристик управляемости судна в штормовых условиях (с использованием математической модели движения) и представление результатов в виде, удобном для использования судоводителем;

— разработка рекомендаций, направленных на улучшение управляемости судна в условиях ветра и волнения.

Заключение

.

В результате выполнения диссертационной работы получены елеs дующие новые научные и практические результаты:

1. Установлено, что средние значения волновых сил и момента (силы волнового дрейфа), существенно зависят от скорости движения судна. Использование при математическом моделировании движения судна в условиях волнения значений сил и момента волнового дрейфа, определенных для неподвижного судна, как это делалось до последнего времени, приводит к существенным ошибкам при определении траектории движения судна.

2. Предложена структурная зависимость сил и моментов волнового дрейфа от параметров волнения, скорости и направления движения судна.

3. Разработана методика определения коэффициентов структурных зависимостей для сил и момента волнового дрейфа на основании результатов испытаний автономных самоходных моделей в ма-невренно-мореходном бассейне на регулярном волнении.

4. Получены эмпирические формулы для расчета коэффициентов структурных выражений для сил и момента волнового дрейфа с использованием основных геометрических характеристик судна.

5. Определены длина и высота волны регулярного волнения, эквивалентного с точки зрения сил и момента волнового дрейфа нерегулярному волнению заданного спектра, что позволяет оценить управляемость судна в условиях волнения в результате прямого физического моделирования в маневренно-мореходных бассейнах, не имеющих волнопродукторов нерегулярного волнения.

6. Рекомендовано при выборе руля (тип, площадь, профиль) использовать результаты моделирования движения судна на волнении, поскольку, например, небольшое увеличение площади руля (всего на 15% ч- 20%) или использования руля с нетрадиционным профилем (но эффективнее чем руль с профилем NACA той же площади) может привести к существенному улучшению характеристик управляемости судна в штормовых условиях.