Расчетное исследование управляемости и элементов мореходности судов в условиях воздействия течения, ветра и волнения

Роль расчетных методов исследования мореходных качеств судов, которые всегда были одним из важнейших инструментов теории корабля, в современных условиях становится еще более весомой. Это обусловлено постоянной потребностью повышения точности прогнозирования и качества нормирования мореходных качеств в интересах обеспечения надлежащих эксплуатационных характеристик и безопасности мореплавания. Как отмечается, например, в [17], причиной ряда аварий является несовершенство отдельных требований по выбору проектных решений, обеспечивающих необходимый уровень мореходных качеств. Авторы указывают, что разработка и уточнение необходимых требований должно базироваться на основе динамики нелинейных механических систем, что однозначно указывает на необходимость совершенствования существующих и создание новых расчетных подходов в инструментарии теории корабля. В этой связи воздействие на судно основных видов гидрометеорологических возмущений — течений, ветра и волнения — также нуждаются в уточнении на основе новых расчетных подходов, учитывающих реальные условия плавания. Эти обстоятельства и определяют актуальность выбранной темы исследования.

Указанные задачи наилучшим образом могут быть решены с использованием метода имитационного математического моделирования, под которым обычно понимают численное интегрирование дифференциальных уравнений движения динамической системы во временной области (в отличие, например, от качки корабля, где уравнения движения интегрируются в частотной области). При таком подходе легко могут быть учтены любые формы нелинейности объекта, воздействия произвольных внешних возмущений, а также различные режимы работы средств активного управления движением. В соответствии с существующей практикой теории корабля [42], исходные данные для математической модели, включая гидродинамические и аэродинамические характеристики судна, а также средние значения волновых сил предполагается определять в результате модельных испытаний.

Физический эксперимент в настоящее время считается наиболее достоверным способом оценки, как отдельных категорий гидродинамических реакций, так и динамических свойств судна в целом. Однако, например, исследование управляемости судна в штормовых условиях методом прямого физического моделирования практически невозможно из-за сложности моделирования ветра в условиях опытовых бассейнов и недостаточности их площадей для реализации характерных траекторий движения.

Обращение к расчетному анализу существенно нелинейных динамических систем заметно меняет содержательную сторону исследований. Если изучение линейных математических моделей по определению приводит к некоторым общим свойствам, отвечающим классу рассматриваемых систем, то для нелинейных объектов подобная общность свойств отсутствует. Это означает, что расчетное исследование нелинейной динамической системы носит характер вычислительного эксперимента, результаты которого имеют локальное значение.

Указанное обстоятельство является важнейшей особенностью имитационного моделирования: отдельно взятый расчета реализует частный вариант движения объекта с конкретными начальными условиями, внешними возмущениями и управляющими воздействиями. Получение некоторых обобщающих результатов для любой динамической системы требует обследования значительного количества частных случаев. По этой причине не всегда возможно получение исчерпывающих оценок динамических явлений даже для единичного судна. Между тем и на частных расчетных примерах в ряде случаев удается выявить влияние индивидуальных особенностей объектов на динамику их плавания в условиях воздействия гидрометеорологических возмущений.

Принимая во внимание тенденции развития расчетных методов исследования управляемости [42] и качки [57, 17], можно заключить, что дальнейшее совершенствование мореходных и эксплуатационных качеств судов диктует необходимость комплексного исследования маневренности и мореходности. Это, в свою очередь, требует разработки программного обеспечения, реализующего основные динамические эффекты, сопутствующие пространственному движению маневрирующего судна по взволнованной поверхности моря.

Рис. 1. Расчет движения крейсера ВМС США типа «Тикондерога» на встречном волнении.

Подобный подход к расчетному исследованию управляемости и мореходности сегодня становится общепринятым. В качестве примера, на рис. 1 [31] (сайт www.Ship.SAIC.com) представлена визуализация результатов расчета движения крейсера ВМС США типа «Тикондерога» на встречном волнении. В расчете реализуется плоское движение без учета рыскания и крена. Это следует из симметрии взволнованной свободной поверхности относительно диаметральной плоскости корабля. Фотографии слева позволяют судить о соотношении расчетных и реальных явлений, соответствующих рассматриваемому процессу плавания.

Работы по созданию подобных компьютерных программ в интересах гражданского судостроения ведутся и в СПбГМТУ. Создание программных средств имитационного моделирования пространственного движения судов требует значительного времени и усилий для всестороннего тестирования нового математического обеспечения на разнообразных практических задачах, в ходе решения которых должны быть выявлены и соответствие получаемых решений имеющемуся опыту, и недостатки используемых расчетных схем.

В связи с вышеизложенным, цель настоящего исследования состоит в расчетной оценке показателей управляемости и элементов мореходности судов в процессе их движения под воздействии течения, ветра и волнения, максимально приближенного к реальным условиям плавания, т. е. с учетом пространственного характера траекторий, переменной во времени посадке, асимметрии погруженного объема корпуса и взволнованной свободной поверхности. Наличие указанных расчетных результатов позволит оценить работоспособность создаваемого программного обеспечения и перспективность его дальнейшего совершенствования с позиций новизны информации о динамических качествах судов.

В соответствии с указанной целью работы, на защиту выносятся:

— рекомендации по учету воздействия течения на траекторию судна при прогнозировании его маневрирования с целью расхождения с навигационными препятствиями;

— уточнения к существующим рекомендациям по учету воздействия ветра на элементы циркуляции судов;

— рекомендации по обеспечению учета влияния нестационарности движения судна на параметры бортовой и продольной качки;

— оценки комбинированного воздействия волнения и порывов ветра на параметры бортовой качки судов;

— оценки последствий воздействия шквалов ураганного ветра на динамику плавания судов в штормовых условиях.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников. В первой главе формулируются требования к математической модели движения судна, обеспечивающие решение задач, поставленных в диссертации. Там же приводятся основные характеристики 5-ти судов, рассматриваемых в дальнейших расчетах. Во второй главе рассматривается влияние прямолинейного течения на маневренные характеристики судов. В третьей главе исследуется влияние ветра на показатели управляемости судов. В четвертой главе анализируется воздействие волнения на маневрирующее судно. В пятой главе рассматривается воздействие порывов и шквалов ураганного ветра на судно, плавающее в штормовых условиях. В заключении сформулированы основные выводы по результатам работы.

Результаты исследования влияния течения на циркулирующее судно интересны характером воздействия дополнительных инерционных реакций на траекторные параметры. На рис. 2.1 представлены расчетные траектории центра масс (ЦМ) спасательного судна, движущегося со скоростью 3 узла и совершающего левый поворот на 90 градусов на тихой воде и на попутном течении со скоростью 1 узел. Расчеты на течении выполнены без учета и с учетом дополнительных инерционных реакций. Видно, что дополнительные инерционные силы и моменты в рассматриваемом случае уменьшают снос судна по течению. При этом заметно изменяется картина поведения во времени курсового угла и дрейфа.

На встречном течении дополнительные реакции, как это видно из графика на рис. 2.2, также уменьшают снос судна в направлении действия течения. Если судно в исходном состоянии (до поворота) расположено лагом к течению, то при повороте по течению (начальное воздействие в правый борт) под влиянием дополнительных реакций существенно снижается скорость поворота, увеличивается выдвиг, уменьшается прямое смещение (рис. 2.3).

— 250.

— 200.

— 100.

— 50.

— С. М ¦

1 / / у «> / у / / у) См.

У.

— - Расчет поворота на тихой воде — Течение в правый борт, расчет без учета доп. реакций.

— - Течение в правый борт, расчет с полным учетом доп. реакций — Течение в левый борт, расчет без учета доп. реакций.

— - Течение в левый борт, расчет с полным учетом доп. реакций.

Рис. 2.3. Сравнение расчетных траекторий движения спасательного судна со скоростью 3 узла на лаговом течении в один узел, полученных без учета и с учетом дополнительных инерционных реакций.

При повороте против течения (рис. 2.3, начальное воздействие в левый борт) дополнительные инерционные реакции уменьшают обратное смещение и выдвиг. Причем выдвиг получается меньше, чем при циркуляции на тихой воде. Подчеркнем, что в обсуждаемых вариантах расчетов на течении продольная составляющая скорости хода (относительно дна) автоматически поддерживалась постоянной и равной исходной величине 3 узла.

Отмеченные эффекты тем сильнее, чем больше отношение скорости течения к скорости хода судна (в приведенных примерах это отношение составляет 0,333). Наличие этих эффектов указывает на то, что учет течения как «простого сноса» при прогнозировании маневра расхождения с препятствием может давать ошибки и в безопасную, и в опасную сторону, что чревато негативными последствиями. В первую очередь это относится к маневрированию на малых скоростях, характерных при прохождении узкостей, проливов, устьев рек, каналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненное расчетное исследование управляемости и элементов мореходности судов в условиях воздействия течения, ветра и волнения позволяет сформулировать следующие выводы.

1. Имитационное моделирование пространственного движения судна под воздействием гидрометеорологических возмущающих факторов дает возможность выявить целый ряд существенных эффектов, ненаблюдаемых при использовании теоретических или расчетных подходов, оперирующих усеченными по вектору состояния или линеаризованными математическими моделями.

2. При оценке воздействия течения на параметры криволинейного движения судов в условиях стесненного фарватера или при расхождении с навигационным препятствием следует использовать математическую модель течения с полным учетом дополнительных инерционных реакций, возникающих вследствие различия составляющих скоростей движения судна относительно земли и относительно жидкости.

3. Уровень воздействия течения на параметры циркуляции существенно превышает точность их определения по данным натурных испытаний даже на значительных скоростях хода судов, что чревато негативными последствиями при прогнозировании маневров расхождения с навигационными препятствиями. Условия маневрирования на течении, при которых все параметры циркуляции искажаются в безопасную сторону, практически отсутствуют.

4. Характер воздействия течения на параметры циркуляции, имея некоторые общие черты, в существенной мере связан с характеристиками конкретного судна и по этой причине не может быть вписан в рамки универсальных инструкций и рекомендаций.

5. Для всех рассмотренных судов при отношении скорости ветра к скорости хода более 2-х изменение времени маневра, выдвига и прямого смещения выходит за рамки допустимой точности их определения по данным натурных испытанийс уменьшением скорости хода судна указанные изменения могут достигать 20-ти и более процентов в опасную сторону. Это указывает на возможность серьезных ошибок при прогнозировании действий судоводителя в условиях насыщенного судоходства или сложных фарватеров. Последнее обстоятельство заставляет с осторожностью относиться к результатам и рекомендациям, выдаваемым системами автоматизированной радиолокационной прокладки и бортовыми системами информационной поддержки, если в них отсутствуют алгоритмы учета воздействия ветра или эти алгоритмы имеют слишком упрощенную структуру.

6. Воздействие ветра зависит от архитектуры надстроек и отношения к = Ув/УоНаиболее сильное влияние ветра испытывают суда с надстройками в оконечностях или распределенными по всей длине, что обусловлено относительно большими значениями аэродинамического момента рыскания. В целом это означает, что наличие некоторых общих рекомендаций по управлению судами в условиях воздействия ветра может оказаться недостаточным для принятия решений, обеспечивающих безопасность плавания.

7. Как показали выполненные расчеты, применительно ко всем рассмотренным судам можно заключить, что на малой скорости хода безопаснее отворачивать от навигационного препятствия навстречу ветру, что несколько уменьшает вероятность значительных ошибок в прогнозе траектории судна.

8. При оценке бортовой качки судна на циркуляции путем ее расчетов для прямолинейного движения с различными курсовыми углами следует учитывать установившееся значение угла крена, которое может быть заимствовано из оценок поворотливости на тихой воде. Так как возникающий на циркуляции судна крен носит детерминированный характер, это может явиться причиной некорректности статистической обработки результатов бортовой качки на нерегулярном волнении;

9. Нестационарность движения судна, связанная с интенсивным изменением углов дрейфа, крена и угловой скорости зарыскивания при входе и выходе из циркуляции, способна оказывать существенное влияние на параметры бортовых колебаний судна. Пренебрежение этим влиянием при оценке бортовой качки судна на циркуляции путем ее расчетов для прямолинейного движения с различными курсовыми углами приводит к ошибкам в опасную сторону.

Ю.Падение скорости хода судна на циркуляции оказывает заметное влияние на параметры бортовой качки, однако пренебрежение этим фактором при оценке бортовой качки судна на циркуляции путем ее расчетов для прямолинейного движения с различными курсовыми углами вызывает ошибки в безопасную сторону. Результаты расчетов указывают на то, что взаимное влияние нестационарности отдельных видов движения в значительной степени фильтруется инерцией многомерной динамической системы. В целом представленные результаты подтверждают существующее указание на то, что количественное и качественное влияние нестационарности движения судна на параметры его бортовой качки зависит от основных элементов судна, характера маневра и параметров волнения.

11.Нестационарность движения судна влияет на его килевую и вертикальную качку существенно меньше, чем на бортовую. Это обусловлено высокими частотами колебаний в продольно-вертикальной плоскости и высокой фильтрующей способностью каналов дифферента и вертикального перемещения. Продольную качку маневрирующего на волнении судна с приемлемой для практики точностью можно прогнозировать по результатам ее оценки при установившемся движении под разными курсовыми углами к фронту волнения, причем, в отличие от бортовой качки, по причине малости величин средних значений ходового дифферента и приращения осадки на циркуляции, указанные оценки на нерегулярном волнении являются вполне корректными.

12.Влияние падения скорости хода на циркуляции не оказывает существенного влияния на максимальные значения амплитуд килевой и вертикальной качки. Это обстоятельство указывает на возможность применения существующего инструментария теории продольной качки судна для ее прогнозирования в достаточно общих условиях плавания.

13.Имитационное моделирование показывает, что первое наибольшее наклонение судна после действия импульсной аэродинамической нагрузки может не быть максимальным в пределах переходного процесса реакции объекта на указанное возмущение. Вместе с тем, можно предполагать, что оценка запаса поперечной остойчивости судна посредством критерия погоды наилучшим образом отвечает условиям резонансной бортовой качки, т. е. наиболее тяжелым условиям плавания. Таким образом, использование критерия погоды в целях нормирования остойчивости не может быть подвергнуто сомнению по причине того, что в общем случае первое наибольшее наклонение после воздействия порыва, действительно, может не быть максимальным.

14. Суда, архитектура корпуса которых обеспечивает удовлетворительную мореходность, способны выдерживать воздействие шквалов ураганного ветра без катастрофических последствий даже при условии штормования лагом к волне, что согласуется с имеющимися рекомендациями по плаванию судов в зонах действия ураганов. Тем не менее, шквальный ураганный ветер способен вызывать большие, близкие к предельно допустимым, углы крена судов.

15.Как показывают результаты расчетов, имеющееся указание на то, что воздействие шквала на дрейфующее судна менее опасно с точки зрения динамического крена, справедливо далеко не для всех судов. Детальное изучение этого вопроса является темой специального исследования.