Определение корпусных характеристик в момент взаимодействия судна с водной поверхностью

Гидродинамика корабля решает задачи теории корабля проверенными методами, влияющими на взаимодействие водной поверхности и конструкции корпуса.

Гидродинамические характеристики корпуса судна

При движении в режиме равномерной циркуляции все силы и моменты, действующие на корпус корабля, за исключением центробежной силы массы корпуса, имеют гидродинамическое происхождение, т.е являются результатом действия нормальных и тангенциальных гидродинамических сил, распределенных по поверхность корпуса. ГДГ корпуса зависит от формы обводов, соотношения главных размерений, кинематических параметров движения:

• операция;
• кривизна пути;
• рулон;
• скорость и т.д.

HDC корпуса включает компоненты, обусловленные как вязкостью, так и инерцией воды.

Рис. 1 Съемное рулевое управление подвесным двигателем

Составляющие инерции определяются расчетным путем. Компоненты вязкости наиболее надежно могут быть обнаружены путем тестирования в испытательном бассейне. Кроме того, в зависимости от размера сосуда могут быть испытаны как модель, так и полноразмерный сосуд. Как правило, при определении ГДК корпуса используются 2-3-метровые модели, но имеющиеся в настоящее время экспериментальные установки позволяют проводить испытания и на 8-метровых моделях.

Другим способом определения составляющих вязкости является расчетный метод, который опять же может основываться как на теоретической схеме обтекания корпуса, так и на результатах систематических испытаний ряда моделей.

Для выполнения расчетов по определению управляемости и инерционных характеристик судна на мелководье и в узости характеристик управляемости необходимо знать следующие ГДК корпуса:

• боковая сила;
• момент, действующий в плоскости ватерлинии (зубчатый момент), или точка приложения боковой силы (плечо) по длине;
• момент, действующий в плоскости рамы (момент качения), или точка приложения боковой силы (плечо) по высоте.

При установившейся циркуляции для всех судов, независимо от режима плавания, боковая сила от инерции корпуса (т.е центробежная сила) определяется по формуле:

Yi=ρVvω. Форма. 1

ГДХ корпуса судна, движущегося в водоизмещающем режиме

При выполнении расчетов управляемости водоизмещающего судна боковая сила и рыскающий момент представляются следующим образом:

Yκ=CYκρv022FD; Форма. 2

Мκ=Cmκρv022FDL, форма. 3

где:

• v — скорость центра масс судна;
• ФД — приведенная площадь подводной части ДП корабля,

FD=LTσD; Форма. 4

• σD – приведенный коэффициент подводной части ДП корабля (см формулу 12);

• CYk, смк

  — безразмерные коэффициенты для поперечной силы и момента передачи, определяемые при FrL ≤ 0,3 по формулам:

CYk=CYβ+C2β|β|–Cyωω–; Форма. 5

Cmκ = Cmββ – Cmωω Форма. 6

Суммы

CYβ, Смβ

называются позиционными производными, а

CYω и Cmω

— демпфирующие производные боковой силы и крутящего момента. Эти параметры, а также С2 определяются по формулам:

CYβ=πTL0,65φ5/2 L6B1/3+σD–0,96; Форма. 7

C2=0,72 3TB1/2 0,7φ3/2+1,25(σD–0,95); Форма. 8

CYω=2BL δσD; Форма. 9

Cmβ=1,8TL+0,06(0,7–φ)+(0,97–σD); Форма. 10

Cmω=σD40,05+0,58TL; Форма одиннадцать

σD=1–320–in FPLT+0,054T/L(ψ1+ψ2), форм. 12

где:

• Fp – площадь кормовой щели, т е площадь фигуры, дополняющей контур кормовой подводной части прямоугольника (рис. 2);
• значение Fp определяется планированием;
• i — номер теоретического шпангоута, соответствующий для судов с дейдвудом в корме границе между П-образным и V-образным шпангоутами (рис. 2, а), для судов без дейдвуда — первому от кормы шпангоуту, касающемуся основная линия (рис.2, б);
• ψ1 — строительный (стояночный) угол дифферента на судно, определяемый по формуле:

• Демпфирующая производная

  CYω

  за счет инерционной составляющей тела Yi, определяемой по формуле 1.

ψ1=Тк–ТнL, форм. 1. 3

• ψ1 > 0 — при обрезке на изгородь;
• ψ1 < 0 — при дифферентовании носа [формула 13 учитывает случай, когда судно имеет наклон линии киля (см рис. 3)];
• ψ2 – рабочий угол дифферента (при FrL < 0,3; ψ2 = 0).

Рис. 2 Для определения площади Fp ахтерштевня:
а — сосуд с валежной древесиной; б — судно без дейдвуда

Если судно не имеет кормовой инспекции (глиссирующее судно), σD определяется по формуле:

σD=1+0,054T/л(ψ1+ψ2). Форма. 14

Рис. 3 Осадка носом и кормой для судна с наклонной базой

Точка приложения боковой силы по высоте (ординате), выраженная в долях осадки zr/T, определяется по графику в зависимости от отношения V/T (рис. 4). При посадке судна с дифферентом или при наличии наклона линии киля под параметром понимают:

Т=Тн+Тк2. Форма. 15

Формулы 5-12, а также зависимость для zr/T (см рис. 4) были получены для судов с круглым скулом. Они также могут быть использованы для приближенного расчета ГДК для корпуса острых (планирующих) кораблей, движущихся в водоизмещающем режиме.

Рис. 4 Для определения точки приложения поперечной силы корпуса на высоте для судов с круглым дном

При движении с FrL > 0,3 корабль имеет ходовой угол дифферента, который находится из расчетных данных для движителя. При отсутствии таковых значение ψ2 определяется по формуле:

ψ2=0,13(0,01–x–g)+0,028sin (5,2FrL–1,9), форм. 16

где:

• хг = хг/л

  — безразмерное расстояние до центра масс от центроплана;

• хг>0

  — смещение центра масс в нос от средней части;

• хг<0

  — смещение центра масс в корму от миделя.

Область применения формул 5-12 и 16 ограничена значением FrL ≤ 0,6, что примерно соответствует началу переходного режима движения.

Это интересно: Проверки перед маневрированием

При 0,6 < FrL < 1 GDH оболочки становятся существенно нелинейными функциями FrL. При этом влияние FrL на гидродинамическую кривую корпуса сложным образом связано с влиянием таких геометрических характеристик, как удлинение корпуса, угол становой тяги, отношение максимальной ширины корпуса к ширине транца, положение центр тяжести по длине (центровка), удельная нагрузка и т.д.

В связи с этим для судов, движущихся в переходном режиме, отсутствуют аналитические зависимости, связывающие безразмерные ГДК корпуса с геометрическими свойствами и кинематическими параметрами и т.п. (формулы 5-12).

ГДХ корпуса судна, движущегося в режиме глиссирования

В качестве основных исходных геометрических характеристик корпуса при расчете управляемости судна, движущегося на глиссаде, приняты следующие:

• угол дифферента ψ2;;
• смоченная длина lcm;
• потянуть за транец Ttr;
• ширина транца Btr;
• угол килеватости β и положение центра масс относительно транца xtr (рис. 5).

Рис. 5 К характеристике управляемости глиссирующих судов

Параметры ψ2 и lcm должны быть определены либо на основании расчета поступательной скорости, либо измерены экспериментально. Осадка на транце определяется исходя из соотношения:

Ttr=lcmψ2. Форма. 17

При движении корабля на глиссаде с FrL > 1 составляющие ГРК корпуса, необходимые для расчета управляемости, определяются в соответствии с методикой, предложенной С.Б. Соловьим, следующим образом:

позиционная производная боковой силы:

CYgβ=πnv(Ttr/Vtr)2cosψ2, Форма. 18

где:

• nv – коэффициент, учитывающий влияние угла становой тяги (рис. 6);

плечо позиционной составляющей силы по длине:

lβ=1/Btr(xt+1/3Ttrctgψ2); Форма. 19

демпфирующая производная силы инерции (центробежной силы тела:

CYgω=2VBtr3; Форма. 20

плечо демпфирующей составляющей силы по длине:

lω=1/Btr(2xt+1/2Ttrctg ψ2); Форма. 21

плечи позиционных составляющих сил от сноса и крена соответственно,

lθ=1/Btrp2mv12sin2βTtr–zg, форма. 22

где:

• mv – коэффициент становой тяги (см рис. 6);

l0*=TtrBtr π4β π2β–1–zgBtr. Форма. 23

В формулах 19, 21 значение xt < 0.

Рис. 6 Зависимость коэффициентов nv, mv, qv от угла становой тяги