КАЧКА СУДНА

Открытым каналом считается канал, берег которого располагается над водой, так как показано на рис. 8.3. Поскольку в естественных условиях канал имеет неправильную форму сечения, при расчетах и при выполнения моделированного эксперимента реальную форму профиля заменяют трапециевидной.

Рис.8.3. Схема движения судна в открытом канале.

Линия АВ, определяющая схематизированный склон канала показана на рис. 8.3.

Геометрическими характеристиками канала являются

- глубина водоема, H;

- угол наклона склона, определяемый соотношением .

Величина обычно составляет (1:15) - (1:30).

Судно, находящееся в опасной близости от берега, как правило, лишено возможности маневрировать. И гидродинамическая сила, и момент на корпусе близки к нулю. Поэтому, появляющаяся из-за влияния берега сила присоса может изменить траекторию его движения и стать причиной посадки на мель.

8.2.1.3. Движение в канале в затопленном канале

Затопленным каналом считается канал, берег которого располагается под водой, так как показано на рис. 8.4.

Рис.8.3. Схема движения судна в затопленном канале.

В расчетах, затопленный канал, также имеет схематизированную форму в виде трапеции.

Проблемы открытого канала сохраняются и для канала затопленного. Хотя скрытый под водой участок не заметен визуально, что увеличивает опасность посадки на мель.

Смещение судна к берегу может быть вынужденным из-за необходимости расхождения со встречным судном. Вследствие этого возможно возникновение аварийной ситуации. Задача может рассматриваться в статической постановке.

8.2.2. Методы решения задач управляемости .

Известно, что водоизмещающее судно имеет большую массу и, как следствие, является инерционным. Это означает, что все процессы, связанные с управлением судном, протекают медленно.

Последнее обстоятельство позволяет применить квазистатический метод при оценке гидродинамических характеристик. Это заметно упрощает расчеты без ущерба для точности результата.

Результаты расчета параметров движения судов в условиях тихой глубокой воды, выполненные по экспериментальным значениям гидродинамических характеристик, неоднократно сравнивались с данными натурных испытаний. Результат сравнения подтвердил правомочность этого метода.

В более сложных задачах, таких как движение судна в канале, определение гидродинамических характеристик взаимодействия мера вынужденная. Она обоснована особенностями измерительной аппаратуры, использующейся в экспериментальных лабораториях.

8.2.3. Обгон и расхождение судов.

Задача об обгоне и расхождении судов может быть рассмотрена только в динамической постановке. Причем гидродинамические силы и моменты, возникающие на корпусах судов, зависят от их относительного расположения.

КАЧКА СУДНА

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О КАЧКЕ

В разделе «Качка корабля», корабль рассматривается как твердое колеблющееся тело, обладающее 6 степенями свободы. Колебания могут быть собственными, так и вынужденными, под действием внешних периодических сил.

Поэтому законы, определяющие качку судна, базируются на общих законах теоретической механики и теории колебаний. В то же время качка происходит в жидкости, обладающей определенными физическими свойствами, и также влияющими на исследуемый процесс. Поэтому при рассмотрении задач о качке корабля необходимо учитывать законы гидромеханики, теории волн и основные положения «Статики корабля».

Таким образом,качкой корабля называется колебательное движение, совершаемое им как абсолютно твердым телом при движении в водоизмещающем режиме либо под поверхностью (для подводных аппаратов) спокойной или взволнованной воды.

При качке могут возникать следующие отрицательные явления:

1) опрокидывание вследствие чрезмерных наклонений при бортовойкачке или вследствие значительной потери остойчивости;

2) перелом корпуса вследствие изгиба при килевой качке;

3) местные разрушения обшивки корпуса, разрушения крыльевых систем для судов на подводных крыльях или гибкого ограждения для судов на воздушной подушке и других элементов под действием сил инерции и ударов волн;

4) нарушение нормальной работы устройств и механизмов вследствие действия сил инерции и заливания палубы;

5) перемещение недостаточно закрепленных и пересыпающихся грузов из-за больших наклонений и воздействия сил инерции;

6) нарушение работы движителей и условий управляемости;

7) морская болезнь пассажиров и команды, нарушение нормальной работы команды;

8) затруднение, а иногда и невозможность выполнения работ, для которых корабль предназначен (грузовые операции для плавучих кранов и крановых судов, торпедная, ракетная и орудийная стрельба для военных кораблей, буровые работы для плавучих буровых установок и т.д.).

Таким образом, качка представляет собой отрицательное явление и целью работ по ее исследованию является умерение качки.

Как было сказано выше, колебания судна могут быть как собственными, так и вынужденными. Вынуждающей силой – будет сила от действия волн. Рассмотрим структуру волны, действующую на корпус.

КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЛН.

Морские волны могут быть разбиты по группам по причинам их возникновения. Выделяют три типа морских волн: ветровые, волны зыби, прибойные. По структуре волны они могут быть регулярными и нерегулярными.

Ветровые волны возникают вследствие воздействия на водную поверхность изменяющегося во времени давления. Сформировавшиеся таким образом волны распространяются в море в направлении, близком к направлению ветра. Различие направлений ветра и волнения не может превышать 45^о. Ветровые волны имеют явно выраженный нерегулярный характер.

При очень сильных возмущениях поверхности воды, которое наблюдается во время ураганов, тайфунов, цунами могут возникнуть волны гигантских размеров. Высота волны при тайфуне или урагане может превышать 30 – 40 м. При этом направление волн не зависит от направления ветра. Волны могут перемещаться даже навстречу ветру. Волны цунами могут носить единичный характер.

Волны зыби появляются в процессе затухания ветровых волн. Они имеют правильный регулярный характер.

Прибойные волны возникают вблизи берегов на отмелях, когда глубина водоема оказывается менее половины длины волны. Это крутые, большой разрушающей силы волны.

Ветровые волны – наиболее распространенный тип волнения.

РЕГУЛЯРНОЕ ВОЛНЕНИЕ

Регулярное волнение – это волны правильной формы, геометрия которых может быть однозначно определена.

Регулярные волны относятся к волнам относительно малой амплитуды, то есть полагается, что высота волны значительно меньше ее длины.

Параметры волны принято задавать в Декартовой системе координат (рис.9.1). Плоскость совпадает с поверхностью невозмущенной воды. Ось совпадает с направлением бега волн. Ось совпадает с фронтом волны, то есть с направлением, перпендикулярным бегу волн. Ось направлена вниз.

Профиль регулярной волны считается синусоидальным. Теория волн малой амплитуды строится в предположении, что волновое движение является потенциальным и безвихревым.

Рис. 9.1. Параметры волнового движения.

Всякая частица волнующейся жидкости движется по своей орбите, совершая полный оборот за время – называемым периодом волны (рис. 9.1).

Между параметрами волны существуют следующие зависимости

Частота волны (с^-1);

Частота формы профиля (волновое число) , где - длина волны.

Частота волны и частота формы профиля связаны соотношением

,

где H – заглубление под поверхностью воды (м).

Скорость перемещения волнового профиля определяется зависимостью

(м/с).

В случае мелководья, когда , . Таким образом, скорость перемещения фронта волны уменьшается с уменьшением глубины в соответствии с формулой .

В случае, когда глубина водоема H стремится к бесконечности, а гиперболический тангенс стремится к , скорость распространения волны будет равна

.

Частота волны

Период волны

Вершина и подошва волны. Максимальное возвышение волновой поверхности над невозмущенной поверхностью воды называется вершиной волны. Максимальное понижение волновой поверхности относительно невозмущенной поверхностью воды называется подошвой волны.

Высота волны и амплитуда волны. Расстояниемежду вершиной и подошвой волны называется высотой волны. Расстояние между вершиной или подошвой волны и невозмущенной поверхностью воды называется амплитудой волны.

Высоты волн вычисляют в зависимости от длины волны либо по формуле Циммермана , либо по более точной формуле

Угол волнового склона. Угол между осью абсцисс и касательной к волновому профилю называется углом волнового склона. Угол волнового склона меняется по гармоническому закону.

Амплитуда угла волнового склона

,

где - крутизна волны, - радиус орбиты на свободной поверхности воды.

Высота волны. Высоты волн вычисляют либо по формуле Циммермана либо по более точной формуле .

Крутизна морских волн имеет величину порядка 1/30 – 1/50 для открытого моря. В прибрежных районах и закрытых морях она доходит до 1/20. Крутизне 1/20 соответствует амплитуда угла волнового склона 9^о. Для таких волн допущение о малости неприменимо.

В зоне разрушающегося волнения крутизна волны может составлять 1/10.

Математическое описание профиля волны

Координаты волнового профиля на поверхности воды определятся известными формулами, определяющими положение вращающейся точки во времени

,

,

где амплитуда волны,

Радиусы орбит уменьшаются с увеличением глубины по следующему закону

Координаты волнового профиля с учётом изменения положения точки по высоте

Распределение давления в волне также будет периодическим и определяется формулой

,

где атмосферное давление на поверхности, аппликата рассматриваемой точки, - удельный вес воды. Таким образом, давление складывается из статического давления при невозмущённой поверхности и динамической добавки

Именно вызывает качку судна на волнении. На невозмущенной поверхности воды следовательно, волновая добавка будет равна:

Если волновое движение отсутствует,

Сумма кинетической и потенциальной энергии волн малой амплитуды постоянна и пропорциональна квадрату амплитуды волны.

.

Погонная энергия, т.е. энергия, приходящаяся на 1 м ширины волны

.

НЕРЕГУЛЯРНОЕ ВОЛНЕНИЕ

Как отмечалось ранее, ветровое волнение имеет трехмерный характер, однако описание его при этом получается сложным. Поэтому на практике обычно считается, что ветровое волнение всегда двумерное (плоское). Погрешность от такого представления оказывает влияние в безопасную сторону, так как несколько увеличивает расчетные амплитуды качки, закладываемые в нормы остойчивости.

Образец записи нерегулярного волнения изображен на рис. 9.2. Наглядно видно, что каждая последующая волна отличается от предыдущей по высоте h, и периоду , т.е. фактически по длине.

При описании нерегулярного волнения амплитуда волны берется равной .

Рис. 9.2. Запись нерегулярного волнения

Существуют три метода описания нерегулярного волнения: статистический, спектральный и корреляционный. Корреляционный метод применяется чаще всего при научном анализе реализаций волнения. В практических же расчетах применяются в основном статистический и спектральный методы. Рассмотрим их более подробно.

Дата добавления: 2014-07-11; просмотров: 762; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!