Влияние ледовых условий на эффективность разрушения ледяного покрова подводными судами резонансным методом

2
СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ......................5
ВВЕДЕНИЕ............................................................8
1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ОТ ДЕЙСТВИЯ ДВИЖУЩИХСЯ-
НАГРУЗОК.........................................................13
1 Л. Физическая сущность резонансного метода разрушения ледяного
покрова......................................................13
1.2. Теоретические исследования колебании пластин на упругом основании и ледяного покрова под действием движущихся
нагрузок.....................................................16
1.3. Экспериментальные исследования закономерностей деформирования
и разрушения ледяного покрова движущимися нагрузками.........20
1.4. Воздействие подводных судов на ледяной покров..............22
1.4.1. Тенденции использования подводных транспортных
судов...................................................22
1.4.2. Безопасность подледного плавания подводного судна.....25
1.4.3. Исследования деформирования ледяного покрова от движения подводного судна..............................................30
1.5. Выбор наиболее вероятных физико-механических характеристик морского льда....................................................32
1.6. Постановка задачи исследований.............................36
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЕФОРМ14РОВАНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ОТ ДВИЖЕНИЯ ПОДВОДНОГО СУДНА............................37
2.1. Общая постановка задачи изгиба ледяного покрова от движения подводного судна.................................................37
2.2. Математическая модель......................................39
2.3. Моделирование гидродинамических нагрузок методом
граничных элементов..........................................41
2.4. Фундаментальное решение для оператора Лапласа..............47
2.5. Численное решение по всей границе..........................48
2.6. Моделирование гидродинамических нагрузок от движения подводного судна........................................'........49
г
3
2.7. Моделирование изгиба ледяного покрова.........................51
2.7.1. Матрица жёсткости конечного элемента пластины на упругом основании.............................................................51
2.7.2. Матрица масс.............................................53
2.8. Моделирование гидроупругого взаимодействия при
движении подводного судна под ледяным покровом..................54
2.8.1. Гидродинамические силы...................................54
2.8.2. Общая система обыкновенных дифференциальных уравнений метода конечных элементов и её численное решение................55
2.9 Изгиб ледяного покрова от движения подводного судна............58
2.10. Анализ влияния ледовых условий на деформированное
состояния ледяного покрова от движения подводного судна.......61
2.11 Выводы........................................................69
3. ФИЗИЧЕСКОЕ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЕРЕМЕНТА Л ЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.............................;.....71
3.1. Методика моделирования ИГВ, возбуждаемых в
искусственном льду..............................................71
3.2. Методика пересчета моделируемых параметров на натуру в
опытах с естественным льдом.....................................74
3.3. Описание изготовленного опытового бассейна....................75
3.4. Оборудование и технология проведения экспериментов в ледовом бассейне.....................................................81
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ПОДВОДНЫМИ СУДАМИ РЕЗОНАНСНЫМ МЕТОДОМ 88
4.1. Модельные исследования разрушения естественного льда ИГВ от движения подводного судна...........................................88
4.2. Модельные исследования деформирования ледяного покрова ИГВ в неразрушаемой модели ледяного покрова от движения подводного судна....................................................98
4.2.1. Исследование деформированного состояния сплошного льда
в условиях стоячей воды....................................99
4.2.2. Влияние продольной раскрытой трещины и разводий различной ширины на параметры ИГВ..............................103
4.2.3. Влияние глубины акватории..............................108
4.2.4. Влияние подледного течения.............................114
4.3. Влияние ледовых условий на резонансную скорость движения
подводного судна..............................................118
4.4. Проверка полученных результатов..............................120
4.4.1 Сопоставление экспериментальных данных с результатами натурных экспериментов по возбуждению ИГВ движущимися нагрузками.....................................................120
4.4.2 Сопоставление экспериментальных данных с результатами численных расчетов.............................................123
4.5. Выводы.......................................................127
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................129
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................130
5
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
Обозначения:
Ап - амплитуда колебаний натурных волн;
Ат - амплитуда колебаний модельных воли;
Ъ - ширина разводья;
О - цилиндрическая жёсткость пластины, й = Ек3 /(12(1 - //2));
Д,— водоизмещение натурного судна;
£)т - водоизмещение м одел ы юго судна;
Е - модуль упругости;
Еп - модуль упругости натурного льда;
Ет- модуль упругости модельного льда;
/-интенсивность внешней нагрузки;
//-интенсивность силы волнового демпфирования;
/,- гидростатическая реакция жидкости на изгиб пластины, /, =
/у - интенсивность силы инерции жидкости от изгиба пластины;
/о - гидродинамическое давление на поверхность льда как на твёрдую стенку от движения подводного судна;
% - гравитационная постоянная;
[б1] - матрица коэффициентов; к - толщина пластины; кп- толщина натурного льда;
Ит- толщина модельного льда; к0- глубина погружения модели;
к = к0 /Ь —относительное заглубление модели;
Нт - диаметр модели подводного судна;
[Н\ - матрица коэффициентов;
[К\ = [ЛТ*] + [А"] - матрица жёсткости, включающая матрицы жёсткости пластины и упругого основания (от гидростатических сил);
[С\ = т [.К*] - матрица коэффициентов внутреннего сопротивления;
[М] = [М°] + [//] - матрица масс, включающая матрицы инерции упругой
пластины и прилегающей жидкости;
{#} - вектор обобщённых перемещений;
Гпо| “ вектор гидродинамических инерционных сил на поверхность льда от движения подводного судна;
Lm- длина модели подводного судна; п - нормаль к границе жидкой среды; р - давление;
р0 - давление на поверхность льда как на твёрдую стенку от движения подводного судна;
pst - гидростатическая реакция жидкости на изгиб пластины pw - плотность жидкости;
R — радиус сферы на бесконечном удалении от судна;
Т„ — период натурных волн;
Тт- период модельных волн; и - поступательная скорость подводного судна;
{и} - вектор узловых значений функций дф/дп;
ип — скорость движения натурного судна;
vm - скорость движения модельного судна;
иг - резонансная скорость движения модельного судна;
w, н>, w - соответственно функции прогиба, нормальной скорости и нормального ускорения пластины;.
wnuiX - максимальный прогиб льда, имеющего раскрытую трещину или майну различной ширины;
Z - отстояние нижней кромки льда от свободной поверхности жидкости; ß - коэффициент вязкого сопротивления; л,, - длина натурных ИГ'В;
Ляг - длина модельных ИГВ;
Лр, Яеу Ли, Ла Д,. - масштаб моделирования массовых сил, по модулю упругости, по толщине, по напряжениям, по прогибам льда;
Л[ - геометрический масштаб; ps - плотность материала пластины; р„. - плотность жидкости; р\ - плотность льда; р - коэффициент Пуассона;
т- время релаксации деформаций льда;
(р - потенциал скорости жидкости;
{^} - вектор узловых значений функций (р\
сгл - предел прочности натурного льда;
<ут - предел прочности модельного льда;
Г - граница области Q;
Г3 - поверхность подводного судна;
Tw - поверхность ледяной пластины;
Г« - условная граница;
Û. - область жидкости.
Сокращения:
АЛЛ - атомная подводная лодка;
ДС. - деформированное состояние;
ИГВ - изгибно-гравитационные волны;
ИГР - изгибно-гравитационный резонанс;
КСВ - камера спасательнот всплытия;
ЛУ - ледовые условия ; •
МКЭ - метода конечных элементов;
МГЭ - метода граничных элементов;
НДС - напряженно-деформированное состояние; ОВУ - ограждение выдвижных устройств;
ПС - подводное судно;
ЦГБ - цистерны главного балласта.
8
Введение
Несмотря на большую протяженность морских границ эксплуатация судов в большинстве прилегающих к территории России водах затруднена наличием ледяного покрова. По этой причине транспортировка грузов по Северному морскому пути и в замерзающих морях Дальнего Востока является сезонной и нерегулярной. Малая эффективность судоходства связана, прежде всего, с необходимостью больших капитальных вложений на создание и поддержание инфраструктуры транспортных путей и ледокольного флота. Тем не менее, министерством транспорта планируется наращивание морских перевозок на Севере для освоения нефтяных и газовых месторождений, экспорта навалочных грузов и леса. Это приведет к возникновению комплексной транспортной проблемы, включающей решение трех основных задач:
- вывоз углеводородного сырья из Арктики в Азиатско-Тихоокеанский и Атлантический регионы;
- завоз нефтепродуктов, промышленных и продовольственных товаров в районы Крайнего Севера;
- транзитные перевозки дорогостоящих и срочных грузов по маршруту Европа - Азия через Северный Ледовитый океан по высокоширотным трассам.
Решение данного вопроса потребует новых подходов к способам добычи и транспортировки сырья, которые можно реализовать с помощью подводных судов. Поэтому в течение ряда лет отечественными проектными организациями в рамках конверсионных программ прорабатывается возможность создания подводных транспортных средств, которые бы являлись частью комплексной транспортной системы в Арктике.
Анализ состояния проблемы показывает, что современные подводные транспортные технологии не гарантируют безопасной эксплуатации транспортных судов под ледяным покровом. Это обусловлено неспособностью
гражданских подводных судов (ПС), производить аварийное всплытие в паковом льду, что имеет решающее значение в экстремальных ситуациях.
Традиционный способ всплытия ПС, как правило, осуществляется путем статического нагружения льда снизу за счет создания положительной плавучести путем осушения балластных цистерн. Причем толщина льда, из-под которого может всплывать современная атомная подводная лодка (АЛЛ), не превышает 2 метров. Повысить ледоразрушающую способность 11С можно за счет использования резонансного метода разрушения ледяного покрова [38].
о
Известно, что при движении ПС под поверхностью льда в ледяном покрове возникает система изгибно-гравитационных волн (ИГВ), амплитуда которых достигает максимума при скорости судна, несколько большей, так называемой, ‘‘гербовой” скорости, соответствующей наиболее интенсивному волнообразованию при движении под свободной поверхностью. Предельная толщина льда, разрушаемого резонансными ИГВ от движения ПС значительно превышает таковую при статическом проломе ледяного покрова в процессе всплытия.
Актуальность темы. Безопасность подледного плавания ПС, в первую очередь, зависит от быстроты и безопасности их всплытия в ледовых условиях (ЛУ). Как показывает опыт, продолжительность всплытия традиционным способом без хода, т.е. путем осушения балластных цистерн, исчисляется десятками минут, тогда как приемлемое время при аварийном всплытии может составлять минуты. Кроме того, такое всплытие может вызвать повреждения корпуса и потерю остойчивости судна. Известно, что более чем в 60% районов подледного пространства Арктики безопасные условия для всплытия таким способом часто отсутствуют. В связи с этим, одной из главных проблем при подледном плавании ПС является поиск такого способа всплытия, который бы снизил или полностью устранил отмеченные недостатки.
Посредством возбуждения ИГВ в ледяном покрове Г1С можно добиться частичного или полного разрушения льда, что позволит подводным судам
10
всплывать в более толстом льду, чем при традиционном способе разрушения ледяного покрова [38]. Для этого Г1С должно перемещаться подо льдом, с резонансной скоростью и на определенном заглублении, тогда в ледяном покрове будут развиваться резонансные ИГВ, при этом растрескивание или полное разрушение льда будет происходить с минимальными энергозатратами. После возвращения в район воздействия па лед ИГВ подводное судно сможет произвести всплытие в ослабленном или битом льду. Кроме того, данная технология всплытия сопровождается шумами, спектр частот которых близок к естественному фону, поэтому такое всплытие подводных лодок способствует повышению их скрытности. Повысить ледоразрушающую способность ИГВ можно, если при всплытии ПС использовать определенные ЛУ.
Целью настоящей работы является определение влияния ледовых условий (продольной раскрытой трещины, разводий различной ширины, подледного течения, заглубления и мелководья) на эффективность резонансного метода разрушения ледяного покрова, реализуемого подводными судами.
Методы исследований. Разработаны алгоритмы расчета деформированного состояния ледяного покрова различной толщины при наличии в нем свободной кромки ИГВ от движения ПС при различном заглублении. Решение задачи было осуществлено численным методом, основанным на комбинации метода конечных элементов (МКЭ) и метода граничных элементов (М1Э).
На основе методов теории размерностей и подобия проводилось физическое моделирование процессов деформирования и разрушения ледяного покрова РТГВ от движения моделей ПС в различных ледовых условиях с последующим пересчетом моделируемых параметров на натуру. Были использованы известные и хорошо зарекомендовавшие себя методы моделирования с применением естественного ледяного покрова, а также с
использованием полимерной пленки при экспериментах в опытовом бассейне [39].
Результаты расчетов сопоставлялись с результатами экспериментов в опытовом бассейне с использованием полимерной пленки и ледовом бассейне с намораживанием модельного слоя из натурального льда.
Научная новизна работы заключается в следующем:
с помощью численных методов получены решения теоретических задач по оценке деформированного состояния ледяного покрова различной толщины при наличии в нем свободных кромок;
впервые экспериментально и теоретически исследовано влияния различных ледовых условий (продольной раскрытой трещины, разводий различной ширины, акватории ограниченной глубины и подледного течения) на параметры ИГВ от движения подводного судна под неразрушаемой моделью льда.
выполнены эксперименты по разрушению ИГВ естественного модельного ледяного покрова, ослабленного продольной раскрытой трещиной и разводьями различной ширины;
Практическая значимость работы. Экспериментально - теоретически доказана возможность повышения ледоразрушающей способности ИГВ при всплытии ПС в определенных ЛУ. Полученные теоретические и модельные результаты позволяют разработать рекомендации для повышения эффективности резонансного метода разрушения ледяного покрова подводными судами при необходимости их аварийного всплытия во льдах, используя облегчающие этот процесс ледовые условия.
Результаты, полученные в работе, позволили разработать новый способ разрушения ледяного покрова ИГВ от движения подводного судна вдоль свободной кромки льда (патент РФ №238963 6).
12
Разработаны устройства, позволяющие повысить эффективность разрушения ледяного покрова ИГ'В от движения судна с резонансной скоростью (патенты РФ №2353540, 2353542, 2389635).
Работа выполнена при поддержке 1ранта РФФИ (проект №10-08-00130 “Движение тела под ледяным покровом”).
Личный вклад автора. Изложенные в диссертации результаты численных исследований деформированного состояния льда, модельных экспериментов по разрушению естественного ледяного покрова, а также влиянию различных ледовых условий на параметры ИПЗ от движения Г1С с использованием модели неразрушаемого льда, являются результатом личных исследований автора.