Мореходство и морские науки - 2009

Сопоставление судов с разными формами корпуса в условиях продольной качки на волнении

Введение

Проблема проектирования судов для дальневосточного бассейна России осложняется необходимостью грамотного учета местных условий их эксплуатации (частые шторма, недостаток портов – убежищ, обледенение, плавание во льдах и пр.).

При отработке формы корпуса кроме критериев ходкости на тихой воде и ледовых нагрузок следует учитывать требования мореходности и прочности на штормовом волнении (умеренных амплитуд качки и гидродинамических нагрузок, предотвращения опрокидывания, существенного слеминга и заливания палубы и пр.). Это требует значительного объема работ по проведению модельных экспериментов.

Совершенствование требований классификационных обществ к форме корпуса судов и другим параметрам, определяющим мореходные качества, позволяет упростить проектные проработки и снизить количество аварий судов в условиях штормового волнения. Однако для этого необходимы сопоставительные исследования динамики судов с разными обводами на штормовых волнах.

При анализе продольной качки судов и ударов о воду при слеминге возможно использование моделей динамики идеальной жидкости и численных методик вычислительного волнового бассейна (NWT – Numerical Wave Tank) на основе метода граничных элементов [1, 2, 3].

Моделирование продольной качки

Рассмотрим примеры моделирования продольной качки судов с разной формой обводов в носу (рис. 1) в компьютерной системе RealWave, основанной на применении методики NWT [3].

В основе данной методики лежит совместное численное интегрирование по времени уравнений динамики твердого тела и идеальной несжимаемой жидкости (интеграл Коши-Лагранжа). Силы вязкости жидкости учитываются приближенно. Трехмерное поле течения жидкости (потенциалов скорости и ускорения) в каждый момент времени вычисляется на основе решения краевых задач для уравнения Лапласа методом граничных элементов. Это позволяет определить нестационарное нелинейное гидродинамическое взаимодействие между волнами и судном.

Рис. 1. Варианты формы корпуса судна: а – исходный корпус; б – с увеличенным развалом борта в носу; в – со сломами выше ВЛ;  г – судно с малым МИДВ

Волнение моделируется путем задания периодических источников в определенных узлах расчетной сетки на поверхности воды. Поступательное движение судна формируется заданием мощности условного движителя. Задание расположения движителя позволяет учесть отсутствие упора при его оголении.

В данной серии расчетов предполагается равномерное распределение весовой нагрузки по объему судна. Волны формируются и движутся навстречу судну с помощью условного волнопродуктора в виде линии периодических источников (рис. 2).

Для сопоставления выбраны корпуса с одинаковыми главными размерениями (В = 14 м;  Н = 9,7 м;  L = 80 м):

а) исходный корпус морского судна;

б) корпус с увеличенным развалом борта в надводной части носа;

в) вариант, аналогичный предыдущему, но в котором существенный развал борта уменьшен за счет сломов, что позволяет уменьшить нагрузку от бортового слеминга [4];

г) корпус судна с малым моментом инерции действующей ватерлинии (МИДВ), предложенный В. Н. Храмушиным [5].

При выборе вариантов судов для исследования ставилась цель сопоставить два принципа проектирования носовых обводов исходя из условий мореходности и прочности [5]:

1) обеспечение «разбивания волн» путем увеличения всхожести на волну за счет развала бортов, нависающего форштевня и высокого бака (или седловатости);

2) принцип «прорезания волн» путем принятия противоположных мер.

Рис. 2. Компьютерная модель

Анализ результатов и выводы

На рис. 3, 7 приведены результаты моделирования продольной качки судна, движущегося со скоростью 6 узлов на встречных регулярных волнах длиной 100 м и высотой 6 м.

Анализ результатов позволил сделать некоторые выводы:

– у более полной оконечности растут не только силы поддержания на волне, но также силы веса и инерции, поэтому в волну зарывается больше как раз оконечность с более полными обводами. При этом противоположная оконечность больше оголяется на подошве волны (сравните рис. 3 и 7);

– увеличение развала борта в носу не приводит к заметному уменьшению заливания палубы. Скорее возможно даже наоборот – так как при этом растет амплитуда килевой качки (сравните рис. 3 и 5 – при том, что надводный борт у судна с развалом борта в носу выше);

Рис. 3.  Движение морского судна с исходным корпусом (рис. 1, а) с осадкой 6 м

Рис. 4. Движение морского судна с исходным корпусом (рис. 1 а) с осадкой 4 м

– при изменении формы носа (рис. 1 б) путем выполнения  сломов выше ватерлинии (рис. 1 в), обеспечивающих уменьшение нагрузок от бортового слеминга, параметры качки изменяются несущественно. При этом местное увеличение развала борта близко к палубе («отбортовка») позволяет уменьшить ее заливаемость и отбросить струи воды в стороны от судна, а слом выше ватерлинии позволяет сместить максимум ударных давлений с верхней части борта к месту слома, где скорость входа в воду меньше;

– с увеличением скорости судна килевая качка уменьшается. Однако увеличению скорости на встречном волнении препятствуют: при наличии существенного развала шпангоутов в носу бортовой слеминг; при наличии широкого носового бульба и увеличении полноты носовой оконечности – днищевой слеминг. Судно же с малым МИДВ (без развала носовых шпангоутов и с заостренной носовой оконечностью) способно уменьшить килевую качку путем увеличения скорости;

Рис. 5.  Движение судна с увеличенным развалом борта в надводной части носа (рис. 1 б) с осадкой 5 м

Рис. 6.  Движение судна со сломами борта выше ватерлинии (рис. 1, в) с осадкой 5 м

– у судна с более полной кормой (рис. 1 г), чем у исходного судна, наблюдается больший дифферент на корму и оголение носовой оконечности. Однако это не должно приводить к большим слеминговым нагрузкам вследствие более острых носовых обводов без существенного развала шпангоутов;

Рис. 7.  Движение судна с уменьшенными моментами инерции площадей надводных ватерлиний (МИДВ) (рис. 1, г) с осадкой 6 м

– для того, чтобы судно с малым МИДВ действительно не испытывало существенной килевой качки, необходимо, чтобы малый момент инерции поддерживался не только для действующей ватерлинии на тихой воде, но и для других ватерлиний;

– несмотря на то, что у судна МИДВ нет седловатости и возвышения борта в носу, заливание палубы у него примерно такое же, как и у базового судна.

Список источников

1. Tanizawa K. The State of Art on Numerical Wave Tank // Proc. 4th Osaka Colloquium on Seakeeping Performance of Ships, Osaka, Japan, 2000. – P. 95–113.
2. Chizhiumov S. D. Numerical Modeling of Ship Motion in Heavy Sea Conditions // 6th ISOPE Pacific / Asia Offshore Mechanics Symposium (ISOPE PACOMS-2004), Vladivostok, Russia, September 12–16, 2004.
3. Gonzalez V., Vargas I., Redondo S. Real Wave – wave simulator // http://www.nextlimit.com.
4. Постнов В. А., Тарануха Н. А., Чижиумов С. Д. Проектирование формы носовой оконечности судна с учетом нагрузок при слеминге // Судостроение/ – № 5, 2001. – C. 9–13.
5. Храмушин В. Н. Поисковые исследования штормовой мореходности корабля. – Владивосток: Дальнаука, 2003. 172 с.