Разработка метода расчета качки судов на мелководье на основе трехмерной потенциальной теории тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.01, кандидат технических наук Тан Хтун Аунг

• Тан Хтун Аунг
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тан Хтун Аунг

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА КАЧКИ НА МЕЛКОВОДЬЕ.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА СУДНО ПРИ КАЧКЕ НА МЕЛКОВОДЬЕ.

2.1. Постановка трехмерной задачи судна на мелковоье.

2.2. Описание трехмерного метода решения.

2.3. Постановка двумерной задачи качки судна на мелководье.

2.4 Описание метода решения двумерной задачи.

2.5 Системы диффренциальных уравнений качки судна.

2.6. Расчет поперечной и продольной качки на мелководье на нерегу-лярном волнении.

ГЛАВ АЗ. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ.

3.1 Аппробация расчетного метода. Сравнение результатов, получае-мых по двумерной и трехмерной теориям.

3.2 Исследование влияния мелководья на коэффициенты присоеди-ненных масс и демпфирования, возмущающие силы и амплитудно-частотные характеристики.

3.3 Анализ результатов расчетов ускорений при качке судна на мелководье.

3.4 Анализ результатов расчетов амплитуд качки и ускорений на нерегу-лярном волнении.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода расчета качки судов на мелководье на основе трехмерной потенциальной теории»

Современное развитие водного транспорта характеризуется увеличением размеров, скоростей хода и энерговооруженности судов. С другой стороны, значительно возросла протяженность мелководных путей, находящихся в эксплуатации.

Рост перевозок в прибрежных районах морей и в мелководных водоемах требует приспособления существующих судов к эксплуатации на новых водных путях или строительства судов смешанного ( "река-море" ) плавания. Плавание в условиях фарватера ограниченной глубины ведет к существенному изменению гидродинамических качеств судов, что обусловлено прежде всего влиянием дна водоема. Проявляется оно в изменении распределения гидродинамических давлений по смоченной поверхности судна, вследствие чего изменяются и суммарные гидродинамические силы, действующие на судно со стороны окружающей его жидкости.

Решающее значение для обеспечения безопасности судов, плавающих на внутренних водохранилищах и в прибрежных районах моря, а также крупнотоннажных морских судов в условиях "значительного мелководья ", имеет характер и амплитуды различных видов качки. В отечественной и зарубежной литературе представлено значительное количество теоретических и экспериментальных методов, позволяющих достаточно достоверно оценить характеристики мореходности судов при плавании в условиях безграничного моря. Между тем, выполнить такую оценку при движении судна на мелководье значительно сложнее из-за ограниченности систематизированных результатов исследования судов в этих навигационных условиях. К настоящему времени созданы и получили признание различные методы решения линейных задач гидродинамической теории качки. Эти методы , как правило, основаны на гипотезе плоского обтекания , что позволило привести исходную трехмерную краевую задачу о потенциале скоростей при качке судна к совокупности линейных краевых задач в шпангоутных плоскостях. Однако, принципиальным недостатком данного подхода, не устраненном даже в его последних модификациях, является пренебрежение пространственным характером обтекания корпуса судна. Это пренебрежение представляется физически необоснованным даже при высокочастотных колебаниях в отсутствие хода в задачах о качке на мелководье, и тем более, в задачах, где рассматривается движущееся судно. Поэтому решение задачи о качке судна в условиях ограниченной глубины в трехмерной постановке является актуальной и обладает научной новизной.

В связи с вышеизложенным, целью настоящей диссертационной работы является разработка метода и соответствующей программы расчета качки судна на мелководье на основании трехмерной потенциальной теории. Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи :

Анализ существующих методов расчета гидродинамических сил , возникающих при качке судна на мелководье ;

Разработка трехмерного численного метода и соответствующей программы расчета качки.

Проведение сравнительных и систематических расчетов гидродинамических коэффициентов, возмущающих сил, амплитуд качки и ускорений судна;

Исследование влияния относительной глубины фарватера на перечисленные величины.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав , заключения и списка литературы. Во введении отмечается актуальность разработки новых методов оценки мореходных качеств судна на мелководье.

Заключение диссертации по теме «Теория корабля и строительная механика», Тан Хтун Аунг

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В работе были получены следующие основные результаты:

1) Проведен анализ существующих расчетных методов определения гидродинамических характеристик качки судна на мелководье. Показана необходимость разработки трехмерного численного метода для решения данной задачи.

2) Разработан численный расчетный метод и программа, позволяющие рассчитывать инерционно-демпфирующие , возмущающие силы и амплитуды качки судна на мелководье. В целях апробации , произведены сравнения полученных результатов с экспериментальными данными.

3) Сопоставительный анализ полученных результатов расчетов коэффициентов присоединенных масс, демпфирования , возмущающих сил и амплитудно-частотных характеристик для различных типов судов с результатами расчетов по двумерному численному методу показал значительное влияние трехмерности при наличии скорости хода судна на мелководье и необходимость ее учета. При уменьшении относительной глубины происходит усиление данного влияния на все гидродинамические характеристики, которое может достигать 30-50 %. Применение двумерных методов в этих случаях приводит к заниженным либо к завышенным в несколько раз значениям резонансных амплитуд основных видов качки. Кроме этого, применение данных методов, в отличие от разработанного, не позволяет рассчитывать продольно-горизонтальные колебания судна, играющие существенную роль при движении на попутном волнении и на курсовых углах с кормовой четверти.

4) На основании проведенных систематических расчетов выполнено исследование влияния мелководья на коэффициенты присоединенных масс, демпфирования, возмущающих сил и амплитудно-частотные характеристики различных видов качки. Показано значительное влияние уменьшения глубины, проявляющееся в многократном увеличении перечисленных характеристик по сравнению с расчетами на глубокой воде. Сделан вывод об обязательном учете изменения относительной глубины.

5) Рассмотрены особенности продольно-горизонтальной качки, имеющие место в условиях мелководья при движении судна на попутном волнении. Впервые выявлено, что уменьшение глубины совместно с увеличением скорости приводит к смещению критерия захвата судна волной в область низких частот. Даны рекомендации по учету выявленных особенностей при расчете продольной качки.

6) Проведены систематические расчеты ускорений в различных точках судна на регулярном волнении. Показано, что уменьшение глубины приводит к существенному смещению максимальных значений ускорений в область низких частот.

7) Рассмотрены особенности расчета качки и ускорений судна на нерегулярном волнении в условиях мелководья. Показано, что с уменьшением глубины амплитуды основных видов качки могут быть в 3 раза меньше по сравнению с соответствующими амплитудами в безграничной жидкости.

8) В дальнейшем, разработанный численный метод и программа могут быть использованы при разработке алгоритмов расчета и исследований дрейфовых сил, периодических нелинейных сил второго порядка и для оценки их влияния на амплитуды качки в условиях мелководья.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тан Хтун Аунг, 2011 год

1., Стиган Н. Справочник по специальным функциям. М., Наука, 1979.

2. Анкудинов В.К. «Движение судна на волнении в условиях мелководья» Труды НТО СП , Теория корабля, вып.73, 1966.

3. Анкудинов В.К. «О возмущающих силах , действующих на судно при продольной качке на регулярном волнении в условиях мелководья». Труды ЛКИ , вып.52, 1966.

4. Анфимов В.Н. « Боковая качка судов внутреннего плавания» . Дисс. , Ленинград ,1953.

5. Анфимов В.Н. « Экспериментальное исследование распределения давления судна на волнении». Труды ЛИИВТ, вып. XXY, 1958.

6. Анфимов В.Н. «Приближенный учет влияния мелководья на амплитуду возмущающей силы при качке судна на волнении». Труды ЛИИВТ, bbin.XXYI, 1959.

7. Анфимов В.Н., Авдеев Г.К. «Гидродинамические характеристики и расчет амплитуд боковой качки судов внутреннего плавания ». Труды ЦНИИРФ, вып.ХХХ,1955.

8. Басин A.M. , Веледницкий И.О., Ляховицкий А.Г. «Гидродинамика судов на мелководье ». Ленинград, изд. Судостроение , 1976.

9. Басин A.M. « Приближенное исследование действия волнения на плавающее судно ». Труды ЦНИИРФ, вып. 17, 1952.

10. Басин A.M. « Исследование действия волнения на движущееся лагомсудно». Труды ЦНИИРФ, вып.ЗЗ, 1956.

11. Бородай И.К., Вознесенский А.И. «Результаты испытанийцилиндрических моделей на регулярном волнении». Труды НТО СП,вып.80, 1966.

12. Бородай И.К., Нецветаев Ю.А. Качка судов на морском волнении . Л., Судостроение, 1969.

13. Воробьев Ю.Л. « Гидродинамика судна в стесненном фарватере ». С.Петербург, изд.Судостроение, 1992.

14. Воробьев ЮЛ. « Экспериментальные исследования возмущающих сил на косом волнении в условиях мелководья». Судостроение и судоремонт. Сб. науч. тр.ЦРИА Морфлот, 1978, вып. 10, стр. 16-20.

15. Жуковский Н.Е. « Действие волнующейся жидкости малой глубины на плавающие на ее поверхности тела». Труды ЦАГИ, вып.85, 1931.

16. Коханов Э.В. « Колебания контура, плавающего на поверхности жидкости конечной глубины с внутренней поверхностью раздела плотности ». Судостроение и судоремонт, сб. научных трудов , вып.6 , 1975, стр. 38-43.

17. Коханов Э.В. « О расчетах гидродинамических характеристик качки контуров на мелководье» Судостроение и судоремонт, сб. научных трудов , вып.8 , 1977, стр. 28-33.

18. Ландау Л. Д., Лившиц Е.М. « Теоретическая физика», Т.5. М.Наука,1964.

19. Луговский В.В. « Качка корабля ». С.-Петербург, 1999.

20. Луговский В.В. « Исследование гидродинамики продольной качки конечной амплитуды на ходу». Труды ЦНИИМФ, 1969, вып. 19

21. Мореншильдт В.А. « Моделирование на аналоговой машине горезонтальных колебаний судна и явления «захвата» его волной». В сб. Экспериментальная гидромеханика судна . Л. Судостроение, 1975, вып.226, стр.107-115.

22. Рейнов М.И. « Машинная реализация гидродинамической теории качки ». ХХХУ Крыловские чтения, тезисы конференции. Л. Судостроение, 1991.

23. Ремез Ю.В. Качка корабля. Л., Судостроение, 1983.

24. Ремез Ю.В. «К гидродинамической теории качки судна на волнении». Труды НТО СП, Теория корабля, вып.49, 1963.

25. Сретенский JI.H. Теория волновых движений жидкости. М., Наука, 1977.

26. Фаддеев Ю.И. « Определение главной части возмущающей силы при бортовой качке на волнении в условиях мелководья». Труды ЛКИ, вып. XIII, 1954.

27. Хаскинд М.Д. Гидродинамическая теория качки корабля. М., Наука, 1973

28. Хаскинд М.Д. « Методы гидродинамики в проблемах мореходности корабля на волнении ». Труды ЦАГИ, N 603, 1947.

29. Хаскинд М.Д. « Плоская задача о колебаниях тела под поверхностью тяжелой жидкости конечной глубины». ПММ, т.8, вып.8, 1952

30. Хаскинд М.Д. « Волны, возмущаемые колебаниями тела в мелководье ». ПММ, т. 10, вып.4, 1946.

31. Хаскинд М.Д. « Возмущающие силы и заливаемость судов на волнении». Изв. АН СССР, ОТИ , N7,1957.

32. Хаскинд М.Д. « Теория сопротивления судов при движении на волнении». Изв. АН СССР, ОТИ , Механика и машиностроениеЛЧ2,1959.

33. Хаскинд М.Д. « Приближенное исследование действия волнения на плавающее судно». Труды ЦНР1ИРФ, вып. 17, 1952.

34. Элис Я.М. Гидродинамические давления, присоединенные массы и коэффициенты демпфирования при качке судна с креном на мелководье. Сб. "Судостроение и морские сооружения", Харьков, 1968, вып.9.

35. Bessho М. On boundary value problems of an oscillating body floating on water . Mem. Defense Acad. Japan, N1,vol.8, 1968, pp. 183-200

36. Beukelman W., Huijsmans R.M. Calculation methods of hydrodynamic coefficients of ships in shallow water. Int. Shipbuilding Progress, vol.31, N 360,1984.

37. Frank W. Oscillation of cylinders in or below the free surface of deep fluid. NSRDC, 1967,rep.2375.

38. Information for comparative study of resultsfrom 6-degree of freedom ship motion programs . ITTC-78. Seakeeping Committee

39. Inglis R.,B. , Price W.G. A three dimensional ship motion theory : calculation of wave loading and responses with forward speed. TRINA, vol.124, 1982, pp.183-191.

40. Inglis R.,B. , Price W.G. Motions of ships in shallow water . TRINA, vol.122, 1980, pp. 325-337.

41. Inglis R.,B» ? Price W.G. A three dimensional ship motion theory: comparison between theoretical predictions and experimental data of the hydrodynamic coefficients with forward speed. TRINA, vol.123, 1981, pp.141-157.

42. Islam M.N., Baree M.S. Computation of ship responses in waves using panel method. Joun. of Naval Architecture and Marine Engineering, vol.1, 2004, pp.35-46.

43. John F. On the motion of floating bodies. Comm.Pure and Appl. Math., 1950, v. 3, p. 45-101

44. Journee J.M. Theoretical manual of seaway. Delft University of Technology. The Netherlands. Rep. 1216a,2001.

45. Kataoka S., Sueyoshe A., Arihama K. " Seakeeping Computation of Ships with forward speed in waves by a time- domain Green Function Method " Transactions of the west-Japan Society of Naval Architects, 2001,N 101, pp.49-61

46. Keil H. Hydrodynamic mass and damping coefficient of a heaving cylinder in still water. Schiffstechnik, vol.23,1976.

47. Kim C.H. Hydrodynamic forces and moments for heaving, swaying, rolling cylinders on water of finite depth. Journal of ship research , vol.13, 1969, pp.137-155

48. McTaggart K. Three dimensional ship hydrodynamic coefficients using the zero forward speed Green Function. DRDC Atlantic TM 2002-059,2002.

49. Newman J.N. The exciting forces on a moving body in waves. Journal of Ship Research , vol.9, N 3, 1965, pp. 190-199.

50. Newman J.N. The exciting forces on fixed bodies in waves. Journal of Ship Research , vol.6, N 3, 1962.

51. Newman J.N. A linearised theory for motion of a thin ship in regular waves. Journal of Ship Research , N4,1961.

52. Oortmerssen G. The motions of a ship in shallow water. Ocean Engineering, 1976, vol.3, n4

53. Papanikolaou A. Potential theorie zweiter ordnung f br vertikal schwingende Zylinder. Schiffstechnik, Bd.25, 1978.

54. Papanikolaou A. A Three-dimensional Panel Method for Motions and Loads of Ships with Forward Speed. Schiffstechnik, B.39,H.4, 1992,pp. 147156.

55. Potash R.L. Second-order theory on oscillating cylinders. J.S.R.,1971,v.l5,N.4.

56. Salvesen N., Tuck E., Faltinsen O. Ship Motion and Sea-Loads. TSNAME, 1970,v.78, pp.250-287

57. Takaki, M. On the hydrodynamic forces and moments as acting on thetwo-dimensional bodies oscillating in shallow water . Res.Inst. of Appl.Mech., Kyushu University, Japan , vol.24, N78,1977.

58. Takaki M., Tasai F. Ship motions in restricted waters . Res.Inst. of Appl.Mech., Kyushu University, Japan , vol.26, N81,1978.

59. Takaki, M. On the ship motions in shallow water. Res.Inst. of Appl.Mech., Kyushu University, Japan , vol.25, N80,1978.

60. Tuck E.O. Ship Motions in shallow water. Journal of ship research , vol.14, 1970,pp.317-328

61. Ursell F., Yu Y.S. Surface waves generated by an oscillating circular cylinder on water of finite depth; theory and experiment. J. of Fluid Mech., 1961, v.2, p.529-549.

62. Wehausen J.V., Laitone E.V. Surface waves. Encyclopedia of Physics. Berlin, Springer-Verlag, 1960, v.9, p.446-778

63. Wen S., Guan C., Sun S. Effect of water depth on wind-wave frequencyspectrum. Chinese journal of oceanology and limnology. Vol.14, N 2,1996.