ОКЕАНОЛОГИЯ, 2012, том 52, № 2, с. 306-316
ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ^^^^^^^^^^^^ ИССЛЕДОВАНИЯ
УДК 551.465
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ БУЕВ-НОСИТЕЛЕЙ АВТОНОМНЫХ БУЙКОВЫХ СТАНЦИЙ
© 2012 г. Г. В. Смирнов, А. Л. Оленин
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: gvsmirnov@ocean.ru Поступила в редакцию 3.03.2011 г., после доработки 19.10.2011 г.
В работе приведены материалы модельных экспериментов по исследованию поведения различных конструкций макетов буев-носителей автономных буйковых станций при ветровой, волновой и создаваемой поверхностными течениями нагрузках.
ВВЕДЕНИЕ
Современная интенсификация промышленного освоения океана должна сопровождаться совершенствованием системы контроля состояния морской среды и получением качественной информации для принятия управленческих решений по корректировке действующих и перспективных хозяйственных проектов. Развитие методологии экспериментальных исследований в океане привело к созданию и использованию для сбора экспериментальных данных многокомпонентной информационной системы [12].
Дистанционное зондирование океана из космоса, регулярные наблюдения с научных и попутных судов и автономных буйковых станций различного назначения и других элементов многокомпонентной системы наблюдения позволяют создавать системы диагноза и прогноза состояния океанических объектов.
Дальнейшее развитие дистанционных (спутниковых) методов океанологических исследований возможно при создании систем долговременных измерений параметров гидрофизических полей на подспутниковых полигонах и на больших акваториях Мирового океана с использованием автономных буйковых станций (АБС).
Основными преимуществами применения автономных буйковых станций являются: возможность измерения гидрофизических параметров среды на заданных горизонтах на всю глубину в точке постановки станции; постановки измерительных приборов различного назначения в заданном районе на длительный промежуток времени; использование простых в эксплуатации и недорогих в производстве измерителей параметров водной среды с дистанционным методом считывания получаемой информации [8, 10, 11].
К настоящему времени в мире накоплен богатый опыт проектирования и строительства буйковых станций, технологии их постановки, съема
и эксплуатации, но необходимо отметить, что считать задачу решенной не представляется возможным [1, 9, 13].
Проводились экспериментальные исследования с различными формами буев как в натурных условиях, так и модельные эксперименты в бассейнах. Но, несмотря на большой объем проведенных исследований, все эти работы не позволяют осуществлять выбор оптимальной формы и конструкции буя-носителя, соответствующих техническому заданию на его проектирование [5—7]. Очевидна необходимость проведения модельных испытаний буев-носителей АБС с целью получения экспериментальных данных о поведении буев-носителей при одновременном воздействии ветровых нагрузок, волнения и течения.
Для решения этой проблемы в Специальном конструкторско-технологическом бюро Морского гидрофизического института (МГИ НАНУ, г. Севастополь) были проведены работы по проектированию и изготовлению макетов буев-носителей АБС. Работы по проведению испытаний поведения макетов буев-носителей АБС выполнялись под руководством ведущего конструктора Г.А. Сафонова.
ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКОЙ БАЗЫ
ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Технической базой для проведения модельных испытаний макетов буев-носителей автономных буйковых станций выбран кольцевой гидродинамический канал МГИ, построенный В.В. Шулей-киным в поселке Кацивели. Диаметр кольцевого гидродинамического канала — 40 м, ширина — 2 м, полная высота — 5.6 м, максимальная высота слоя воды в канале — до 3-х м. Заполнение бассейна производится морской водой. Ветер создается вентиляторами, установленными на крыше гидродинамического канала. Скорость ветра, создаваемая этими установками, может достигать
19 м/с или по навигационной шкале — до 9 баллов. Разгоняя волнение по кольцевому бассейну, можно наблюдать за развитием волн, для чего часть стенок гидродинамического канала изготовлена из стекла. При этом длина волны может превзойти 20 м, а их высота достигать 1.5 м. Скорость течения — 0.3—0.5 м/с (в зависимости от скорости ветра). После прекращения работы вет-роустановок устанавливается мертвая зыбь с правильным профилем. Наблюдение и регистрация развития и затухания волнового процесса осуществляется специальной регистрирующей аппаратурой. Параметры создаваемого волнения и скорости течения зависят от толщины слоя воды в гидродинамическом канале и могут задаваться в процессе проведения эксперимента [3, 4].
При проведении модельных испытаний в канале экспериментаторы могут получить качественные и количественные характеристики поведения испытываемых моделей при одновременном воздействии ветровых нагрузок, волнения и течения. Получение таких характеристик можно достичь принятием критериев оценки поведения модели на волнении в гидродинамическом канале. В качестве критериев были приняты и регистрировались следующие характеристики: собственная частота вертикальных и угловых колебаний; амплитуда колебаний моделей на волнении; усилия в гибкой связи (якорной линии). В качестве вспомогательного критерия — безразмерный коэффициент демпфирования колебаний.
При проведении модельных испытаний были обеспечены такие условия эксперимента, чтобы полученные при испытаниях результаты соответствовали данным, полученным в натурных экспериментах, т.е. соблюдались геометрическое, кинематическое и динамическое подобия.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ МАКЕТОВ БУЕВ-НОСИТЕЛЕЙ АБС
На основании детального анализа наиболее распространенных конструкций буев-носителей АБС, разработанных, изготовленных и эксплуатируемых при проведении экспериментальных исследований в морях и океанах, выбраны и приняты за прототипы семь буев-носителей АБС. Для проведения модельных экспериментов в гидродинамическом канале по выбранным прототипам было изготовлено семь моделей буев-носителей АБС, выполненных в масштабе 1:10 из алюминиевого сплава марки АМГ-6 и пенопласта ПС-1. Масштаб моделирования выбран по формуле (1):
Ум =
Ун Л,
(1)
где X = -Он/Ом масштабный коэффициент, Бн и Бы — характерные размеры натуры и модели соответственно, Ун и Уы — скорости течения в натурных условиях и в модельном эксперименте.
При средней скорости течений Ун =1—2 м/с и расчет по формуле (1) даст результат Ум = 0.3— 0.6 м/с.
Следовательно, можно сделать вывод, что условия проведения модельного эксперимента в гидродинамическом канале вполне удовлетворительные.
Обозначения и сокращения, которые применялись в работе:
В — ширина корпуса;
ОП — основная плоскость;
ТО — точка отсчета, от которой измерялись параметры при обработке записи;
ЦМ — центр массы модели;
ЦТ — центр тяжести модели;
Х — координата ЦМ, измерялась от середины модели по длине до ЦМ (в нос или корму);
— координаты ЦМ, измерялись от середины модели по ширине до ЦМ к бортам;
— координаты ЦМ, измерялись от ОП до ЦМ;
Птв. — величина вертикальных перемещений на
тихой воде;
фтв. — величина угловых перемещений на тихой воде;
П— величина вертикальных перемещений на волнении;
О — величина угловых перемещений на волнении.
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МОДЕЛЕЙ БУЕВ-НОСИТЕЛЕЙ АБС
На рис. 1 показана модель № 1 буя дисковой формы с коротким цилиндрическим приборным отсеком, имеющим осадку 94 мм, центр тяжести располагается на 78 мм выше уровня точки отсчета. Общий вес макета — 4.88 кг, вес приборного отсека — 1.12 кг, полезный груз — 2.62 кг. Диаметр диска — 330 мм, приборного отсека — 106 мм. Высота диска — Н1 = 110 мм, высота приборного отсека Н=160 мм.
Максимальная высота от точки крепления якорной линии, принятой за точку отсчета, до верха мачты — 370 мм. Осадка — 94 мм.
На рис. 2 показана модель № 2 буя дисковой формы с цилиндрическим приборным отсеком и подвесным контейнером с источником питания. Высота диска — основной плавучести — 80 мм, высота приборного контейнера — 160 мм. Общая высота от точки крепления якорной линии до верха мачты — 510 мм. Центр тяжести смещен вниз, по отношению к модели № 1, и находится
012
0330 (В)
ЦТ
0106
ТО
ОП
Рис. 1. Макет № 1.
на расстоянии 59 мм от нижнего среза приборного отсека. Общий вес модели — 5.91 кг, вес приборного отсека — 1.27 кг, полезный груз — 2.62 кг. Осадка — 103 мм.
На рис. 3 показана модель № 3 буя дисковой формы с удлиненным цилиндрическим приборным отсеком диаметром 106 мм, имеющим длину 310 мм. Высота основной плавучести — 80 мм. Центр тяжести смещен вниз и находится на высоте 155 мм от нижнего среза приборного отсека. Максимальная высота от точки крепления якорной линии до верха мачты — 510 мм. Общий вес модели — 5.77 кг, вес носителя — 0.91 кг, вес приборного отсека — 1.96 кг, полезный груз — 2.9 кг. Осадка — 230 мм.
На рис. 4 показана модель № 4 буя крыльевой формы с цилиндрическим приборным отсеком, имеющим высоту 310 мм при диаметре 106 мм. Крыло имеет 250 мм в длину и 120 мм в ширину. Центр тяжести располагается на высоте 110 мм от нижнего среза приборного отсека. Общий вес макета — 5.82 кг, полезная нагрузка — 3.2 кг, вес носителя — 1.16 кг, вес приборного отсека — 1.46 кг. Максимальная высота от точки крепления якорной линии до верха мачты — 510 мм.
На рис. 5 показана модель № 5 буя катамаран-ного типа длиной 660 мм с цилиндрическим надводным приборным отсеком. Крепление якорной линии вынесено в носовую часть катамарана и находится на 160 мм ниже уровня воды. Существует второй вариант крепления якорной линии, когда крепление заглублено на 210 мм. Осадка катамарана — 80 мм. Общий вес макета — 7.25 кг, носителя — 3.78 кг, приборного отсека — 0.71 кг, полезный груз — 1.4 кг. Носитель оснащен стабили-
— 012 0370 (В)
-ЦТ
0106
ТО
ОП
Рис. 2. Макет № 2.
затором, имеющим вес 0.4 кг. Общая высота макета от точки крепления якорной линии до верха мачты — 560 мм.
На рис. 6 показана модель № 6 буя катамаран-ного типа длиной 500 мм с подводным цилиндрическим приборным отсеком, оснащенным обте-
0370(В)
012
к. ° N
ЦТ
0106
ОП
ТО
Рис. 3. Макет
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.