Результаты исследования гидродинамических характеристик жестких плавучих контейнеров

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЖЕСТКИХ ПЛАВУЧИХ КОНТЕЙНЕРОВ

Самсонов С.В., Барабанов В.А.

Представлены результаты исследования гидродинамических характеристик жестких плавучих контейнеров.

Presents the results of investigation of the hydrodynamic characteristics of rigid floating containers.

Ключевые слова: лесосплав, эксперимент, гидродинамические характеристики, коэффициент сопротивления формы и трения.

Keywords: rafting, experiment, hydrodynamic characteristics, the coefficient of the form and friction.

В связи с запрещением молевого сплава возникла острая проблема доставки лесоматериалов из отдаленных лесоизбыточных регионов на лесоперерабатывающие предприятия. Так же возникла социальная проблема занятости населения в лесозаготовительных пунктах. Доставка лесоматериалов железнодорожным и автомобильным транспортом невыгодна, т. к. потребует строительства железных и автомобильных дорог. Один из способов решения данной проблемы - внедрение новых технологий лесосплава по малым рекам с ограниченными глубинами на базе плавучих контейнеров для транспортировки лесоматериалов.

Кафедрой водного транспорта леса и гидравлики Северного (Арктического) федерального университета предложено использовать жесткие плавучие контейнеры для транспортировки лесоматериалов [4].

Внешне контейнер (рисунок 1) представляет собой коробку 1 с полуцилиндрическими (возможны варианты с трапецеидальными или треугольными) бортами 2, обшивка контейнера выполнена из судовой стали, сверху контейнер имеет трюмный люк 3, который может закрываться жесткой герметичной крышкой 5, сдвигающейся по направляющим 4 или в облегченном варианте поливиниловым тентом. Загрузка и разгрузка контейнера происходит через люк. Выгружать контейнер из воды можно краном, для этого предусмотрены рымы 6.

Внутри пространство контейнера при помощи перегородок разделено на грузовую часть 7 и внутренние (изолированные от грузовой части и водонепроницаемые) полости 8, образуемые бортами. В полостях 8 размещается система набора.

Разработаны контейнеры грузоподъемностью 5, 10, 15, 20 и 25 тонн. При определении размеров контейнеров исходили из среднего диаметра бревна d =0,18 м [5], средней длинны бревна Z =6 м и плотности древесины

Рдр =900 кг/м3.

6

15 4 2

а з

Рисунок 1 - Общий вид контейнера: 1 - коробка; 2 - борт; 3 - люк; 4 -направляющие; 5 - крышка; 6 - рымы

К

ь

к

В

к

Рисунок 2 - Размеры контейнера Таблица 1 - Параметры плавучих контейнеров

Длина Ьк (рисунок 2), ширина Вк, высота Я,, ширина грузовой части Ь^, приближенная масса т^. и осадка контейнеров Тк при полной загрузке в зависимости от грузоподъемности Q представлены в таблице 1.

Q, т Ур, м3 тк, т Ьк, м Вк, м Як, м Тк, м Ьк, м

5 5,56 1,2 2,3 0,7 0,44 1,6

10 11,11 2,1 3,2 1 0,62 2,2

15 16,67 3,9 6,5 3,7 1,6 0,86 2,1

20 22,22 4,6 4,3 1,8 0,96 2,5

25 27,78 6,5 4,8 2 1,1 2,8

Для широкого внедрения новых технологий лесосплава по малым рекам с ограниченными глубинами на базе плавучих контейнеров для транспортировки лесоматериалов необходимо исследовать их гидродинамические характеристики.

Исследования проведены на моделях, изготовленных из оцинкованной стали.

Рисунок 3 - Модель плавучего контейнера

В качестве экспериментального образца использована модель контейнера грузоподъемностью Q =25 т (рисунок 3). Моделирование выполнено по критерию подобия Фруда в области квадратичной турбулентности. В этих условиях коэффициенты сопротивления практически не зависят от числа Рей-нольдса (Яе = 5,87•104...3,53-105, Ег = 0,08...0,33). Основной масштаб моделирования принят 1: 20.

Экспериментальные исследования проведены в опытовом бассейне кафедры водного транспорта леса и гидравлики С(А)ФУ. Ширина бассейна 3 м, длина 14 м, глубина 0,35 м. Ширина бассейна обеспечит неограниченность потока. Отношение глубины бассейна к осадке моделей составляло 5,91... 15,47. Данные условия не считаются проблемными, т. к. контейнеры предполагается эксплуатировать на реках с малыми глубинами.

Буксировку моделей выполняли со скоростями соответствующим натурным от 0,89 до 2,68 м/с. Для каждого значения скорости, определяемой величиной буксируемого груза, опыт повторялся 5 раз в серии, согласно рекомендациям [3]. Всего по установившемуся движению обработано 16 серий замеров, или 80 опытов. Статистики опытов колеблются в следующих пределах: среднее квадратичное отклонение 0,0038.0,0092 м/с; коэффициент вариации 0,8.3,01; средняя ошибка среднего арифметического 0,0014.0,00411 м/с; показатель точности 0,36.1,35%.

Воспроизводимость опытов оценивали по критерию Кохрена. Сделан вывод о достаточно высокой точности измерений.

В опытах использован метод планирования эксперимента с получением уравнения регрессии и классическая методика с получением теоретических зависимостей. Многофакторный эксперимент выполнен в целях изучения качественного и количественного влияния факторов на сопротивление воды движению моделей. Основными факторами, влияющими на гидродинамическое сопротивление воды движению модели контейнера, приняты отношение осадки к ширине модели и длина модели, скорость движения модели, коэффициенты сопротивления и плотность воды. Плотность воды - величина постоянная, являющаяся не управляющим фактором, скорость движения определяет гидродинамическое сопротивление по зависимости

Я = гу2,

где г - приведенное сопротивление воды движению модели контейнера; у -скорость движения.

Получив экспериментальным путем зависимости для определения приведенного сопротивления г , можно по выражению (1) найти гидродинамическое сопротивление. Поэтому за выходной параметр уравнения регрессии принято приведенное гидродинамическое сопротивление моделей контейнеров; за выходные управляющие факторы: X - длина; Х2 - отношение осадки к ширине модели; Х3 - скорость. Размеры испытанных моделей контейнеров приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Размеры испытанных моделей контейнеров

№ модели контейнера Ь, м ¥ = Т / В У, м/с

X1 х1 X 2 Х2 X 3 Хз

1 0,335 -1 0,094 -1 0,2 -1

2 0,67 1 0,094 -1 0,2 -1

3 0,335 -1 0,226 1 0,2 -1

4 0,335 -1 0,094 -1 0,6 1

5 0,335 -1 0,226 1 0,6 1

6 0,67 1 0,226 1 0,2 -1

7 0,67 1 0,094 -1 0,6 1

8 0,67 1 0,226 1 0,6 1

Уравнение регрессии после обработки экспериментальных данных и расчета коэффициентов регрессии принимает вид

г = 4,861 - 0,438^ + 2,184х2 + 0,899х3 - 0,205хх - 0,438хх3 + 0,472х2х3 - 0,205x^x3.

Это уравнение проверено на адекватность экспериментальным данным по критерию Фишера. По знаку и величине его коэффициентов оценено воздействие соответствующих факторов на выходной параметр. Результаты, полученные при математическом планировании эксперимента, использованы при планировании и проведении опытов по классическому эксперименту.

Гидродинамическое сопротивление воды равномерному движению плавучего контейнера по классической формуле Ньютона [3]

Я = др°У 2,

где д - общий безразмерный коэффициент сопротивления движению; р -плотность воды; О - характерная площадь; у - скорость движения.

Полное сопротивление воды равномерному движению тела

Я = Ятр + Яф + Ям,

где Я - сопротивление трения; Я - сопротивление формы; Я - волновое сопротивление.

Две последние составляющие, часто объединяют под общим названием остаточного сопротивления:

Яост = Яф + Яволн .

С учетом вышесказанного, полное сопротивление может быть представлено как сумма слагаемых

R — Rmp + Rocm .

Тогда остаточное сопротивление

Rocm — R - Rmp .

Коэффициент остаточного сопротивления подсчитывали по формуле

2R

С — ост /о\

Cocm pQv2'

где Q - площадь миделевого сечения модели контейнера.

Сопротивление трения для моделей вычисляли по формуле

Rmp —Стр f Sv2 ,

где S - площадь смоченной поверхности модели; Стр - коэффициент сопротивления трения от общей шероховатости модели.

Зависимость коэффициента трения от относительной шероховатости может быть представлена следующей интерполяционной формулой [6]:

f j у2'5

Сmp 1,89 +1,62 lg — ,

V )

где I - характерный размер (для данного случая длина модели); ks - эквивалентная «песочная» шероховатость; для материала модели k — 6,7 -105 м.

Для подтверждения отсутствия масштабного эффекта проведена проверка результатов исследования с использованием модели плавучего контейнера в масштабе 1:10.

Для того, что бы оценить насколько адекватно зависимость (2) отображает результаты исследований в масштабе 1:10, определяли F - критерий Фишера для fad —10 и f —10 и уровня значимости q — 0,05. Значения статистических оценок составили: дисперсия воспроизводимости опытных значений -1,34; дисперсия адекватности - 9,73 -10 2; Fpac4 — 7,24 -2; Fma6n — 2,98.

Т. к. Fpac4 < F^, принята гипотеза об однородности дисперсий, а значит,

адекватности зависимостей (1) и (2) значениям остаточного сопротивления движению модели, вычисленного по результатам исследований модели в масштабе 1:10.

Как видно из рисунка 4, остаточное сопротивление движению для модели в масштабе 1:20 и модели в масштабе 1:10 хорошо согласуются между собой и уравнением регрессии, что и подтверждает отсутствие масштабного эффекта. Значения статистических оценок составили: дисперсия воспроизводимости опытных значений - 1,34; дисперсия адекватности - 9,73 10 2; Fpacn — 7,24 2; Fma6jl — 2,98. Значит зависимости (1) и (2) могут быть использованы для расчета остаточного сопротивления движению плавучих контейнеров, длина которых изменяется в интервале L — 6,5...13 м, при скоростях буксировки v — 0,89.2,68 м/с, и соотношении осадки к ширине у — T / B — 0,094... 0,226.

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 v

Рисунок 4 - График зависимости остаточного сопротивления движению модели от скорости; 1 - результаты экспериментальных исследований на моделях в масштабе 1:20; 2 - результаты экспериментальных исследований на моделях в масштабе 1:10; 3 - точки полученные при помощи зависимости

Полученные результаты исследований будут использованы при разработке новых технологий лесосплава по рекам с ограниченными глубинами.

Список использованных источников

1. Карпачев В.П. Транспорт леса. Теоретические основы водного транспорта леса [Текст]: учеб. пособие для вузов / В.П. Карпачев. - Красноярск: КГТА, 2009. - 254с.

2. Войткунский, Я.И. Сопротивление движению судов [Текст]: учебник / Я.И. Войт-кунский. 2-е изд., доп. и перераб. - Л.: Судостроение, 1988. - 288 с.

3. Митрофанов, А.А. Лесосплав. Новые технологии, научное и техническое обеспечение [Текст]: моногр. / А.А. Митрофанов. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2007. - 492 с.

4. Пат. 119332 РФ, МПК B65D 88/12.Контейнер [Текст] / Суров В.Я., Барабанов В.А., Самсонов С.В.; заявитель и патентообладатель С(А)ФУ. - 2012114041/12; заявл. 10.04.2012; опубл. 20.08.2012. Бюл. №23. - 3 с.

5. Результаты деятельности ОАО "Соломбальский ЛДК" за 2007 год. solombala.com/info/sldk/2007/getfile.php?file=godotch_doc

6. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя [Текст] / Г. Шлихтинг; пер. с нем. - М.: Наука, 1969. - 742 с.