СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА В ЛЕДОВОМ ОПЫТОВОМ БАССЕЙНЕ
METHOD AND DEVICE FOR ICE COVER SIMULATION IN MODEL BASIN

1. Изобретение относится к области судостроения и используется для проведения модельных испытаний судов и морских сооружений в ледовом опытовом бассейне. Модельные испытания судов и морских сооружений проводятся с целью прогнозирования ледовых нагрузок в натурных условиях при различных сочетаниях конструктивных особенностей испытуемых объектов и физико-механических характеристик ледовых образований. Модели судов и сооружений изготавливаются в уменьшенном линейном масштабе, как правило, в диапазоне от 1/20 до 1/100 от натуральной величины. При этом толщина модельного льда и его прочностные характеристики должны удовлетворять так называемым критериям подобия, при соблюдении которых справедливы известные уравнения пересчета модельных нагрузок на натурный объект, а также сохраняется общая картина и механизм разрушения ледяного покрова. Согласно критериям подобия толщина модельного льда и его прочность на изгиб должны быть меньше натурных величин в линейной пропорции уменьшения линейных размеров модели. При выполнении этого условия действующие на модель ледовые нагрузки снижаются в третьей степени от уменьшения линейного масштаба, а картина разрушения льда сохраняется.
Известны способы приготовления модельного льда в ледовых опытовых бассейнах, с помощью которых в большей или меньшей степени удается выполнение критериев подобия и формирование льда с заданными прочностными характеристиками и толщиной. Например, известен способ, получивший название FG-ice [Enkvist E., Makinen S. Fine-Grain model-ice. Proceedings of the IAHR Symposium. 1984. Vol.II. P.217-227. Germany]. Согласно этому способу технология приготовления льда заключается в постоянном распылении водного раствора NaCl при температуре замерзания над поверхностью бассейна в течение всего периода намораживания 2% раствора поваренной соли. Недостатком такого способа является зернистая, а не кристаллическая, как в натуре структура льда. В результате характер разрушения модельного льда и соответствующие ледовые нагрузки неполностью соответствуют натурным параметрам и дают недостаточно адекватные результаты.
Известен также усовершенствованный способ приготовления модельного льда, так называемая технология FGX-ice [Noutala-Hoikkanen model ice at the Masa-Yarda Artic Research Centre // Proceedings of the IAHR Ice Symposium. 1990. Vol.3, p.247-259. Espoo, Finland]. Эта технология отличается тем, что она состоит из отдельных этапов по времени: засеивание ядер кристаллизации льда с помощью водного раствора NaCl, сохранение образовавшегося тонкого слоя льда, упрочнения льда, термообработка для доведения характеристик льда до заданного значения. В ряде случаев полученный согласно данному способу лед обладает слишком низкими прочностными характеристиками, поэтому перед началом испытаний требуется этап упрочнения путем снижения температуры воздуха над поверхностью льда. Недостатком данного способа является низкая воспроизводимость прочностных характеристик модельного льда, а также сложность и трудоемкость технологии. Требуемые прочностные характеристики льда достигаются только при толщинах более 15 мм и прочности на изгиб более 20 кПа, что в значительном числе случаев недостаточно.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности отличительных признаков к заявленному является "Способ и устройство для формирования моделированного ледяного покрова", патент США №3.691.781 от 19.09.1972 г. Способ заключается в том, что над чашей бассейна распыляется инертная криогенная жидкость (жидкий азот) через мелкодисперсные форсунки при температуре замерзания жидкости - 60°C. Испарение жидкого хладагента сопровождается поглощением тепла с поверхности бассейна. В результате поверхность воды замерзает. Рост ледяного покрова происходит чрезвычайно быстро со скоростью 1 см/час, в результате чего образовавшийся слой льда состоит из очень мелких кристаллов, рост которых происходит только в вертикальном направлении в виде игольчатой структуры. Прочностные свойства такого льда (модуль упругости и прочность на растяжение) зависят от окружающей температуры и солености воды.
Регулируя скорость роста льда в бассейне, соленость воды и температуру, которая сохраняется после замерзания, можно регулировать прочностные свойства в соответствии с выполняемой задачей. Авторы изобретения считают, что такой лед, состоящий из тонких кристаллов с переменными свойствами, является отличной моделью натурного льда. В описании изобретения указывается, что свойства модельного льда должны соответствовать набору правил, которые получены из системы безразмерных дифференциальных уравнений. Приведены 9 формул, в которых коэффициенты соответствующих величин в безразмерных уравнениях одинаковы для модельного и натурного льда. Приведенные в описании формулы являются математической формулировкой критерия подобия.
Недостатками способа и устройства моделирования льда, согласно прототипу, по мнению заявителей являются недостаточно адекватные свойства модельного льда натурному льду. Причина неадекватности заключается в слишком мелких размерах кристаллов льда игольчатой структуры и невозможность их регулирования. Прочность модельного льда регулируется только его толщиной и соленостью. В результате картина разрушения модельного льда в процессе испытаний не соответствует натурной. Кроме того, система распыления жидкого азота не обеспечивает достаточной однородности ледяного покрова, что обусловлено конструктивным исполнением системы в виде неподвижного набора жестких труб с форсунками. Под форсунками температура оказывается более низкой, соответственно толщина льда увеличивается, а между форсунками лед получается более тонким. Существенный недостаток прототипа заключается в использовании большого количества распыляемого жидкого азота, вредного для здоровья персонала. В результате присутствие персонала в помещении бассейна в процессе приготовления льда не допускается, что затрудняет контроль над процессом.
Целью предлагаемого изобретения является создание способа и устройства приготовления моделированного ледяного покрова в опытовом бассейне с заданными прочностными характеристиками полностью отвечающего критериям подобия и свободного от недостатков аналогов и прототипа.
Технический результат заключается в возможности моделирования ледяного покрова с заданными прочностными характеристиками (модулем упругости, прочностью на изгиб, характером разрушения льда при движении модели) согласно критериям подобия натурного и модельного льда.
Способ моделирования ледяного покрова в ледовом опытовом бассейне заключающийся в том, что в замкнутом помещении бассейна, над чашей бассейна, заполненной соленой водой, распыляется инертная криогенная жидкость (жидкий азот) через мелкодисперсные форсунки при температуре замерзания жидкости - 60°C, в результате испарения жидкого хладагента сопровождаемого поглощением тепла с поверхности бассейна, поверхность воды замерзает, отличающийся тем, что температура воздуха в закрытом помещении опытового бассейна предварительно охлаждается до -10°C, а в качестве жидкости распыляется пресная вода в количестве 0,1 кг на квадратный метр поверхности, распыление осуществляется в течение 2-3 минут через мелкодисперсные форсунки, установленные на равномерно движущейся вдоль поверхности воды буксировочной тележке с рельсовым ходом, после чего выжидают некоторое время до образования сплошного слоя тонкого льда, и далее, по определенному графику регулируют температуру воздуха в бассейне в сторону понижения или повышения, в зависимости от требуемой толщины и прочности ледяного покрова, и сам процесс охлаждения осуществляется в замкнутом помещении ледового бассейна.
Преимущества предлагаемого способа моделирования ледяного покрова и устройство для его реализации заключаются в следующем.
Засев чаши бассейна ядрами кристаллизации льда с регулируемыми размерами и плотностью распределения на поверхности, в отличие от прототипа, позволяет управлять размерами образующихся кристаллов льда и тем самым задавать требуемые прочностные характеристики.
Регулирование температуры воздуха по графику, в зависимости от вертикального распределение температуры в чаше бассейна, обеспечивает формирование льда со стабильными и воспроизводимыми характеристиками от эксперимента к эксперименту.
Предлагаемый способ и устройство для приготовления модельного льда позволяет получить более однородные параметры льда по всей площади бассейна за счет распыления ядер кристаллизации с равномерно движущейся тележки, а не из фиксированных точек, как в прототипе.
Отказ от использования агрессивных химических реагентов для моделирования льда создает благоприятные условия для работы обслуживающего персонала.
2. Замкнутое помещение по п.1 состоит из закрытого помещения ледового опытового бассейна с системой охлаждения и вентиляции воздуха, расположенной в помещении чащи бассейна, заполненной переохлажденной соленой водой, и подвижной буксировочной тележки с рельсовым ходом, с установленными на тележке мелкодисперсными форсунками для распыления пресной воды, характеризуется тем, что для управления прочностными характеристиками льда мелкодисперсные форсунки выполнены с возможностью регулирования размеров ядер кристаллизации льда, а также дополнены системой контроля распределения температуры воды по вертикали в чаше бассейна.
Состав устройства для реализации способа моделирования ледяного покрова приведено на фиг.1. В состав устройства входят: закрытое помещение опытового бассейна 1, чаша бассейна 2, буксировочная тележка с рельсовым ходом 3, установленные на тележке мелкодисперсные форсунки 4 для распыления ядер кристаллизации льда.
Способ осуществления моделирования ледяного покрова и работа устройства происходит в следующей последовательности.
С помощью системы охлаждения и вентиляции в помещении бассейна понижают температуру воздуха примерно до -10°C. Подсоленную воду в чаше бассейна охлаждают до температуры, близкой к температуре замерзания. Затем над чашей бассейна в течение 2-3 минут распыляют с равномерно движущейся вдоль поверхности воды тележки ядра кристаллизации льда, образующиеся из пресной воды. Размер ядер кристаллизации регулируют давлением воздуха и геометрией сопла мелкодисперсных форсунок 4. Выжидают некоторое время до образования тонкого сплошного льда. От засеянных на поверхность моды ядер кристаллизации начинают расти кристаллы льда только в вертикальном направлении согласно градиенту температуры. Размеры кристаллов льда зависят от исходных размеров ядер кристаллизации, плотности засева, температуры и солености воды. После этого регулируют температуру по определенному графику согласно требуемой толщине и прочностным характеристикам льда. После достижения требуемой толщины льда температуру воздуха устанавливают на фиксированном значении, при котором свойства льда сохраняются достаточно длительное время, необходимое для испытания моделей.
Подбор прочностных качеств моделированного льда производится на основании результатов испытаний эталонной модели судна, ледопроходимость которого в натурных условиях известна. По результатам испытаний эталонной модели вносится поправка на некоторое несоответствие упругих и пластических свойств моделированного и натурного льда.
Опыт эксплуатации предлагаемого способа и устройства моделирования ледяного покрова в опытовом ледовом бассейне ААНИИ подтвердил ожидаемые прочностные и физико-механические характеристики льда, а также воспроизводимость характеристик от эксперимента к эксперименту.