Способ определения позиционных гидродинамических характеристик корабля
METHOD FOR DETERMINING SHIP HYDRODYNAMIC POSITIONING CHARACTERISTICS

Изобретение относится к управлению кораблями и может быть использовано для прогнозирования траекторий движения кораблей, а также подводных объектов, находящихся в надводном положении, выполняющих сложное маневрирование.
Известен способ определения позиционных составляющих гидродинамической силы и гидродинамического момента, основанный на раздельном расчетном определении этих характеристик на корпус корабля и руль с последующим суммированием этих характеристик (см. Фирсов Г.А. Управляемость корабля / Г.А. Фирсов. - Л.: Издательство ВВМИУ им. Ф.Э. Дзержинского, 1954. стр. 55-59).
Недостатком этого способа является лишь приближенный учет формы корпуса корабля, что приводит к погрешностям.
Известны также экспериментальные способы определения позиционных гидродинамических характеристик корабля, основанные на испытании моделей в аэродинамической трубе или опытовом бассейне (см. Войткунский Я.И., Першиц Р.Я., Титов И.А. Справочник по теории корабля / Войткунский Я.И. - Л.: Судостроение, 1973. стр. 279-281). Действующие на модель силы и моменты измеряются с помощью весов специальной конструкции.
Недостатком этих способов является наличие масштабного эффекта, что приводит к погрешностям, а также высокая стоимость производства физических моделей корабля.
Известен также «Способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик корабля» (пат. RU №2690305, опубл. 31.05.2019, МПК: В63Н 25/00) - взятый за прототип, включающий определение центра вращения корабля, его угловой скорости, демпфирующих гидродинамических характеристик корабля, при этом формируют трехмерную электронную модель корабля, вокруг этой трехмерной электронной модели формируют внутреннюю вычислительную сетку в виде сферического сегмента, внутренняя вычислительная сетка в виде сферического сегмента выполнена с возможностью вращения вместе с трехмерной электронной моделью относительно внешней вычислительной сетки. В расчетной области, занятой внутренней и внешней вычислительными сетками, определяют распределение полей скоростей и давлений потока, скорость движения жидкости на входной по отношению к потоку границе расчетной области задают равной линейной скорости движения корабля, при этом задают колебания трехмерной электронной модели по углу дрейфа, в результате определяют нестационарные гидродинамические воздействия на трехмерную электронную модель: компоненты гидродинамической силы и момента в связанной системе координат, анализируют их и определяют значения гидродинамических воздействий при углах дрейфа равных нулю, затем определяют демпфирующие гидродинамические характеристики корабля, а полученные демпфирующие гидродинамические характеристики используют при выполнении сложного маневра кораблем.
Недостатком этого способа является отсутствие возможности определения гидродинамических характеристик корабля в установившемся движении, что приводит к погрешностям.
Задачей изобретения является повышение безопасности управления кораблем при выполнении им сложного маневрирования за счет повышения точности прогнозирования его движения по заданной траектории с использованием компьютерного моделирования на базе рассчитываемых позиционных гидродинамических характеристик корабля, что снижает погрешность в определении диаметра циркуляции корабля при маневрировании, тем самым, уменьшается вероятность навигационных аварий.
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемый способ определения позиционных гидродинамических характеристик корабля включает определение центра вращения корабля, формирование трехмерной электронной модели корабля, при этом часть корпуса корабля, расположенную выше ватерлинии отсекают. Вокруг этой трехмерной электронной модели корабля формируют внутреннюю вычислительную сетку в виде сферического сегмента, внутреннюю вычислительную сетку в виде сферического сегмента выполняют с возможностью вращения вместе с трехмерной электронной моделью корабля относительно внешней вычислительной сетки. Основание сегмента содержит плоскость ватерлинии модели, а ось симметрии сегмента совмещают с осью вращения модели. В расчетной области, занятой внутренней и внешней вычислительными сетками, определяют распределение полей скоростей и давлений потока. Скорость движения жидкости на входной по отношению к потоку границе расчетной области задают равной линейной скорости движения корабля. При этом в отличие от прототипа последовательно задают угловые перемещения трехмерной электронной модели корабля по углу дрейфа β. В результате определяют стационарные гидродинамические воздействия на трехмерную электронную модель корабля при разных значениях угла дрейфа β, анализируют их и затем определяют позиционные гидродинамические характеристики корабля по соотношениям:
x
x
c(β)=ƒ(F(β));,
z
z
c(β)=ƒ(F(β));
y
y
m(β)=ƒ(M(β))
здесь
х
с - коэффициент позиционной гидродинамической силы по оси ОХ;
x
F - компонента позиционной гидродинамической силы по оси ОХ;
z
c - коэффициент позиционной гидродинамической силы по оси OZ;
z
F - компонента позиционной гидродинамической силы по оси OZ;
y
m - коэффициент позиционного гидродинамического момента относительно оси OY;
y
M - компонента позиционного гидродинамического момента относительно оси OY, затем эти позиционные гидродинамические характеристики используют при компьютерном моделировании для прогнозирования движения корабля в условиях сложного маневрирования.
Существенность отличий предлагаемого способа от прототипа определяется следующим. Последовательное выполнение операций, направленных на задание угловых перемещений корабля по углу дрейфа β позволяет:
- повысить точность прогнозирования движения корабля по заданной траектории с использованием компьютерного моделирования на базе рассчитываемых позиционных гидродинамических характеристик корабля,
- снизить погрешность в определении диаметра циркуляции корабля при маневрировании.
Таким образом, совокупность указанных существенных признаков позволяет обеспечить достижение нового технического результата, а именно:
- повысить безопасность управления кораблем при выполнении им сложного маневрирования;
- повысить точность управления кораблем.
Сущность способа определения позиционных гидродинамических характеристик корабля поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - общий вид расчетной области;
на фиг. 2 - схема, отражающая задание угловых перемещений трехмерной электронной модели по углу дрейфа.
Для определения позиционных гидродинамических характеристик корабля формируют его трехмерную электронную модель 1, при этом часть корпуса корабля, расположенную выше ватерлинии отсекают. Вокруг этой трехмерной электронной модели 1 формируют внутреннею вычислительную сетку в виде сферического сегмента 2. Основание сегмента содержит плоскость ватерлинии трехмерной электронной модели 1, а ось симметрии сегмента совпадает с осью вращения трехмерной электронной модели 1. Внутреннюю вычислительную сетку в виде сферического сегмента 2 выполняют с возможностью вращения вместе с трехмерной электронной моделью 1 относительно внешней вычислительной сетки 3. В расчетной области, сформированной внутренней и внешней вычислительными сетками, определяют распределение полей скоростей и давлений потока. Скорость движения жидкости на входной по отношению к потоку границе расчетной области задают равной линейной скорости движения корабля. Вводят поточную систему координат с началом в точке вращения корабля (точка О). Ось ОХ направлена параллельно вектору скорости набегающего потока в нос, OY - вверх, OZ - на правый борт. При этом последовательно задают угловые перемещения корабля по углу дрейфа β. В результате определяют стационарные гидродинамические воздействия на корабль при разных значениях угла дрейфа β, анализируют их и затем определяют позиционные гидродинамические характеристики корабля по соотношениям:
x
x
c(β)=ƒ(F(β));
z
z
c(β)=ƒ(F(β));
y
y
m(β)=ƒ(M(β))
здесь
х
с - коэффициент позиционной гидродинамической силы по оси ОХ;
x
F - компонента позиционной гидродинамической силы по оси ОХ;
z
c - коэффициент позиционной гидродинамической силы по оси OZ;
z
F - компонента позиционной гидродинамической силы по оси OZ;
y
m - коэффициент позиционного гидродинамического момента относительно оси OY;
y
M - компонента позиционного гидродинамического момента относительно оси OY.
Полученные позиционные гидродинамические характеристики корабля используют при компьютерном моделировании для прогнозирования движения корабля в условиях сложного маневрирования.
Заявителем были проведены исследования рассматриваемого технического решения «Способ определения позиционных гидродинамических характеристик корабля», направленные на повышение безопасности управления кораблем, где в качестве объекта моделирования выбрано надводное транспортное средство, обладающее определенными гидродинамическими характеристиками.
Анализ полученных данных показал, что снижается погрешность в определении диаметра циркуляции корабля при маневрировании, тем самым, уменьшается вероятность навигационных аварий.
Точность управления кораблем увеличивается за счет учета стационарных гидродинамических воздействий, возникающих при угловых перемещениях корабля по углу дрейфа.
Таким образом, технический результат изобретения заключается в повышении безопасности управления кораблем при выполнении им сложного маневрирования, а также в повышении точности управления кораблем и уменьшении вероятности навигационных аварий.