Гидродинамические характеристики плавучих контейнеров и контейнерных составов для доставки измельченных лесных грузов

БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАВУЧИХ КОНТЕЙНЕРОВ И КОНТЕЙНЕРНЫХ СОСТАВОВ ДЛЯ ДОСТАВКИ

измельченных лесных ГРУЗОВ

А.Н. КОМЯКОВ, доц. каф. транспорта леса МГУЛ, канд. техн. наук,

М.А. СОРОКИН, ст. преподаватель каф. транспорта леса МГУЛ

Технико-экономические показатели доставки потребителям измельченных и прочих лесных грузов в плавучих контейнерах в значительной степени определяются затратами на их транспортировку. Для выполнения тяговых, технологических и экономических расчетов необходимо знать гидродинамические характеристики одиночных плавучих контейнеров, контейнерных составов различных конструкций и, прежде всего, сопротивление воды их движению. На кафедре транспорта леса МГУЛ в последние годы проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований сопротивления воды движению этих новых лесотранспортных единиц для водной доставки лесных грузов. Исследовались одиночные контейнеры, контейнерные составы, комбинированные (совместно с пучковыми) плоты и большегрузные плавучие контейнеры.

Целью исследований было установление аналитических зависимостей сопротивления воды движению от геометрических параметров, скоростного режима буксировки, путевых условий и конструктивных особенностей. Исследования проводились в опытовых бассейнах лабораторий водного транспорта леса МГУЛ, С-ПЛТА и в натурных условиях на реках Кама, Вычегда и Северная Двина.

Контейнерные составы имеют много общего с традиционными пучковыми плотами. Они также являются плохообтекаемыми телами, состоящими из большого количества самостоятельных грузовых единиц (контейнеров). Характерной особенностью и тех и других является наличие продольных и поперечных интервалов между отдельными единицами, сложная форма подводной поверхности. Поэтому для расчета сопротивления воды движению контейнерного состава мы сочли возможным не разделять его на сопротивление трения и остаточное сопротив-

akomyakov@mail.ru; sorokin@mgul.ac.ru

ление и применить одночленную формулу М.М. Овчинникова [1]

R = CR

где CR - коэффициент сопротивления плота; р - плотность воды;

V - скорость движения относительно воды;

B и T- ширина и осадка плота.

У пучковых плотов коэффициент CR зависит главным образом от отношения длины плота к его осадке L / T и практически не зависит от скоростного режима и отношения В / Т, так как при характерных для плотов значениях В / Т > 10...15 обтекание плота потоком становится двумерным и сопротивление изменяется пропорционально ширине плота. В случае с контейнерными составами этими факторами пренебрегать нельзя, поскольку контейнеры и контейнерные составы могут буксироваться с повышенными скоростями и изменять соотношение главных размерений (L, B, T) в более широких пределах. Из-за этого характер обтекания потоком будет более сложным.

В результате серии опытов с моделями контейнерных составов получены следующие уравнения регрессии:

- для составов с продольным расположением контейнеров

CR = 0,91417 - 0,00633 L / T- 0,02487 В / Т-

- 2,08875Fr + 0,00034(L / T)2 + 0,00162(В / Т)2 + + 3,1053Fr2 - 0,00032(LB / T2) + 0,00985(L / T)x

xFr + 0,07148

- для составов с поперечным расположением контейнеров

CR = 0,91417 - 0,00633 L / T- 0,02487 В / Т-

- 2,08875Fr + 0,00034(L / T)2 + 0,00162(В / Т)2 + + 3,1053Fr2 - 0,00032(LB / T2) + 0,00985(L / T)x

xFr + 0,07148

Для ориентировочных расчетов величины CR получены следующие линейные уравнения регрессии для составов с продоль-

102

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010

БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ

ным и поперечным расположением контейнеров соответственно

CRM = 0,0155L / T + 0,01775 / Т + 0,895Fr, (4) CRM = 0,0254L / T + 0,0152В / Т +

+ 0,675Fr + 0,159.

Расхождения между значениями CR, рассчитанными по формулам (4,5), и результатами опытов не превышают 8... 12 %. Исследования проводились в диапазонах определяющих факторов L / T от 12 до 45, B/T от 4 до 13 и числа Фруда Fr= V U[gT от 0,14 до 0, 47. Натурные буксировочные испытания контейнерных составов, которые проводились на реке Северная Двина, показали, что опытные значения CR и R несколько превышают (примерно на 10 %) расчетные. Это позволяет сделать вывод о том, что полученные математические модели буксировки контейнерных составов достаточно точно отражают реальный процесс. При этом целесообразно ввести поправочный коэффициент кн = 1,1 для пересчета результатов моделирования на натуру.

Для большегрузных плавучих контейнеров прямоугольных очертаний получено линейное уравнение регрессии

cR = 1,296 + 0,01488 L / T +

+ 0,02279 B / T- 0,4472 Fr.

Рост коэффициента сопротивления cR с увеличением параметра L/T объясняется, главным образом, простым увеличением длины транспортируемого тела. То есть, чем длиннее плот, судно или контейнер, тем больше его сопротивление.

Увеличение коэффициента cR с ростом параметра B/T обусловлен увеличением «лобового» сопротивления из-за возникновения поперечной волны перед передней торцевой поверхностью транспортной единицы. Кроме того, он может быть связан с усилением вихревых процессов в кормовой части у относительно широких транспортных единиц.

Характер зависимости cR от числа Фруда схож с зависимостью коэффициента гидравлического местного сопротивления от скорости потока до выхода в режим автомодельности: при увеличении скорости коэффициент сопротивления несколько снижается с достижением на больших скоростях некоторого постоянного значения.

Рис. 1. Буксировка модели контейнерного состава

Рис.2. Зависимость коэффициента сопротивления Cr от числа Фруда для различных значений относительных длины L / T и ширины В / T контейнера

Рис. 3. Зависимость коэффициента сопротивления воды поперечному перемещению цилиндрических емкостей от числа Фруда

В настоящее время на кафедре транспорта леса МГУЛ проводится серия опытов по изучению гидродинамических характеристик одиночных мягких цилиндрических емкостей с твердым наполнителем. С практической точки зрения они могут представлять интерес не только для транспортировки по воде измельченных грузов, но и в качестве ос-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010

103