СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ САМОХОДНЫХ МОДЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ СУДОВ В ЛЕДОВОМ ОПЫТОВОМ БАССЕЙНЕ
PROCEDURE FOR SELF-PROPELLED MODEL TESTING OF VESSELS IN TEST ICE POOL

Изобретение относится к области морского транспорта и способов проведения экспериментальных исследований на моделях ледоколов и судов ледового плавания в ледовых опытовых бассейнах.
Известен способ проведения самоходных испытаний модели в ледовом бассейне при использовании разворота поворотных насадок для очистки от битого льда канала за моделью, согласно которому приготовляют поле моделированного льда, в котором затем проводят испытания модели судна с работающими движителями путем ее буксировки или же при свободном самоходом движении модели с заданной скоростью и заданной частотой вращения движителей, в процессе чего регистрируют частоту попадания притопленных обломков льда к движительно-рулевому комплексу и к другим внешним по отношению к корпусу модели устройствам. (Каштелян В.И., Пехтусов М.В., Шпаков B.C. Исследование движительного комплекса гребной винт - направляющая насадка как средства повышения ледопроходимости ледоколов и чистоты канала за ними. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, вып.276, 1973, с.26-35.)
Недостатком указанного способа является наличие «масштабного эффекта», связанного с отличием условий проведения модельных исследований от натурных, вызванных несовпадением плотности моделированного и натурного льда. Вследствие этого нарушается соотношение между вертикальной силой (Архимедова сила) и горизонтальными силами (силы взаимодействия притопленных льдин с корпусом). Эффект от действия горизонтальных сил оказывается существенно сильнее, чем от вертикальных. «Масштабный эффект» проявляется в качественном и количественном несовпадении результатов модельного и натурного экспериментов и вследствие этого в завышении показателей ледоотводящих защитных устройств на основании данных модельного эксперимента.
Заявляемое изобретение решает задачу повышения достоверности результатов модельных испытаний моделей судов в ледовом опытовом бассейне и получения объективных экспериментальных данных, необходимых для проектирования винто-рулевых комплексов судов и средств их защиты ото льда, путем создания в нем условий проведения модельного эксперимента, подобных натурным.
м
Для этого по способу проведения модельных испытаний судов в ледовом опытовом бассейне, включающему приготовление поля моделированного льда, проведение испытаний модели с работающими движителями путем ее буксировки или при свободном движении модели носом или кормой вперед с заданной скоростью ν и с заданной частотой вращения движителей, заключающихся в регистрации частоты попадания притопленных обломков льда к движительно-рулевому комплексу, к ледовым ящикам модели судна и к другим внешним по отношению к корпусу модели устройствам при наличии или отсутствии ледовой защиты на корпусе модели, по изобретению производят измерение плотности моделированного льда  и после этого в неразрушенном ледяном покрове буксируют модель судна с неработающими движителями со скоростью, определяемой по соотношению
м
н
м
где ν, ν - скорости модели и натурного судна соответственно, λ - масштаб модели, после чего измеряют средний размер обломков льда и ширину канала за моделью, образующихся при прохождении модели в ледяном поле, затем в неразрушенном ледяном поле перед моделью в полосе шириной, равной ширине канала за моделью, нарезают ледяной покров на отдельные плотно прилегающие друг к другу льдины, размер которых равен измеренному среднему размеру обломков льда, и в полученном таким образом канале проводят испытание путем буксировки модели с работающими движителями, причем буксировку модели при указанных испытаниях осуществляют при уменьшенной по сравнению с ν скоростью  и определяемой по соотношению
в
где ρ - плотность воды,  - требуемая техническим заданием на проведение экспериментов плотность льда, а частоту вращения движителей при этом задают такую, чтобы скорость жидкости в струе за движителями  соответствовала значению, определяемому соотношением
где  - скорость в струе за движителем в натурных условиях, а в процессе испытаний модели в режиме свободного самохода частоту вращения движителей задают такую, чтобы скорость жидкости в струе за движителями  на швартовном режиме соответствовала значению, определяемому соотношением
где  - скорость в струе за движителем на швартовном режиме в натурных условиях.
л
м
Предварительное измерение плотности моделированного льда  необходимо для определения, насколько измеренная величина  отличается от заданной техническим заданием на проведение модельного эксперимента, и с использованием измеренной  затем определяют скорость буксировки модели  с работающими движителями и задают частоту вращения ее движителей. Предварительная буксировка модели судна в неразрушенном ледяном покрове с неработающими движителями со скоростью, определяемой с учетом масштаба модели по критерию подобия Фруда в виде  позволяет получить информацию о средних размерах секторов льда  образующихся при разрушении движущейся моделью сплошного ледяного покрова, так как средний размер обломков зависит от скорости движения модели и толщины льда l=ƒ(ν, h), с тем чтобы затем на подготовленном участке канала с плотно прилегающими друг к другу льдинами, имеющими размер, аналогичный среднему размеру полученных в процессе предварительной буксировки модели обломков льда, проводить самоходные испытания модели судна с работающими движителями как в режиме буксировки, так и в режиме самоходного движения модели.
Уменьшение скорости буксировки модели  в подготовленном путем нарезки на льдины участке канала в  раз позволяет получить в ледовом бассейне соотношение вертикальных и горизонтальных сил, действующих на притопленную льдину, соответствующее натурным условиям. При уменьшении скорости движения модели уменьшаются усилия, действующие в горизонтальной плоскости при взаимодействии корпуса и льдин, и соотношение указанных сил становится аналогичным натурному.
Устранение влияния «масштабного эффекта», вызванного несовпадением плотности моделированного и натурного льда, происходит за счет снижения величины сил, вызывающих движение находящейся под водой льдины в горизонтальной плоскости. Снижение величины сил, действующих в горизонтальной плоскости, выполняется таким образом, чтобы эти силы были сопоставимы с силами, вызывающими движение льдины в вертикальной плоскости. Величина силы Архимеда  действующей на льдину с плотностью  отличается от аналогичной силы  действующей на льдину с плотностью  в следующее число раз:
Например, при плотности воды, равной  измеренной плотности моделированного льда  и требуемой техническим заданием плотности льда  получим, что действующая в эксперименте сила Архимеда отличается от требуемой силы Архимеда в 2 раза:
Горизонтальное усилие F, действующее на притопленную льдину при ее взаимодействии с корпусом модели или ледовой защитой, можно записать следующим образом:
где m - масса льдины, Δt - время действия ударного импульса, эту величину можно считать постоянной (Рывлин А.Я., Хейсин Д.Е. Испытания судов во льдах. Л.: Судостроение, 1980). Для того чтобы силы, действующие в разных плоскостях, были сравнимы по величине, необходимо уменьшить горизонтальную силу в  раз. В результате получим силу F'. Это требование позволяет получить выражение для определения нового значения скорости буксировки модели :
г.д.
Горизонтальное усилие F, действующее на притопленную льдину при ее взаимодействии со струей воды, отбрасываемой движителем, можно записать следующим образом:
л
где С - коэффициент сопротивления льдины, l - средний размер льдины.
Для того чтобы силы, действующие в разных плоскостях, были сравнимы по величине, необходимо уменьшить горизонтальную силу в  раз. Это требование позволяет получить выражение для определения нового значения скорости жидкости в струе гребного винта :
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, на котором схематически показана чаша ледового бассейна (вид сверху), в которой проводятся модельные испытания судов по предлагаемому способу.
В ледовом бассейне 1 наморожено поле моделированного льда 2, разделенное по длине на два участка 3 и 4, в пределах которых проводятся испытания модели 5, имеющей движитель 6. На участке 3 представлен канал 7 с обломками льдин 8, образовавшимися при предварительной буксировке модели 5. В оставшемся неразрушенном ледяном покрове на участке 4 в канале 9, ширина которого совпадает с шириной канала 7 на участке 3, расположены плотно прилегающие друг к другу льдины 10, полученные путем нарезки ледяного покрова на сектора с размерами, равными средней длине льдин, измеренных в канале 7 на участке 3.
Предлагаемый способ проведения самоходных модельных испытаний судов в ледовом опытовом бассейне осуществляется следующим образом.
м
в
В ледовом бассейне 1 намораживают моделированное ледяное поле 2. После приготовления поля льда измеряют плотность ледяного покрова  и сравнивают ее с заданным техническим заданием на проведение экспериментов плотностью  Затем на участке 3 ледового бассейна 1 буксируют модель 5 со скоростью, равной  После этого производят измерения среднего размера обломков льдин 8, образовавшихся при прохождении модели 5, а также ширины ледяного канала 7, оставшегося за ней. Затем в неразрушенном ледяном поле перед моделью 5 на участке 4 ледового бассейна 1 в полосе канала 9 шириной, равной ширине канала 7 за моделью 5, нарезают ледяной покров на отдельные плотно прилегающие друг к другу льдины 10, размер которых равен измеренному среднему размеру обломков льда 8. В полученном таким образом канале 9 с плотно прилегающими друг к другу льдинами 10 проводят испытания путем буксировки модели с работающими движителями 6, регистрируя частоту взаимодействия движителей 6 и внешних устройств модели со льдинами, со скоростью буксировки при указанных испытаниях  уменьшенной по сравнению с ν в  раз с учетом разницы замеренной  и потребной  где ρ - плотность воды,  - требуемая техническим заданием на проведение экспериментов плотность льда, и с частотой вращения движителей 6, выбранной так, чтобы скорость жидкости в струе за движителями соответствовала значению, определяемому соотношением
где  - скорость в струе за движителем в натурных условиях.
Проведение же испытаний в режиме свободного самоходного движения модели осуществляют при такой частоте вращения движителей модели, которая обеспечивает на швартовном режиме скорость жидкости в струе за движителем  соответствующую значению, определяемому соотношением
Предлагаемый способ позволяет исключить влияние «масштабного эффекта» при проведении модельных испытаний в ледовых условиях в опытовом бассейне и таким образом получить достоверные экспериментальные данные.