Оценка влияния морского волнения на скорость и направление движения спортивного парусного судна

озвучивала VW, около 200 000 автомобилей, но из-за снижения рынка выпуск может быть сокращен. VW в ближайшие три года инвестирует в России 840 млн. евро, из которых 250 млн. евро будет выделено на строительство завода двигателей в Калуге, остальное - в автосборочные производства в Калуге и Нижнем Новгороде. [4] Двигателями российского производства VW, скорее всего, будет оснащать самые массовые модели - Polo седан и Tiguan. Запуск собственных мощностей по производству двигателей для автомобилей снизит себестоимость производства автомобилей Volkswagen. Касается новых моделей VW, которые могут начать производится в России, то теоретически это могут быть Golf седьмого поколения и Up. Однако произойдет это только в том случае, если VW увидит, что появятся некоторые конкурентные преимущества, связанные со сборкой этих моделей в России. В 2013 году в России VW запускает Beetle. [6]

Таким образом, можно предположить о планомерном росте VW в России. Уже сейчас ясно, что российский рынок для компании очень важен, а объем инвестиций и озвученные планы наращивать производство эту тенденцию только подкрепляют. Так же не стоит забывать о глобальном плане VW - стать мировым лидером автомобилестроения, и Россия в этом плане, можно предположить, играет не последнюю роль.

Заключение

Таким образом, Россия рассматривается как один из основных перспективных центров развития мирового автомобилестроения.

Значимость рынка стран БРИК такова, что по мнению экспертов, если в развитых странах продажи к 2016 году вырастут не более чем на 10%, то в этих странах объемы рынка увеличатся в несколько раз. И Россия в этом рынке будет играть важную роль. Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что почти все автомобильные компании мира имеют планы касательно России, очень многие расширяют производство, открывают заводы, организуют СП.

Одни из основных причин своего интереса к России компании называют недостаточную автомобилизацию и значительную изношенность отечественного автопарка. Исходя из этого можно прогнозировать рост автомобильного рынка России в долгосрочной перспективе.

Прогонозируем и рост производства комплектующих в России, что значительно сократит цены и уменьшит сроки поставки.

Литература:

1. Автостат 27.03.2013

2. Ведомости 18.04.2013

3. Ведомости 22.04.2013

4. Ведомости 21.06.2013

5. РБК daily 04.04.2013

6. http://www.auto.mail.ru/ 11.02.2013

7. http://www.avtonovostidnya.ru 11.02.2013

8. http://www.directpress.ru 02.08.2013

9. http://www.mordovmedia.ru 03.04.2013

656.6.08

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ НА СКОРОСТЬ И НАПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ СПОРТИВНОГО ПАРУСНОГО СУДНА

Акмайкин Д.А., к.ф.-м.н., доцент кафедры ТСС, МГУ им. адм. Г.И. Невельского Ярощук В.В., аспирант МГУ им. адм. Г.И. Невельского Русанов М.М., аспирант ИАПУ ДВО РАН лаборатория нелинейной динамики деформирования, ассистент кафедры ИСПИ ВГУЭС

Федореев В.А., аспирант МГУ им. адм. Г.И. Невельского

В статье рассматривается влияние морских волн на характеристики движения спортивных парусных судов. Приведены основные причины уменьшения скорости парусного судна из-за волнения. Приведена методика расчета падения скорости парусного судна в зависимости от скорости и направления морского волнения. Учитывается как влияние регулярного, так и не регулярного волнения. В статье приводятся формулы позволяющие рассчитать угол рыскания парусного судна в зависимости от высоты и направления распространения морских волн.

Ключевые слова: скорость, движение, сопротивление, волна.

ASSESSMENT OF SEA WAVES ON SPEED AND DIRECTION OF MOVEMENT OF

SPORT SAILING VESSEL

Akmaikin D., Ph.D., assistant professor, TSS chair, Maritime State University named after Admiral G.N. Nevelskoy Yaroschyk V., the post-graduate student, Maritime State University named after Admiral G.N. Nevelskoy Rusanov M., the post-graduate student, IAPUDVO RAN Laboratory of Nonlinear dynamics of deformation, chair ISPI assistant, VGUES Fedoreev V., the post-graduate student, Maritime State University named after Admiral G.N. Nevelskoy

The article examines the impact of the waves on the motion characteristics of sports sailing ships. The main reasons for reducing the speed of a sailing vessel because of the excitement. The design procedure of the fall of the rate of sailing ship, depending on the speed and direction of sea waves. Considered as the effect of regular and non-regular waves. The article presents the formulas allowing to calculate the yaw angle sailing vessel, depending on the height and direction ofpropagation of the waves.

Keywords: speed, movement, resistance, wave.

Для определения скорости движения спортивного парусного судна (СПС) [1] при различной скорости ветра, принято использовать полярную диаграмму скоростей. Рулевой парусного судна, планирует маршрут, основываясь на ее параметрах. Однако полярная диаграмма не учитывает высоту и направление волнения на акватории, которое в свою очередь не всегда совпадает с направлением ветра.

Для помощи рулевому, в управлении СПС, авторами разрабатывается программный комплекс «СПАРУС», который выдает рекомендации экипажу по управлению яхтой в процессе мореплавания. В программе «СПАРУС» скорость движения СПС при различной силе ветра, рассчитывается с учетом влияния полей волн окружающих судно. Исходя из полученных результатов, программа выдает рекомендации по управлению яхтой в соответствии с заданным направлением движения.

Следует заметить, что при в движении СПС в полях волн, появляются следующие особенности:

1. Увеличивается сопротивление движению, вследствие воздействия на корпус давления ветра, волн и качки;

2. Уменьшается эффективность управления рулем, по причине изменения обтекания руля волнами;

3. Увеличиваются динамические нагрузки на стоячий и бегучий такелаж парусного судна, что в свою очередь требует уменьшения площади парусов;

4. Возникает необходимость снижения скорости парусного судна судоводителем, из-за опасных ударов корпуса о набегающие волны и при спуске с попутных волн.

Для наглядности процессы влияния ветра и волнения на скорость парусного судна представлены на рисунке 1.

Ветер - Морское волнение

Дополнительное сопротивление движению

Вертикальное перемещение корпуса яхты относительно волн

Дополнительная Изменение скорости набегающего Малое погружение и оголение нагрузка на перо рул потока на перо-руля пера руля

Изменение гидродинамических сил пера руля

Естественное снижение скорости СПС

Заливание палубы и удары носом СПС

Намеренное снижение скорости СПС

Общая потеря скорости

Рис. 1. Основные причины уменьшения скорости парусного судна

Одна из первых работ по оценке сопротивления движению яхты на волнении была сделана исследователями Герритсмом и Мойесом в Делфтском техническом университетом, Нидерланды в 1973 г. [2]. Данными исследователями были определенны характеристики парусного судна, оказывающие наибольшее влияние на величину волнового сопротивления. В их работе СПС рассматривается как бесконечный цилиндр,

движущийся в регулярной системе волн [3]. При движении на таком волнении у СПС возникает дополнительная вертикальная скорость (V- ):

V

Zu h

h в - k - D -i - k - xh -cos ав

-V „ - x, + i-а ( x7 - x, - у- ) + i -а--e - e

S l e h l l 2

где _ скорость СПС; , Уц - смещение координат центра тяжести при качке (рис. 2);

2п

k =— ( Я

—ь координата судна; ^ - волновое число, л 1 (^В " длина волны); ^В " высота волны; п - усредненная осадка СПС.

В

п - ^

п , $ площадь смоченной поверхности; В максимальная ширина корпуса по ватерлинии; а в угол бега волн относитель-

но В

но курса СПС; Ю^ - кажущаяся частота встречи волны с парусным судном, определяется по формуле:

v а2

а = а + V„--cosa

e S g В'

где Ю

= 4g-k

истинное значение частоты волнения.

Рис. 2. Смещение координат

Дополнительно сопротивление на регулярных волнах рассчитывается по формуле

2

Ю) \Ъ-У,

-k - cosan L *лиДа) = —-— Íh

2 а

Zh

dx,

h

"в 0

где ^ длина СПС; Ъ коэффициент поперечного затухания, зависящий от формы корпуса (рисунок 3) [4].

h

2.0

l,5

l.O

0.5

l.O

l,5

2.0

Рис. 3. Коэффициент поперечного затухания

Однако в природе процесс морского волнения неустойчивый и нерегулярный, т.к. параметры волны зависят от возраста волн, длины разгона и степени развитости волнения, приливно-отливных явлений, течений и многих других факторов. При затухании ветрового волнения и отсутствия ветра образуются волны, называемые зыбь, которые близки к регулярному волнению. При наложении системы ветровых волн и зыби образуется смешанное - нерегулярное волнение (рис.4в).

h. А

а) б) в)

Рис. 4. Волнение: а) зыбь; б) ветровая волна; в) нерегулярное волнение

Перспективу развития волнового процесса определяют, с помощью безразмерного коэффициента:

ßв

В

V

ВТ

где СВ - скорость волны; УВТ - скорость ветра на высоте 6 м над поверхностью воды.

Анализ полученных данных показывает, что при в В = 1 питание волн от энергии ветра прекращается; в В < 1 замедляется;

ßв >l

развивается.

Для определения сопротивления движению яхты на нерегулярном волнении, спектр волнения в работе задается на основании формулы Барлинга:

Sz

А

kk а k

B

а

где: ^^ безразмерный коэффициент, пропорциональный крутизне волнения (табл. 1),

0.5

0

R

g

h

h

В

e

А = 172,75

4/3.R-

4

B = 172,75

691 4

ь

где 1/3 значительная высота волны; Т - период волны.

Таблица 1. Определение коэффициент И ¡^.

0,6 0,7 0,8 0,9 1.0 1.1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

h,hB 7,6 10,3 ¡3,5 ¡7,0 21,0 25,4 30,3 35,5 41,1 47,3 53,9

Средняя длина () и высота ( Ь в ) волнения, рассчитывается по формулам Л.Ф. Титова [5]:

в

— 2 —15

hB = 0.015 2V]Br ßB ,

Т= 2п V 2 ЛВ = Y ВТ  ßB

Для определения дополнительного сопротивления из-за наложения линейных эффектов и каждой частоты волны, в программе используется следующее выражение:

^ = 2 J RAW

RAW = J"

о h_B_ 2

Sz (rn)dœ

Расчет изменения скорости, с учетом волнения производится по следующей формуле:

d_Vs_ = pe (VBT) - RAW

dt

р-У

где У водоизмещение СПС; Ре - мощность парусного вооружения, определяемая аэродинамической силой на парусах [6]. На рисунке 5 приведен пример изменение скорости СПС при различных направлениях волн, для скорости ветра 7 м/с.

Скорость СПС \ Скорость СПС

0 \ \ _

8 35 \ Направление бега вон 8

\ \ / 6 \

\ \5 \ X / / /Х^Ч \5

\ / / 5 \

"4 ЧА\ \ / -V / 4 \ V\

\ V\\ \ 1 •-../ / / / /''"^Т""'':, \ \ \W

\ \ \ \\\\ \ ////// \ \ \ \ W

Рис. 5. Изменение скорости от направления бега волн

Помимо влияния на скорость, волнение также оказывает существенное влияние на управляемость СПС. Особое влияние волнения сказывается при движении СПС на попутном волнении, со скоростью близкой к скорости волн. При таком движении, СПС является неасимптотически устойчива на прямом курсе, управление на волнении вызывает затруднение. Это явление называется - рыскание.

Для расчета рыскание в программе «СПАРУС» используется модель расчета рыскания судна на регулярном волнении. При оценке влияния геометрических элементов судна на его динамическую устойчивость против возникновения угла дрейфа и угловой скорости вращения, используется теория крыла предельно малого удлинения. Согласно данной теории позиционные и вращательные силы на корпусе судна можно определить по следующим формулам:

Ca = kY П -С--

п - Я

'k--C: = ma-(2-n)-c

2

та , п- Я со = к-n-c k

4

m

та п - hk

c0 =-ma- n-c k

s

п Я

• f • -

k

где П ~ 0.9 коэффициент учитывающий влияние кормовой оконечности; с ^ 1.3 — 1.5 коэффициент характеризующий

/

kY

1 +

Я

\

k

коэффициент дифферента судна.

влияние неэллиптических шпангоутов; у

V Л /

Безразмерные коэффициенты дифферента, рассчитываются по формулам [7]:

m

l - 2 Y - l ЯЗ

/ Л Y

Л ,

k

l-

4l'

3 L

m

2 Y l

3 Я З

/ л Y

Л

k

1+

' l_ Л2 L

V У

-

/

4 l_ З-L

Я

где Л^ относительное удвоенное удлинение корпуса,

2T

Я = —

L

(Т осадка); У - дифферент яхты; I приведенная длина

подреза форштевня, которая определяется: I — ¿(1 — (У^ ) ; Ун и Ук коэффициенты полноты носовой и кормовой части диамет-

н

ральиой плоскости судна, связанные с площадями И находятся в зависимости:

G

2-S

H

2-S,

Ь-Т к Ь-Т '

где $ н площадь носового подзора; $ к площадь кормового подзора.

В представленной модели рыскания СПС величина Шц , характеризует присоединенные массы воды, которая определяется по формуле:

2-

mll =

p-S-L '

где Ш масса СПС; Яц коэффициент присоединенных масс по оси X , Я11

m-T 2-L

Для приведения уравнения движения к безразмерному виду в модели введена безразмерная величина:

У„-г

К=-

L

где У - скорость СПС, определяемая полярной диаграммой.

Из формулы 14 следует, что безразмерное время представляет собой определенное количество длин корпуса, которое прошло бы СПС за время £ с начальной скоростью У . Безразмерная встречаемость волн с СПС определяется по формуле:

а

l

Fr\

2-п-L „ L

--h 2-п--cosa

Яй Яи В ;

4

2

где Fr - число Фрудо, определяется по формуле:

V

Fr =

S

Безразмерная амплитуда встречаемости яхты с волновым склоном определяется по формуле:

СУ0 -со^а^-кт );1

Сшо — «« ^тКЛ) I,

п -к,

где а,. - амплитуда угла волнового склона, ат

В

Я

Возникающий дополнительный угол отклонения СПС от курса, вызванный рысканием на волнении, определяются по формуле:

9 = -

N2 Nl

Oe -

- аа - cos

где:

0e 'К +

arctg

С ca +С -а

^у0 ^m т mO e

С - ca

mO ^ у

Nl =y¡ Су 0 -cm + С mO Oj + (С mO - С^ ) , N 2 =[(1 - z2)2 + 4 x2- z2 J

arctg

2 xz

1-7

x=

а

; z =

Ca - Са - Ca -Сю

у у mm

/ a s~itö s~ia fitö (Су - Су - Cm - Ц

mm

где г радиус инерции масс судна.

Рассчитав угол рыскания на волнении программный комплекс «СПАРУС», корректирует маршрут СПС с учетом рыскания и влияния волнового сопротивления. Просчитав время движения к финишу с учетом всех возможных маршрутов, программа предлагает рулевому самый оптимальный по скорости маршрут, что дает преимущество перед другими СПС, рулевые которых полагается только на свои знания и опыт.

r

Литература:

1. Приказ Минтранса РФ от 22 октября 2009г. №184 ''Об утверждении Правил классификации и освидетельствования спортивных парусных судов''.

2. Gerritsma J., Moyes G., The Seakeeping Performance and Steering Properties of Sailing Yachts, 3rd HISWA Symposium Amsterdam, 197.

3. A Study of Methods to Predict Added Resistence in Waves. Master Thesis, KTH Centre for Naval Architecture Stockholm january 2009. P. 65.

4. Faltinsen O. Sea Loads on Ships and Offshore Structures, Cambridge University Press, 1993. P 340.

5. Холодилин А.Н., Шмырев А.Н. Мореходность и стабилизация судов на волнении. Ленинград "Судостроение". 1976. С. 329.

6. Хачатрян А.И. Динамика парусников со свободным вектором тяги: Теория. - М.: Компания спутник+, 2008. - 387 с.

7. Басин. А.М. Ходкость и управляемость судов. Москва: «Транспорт», 1967 - С 255. Ил.