Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Прикладные задачи динамики ледяного покрова
Козин В. М., Жесткая В. Д., Погорелова А. В., Чижиумов С. Д., Джабраилов М. Р., Морозов В. С., Кустов А. Н.,
3.5.2. Пространственная задача
Рассмотрим далее задачу о движении подо льдом подводной лодки с постоянной скоростью Vx (рис. 3.21). Сверху поток ограничен твёрдой поверхностью, моделирующей ледовый покров. Влиянием деформации льда на гидродинамическое поле пренебрегается.
На рис. 3.22 – 3.23 представлены поля давлений от движения подводного судна без рубки.
.
Рис. 3.21. К задаче о движении подводного судна подо льдом
.
Рис. 3.22. Поле давлений (Па) от движения ПЛ без рубки (L = 90 м; H/L = 0.15; Vх = 1 м/с)
.
Рис. 3.23. Поле давлений (Па) от движения ПЛ без рубки (L = 90 м; H/L = 0.075; Vх = 1 м/с)
В последующих примерах рассматривается анализ гидродинамики движения вблизи стенки (ледяного покрова) подводных лодок проектов 971 («Барс») и 941 («Акула»). Модели их корпуса представлены на рис. 3.24 и 3.25. Влияние рулей на поток не учитывалось.
На рис. 3.26 – 3.35 представлены поля скоростей (относительно подвижной системы координат, связанной с судном) и давлений от движения подводных кораблей. На рис. 3.36 – 3.37 даны распределения давлений по продольному сечению ледового поля.
.
Рис. 3.24. Форма корпуса подводной лодки проекта 971
.
Рис.3.25. Форма корпуса подводной лодки проекта 941
Анализ течений показывает, что вытянутое по длине судно образует при движении поле скоростей и давлений, зависящее от удлинения судна, а также от размеров, формы и положения по длине судна рубки.
Приближённо течение вокруг основного корпуса может быть представлено в виде двух диполей в оконечностях. Взаимодействие этих диполей тем сильнее, чем меньше удлинение корпуса. При наличии цилиндрической вставки (пр. 941) диполи почти не взаимодействуют. В результате при движении судна вблизи поверхности льда образуются две волны изгиба – носовая и кормовая.
.
Рис. 3.26. Поле скоростей (м/с) от движения ПЛ пр. 971 (H/L = 0,15; Vх = 1 м/с)
.
Рис. 3.27. Поле скоростей (м/с) от движения ПЛ пр. 971 (H/L = 0,2; Vх = 1 м/с)
.
Рис. 3.28. Поле скоростей (м/с) от движения ПЛ пр. 971 (H/L = 0,25; Vх = 1 м/с)
.
Рис. 3.29. Поле давлений (Па) от движения ПЛ пр. 971 (H/L = 0,15. Vх = 1 м/с)
.
Рис. 3.30. Поле давлений (Па) от движения ПЛ пр. 971 (H/L = 0,3. Vх = 1 м/с)
.
Рис. 3.31. Поле давлений (Па) от движения ПЛ пр. 971 (H/L = 0,2. Vх = 5 м/с)
.
Рис.3.32. Поле скоростей (м/с) от движения ПЛ пр. 941 (H/L = 0,15. Vх = 10 м/с)
.
Рис. 3.33. Поле скоростей (м/с) от движения ПЛ пр. 941 (H/L = 0,25. Vх = 10 м/с)
.
Рис. 3.34. Поле давлений (Па) от движения ПЛ пр. 941 (H/L = 0,15. Vх = 10 м/с)
.
Рис. 3.35. Поле давлений (Па) от движения ПЛ пр. 941 (H/L = 0,2; Vх = 10 м/с)
При отсутствии цилиндрической вставки области пониженного давления распространяются к средней части и накладываются друг на друга. В результате при движении судна вблизи ледовой поверхности в ней образуются две полуволны перегиба в районе оконечностей и полуволна прогиба в средней части, которая примерно вдвое больше полуволн в оконечностях.
Рубка подводного судна, располагаясь ближе к ледяной поверхности, вызывает дополнительное местное возмущение потока и соответствующий изгиб льда. Её обтекание зависит от формы. Рубку, близкую по форме к вертикальному цилиндру (пр. 941), линии тока огибают преимущественно по ватерлиниям. В результате воздействие на ледовую поверхность такой рубки относительно невелико.
.
Рис. 3.36. Распределения давлений от движения ПЛ пр. 971 по продольному сечению ледяного поля (Vх = 1 м/с)
.
Рис. 3.37. Распределения давлений от движения ПЛ пр. 941 по продольному сечению ледяного поля (Vх = 10 м/с)
Над рубкой с плавными очертаниями батоксов (пр. 971) образуется более существенная область пониженного давления (рис. 3.36). В результате наложения полей пониженного давления от корпуса судна и его рубки в ледяной поверхности над средней частью судна образуется значительная полуволна прогиба.
Если рубка смещена в нос или в корму от мидель-шпангоута корабля (точнее, от области минимума давления, образуемого системой из носового и кормового диполей), то влияние рубки может оказаться обратным. Так у ПЛ пр. 941 область пониженного давления от рубки смещена в корму, а область повышенного давления от рубки (подтормаживания потока перед рубкой) накладывается на район пониженного давления от корпуса. в результате пик пониженного давления в средней части корпуса уменьшается. В результате наблюдается, на первый взгляд парадоксальный эффект, заключающийся в том, что ПЛ пр. 941, имеющая существенно большее водоизмещение, чем ПЛ пр. 971, оказывает на ледяную поверхность меньшее гидродинамическое воздействие. Таким образом, форма и место расположения рубки, а также форма корпуса ПЛ, в частности, наличие цилиндрической вставки, существенно влияют на перераспределение гидродинамических сил на поверхность ледного покрова.
При относительном заглублении ПЛ H/L > 0,25 гидродинамические давления на ледяной покров практически не зависят от наличия рубки. При H/L < 0,15 рубка «лимузинной» формы позволяет увеличить воздействие на ледяной покров в 2 раза и более (рис. 3.38).
.
Рис. 3.38. Влияние рубки ПЛ пр. 971 на гидродинамические давления (кПа)