Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
3.1.2. Исследования ИГР на композитной модели ледяного покрова
Композитная модель ледяного покрова, разработанная в Нижегородском политехническом институте, хорошо зарекомендовала себя при моделировании взаимодействия со льдом водоизмещающих ледокольных средств и средств на воздушной подушке, разрушающих лед способом давления [2-4]. Поэтому была предпринята попытка исследования в этой модели льда закономерностей распространения ИГВ и разрушения льда резонансным методом.
Модель ледяного покрова представляла из себя многорядный слой гранул полиэтилена высокого давления, вмораживаемый в толщу ледяного слоя (рис.3.8). Композитный лед получался размещением в переохлажденный слой гранул полиэтилена, при помощи специально спроектированной дозирующей и разбрасывающей установкой для равномерного распределения частиц по поверхности бассейна. Промораживание осуществлялось под действием отрицательных температур окружающего воздуха.
Рис.3.8.Композитная модель ледяного покрова: 1 - частицы полиэтилена; 2 - естественный лед; 3 - вода
Рис.3.9.Вид дозирующей и разбрасывающей установки
Рис.3.10.Процесс введения в воду бассейна гранул полиэтилена
Исследования свободных колебаний композитной модели ледяного покрова (рис.3.11) проводились с целью сопоставления результатов моделирования с натурными данными свободных ИГВ для оценки работоспособности модельного льда, а также для определения влияния масштабного фактора на результаты экспериментов, полученных в опытовом бассейне. Параметры ИГВ получали в результате обработки осциллограмм свободных колебаний композитного льда в ледовом бассейне. Схема ледового полигона представлена на рис.3.12.
Рис.3.11.Приготовленное поле композитного льда
Рис.3.12.Схема ледового полигона: 1- чаша бассейна; 2 - П - образная опора; 3 - вертикальная стойка; 4 - датчик перемещений; 5 - модель ледяного покрова; 6 - пресная вода
По длине бассейна на фиксированном расстоянии между собой монтировались жесткие П - образные балки, к которым в диаметральной плоскости крепились устройства для измерения прогибов льда. Каждое устройство представляло собой датчик перемещений на стойке с системой крепления (рис.3.13). Конец стержня 10 каплей воды примораживался к композитной модели льда. При прохождении ИГВ в районе устройства стержень 10 передавал вертикальные перемещения свободному штоку 9. Электрический сигнал датчика по кабелю 2 поступал на виброизмерительную аппаратуру ВИ6-6ТН и затем фиксировался шлейфовым осциллографом Н117. Возбуждение ИГВ осуществлялось с помощью одного из устройств измерения прогибов льда.
Далее проводилось нагружение льда. Затем нагрузка резко снималась. Возникали свободные колебания системы лед - вода. В процессе первых опытов было установлено влияние стенок бассейна на колебания льда. С целью устранения их влияния на параметры свободных ИГВ лед обрезался по кромкам, прилегающим к стенкам бассейна. Скорость распространения волны определялась по времени и расстоянию прохождения впадины волны между ближайшими датчиками. Период колебаний определялся с помощью первого датчика.
Было проведено четыре серии опытов с варьированием толщины промороженного слоя. Для каждой толщины промороженного слоя опыты выполнялись три раза. Сравнение экспериментальных данных с результатами
расчета для бесконечного поля композитного льда показало, что имелось несоответствие по длине волны на 80%, а по скорости распространения до 40 %. Очевидно это связано с влиянием ограниченных размеров бассейна на распространение ИГВ. Поэтому модельные эксперименты для бесконечного натурного ледяного покрова проводились с учетом влияния размеров ледового бассейна.
Рис.3.13. Устройство для измерения прогибов льда: 1 - стойка; 2 - электрический кабель; 3 - кронштейн датчика перемещений; 4 - датчик перемещений; 5,6 - гайки крепления; 7 - кронштейн; 8 - стопорный винт; 9 - шток датчика перемещений; 10 - стержень; 11 - кронштейн; 12 - стопорный винт; 13 - естественный лед; 14 - композитная модель ледяного покрова
На основании результатов экспериментов проводился анализ одновременного моделирования длины, скорости распространения натурной ИГВ в композитной модели льда. Было установлено, что параметры свободно распространяющейся ИГВ соответствовали критической скорости движения постоянной нагрузки по льду, а композитная модель льда обеспечивает подобие по длине и скорости движения нагрузки с критической скоростью или близкой к ней. Для исследования возможностей моделирования ИГВ в композитном льду при движении нагрузки с критической скоростью проводились опыты по возбуждению колебаний сосредоточенным периодическим усилием и исследования движения постоянной нагрузки. Исследования движения нагрузки проводились с целью оценки качественного влияния скорости движения, величины нагрузки, толщины промороженного слоя, глубины водоема на сопротивление движению и на параметры возбуждаемых волн.
В качестве нагрузки использовалась модель СВП "Тайфун - 2", для которого были известны данные натурных испытаний. Исходя из ограничений по размерам бассейна масштаб модели составил М 1:25 (рис.3.14).
Рис.3.14.Схема модели СВП "Тайфун - 02": 1 - направляющие штанги; 2 - воздушная трубка с пробкой; 3 - кормовая бобышка; 4 - палуба; 5 - ГО; 6 - ребра жесткости; 7 - носовая бобышка; 8 - буксировочная штанга; 9 - воздушная полость
После первых пробных буксировок модели (без днищевых продольных ребер) происходило возникновение водяной прослойки между днищем ГО и поверхностью льда, что приводило к существенному влиянию сил поверхностного натяжения на движение модели вплоть до ее полной остановки. Для их исключения на днище модели были установлены продольные ребра 6.
Рис.3.15.Схема ледового бассейна при исследованиях движения модели СВП по композитному льду: 1 - шкив; 2 - подвижная тележка; 3 - бесконечный трос; 4 - модель льда; 5 - вода; 6 - вертикальная стойка; 7 - датчик перемещений; 8 - буксировочная штанга; 9 - модель СВП; 10 - направляющая штанга; 11 - диск с отверстиями; 12 - блок; 13 - мачта; 14 - датчик скорости; 15 - буксировочный груз; 16 - поперечная опорная балка; 17 - груз системы натяжения; 18 - чаша бассейна
Буксировки модели СВП проводились в ледовом бассейне (рис.3.15) с моделью композитного льда. Модель СВП запрягалась в буксировочную систему гравитационного типа. В опытах фиксировался вес буксировочного груза, скорость движения модели, колебания модельного льда в трех точках по длине бассейна, глубина водоема, температура окружающей среды, время проведения опыта, время начала намораживания льда (рис.3.16). Буксировки модели СВП проводились при различных толщинах промороженного слоя. Скорость движения модели определялась фотоимпульсным способом.
Всего было выполнено две серии буксировок модели СВП для глубокой воды и одна - на мелководье (рис.3.17). Мелководье создавалось таким же способом, как и в опытах с моделью 1. Перед опытами проводили калибровку измерительного оборудования. Величину буксировочного сопротивления определяли по весу буксировочного груза с учетом передаточного отношения буксировочной системы.
На основании записей профиля ИГВ (схема измерений приведена на рис.3.18), было установлено, что по мере движения модели СВП происходило увеличение прогибов льда до 20 - 30 %. Незначительный рост длины волны позволил утверждать, что в такой же мере происходило увеличение уровня напряжений, определяющего ледокольные качества нагрузки.
Рис.3.16.Вид полигона для исследования движения модели СВП по композитной модели ледяного покрова
Рис.3.17.Фрагмент исследований движения модели СВП "Тайфун - 02" в композитной модели льда
Рис.3.18.Схема измерения прогибов модельного льда от движения модели СВП: 1 - борт чаши бассейна; 2 - обрезанная кромка модельного льда; 3 - датчик перемещений 1; 4 - датчик перемещений 2; 5 - датчик перемещений 3; 6 - линия буксировочного троса; 7 - базовая линия; 8 - местоположение миделя модели в момент начала записи профиля волны
Рис.3.19. Профили ИГВ в композитном льду
На рисунке 3.19 показаны типовые записи ИГВ в композитном льду толщиной 6-7 мм от движения модели СВП при глубине воды 0,65 м. По записям профиля деформированной поверхности композитного льда было сделано заключение о качественном соответствии наблюдаемой картины волнообразования результатам буксировок моделей в полимерном льду и натурных наблюдений.
Выполненные исследования позволили прийти к выводу, что с использованием такой модели льда могут быть исследованы вопросы по изучению влияния на эффективность резонансного метода льда локальных неоднородностей покрова (наличия майн, свободной кромки, торосов, участков битого льда и т.п.), а также различных приемов маневрирования СВП.