Способ моделирования силового воздействия внутренних волн на погруженный объект

 

Использование: в технологии моделирования в лабораторных условиях силового воздействия внутренних волн на подводные технические объекты. Сущность: статические компоненты силового и моментного воздействия внутренних волн на водводный технический объект от накрытия его водой другой плотности при прохождении внутренних волн получают в малом стратифицированном гидролотке (ванне) без волнопродуктора путем погружения (поднятия) и наклонения модели на соответствующие внутренним волнам величины. Динамические компоненты взаимодействия определяют в большом бассейне с однородной жидкостью на больших моделях путем возбуждения в нем поверхностных волн и обеспечения динамического подобия по числам Фруда, Рейнольдса, по удалению модели от слоя скачка плотности и поверхности с последующим раздельным пересчетом статических и динамических компонентов на натуру. 2 ил.

Изобретение относится к области экспериментальной гидромеханики и касается технологии моделирования в лабораторных условиях силового воздействия внутренних волн на подводные технические объекты.

Известен способ моделирования силового воздействия внутренних волн на погруженный объект, включающий проведение лабораторного эксперимента в стратифицированном и обычном гидролотке, с соблюдением масштабов геометрического и кинематического подобия и подобия по перепаду плотности между натурными условиями и в лабораторном стратифицированном гидролотке.

Недостатки известного способа недостаточная точность моделирования силового воздействия внутренних волн на подводные технические объекты и большие экономические затраты на его проведение.

Цель изобретения повышение точности моделирования силового воздействия внутренних волн на подводные технические объекты и снижение экономических затрат на проведение эксперимента.

Поставленная цель достигается тем, что статистические компоненты силового F_г.ст и моментного М_г.ст воздействия внутренних волн на погруженный объект от накрытия его водой другой плотности при прохождении внутренней волны получают в малом стратифицированном гидролотке (ванне), без использования волнопродукта, путем погружения и поднятия модели от заданного горизонта У_остр^м У_о^н ˙ С_Lстр на расстоянии Δ У_остр^м У_ВВ^м ˙ С_Lстр где У_BB^м перемещение стратифицированной жидкости в натурных условиях на горизонте У_о^н от условной оси слоя натурного скачка плотности, C_Lстр геометpический масштаб модели для стратифицированного гидролотка, длина которого для более точного определения F_г.ст выбирается от минимально допустимой по точности до 0,7 длины лотка, а также последовательного наклонения модели на углы дифферента Ψ_м и крена Θ_м равные углу волнового склона внутренней волны на горизонте У_о^н с построением зависимости F_г.ст ( У_остр^м Δ <N>У_стр^м ) и М_г.ст ( У _{о остр} ^м Ψ_м Θ_м ) Динамические компоненты взаимодействия определяют на другой модели обычно большего размера в бассейне с однородной жидкостью путем возбуждения в нем поверхностных волн с обеспечением динамического подобия по Фруду и Рейнольдсу, для чего масштаб модели, ее удаление от поверхности и параметры поверхностных волн ставятся в соответствие с распределением плотности по вертикали в натурных условиях (удаление h₁слоя скачка от поверхности и h₂ от дна, плотного верхнего ρ₁ и нижнего ρ₂ слоев). Геометрический масштаб модели для моделирования сил вязкой природы назначается вблизи: C где = Δρ_н/1+ +cthk_ввh относительный перепад плотности с учетом конечности толщины верхнего слоя; ρ_н плотность воды на выбранном горизонте нахождения объекта; ν_н кинематический коэффициент вязкости воды в натурных условиях; ν_м то же, в условиях модельного эксперимента.

На фиг.1 схематически изображен натурный гидрологический разрез со схемой модели при условии модельного эксперимента; на фиг.2 схема натурного движения при наличии волнения ( d_н^м, где V_н водоизмещение натурного объекта).

Гидростатические силы взаимодействия подводного технического объекта и внутренних волн моделируются при описываемом способе в малогабаритных стратифицированных гидролотках (ваннах), а гидродинамические составляющие в традиционных однородных гидролотках большого размера с волнопродукторами с помощью поверхностных волн.

Такое раздельное моделирование основано на том, что для существующего в природе перепада Δ ρ ≅ 3 кг/м³ (при средней плотности ρ 1025 кг/м³), составляющего менее 0,3% плотности, фазовые скорости внутренних волн не превышают 1 м/с. Это позволяет рассматривать силы статической и динамической природы как независимо действующие. Статические от накрытия объекта, уравновешенного на некотором горизонте водой другой плотности из-за прохода ВВ. Динамические от волновых движений на границе раздела, которые по мере удаления от нее убывают по закону: где К_ВВ= 2π/λ_BB волновое число для внутренних волн, h_i удаление от поверхности или дна оси пикноклина, y_io удаление горизонта, где находится объект, от пикноклина.

При моделировании силового воздействия внутренних волн на подводный технический объект статические составляющие определяются или расчетом, или при модельном эксперименте в малом стратифицированном гидролотке (ванне) без волнопродуктора путем погружения модели на определенную глубину с разными дифферентами.

Динамические составляющие моделируемой внутренней волны с ее частотой и длиной для любого горизонта нахождения объекта в их поле определяют путем силоизмерительного эксперимента в гидродинамическом бассейне с однородной жидкостью при генерации в нем поверхностных волн. Параметры этих волн должны удовлетворять условиям подобия: (1) Соблюдение критериев геометрического и кинематического подобия в этом случае позволяет обеспечить в опытах с поверхностным волнением гораздо более значительные скорости буксировки моделей, чем в стратифицированной среде, и за счет этого выйти даже на натурные числа Рейнольдса.

Рассмотрим подробнее условия моделирования динамической части воздействия внутренних волн на подводный технический объект поверхностной волной и условия пересчета с модели на натуру.

Для внутренних волн имеются соотношения У_ВВ А_ВВ^о ε_ВВ соs ( K_BB ˙ x + ω_BB ˙ t ) K_вв= ω_вв= · , (2) где .

Профиль прогрессивной поверхностной волны на горизонтах У_o: cos(K_вв·X+ω_пв·t); K_пв= , (3) где ε _ПВ l ^{- K}ПВ У_o коэффициент ослабления амплитуды поверхностной волны на глубине У_o.

Общее выражение для динамической части силового воздействия внутренних волн на подводный технический объект: F= A_ввε_ввω²_ввρ_срV(1+K₂₂)cosω_вв·t ± kA_ввε_вв+sinω_вв·t (4)
Аналогичное выражение для динамической части воздействия поверхностной волны на полностью погруженный на глубину У_o подводный технический объект имеет структуру
F^дин_yпв A_пвε_пвω²_пвρV(1+K₂₂)cosω_пв·t ± kA_пвε_пв+sinω_пв·t (5)
Пусть внутреннее волнение в натуре и поверхностное волнение в модельном эксперименте подобно и соблюдены масштабные соотношения между размерами подводного технического объекта и волн. В этом случае будут равны редукционные коэффициенты κ_ВВ κ_ПВ и углы волнового склона α_ВВ^о К_ВВ А_ВВ α_ПВ^о К_ПВ А_ПВ
Сравнение структур из уравнений (3) и (4) показывает, что отличие между ними состоит только в квадратичном члене, выражающем постоянную силу присоса. Для внутренней волны эта сила направлена к границе раздела и имеет знак (-) при нахождении подводного технического объекта над слоем скачка и знак (+) при нахождении под слоем. Аналогичная сила от поверхностного волнения направлена только вверх. Эти силы в обоих случаях не зависят от времени и легко могут быть выделены из результатов эксперимента. Достаточно определить значения измеренных сил в фазах 0 и π и сила присоса найдется как
F_пр= Для натурных же условий эта сила легко вычисляется теоретически (в рамках гипотезы А.Н.Крылова), если известно поле волновых давлений. Поэтому практический интерес представляет перенос модельных данных на натуру в отношении инерционно-волновых и скоростных (демпфирующих) составляющих.

При использовании масштаба геометрического подобия С и введении масштаба частот волн C_ω= C^-_i^0,5 и времени C_t= C^-_ω¹ C⁰_L^,5 трансформируется выражение (4). При этом натурные значения сил за вычетом сил присоса выражаются через геометрические размеры и значения модельных величин в однородной жидкости от поверхностного волнения:
C ·ρ^н_срV_мC³_Lκ ×
(6) Чтобы перевести замеренную в эксперименте силу в натурный масштаб времени, необходимо представить ω_ввн= ω_пвм·C^-_L^0,5 и растянуть процесс во времени, для которого t_н= t_м·C (7).

Условия моделирования сил вязкости при поперечном обтекании подводного технического объекта без хода внутренними волнами с помощью поверхностных волн, когда обеспечивается Re_BBM=Re_ПВМ: · ω_ввн= · ω_пвм (8) позволяют определить предельный, минимальный масштаб подобия, обеспечивающий моделирование по Рейнольдсу: C= (9) например, при условии ν_н ν_м Δ ρ 2 кг / м³ ρ_н 1025 кг / м³ λ_BB 250 м h₁ 80 м C_Lmin 103
Это означает, что моделирование силовых воздействий внутренних волн на подводный технический объект может осуществляться в однородных гидролотках с помощью поверхностных волн на сравнительно небольших моделях с соблюдением подобия по силам вязкости. Поскольку вдали от границы раздела главный вклад в демпфирующие силы вносит вязкость (трение и вихревые компоненты), то силу демпфирования рациональнее определять по воздействию на модель подводного технического объекта поверхностных волн, снимая с экспериментальной кривой F_УПВ в фазах π/2 и 3π /2, где инерционно-волновые составляющие равны нулю. Это позволяет определить безразмерный коэффициент демпфирования r_y в зоне близких для натуры и модели чисел Рейнольдса и тем самым резко повысить точность определения скоростных компонентов силового воздействия внутренних волн на подводный технический объект, что и является основной целью предлагаемого изобретения.

Порядок реализации изобретения является следующим.

Принимается минимальный масштаб модели, обеспечивающий моделирование по Рейнольдсу C= , так при
ν_н ν_м Δ ρ 2 кг / м³ ρ_н 1025 кг / м³ λ_BB 250 м h₁ 80 м C_Lmin 103
Производится определение гидростатических составляющих силового воздействия внутренних волн путем испытания модели на силоизмерительном устройстве в стратифицированной ванне с заданными величинами Δ ρ Δ η и h₁ на различных горизонтах выше слоя скачка, в слое скачка и под ним. Параметры стратификации измеряются синхронно погружаемым с моделью волнографом, размещенным в створе с ней.

Для случаев продольного воздействия внутренних волн на принятых горизонтах испытания выполняются для ряда углов дифферента от Ψ 0 дo Ψ ≈ ± 12^o
Модель предварительно подвергается вывеске и опытному кренованию в пресной воде. По результатам статических испытаний строятся зависимости ρ_м ( У ) и F _{г стм} ( У Ψ )
Принимаются параметры поверхностных волн для генерации в однородном гидролотке, исходя из условий подобия
;
Производится тарировка силоизмерительного комплекса модели в однородном гидролотке.

Производятся испытания модели, погруженной на глубину У_о в условиях поверхностного волнения заданных параметров с записью суммарных гидродинамических сил F_yПВ^м и характеристик волнения с помощью двух волнографов: одного, размещенного на уровне спокойной поверхности воды в створе с моделью, а второго -сдвинутого по потоку относительно первого на величину Δ l, меньшую, чем длина волны.

Производится обработка результатов эксперимента при этом вычисляется сила присоса как разность измеренных сил в фазах 0 и π F^м_пр= Выполняется пересчет на натуру инерционно-волновых и скоростных составляющих, полученных в однородной жидкости от поверхностного волнения за вычетом силы присоса на натуру для поверхностных волн:
F= F(t_м) · · C³_L,
Для перевода замеренной в эксперименте силы в натурный масштаб времени необходимо представить ω_ВВн ω_ПВм ˙ С_L и растянуть процесс во времени, для которого: t_н=t_м ˙ С_L^0,5
Определяется суммарное силовое воздействие внутренних волн для натуры путем сложения гидродинамических составляющих F_УВВН^I и статических составляющих F_гстн(У, α ), полученных по результатам статических испытаний при соблюдении критериев подобия для различных горизонтов и углов волнового склона, исходя из зависимостей ρ_m ( У ) и F_гстм ( У Ψ )
Таким образом, с использованием малых недорогостоящих стратифицированных гидролотков без волнопродукторов и уже существующих больших мореходных бассейнов может быть получено возмущающее воздействие внутренних волн на модели подводных объектов с соблюдением основных критериев гидродинамического подобия по числам Фруда и Рейнольдса.

Использование в предлагаемом способе уже известных технических средств и соблюдение в нем основных критериев подобия обеспечивает меньшую стоимость и более высокую точность получения коэффициентов взаимодействия модели с внутренними волнами.

Формула изобретения

СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНУТРЕННИХ ВОЛН НА ПОГРУЖЕННЫЙ ОБЪЕКТ, включающий проведение лабораторного эксперимента в стратифицированном и обычном гидролотках с соблюдением масштабов геометрического и кинематического подобия и подобия по перепаду плотности между натуральными условиями и в лабораторном стратифицированном гидролотке, отличающийся тем, что статистические компоненты силового F_г:ст и моментного M_г.ст воздействия внутренних волн на погруженный объект от накрытия его водой другой плотности при прохождении внутренней волны получают в малом стратифицированном гидролотке (ванне) без использования волнопродуктора путем погружения и поднятия модели от заданного горизонта Y^м_стр = Y^н_о·C_{L стр} на расстоянии
ΔY^v_остр = Y^v_BBC_{L стр},
где Y^v_BB - перемещение стратифицированной жидкости в натуральных условиях на горизонте Y^н_о от условной оси слоя натурного скачка плотности, а C_Lстр - геометрический масштаб модели для стратифицированного гидролотка, длина которого для более точного определения F_г.ст выбирается от минимально допустимой по точности до 0,7 длины лотка, а также последовательного наклонения модели на углы дифферента Ψ_м и крена Θ_м равные углу волнового склона внутренней волны на горизонте Y^y_о с построением зависимостей F_г.ст= (Y^v_остр, ΔY^v_стр) и M_г.ст(Y^v_остр , Ψ_м,Θ_м), а динамические компоненты взаимодействия определяют на другой модели обычно большего размера в бассейне с однородной жидкостью путем возбуждения в нем поверхностных волн с обеспечением динамического подобия по Фруду и Рейнольдсу, для чего масштаб модели, ее удаление от поверхности и параметры поверхностных волн ставятся в соответствие с распределением плотности по вертикали в натуральных условиях (удаление h₁ слоя скачка от поверхности и h₂ от дна, плотности верхнего ρ₁ и нижнего ρ₂ слоев), при этом геометрический масштаб модели для моделирования сил вязкой природы назначается вблизи

где

- относительный перепад плотности с учетом конечности толщины верхнего слоя;
ρ_н - плотность воды на выбранном горизонте нахождения объекта;
ν_н - кинематический коэффициент вязкости воды в натуральных условиях;
ν_м - то же, в условиях модельного эксперимента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2