Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Расчет моментов гидродинамических сил, действующих на корпуса судов при расхождении в канале. Методические рекомендации

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 633205.01.99
В методических рекомендациях на основе требований профессионального Федерального государственного образовательного стандарта по специальности 180403.65.— Судовождение, утвержденного приказом Министерства образования и науки РФ 24.12.2010г. № 2060 и с учетом специфики преподавания дисциплины «Внутренние водные пути и гидротехнические сооружения» изложены основы расчетов гидродинамики движения судна в ограниченном фарватере,которые служат основой для расчетов маневров обгона и расхождения. Предназначено для проведения практических занятий по дисциплине «Внутренние водные пути и гидротехнические сооружения».
Коржиков, Ю. А. Расчет моментов гидродинамических сил, действующих на корпуса судов при расхождении в канале : методические рекомендации / Ю. А. Коржиков, И. А. Музафаров, И. И. Гордеев. - Москва : МГАВТ, 2015. - 28 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/550810 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ  

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА 

      
 

 

 

 

 

Коржиков Ю.А., Музафаров И.А., Гордеев И.И., 

РАСЧЕТ МОМЕНТОВ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА КОРПУСА СУДОВ 
ПРИ РАСХОЖДЕНИИ В КАНАЛЕ 
 
Методические рекомендации 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Альтаир–МГАВТ 

Москва 

2015 

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ  

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА 

      
 

 

 

 

 

Коржиков Ю.А., Музафаров И.А., Гордеев И.И., 

РАСЧЕТ МОМЕНТОВ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА КОРПУСА СУДОВ 
ПРИ РАСХОЖДЕНИИ В КАНАЛЕ 
 
Методические рекомендации 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Альтаир–МГАВТ 

Москва 

2015 

УДК 6264  К-66 
 
Коржиков Ю.А., Музафаров И.А., Гордеев И.И.  Расчет моментов гидродинамических сил, действующих на корпуса судов при расхождении в канале. 
Методические рекомендации.— М.: Альтаир–МГАВТ, 2015.— 28 с. 
 
В методических рекомендациях на  основе требований профессионального 
Федерального государственного образовательного стандарта по специальности 
180403.65.— Судовождение, утвержденного приказом Министерства образования 
и науки РФ 24.12.2010г. № 2060 и с учетом специфики преподавания дисциплины 
«Внутренние водные пути и гидротехнические сооружения» изложены основы 
расчетов гидродинамики движения судна в ограниченном фарватере,которые 
служат основой для расчетов маневров обгона и расхождения. 

Предназначено для проведения практических занятий по дисциплине 

«Внутренние водные пути и гидротехнические сооружения». 

 
 
Рецензенты: к.т.н., доцент, Мокеров Л.Ф., доцент кафедры «Управление 
судном и технические средства судовождения» Деренков Л.Е. 
 
 
Рекомендовано к изданию Учебно–методическим советом  МГАВТ. 
 
 
Рассмотрено и рекомендовано к использованию в учебном процессе на заседании кафедры «Судовождение» МГАВТ (протокол № 8 от 31 марта 2015г.). 
 
 
Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать 
материалов несут авторы и кафедры академии, выпускающие учебнометодические материалы.                                             
                                                                                 
 
 
 
 
 
 
 
 ©МГАВТ, 2015 
 ©Коржиков Ю.А., 2015 
                                                                                               ©Музафаров И.А., 2015 
 ©Гордеев И.И.,2015 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
1. Предисловие  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   4 

2. Теоретическое обоснование практического занятия .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   5 

2.1Моменты и силы, действующие на корпус судна   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   5 

2.2 Воздействие сил и моментов на корпус судна в двух ситуациях.  .  .  .  .   9 

2.3 Расчет влияния скорости судна на безопасное отклонение его от оси 

фарватера к откосу канала   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  13 

2.4 Расчет маневра расхождения судов в канале  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  15 

2.5 Расчет маневра обгона   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  18 

Заключение   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  22 

Список литературы .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  23 

Приложение 1   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  24 

Приложение 2   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  25 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.  ПРЕДИСЛОВИЕ 
 

Практические занятия — одна из форм учебного занятия, направленная 
на развитие самостоятельности учащихся и приобретение умений и навыков. 
Данные учебные занятия углубляют, расширяют, детализируют полученные на 
лекции знания. Практическое занятие предполагает выполнение студентами по 
заданию и под руководством преподавателей одной или нескольких практических работ. 
Порядок проведения практического занятия: 
1. Вводная часть:  
- сообщение темы и цели занятия; 
- актуализация теоретических знаний, необходимых для работы с оборудованием, осуществления эксперимента или другой практической деятельности. 
2. Основная часть: 
- разработка алгоритма проведения эксперимента или другой практической 
деятельности; 
- проведение инструктажа; 
- ознакомление со способами фиксации полученных результатов; 
- проведение экспериментов или практических работ. 
3. Заключительная часть: 
- обобщение и систематизация полученных результатов; 
- подведение итогов практического занятия и оценка работы студентов. 
 

Авторы уверены, что данные методические указания помогут студентам 

сэкономить время в процессе работы, избежать ошибок в оформлении резуль
татов занятия, грамотно доложить суть своей работы. 

Авторы искренне благодарны рецензентам: кандидату технических наук, 

доценту Мокерову Л.Ф., доценту Деренкову Л.Е.   за ценные замечания и реко
мендации в ходе работы над методическими рекомендациями. 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ 

Для выполнения расчетов по теме практического занятия   студенты 
должны владеть твердыми знаниями по сущности гидродинамических явлений, возникающих при движении судна в ограниченном фарватере (в данном случае — в канале). 

Судоводитель не знающий природу этих сил –потенциально опасен при 
управлении судном и не имеет права находиться на мостике.  

Ниже приводится минимум теоретических положений по данному вопросу.            

                 2.1 Моменты и силы, действующие на корпус судна 

Морское судно — сложное инженерное сооружение, предназначенное для 
плавания по речным и морским путям. При движении корпус судна взаимодействует с границами двух сред — воды и воздуха и подвергается воздействию 
гидродинамических и аэродинамических сил.  

При управлении судном приходится учитывать его характеристики: длину, 
осадку, ширину, форму и размеры надводной и подводной частей, наличие и 
особенности средств управления судном. 

Глубина водоема и осадка судна оказывают основное влияние на управление судном, так как при маневрировании на мелкой воде, возникают силы гидродинамического взаимодействия, которые существенно влияют на характер 
поведения судна, как объекта управления. Воздействие гидродинамических и 
аэродинамических сил, делает процесс маневрирования судна очень сложным и 
требует от судоводителя обширных познаний.  

Особенно сложно управление судном в условиях ограниченного фарватера, например в судоходном канале. Перед тем, как говорить о силах и моментах, действующих на корпус судна, рассмотрим  средства управления и их характеристики. 

Все средства управления на судах делятся на две основные группы: 

1) Главные средства управления; 
2) Вспомогательные средства управления.  

В свою очередь они делятся на: 

1) Механизмы (устройства), управляющие движением судна — разгоном, 
торможением. Проще говоря, заставляющие судно двигаться вперёд и назад. 

2) Механизмы (устройства) управляющие угловым движением — курсом и 
угловой скоростью. 

Главным образом, интерес представляет рабочие органы устройств. Для 
главных движительных устройств такими органами на морских и речных 
транспортных судах чаще всего бывают винты фиксированного или регулируемого шага, а для рулевых устройств — перо руля. 

Гребной винт представляет собой систему лопастей и создает силу упора, 
которая зависит от частоты вращения винта и его геометрических характеристик. Существенное влияние на силу упора оказывает взаимодействие винта с 
корпусом судна. Силу упора без учёта такого взаимодействия называют упором 
изолированного винта, а с учетом взаимодействия — тягой. 

Руль (перо руля) представляет собой вертикальное крыло в корме судна, 
проворачивающееся с помощью баллера. При движении судна, при отклоненном от диаметральной плоскости руле и при движении в потоке воды возникает поперечная сила, создающая момент относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести судна. Данная сила равна квадрату скорости потока воды, обтекающей перо руля и зависит от геометрических характеристик 
руля.  Ее еще называют рулевой силой. 

Теоретические расчёты сил, моментов возникающих на корпусе судна, 
сложны и занимают много времени. Поэтому они редко используются на практике. Но есть общие закономерности, знание которых обязательно в повседневной работе судоводителя. 

 

Рисунок 1. Силы действующие на корпус судна 

Применительно к судну, основные свойства крыла формулируются следующим образом. 

Если судно перемещается прямолинейно в потоке воды или воздуха под 
некоторым углом атаки, то помимо силы лобового сопротивления, направленной противоположно движению, возникает подъемная сила, направленная перпендикулярно набегающему потоку. В результате, равнодействующая этих сил 
не совпадает с направлением потока. Величина  равнодействующей силы пропорциональна углу атаки и квадрату скорости набегающего потока. 

Точка приложения равнодействующей силы смещена по диаметральной 
плоскости  (ДП)  от центра площади крыла навстречу потоку. Величина этого 
смещения тем больше, чем острее угол атаки. При углах атаки близких к 90 
градусам, точка приложения равнодействующей силы совпадает с центром парусности (для надводной части судна)  и центром бокового сопротивления (для 
подводной части). Применительно к подводной части корпуса судна угол атаки 
является углом дрейфа, а для надводной части - курсовым углом (КУ) кажущегося ветра; центр бокового сопротивления обычно совпадает с центром тяжести 
судна, а положение центра парусности зависит от расположения надстроек. 

Далее рассмотрим силы и моменты, действующие на судно в процессе 
управления. 

Все силы, действующие на судно делятся на три группы: 

1. Движущие; 
2. Внешние; 
3. Реактивные. 

К движущим силам относят силы, создаваемые средствами управления 
судна. К ним относятся боковая сила руля, силы создаваемые средствами активного управления (САУ) и упор гребного винта.  

К внешним силам  относят силы природного характера, волнение моря, 
давление ветра, течение.  

К реактивным силам относят силы и моменты, возникающие при воздействии на судно движущих и внешних сил. Реактивные силы зависят от линейных 
и угловых скоростей. 

 

 

Реактивные силы делятся на два типа:  

1) Инерционные силы и моменты. Обусловлены инертностью судна и присоединенных масс жидкости. Данные силы возникают только при наличии линейного, углового, центростремительного ускорений. Инерционная сила всегда 
направлена в сторону противоположную ускорению. Если судно двигается равномерно и прямолинейно, инерционной силы не будет. 
2) Неинерционные силы и их моменты  обусловлены вязкостью воды за 
бортом. Являются гидродинамическими силами и моментами. Их принято подразделять по характеру движения судна, при котором они возникают,  позиционные и демпфирующие. 

О позиционных силах и моментах, можно сказать, что они действуют на 
судно при прямолинейном движении судна с углом дрейфа. 

Демпфирующие силы и моменты — это добавочные силы и моменты, обусловленные вращением судна вокруг вертикальной оси. 

Общий случай движения судна описывается системой из трёх дифференциальных уравнений движения: двух уравнений сил — продольной 

Х и поперченой Y осям и уравнение моментов вокруг оси Z. 

                   (1) 

В левых частях этой системы стоят инерционные силы и моменты: в первых двух — соответствующие проекции силы инерции и центробежной силы, а 
в третьем уравнении — инерционный момент относительно вертикальной оси. 
В правых частях уравнений находятся неинерционные силы и моменты, которые записаны в общем виде. Первое уравнение системы характеризует движение судна по оси Х при разгоне и торможении. Его решение позволит оценить 
инерционно-тормозные характеристики судов.Второе уравнение позволяет получить зависимости для дрейфа судна на циркуляции и под воздействием ветра. 
Решение третьего уравнения используется при оценке управляемости судна. 

Данная система не может быть проинтегрирована до конца, так как все неинерционные силы и моменты входящие в систему, выражаются нелинейными 
зависимостями от поступательной и угловой скоростей. 

Однако с помощью ЭВМ для моделирования движения судна при маневрировании, система может решаться числовыми методами. 

2.2 Воздействие сил и моментов на корпус судна в двух ситуациях 

А) Расхождение судов 

При расхождении двух судов, на их корпуса действуют дополнительные внешние силы, обусловленные гидродинамическим воздействием корпусов. Под влиянием этих сил, суда могут терять управляемость и создавать 
опасную ситуацию.  

В зависимости от сочетания различных факторов и взаимного положения 
судов, возникающие при гидродинамическом контакте, на корпусах судов поперечные силы Y(г) и моменты М(г) могут менять свой знак и может происходить не только «притяжение», но и «расталкивание» судов. Поперечная сила 
Y(г) положительна по знаку, если она направлена в сторону борта встречного 
или обгоняемого судна. Момент зарыскивания М(г) считается положительным 
по знаку, если он стремится развернуть носовую оконечность рассматриваемого судна в сторону борта встречного или обгоняемого судна. 

В гидромеханике известно, что в идеальной жидкости вдоль линии потока действует закон сохранения энергии, который записывается в виде уравнения Бернулли: 

, где                                   (2) 

v — скорость потока, 
h — высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости, 

p — давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости, 
g — ускорение свободного падения. 
Представим, два одинаковых судна движутся в идеальной (невязкой) жидкости параллельно и с одинаковыми скоростями при ограниченном расстоянии между бортами (рис. 2). Этот случай гидромеханически равносилен случаю обращенного движения, когда оба судна неподвижны, а на них набегает однородный 
поток жидкости, имеющий на бесконечном удалении от судов скорость u(0). 

 

 

Рисунок 2. Возниконовение сил присасывания при обтекании двух судовых корпусов 
однородным потоком жидкости: Ub>Uc>Uo 

Применим уравнение Бернулли к линиям потока жидкости, обтекающим 
корпус рассматриваемого судна 1. Для линии тока АВ: 

           (3)    

Поскольку корпус судна обладает определенными размерами, а жидкость неразрывна, то скорости частиц жидкости в точке С вблизи борта судна будут больше, чем 
в точке А   на удалении от судна.  

Таким образом, в точке С давление будет понежено по сравнению с давлением на 
удалении от судна, т.е. возникает разрежение. 

Так же, в случае если корпус судна обладает несимметрией относительно 
миделя, то поперечная сила присасывания Y(г) может быть приложена на некотором расстоянии от центра тяжести, тогда на корпус судна будет действовать 
момент зарыскивания М(г) определенного знака. 

 Б) Обгон судна 

На рисунке 3 показана картина гидродинамического взаимодействия двух 
одинаковых по размерам судов - одно из них обгоняющее. Из гидродинамики