Драчев В.Н. Учет циркуляции при плавании в стесненных районах

Подождите немного. Документ загружается.

Морской государственный университет

Имени адмирала Г. И. Невельского

В. Н. Драчѐв

УЧЕТ ЦИРКУЛЯЦИИ

ПРИ ПЛАВАНИИ

В СТЕСНЕННЫХ РАЙОНАХ

Монография

Владивосток

2008

УДК 656.61.052.001.891:502.5(26)

Д 72

Драчѐв, В.Н., Учет циркуляции при плавании в стесненных районах. Мо-

нография. – Владивосток: 2008. –

В работе решается проблема расчета перекладки руля при маневриро-

вании в стесненных районах. Разработан метод определения точки начала

перекладки руля на основе циркуляции на глубокой воде и метод по-

строения промежуточных циркуляций. Метод может быть использовании

при подготовке курсантов (студентов) судоводительского факультета и на

курсах повышения квалификации.

Рецензенты:

В. П. Махин, КДП, к. т. н., профессор кафедры УС ГМА имени ад-

мирала С. О. Макарова

Д. Н. Рубинштейн, кандидат военно- морских наук, профессор кафедры

«Судовождения» МГУ имени адмирала Г. И. Невель-

ского

ВВЕДЕНИЕ

Одна из основных задач судоводителя состоит в том, чтобы обес-

печить безопасное и эффективное плавание, а также защиту морской

окружающей среды. Так, при плавании в открытом море вдали от на-

вигационных опасностей задача управления заключается в переходе

судна из одной точки в другую по прямолинейной траектории. Для

удержания судна на заданном курсе производится периодическая его

корректура после получения обсервации.

При плавании в стесненных водах приходится учитывать соотно-

шение между глубиной и осадкой, так как при маневрировании на

мелководье, а также вблизи стенок канала возникают силы гидроди-

намического взаимодействия, существенно влияющие на поведение

судна.

Особенностью плавания в стесненных водах, где ширина фарвате-

ра ограничена, состоит в том, что возникает необходимость повышен-

ной точности счисления пути и более частого определения места суд-

на с высокой точностью. Поэтому в таких районах устанавливается

дополнительное навигационное оборудование, издаются карты круп-

ного масштаба, а условия плавания подробно описываются в навига-

ционных пособиях.

В стесненных районах предварительное изучение района плавания

с использованием всех источников и предварительная прокладка обя-

зательны. Особое внимание должно быть уделено глубинам, колеба-

ниям уровня воды, знанию течений и рекомендациям по выбору пути.

Ошибки от неодновременности наблюдений при определении

места судна могут быть значительными. В связи с этим при плавании

в стесненных водах необходимо пользоваться теми методами судово-

ждения, которые дают дополнительные возможности контроля места

судна относительно линии пути.

Особое внимание должно быть уделено элементам движения суд-

на относительно дна. При плавании по фарватерам ограниченной ши-

рины обычные методы контроля за движением судна оказываются не

всегда эффективными из-за запаздывания информации о местополо-

жении. В таких местах устанавливаются специальные средства нави-

гационного оборудования, дающие возможность непрерывно визуаль-

но или по экрану радиолокационной станции (РЛС) контролировать

движение судна (створы, плавучее ограждение, параллельные индек-

сы на экране РЛС и т. д.). Однако во всех случаях периодически ме-

стоположение судна наносится на карту. Следует иметь в виду, что

всегда для определения места судна и глазомерного ориентирования

лучше пользоваться береговыми знаками, т. к. плавучее ограждение

может быть снесено со своих штатных мест.

При плавании в стесненных районах по прямолинейным участкам

пути при наличии современного навигационного оборудования кон-

троль за местом судна можно обеспечить с достаточно высокой точ-

ностью. Однако при смене курса расчет движения и момент начала

перекладки руля определяются глазомерно. На больших судах в про-

цессе циркуляции даже при нахождении точки (места, с которого про-

изводилось определение) за пределами запретного района другая

часть судна уже может находиться в запретном районе с гибельным

для него результатом. В связи с этим расчет циркуляции на стадии

планирования приобретает статус обязательного. К тому же, предпо-

ложение о перемещении судна по окружности при движении судов на

циркуляции оказывается недостаточно точным. Особо это относится к

первой четверти циркуляции.

На мелководье из-за возникновения гидродинамического взаимо-

действия по сравнению с глубокой водой резко ухудшается эксплуа-

тационная устойчивость судна на курсе, повышается рыскливость, за-

метно ухудшается его маневренность, увеличивается радиус устано-

вившейся циркуляции при одинаковых углах перекладки руля.

Как правило, почти на всех судах имеются таблицы циркуляции

на глубокой воде, которые проведены при натурных испытаниях, а

для мелководья приводится расчетная циркуляция только для одной

глубины. В стесненных районах на одном и том же фарватере воз-

можно наличие различных глубин, отличных от той, для которой рас-

считана циркуляция. Следовательно, для каждой глубины будет свой

радиус циркуляции и своя точка начала перекладки руля.

При плавании судна по проливам, при подходах к портам невоз-

можно предусмотреть всех тех глубин мелководья, на которых будет

маневрировать судно. Поэтому в данной работе предлагается универ-

сальный метод расчета точки начала перекладки руля на основании

имеющейся на судне таблицы циркуляции, которая составлена по ре-

зультатам данных, полученных во время натурных испытаниях судна

на глубокой воде..

Работа проводилась на тренажере NT Pro 3000 производства фир-

мы TRANSAS с использованием математических моделей.

Глава 1. ИМО О МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

В циркуляционном письме ИМО MSC/Circ. 1053 «Пояснения к

стандартам маневренных качеств судна», принятом 5 декабря 2002 го-

да, в разделе математическая модель дается следующее определение:

«Математическая модель» – это система уравнений, используемых

для описания динамики маневрирующего судна». Некоторые уже

опубликованные математические модели могут дать возможность

оценить с определенной точностью маневренные качества судов с

традиционными обводами. В циркуляционном письме объясняется

метод, используемый для оценки маневренных характеристик судна

при полной загрузке для последующего сравнения результатов со

Стандартами.

Должны указываться следующие сведения о математической мо-

дели:

1. в каких случаях она может использоваться;

2. метод ее использования;

3. точность получаемых результатов; и

4. описание математической модели.

1.1. Применение математической модели

Маневренные характеристики судна должны проверяться на мор-

ских испытаниях для того, чтобы определить, удовлетворяют ли они

Стандартам маневренных качеств, которые, учитывая требования

безопасности на море, относятся к полностью груженым судам. По-

этому необходимо, чтобы все суда проходили морские испытания в

полном грузу. Однако для некоторых судов, особенно сухогрузов, это

условие трудно выполнить, и обычно они выходят на испытания в

балласте или приняв какую-то часть балласта.

Именно в таких случаях необходимы методы оценки значений ма-

невренных характеристик для условий полной загрузки судна за счет

использования метода, в котором применяются результаты морских

испытаний. В качестве альтернативы испытаниям на масштабной мо-

дели, которые обычно проводятся на этапе проектирования судна, по-

лезным методом оценки маневренных качеств судна в полном грузу

является цифровое моделирование.

1.2. Условия загрузки

Использование в математических моделях результатов морских

испытаний, выполненных судном в балласте или частично загружен-

ном, для перерасчета их к условию полностью груженого судна, на

практике применяется в двух вариантах.

Вариант 1.

Характеристика маневренности при полной загрузке может быть

получена по критерию измеренной характеристики при морских ис-

пытаниях в балласте ( Т ) и фактора взаимодействия между критерием

маневренности при полной осадке и при данных условиях испытаний

( F/B ):

R = T F / B

где:

В – оценка характеристики для фактических условий испыта-

ний, основанная на численной имитации в математической модели

или при модельных испытаниях;

F – оценка характеристики для условий полной загрузки, осно-

ванная на численной имитации в математической модели при модель-

ных испытаниях;

Т – характеристика, измеренная при морских испытаниях;

R – характеристика судна при условии полной загрузки.

Следует отметить, что для получения B и F должен применяться

один и тот же метод.

Вариант 2.

Расчет маневренных характеристик судна перед проведением его

морских испытаний, например в балласте или полном балласте, осу-

ществляется методом, показанным ниже в расчете маневренных ха-

рактеристик, а затем эти расчетные характеристики должны сверяться

с результатами, полученными на морских испытаниях.

Расчетные и полученные на испытаниях характеристики должны

согласовываться. Для условий полной загрузки характеристика может

быть получена тем же методом при использовании математической

модели.

1.3. Окружающая обстановка

Маневренность судна подвержена воздействию окружающей об-

становки – ветра, волнения, течения. Эти внешние силы способны вы-

звать ухудшение устойчивости на курсе или полную утрату способно-

сти держаться на заданном курсе. Они могут также увеличить сопро-

тивление поступательному движению судна, для преодоления которо-

го необходима дополнительная мощность для поддержания заданной

скорости или уменьшения тормозного пути.

Если отношение скорости ветра к скорости судна велико, ветер

заметно сказывается на управлении судном: оно может стать неустой-

чивым к ветру определенного направления. Волнение также заметно

воздействует на устойчивость на курсе и маневренность. При волнах

большой высоты судно может вести себя совершенно непредсказуемо,

и в некоторых ситуациях утрачивает устойчивость на курсе.

Морские течения воздействуют на маневренность судна по-

другому. Влияние течения обычно проявляется на относительной ско-

рости судна в воде. Местные поверхностные течения обычно умерен-

ны в открытых местах океана и близки к постоянным в горизонталь-

ной плоскости.

В связи с этим испытания проводятся при самых спокойных по-

годных условиях; в случаях, когда погодные условия для получения

требуемых критериев малопригодны, результаты испытаний должны

корректироваться.

1.4. Точность результатов

при использовании математической модели

Математическая модель для расчета маневренных характеристик

зависит от вида и объема подготовленных данных.

Если надежных данных нет, но известны данные о сопротивлении

и пропульсивных качествах, то возникает необходимость в наличии

системы формул для расчета производных и коэффициентов матема-

тической модели.

Если объем экспериментальных и накопленных данных достато-

чен, то желательно на базе этих данных построить детальную матема-

тическую модель. В большинстве случаев имеющихся данных недос-

таточно, и математическая модель строится на разумном сочетании

экспериментальных данных и расчетных значений.

1.5. О расчете маневренных характеристик

Математическая модель движения маневрирующего судна исполь-

зуется как эффективный метод проверки – удовлетворяет ли манев-

ренность судна стандартам или нет; это осуществляется путем расчета

характеристик для условий полной загрузки и использования резуль-

татов морских испытаний при фактических условиях.

Существующие математические модели разделяются на два типа.

Один тип моделей носит название «модель реакций», с помощью ко-

торой определяются взаимоотношения между действием управляю-

щего органа (входные данные) и движениями судна при маневрирова-

нии (выходные данные). Другой тип моделей называется «модель гид-

родинамических сил», которая основана на использовании величин

гидродинамических сил и их взаимосвязи. Изменяя производные и ко-

эффициенты взаимодействия, используемые в математической моде-

ли, можно получить оценку маневренных характеристик для различ-

ных форм корпуса судна или его загрузки.

С точки зрения конструирования, математическая модель более

полезна для понимания взаимодействия между характеристиками ма-

невренности и формой судна, чем «модель реакций». В настоящем

разделе, с учетом вышесказанного, рассматривается метод расчета с

помощью «модели гидродинамических сил». Естественно, что выбор

того или иного типа математической модели зависит от характера

имеющихся данных. Существует множество типов математических

моделей.

На рис. 1.1 представлена схема расчета маневренных характери-

стик судна при использовании «модели гидродинамических сил». При

этом, несмотря на то, что основные идеи, основанные на гидродина-

мике, мало различаются между собой, в практике использования мо-

делей применяются различные соотношения и формы математических

выражений, но обычно они выражаются в полиномных терминах пе-

ременных движения, таких как скорости продольных и поперечных

колебаний и изменений курса.

Наиболее важной и трудной работой в расчете характеристик яв-

ляется оценка производных и параметров из упомянутых математи-

ческих выражений, с тем, чтобы сопоставить уравнения движения.

Эти коэффициенты и производные гидродинамических сил и оцени-

ваются обычно по схеме, показанной на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема определения маневренных характеристик судна

Вместе с этим, коэффициенты и производные можно оценивать и

по результатам модельных испытаний с помощью накопленных дан-

ных, теоретических вычислений и полуэмпирических формул. Име-

ются также случаи использования приблизительных формул, полу-

ченных комбинированием теоретических расчетов по эмпирическим

формулам, основанных на собранных данных. Производные, являю-

щиеся коэффициентами гидродинамических сил, действующих на

корпус судна, гребной винт и руль, оцениваются по таким парамет-

рам, как длина, ширина, средняя осадка, дифферент и коэффициент

полноты. Изменение производных из-за условий загрузки можно лег-

ко оценить по изменению осадки и дифферента.

Как упоминалось выше, точность расчета маневренных характе-

ристик с помощью «модели гидродинамических сил» зависит от точ-

ности измерения гидродинамических сил, которые входят в уравнение

движения. Оценка гидродинамических производных и коэффициентов

будет важной для повышения точности в целом при относительной

точности различных гидродинамических сил.

К настоящему времени еще не достигнута та стадия, на которой

теоретические расчеты могут определить все необходимые гидроди-

намические силы с достаточной точностью. Особенно это относится к

нелинейным силам и их взаимодействию. Поэтому часто используют-

ся эмпирические формулы и собранные данные в комбинации с теоре-

тическими вычислениями.

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ФИРМЫ

TRANSAS

Как указывалось выше, работа проводилась на тренажере NT Pro

3000 производства фирмы TRANSAS.

Тренажер состоит из набора математических моделей судов, рейда

с окружающей обстановкой.

Движение всех судов смоделировано, по необходимости с вклю-

чением механического взаимодействия между объектами и окружени-

ем. Набор моделей может включать:

около 40 моделей судов, оборудованных дизельной установкой,

паровыми и газовыми турбинами, фиксированным или регули-

руемым шагом винта, рулями различных типов и управлением

насадками, подруливающим устройством и эффектом удержи-

вания судна грунтом при соприкосновении;