Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
2.1. Модели, измерительная аппаратура и технологическая оснастка
Эксперименты проводились в малом опытовом и опытовом бассейнах Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета (КнАГТУ).
Малый опытовый бассейн представляет собой бак габаритами 4х3х1,5 м с буксировочной системой динамометрического типа (рис. 2.1).
Опытовый бассейн КнАГТУ длиной 45 м, шириной 4,1 м и глубиной 3 м оборудован вторым дном и буксировочными системами [377]. Для имитации мелководья в чаше бассейна устанавлено непроницаемое подвесное дно габаритами LхB=8,0х4,0 м. Движение моделей обеспечивалось буксировочной системой гравитационного типа (с постоянным усилием) или буксировочной тележкой (с постоянной скоростью).
Гравитационная буксировочная система (рис.2.2): в положении (а) обеспечивала буксировку модели судна по поверхности воды; в положении (б) - буксировку модели подводного судна под поверхностью воды на заданной глубине. Это достигалось перестановкой буксирного троса на заданную высоту (глубину) [139]. Конструктивно буксировочная система выполнена в виде двух рам, устанавливаемых по разные стороны бассейна и оснащенных подвижными балками с блоками проводки бесконечного буксирного троса (рис.2.3). Один из блоков проводки (ведущий блок) жестко соединен с приводным барабаном 1, на который наматывался приводной трос, пропускаемый через блоки подвески. На приводном тросе был установлен подвижный гак. Общее передаточное отношение в системе барабан-подвеска-гак равно шести, т.е. единичному перемещению подвешенного груза соответствует шестикратный пробег модели [84]. Соответственно, вес подвешенного груза во столько же раз превосходил величину сопротивления движению модели, что обеспечивало повышение точности измерения силы сопротивления. Слабина в буксирном тросе выбиралась натяжным устройством.
Рис.2.1. Схема буксировочной системы: 1-электропривод; 2-ведущий шкив; 3-направляющая балка; 4-буксировочная тележка; 5-буксируемая модель
а) 
б)
Рис. 2.2. Буксировочная система гравитационного типа для испытаний модели судна (а) и подводного судна (б): 1-привод; 2- подвешенный груз; 3- модель судна; 4- второе дно; 5- бассейн
Рис.2.3.Стойки буксировочной системы (приводной барабан слева)
Изменение скорости буксировки модели осуществлялось подвеской грузов различного веса. Буксировочная система позволяла проводить испытания моделей при скоростях до 3 м/c в режиме установившегося движения (рис.2.5). Определение буксировочного сопротивления производилось взвешиванием повешенных грузов. До и после выполнения серии проходов мо-дели определялась величина сил трения в системе. Для испытания малых моделей судов в опытовом бассейне гравитационный привод буксировочной системы заменялся на электрический (рис.2.6). Скорость движения модели определялась фотоимпульсным способом. Для этих целей по периметру диска приводного барабана сделана система отверстий с равным шагом, по обе стороны от которых устанавлен источник света и фотодиод (рис.2.7). На рис.2.8 представлено оборудование для определения скорости буксировки модели.
Рис.2.5.Буксировка модели ледокола с помощью гравитационной буксировочной системы
Рис. 2.6. Буксировочная система для испытаний малых моделей судов: 1-приводной барабан; 2- модель сплошного льда; 3- модель СВП; 4- второе дно; 5- бассейн; 6- электропривод
Рис.2.8.Оборудование для определения скорости буксировки модели
Для регистрации световых импульсов использовалсяся электронный частотомер Ч3-35А, с помощью которого определялось количество световых импульсов в единицу времени, соответствующее заданной скорости движения модели. Помимо фотоимпульсного способа измерения скорости, в опытовом бассейне использовался электромеханический способ с применением тахогенератора и стрелочного вольтметра, как более простой в использовании.
Буксировочная система опытового бассейна представляет собой несамоходную буксировочную тележку, приводимую в движение электродвигателем посредством бесконечного буксирного троса (рис.2.9). Скорость тележки регулируется в диапазоне 0 - 5 м/с при оптимальном ускорении 1,56 м/с2. Управление и наблюдение за ходом экспериментов осуществляется с центрального пульта управления, расположенного на балконе гидродинамической лаборатории [73].
Рис.2.9.Буксировочное устройство опытового бассейна: 1 - несамоходная тележка; 2-двухрельсовый путь; 3 - бесконечный трос; 4 - электропривод; 5 - редуктор; 6 - канатные барабаны; 7 - модель; 8 - башмак; 9 - направляющий ролик; 10 - талреп; 11 - амортизатор
Для проведения буксировочных испытаний модели подводного судна буксировочная система оснащалась дополнительными конструктивными элементами. На рис.2.10 представлен вид буксировочной системы для испытания модели подводного судна.
При проведении буксировочных испытаний использовались имитационные и масштабные модели судов, судов на воздушной подушке, подводных судов (рис.2.11 - 2.13), судов с малой площадью ватерлинии, наплавных судов, гидроциклов, гидросамолетов. С помощью контрольно-измерительной аппаратур фиксировались параметры волн, определялись скорость движения модели и ее сопротивление.
При проведении модельных испытаний с постоянной скоростью измерялись следующие параметры: скорость модели, угол дифферента, сопротивление движению, расход воздуха вентилятора модели (СВП), профиль возбуждаемых волн, параметры битого льда и глубина воды [78]. Скорость буксировки модели определялась с помощью электронно-счетного частотомера, смонтированного на буксировочной тележке (рис.2.14).
Рис.2.10.Буксировочное устройство для испытания модели подводного судна: 1- опытовый бассейн; 2- буксировочная тележка; 3 - устройство счисления скорости движения тележки; 4 - буксирный трос; 5 - блоки; 6 - рамы крепления с раскосами; 7 - модель
Рис.2.11. Движение модели судна в опытовом бассейне
Рис.2.12.Движение схематизированной модели СВП
Рис.2.13.Движение модели подводного судна под свободной поверхностью воды
Рис.2.14.Частотомер Ч3-35А
Угол дифферента и сила сопротивления модели измерялись потенциометрическим и тензодатчиками (рис.2.15), установленными в шарнирном соединении модели с пилонам буксировочной тележки. Регистрация их значений осуществлялась электронно-счетными вольтметрами через тензостанцию Топаз 2-10 (рис.2.16) и записывалась двухкоординатным самописцем ENDIM 622.01 (рис.2.17).
Рис.2.15.Общий вид конструкции шарнирного соединения модели СВП с пилоном буксировочной тележки
Рис.2.16.Тензостанция Топаз 2-10
Для записи профиля волн, возбуждаемых движущейся моделью была спроектирована и изготовлена измерительная система на основе датчиков гидростатического давления, смонтированных на втором дне опытового бассейна (рис.2.18). Датчики давления в количестве 4 штук были размещены в плоскости, перпендикулярной направлению движения модели по одному борту (в силу симметрии волновой картины). Первый датчик был установлен на линии движения модели, остальные с интервалом 500 мм. Нижний предел измерений амплитуды волн составлял 1 мм, при диапазоне частот 0,25-10 гц.
Рис.2.17.Двухкоординатный самописец ENDIM 622.01
Рис.2.18.Датчики гидростатического давления
В систему измерения параметров волн входил также усилитель сигнала и быстродействующий самописец Н338 . Положение модели относительно профиля волны фиксируется с помощью геркона, подающего сигнал на самописец в момент прохождения моделью плоскости установки датчиков. Типовая запись профиля гравитационных волн показана на рис.2.19.
Рис.2.19.Типовая запись профиля волн
Модельные исследования деформирования ледяного покрова ИГВ от движения объектов проводились на моделях неразрушаемого ледяного покрова: на упругой (рис.2.20) и вязко-упругой моделях искусственного льда (рис.2.21) [92]. Для исследования взаимодействия движущейся нагрузки с ледяным покровом нарушенной сплошности и различной сплоченности применялась модель битого льда (рис.2.22).
Для исследования воздействия движущейся нагрузки на кромку полубесконечного ледяного покрова применялись: модель полубесконечного сплошного льда на основе вязко-упругой модели искусственного льда (рис.2.23) и модель полубесконечного поля битого льда (рис.2.24).
Рис.2.24.Модель полубесконечного битого льда
Данные модели ледяного покрова использовались в модельных исследованиях резонансных колебаний ледяного покрова от движения: судов на воздушной подушке; подводных судов, двигающихся на малых глубинах подо льдом; при эксплуатации летательных аппаратов на ледяных аэродромах; для разработки технических средств ликвидации заторов на реках и т.д.
Рис.2.25.Датчик перемещений: на полимерном льду (слева) и на чистой воде
При проведении буксировок моделей с постоянным усилием для записи профилей ИГВ в модельном льду, гравитационных волн на чистой воде, волн в битом льду использовалась более простая измерительная система в составе электромеханического датчика перемещений (рис.2.25) и двухкоординатного самописца ENDIM 622.01 с точностью регистрации амплитуды волны до 0,1 мм (рис.2.17). Запись колебаний упругих пленок в малом опытовом бассейне КнАГТУ осуществлялась с помощью ультразвукового датчика перемещиний, интегратора и самописца на базе эхотахокардиографа "Ритм" ЭТК-03.
Масштабные модели ледоколов "Москва" и "Ермак" (рис.2.26) использовались при проведении экспериментов по изучению ледоразрушающих свойств волн при их воздействии на береговой припай. Буксировки выполнялись на буксировочной системе гравитационного типа.
Рис.2.26.Модели ледоколов
Имитационные модели судна на воздушной подушке (СВП) представляли собой ролики (рис.2.27), либо пластинки, форма которых в плане соответствовала корпусу натурного СВП. Вес роликов выбирался исходя из требований динамического подобия модели и натуры [158].
Рис.2.27.Имитационная модель СВП
Для исследования волновых процессов в ледяном покрове при движении СВП в опытовом бассейне были спроектированы и изготовлены схематизированные модели судна на воздушной подушке К-1 (рис. 2.28) [101].
Исследования взаимодействия СВП с битым льдом в опытовом бассейне КнГТУ проводились с масштабной моделью СВП "Cкат" К-2 (рис.2.29) [69].
Рис.2.28.Схематизированная модель СВП
В качестве энергетической установки моделей был использован центробежный вентилятор. Выбор главных размерений моделей производился с учетом отсутствия влияния размеров бассейна на сопротивление движению.
Модели подводного судна представляли собой обобщенный тип подводных лодок с хорошо обтекаемыми обводами. Геометрически подобные модели имели одинаковое удлинение корпуса L/B=8, но различные масштабы (1:80 - 1:200) при полных подводных водоизмещениях соответствующих натуре: DH =3500 т, 6000 т, и 9000 т в натуре [87].
Рис.2.29.Вид на гибкое ограждение моделей СВП: схематизированной модели К-1 (вверху) и масштабной модели К-2
Одна из моделей представляла собой подводное судно с удлинением корпуса L/B=10, другая модель - эллипсоид вращения с удлинением корпуса равным 8.