Методика исследования гидродинамических и инерционных характеристик

Вопросам исследования гидродинамических характеристик плоских сплоточных единиц (ПСЕ), а также линеек из них посвящено несколько работ, например [1 — 3]. Авторами получены зависимости для определения величины сопротивления воды движению ПСЕ и линеек из них, а также даны рекомендации по определению расстояния между сплоточными единицами в линейке в зависимости от радиуса закругления лесосплавного хода.

Так как теоретические исследования процессов движения плотов в водной среде чрезвычайно сложны даже с применением современных компьютеров, исследования проводились на моделях в геометрическом масштабе 1:20. Выполненные ранее исследования показали, что такой масштаб достаточен, чтобы переходить к натуре без учёта масштабного эффекта[2].

Экспериментальные исследования были выполнены в опытовом бассейне гравитационного типа в лаборатории кафедры водного транспорта леса и гидравлики Северного Арктического Федерального университета (рис. 1).

Рисунок 1 — опытовый бассейн и модель плота на поверхности воды

Ширина бассейна 3 м, длина 14 м, глубина 0,3 м. Соотношения глубины бассейна к осадке изменялось в пределах 6,5…32. Для создания тяговых усилий использовалась канатоблочная система из трёхкратных полиспастов (i_п=3) (рисунок 2).

1 — модель плота; 2 — узел фиксации скорости движения; 3 — блоки полиспастов; 4 — груз, создающий тормозное усилие; 5 — подставка
Рисунок 2 — схема канатоблочной системы опытового бассейна

Разгон и равномерное движение модели плота 1 с достигнутой скоростью осуществлялось силой (G₁+G₃—G₂)/i_п. В конце периода равномерного движения модели груз G₁ доходил до подставки 5 и останавливался. В дальнейшем, торможение моделей осуществлялось силой (G₂—G₃)/i_п. Таким образом, в каждом опыте получали данные о трёх режимах движения: разгоне, равномерном движении и торможении моделей. Величину груза G₃, необходимую для компенсации сил трения в блоках, определяли тарировкой. Инерционные силы движущихся частей системы не учитывали, так как их массы пренебрежимо малы по сравнению с массой моделей.

Максимальная глубина наполнения бассейна, при которой его дно не оказывает дополнительного влияния на сопротивление движению, определялась по рекомендациям [4, 5]. Считается, что глубина воды в бассейне h_б не оказывает влияние на вязкостное сопротивление движению пучковых плотов при отношении глубины наполнения к осадке (h_б/T)>8. В нашем эксперименте для плотов из плоских сплоточных единиц минимальное отношение (h_б/T)=6,5. Для количественной оценки влияния мелководья на сопротивление движению плотов из ПСЕ будут вычислены коэффициенты, характеризующие это влияние.

Волновое сопротивление (сопротивление от волн, вызванных движением самого тела по поверхности жидкости) зависит от глубины наполнения бассейна в том случае, если скорость движения модели превышает величину, равную 0,4√(gh_б) [6]. Для того чтобы выполнить указанное условие необходимо, чтобы скорости моделей не превышали значения 0,4·√(9,81·0,3)=0,69 м/с. Максимальные скорости движения моделей в нашем случае не превышали 0,24 м/с. Таким образом, глубина наполнения бассейна не оказывает влияние на волновое сопротивление.

Движение моделей плотов фиксировалось при помощи бесконтактного датчика оборотов BC 401 (рисунок 3), передающего сигнал на ПК. На блок 2 канатоблочной системы был установлен чёрный диск с нанесёнными на него светоотражающими метками (рисунок 4), при вращении которого прерывался световой поток от светодиода, излучающего в инфракрасной области спектра, отражался от нанесённых на диск меток, и возвращался в приёмник датчика оборотов. Далее электрический сигнал через дифференциальный усилитель ZET 410 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) ZET 220 (рисунок 5) поступал в ПК. На ноутбуке заранее было установлено программное обеспечение ZETLAB BASE фирмы-производителя измерительных приборов.

Рисунок 3 — Датчик оборотов BC 401

Рисунок 4 — Узел устройства фиксации скорости движения

Для записи сигналов, поступающих от датчика оборотов, использовалась программа «Запись сигналов» из программного пакета ZETLAB. Внешний вид окна программы показан на рисунке 6. Начало процесса записи осуществлялось нажатием на красную кнопку «Запись», остановка — нажатием кнопки «Стоп». После остановки записи информация автоматически сохранялась на жёстком диске в виде бинарного файла.

Для визуального отображения зависимости частоты вращения от времени, а также табличного представления данных использовалась программа «Просмотр результатов», также из пакета ZETLAB. Внешний вид окна программы показан на рисунке 7.

Рисунок 5 — Дифференциальный усилитель ZET 410 и АЦП ZET 220

Рисунок 6 — Окно программы «Запись сигналов»

Рисунок 7 — Окно программы «Просмотр результатов»

Для изготовления моделей использовались модельные брёвна диаметром 10…11 мм, длиной (325±2) мм. Высота элементов шероховатости поверхности 250 мкм. В моделях однорядных ПСЕ брёвна соединялись между собой скобами мебельного степлера. В трёх- и пятирядных моделях в качестве нижнего ряда использовались однорядные ПСЕ, а для промежуточных изготовлялись рамки, которые заполнялись модельными брёвнами. Верхний ряд брёвен в трёх- и пятирядных ПСЕ изготовлялся без рамки.

Модель плота, состоящего из двенадцати пятирядных ПСЕ, представлена на рисунке 8. Ширина модели — 0,65 м, длина — 1,95 м, высота — 0,052 м. Это соответствует натурным размерам: ширина — 13 м, длина — 39 м, высота — 1,04 м.

Рисунок 8 — Модель плота из двенадцати пятирядных ПСЕ

Для определения массы моделей использовались весы. Взвешивание производилось с точностью до 1 грамма. Размеры моделей замерялись металлической линейкой с точностью до 1 мм.

Моделирование выполнялось в диапазоне чисел Фруда (0,017…0,095). Числа Рейнольдса при этом варьируются в диапазоне (0,5·10⁵…3,6·10⁵). Опыты проводились при температуре воды 15…16 °С. Буксировка моделей проводилась при различных скоростях, соответствующих натурным от 0,35 до 1 м/с. Число повторений опытов в серии было принято равным пяти, по рекомендациям [1].

Детальный анализ графиков зависимости скорости движения моделей от времени позволит определить сопротивление воды при равномерном движении, определить необходимое время для разгона и торможения. Наличие этих данных позволит эффективно производить транспортные и технологические расчёты по технологиям лесосплава на базе плотов из плоских сплоточных единиц.

Авторы: Федулов В.М., Леонов И.Е., Барабанов В.А. (САФУ, г. Архангельск, РФ)

Литература:
1.Митрофанов А.А. Лесосплав. Новые технологии, научное и техническое обеспечение [Текст]: монография / А.А.Митрофанов — Архангельск: изд-во АГТУ, 2007. — 492 с.: ил.
2. Мурашова О.В. Исследование гидродинамических характеристик плоских сплоточных единиц на моделях и в натурных условиях / О.В. Мурашова, А.А. Митрофанов // Изв.вузов. Лесной журнал № 1, 2007 — С. 58-66.
3. Перфильев П.Н. Исследования гидродинамических характеристик линеек из плоских сплоточных единиц [Текст]: / П.Н.Перфильев, А.А.Митрофанов — Архангельск: Изв.вузов, Лесной журнал, 2009 , № 1. — с.44-51.
4. Павленко Г.Е. Сопротивление воды движению судов / Г.Е. Павленко. — Москва: Морской транспорт, 1956. — 508 с.
5. Овчинников М.М. Транспортные характеристики пучковых плотов / М.М. Овчинников // Уч. пособие. — Ленинград: ЛТА, 1985. — 80 с.
6. Мельников Л.В. Исследование гидродинамического способа остановки плотов водными парашютами [Текст]: дис. на соискание уч. степ.канд. техн. наук / Л.В. Мельников. — Архангельск, 1974. — 228 с.