СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ СРЕДСТВ, ИХ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2009 года по МПК G01M10/00 

Способ относится к эксплуатации движущихся средств, в частности обтекаемых внешней средой, а точнее к оценке, созданию, поддержанию технического состояния, профилактике, ремонту и модернизации поверхности движущихся средств.

Известен способ определения допустимой высоты шероховатости движущихся средств [1]. Он определяет допустимую высоту шероховатости поверхности движущихся средств из условия нахождения бугорков шероховатости в пределах ламинарного подслоя пограничного слоя среды, в которой движется средство. Данный способ не предполагает определение допускаемой величины шероховатости поверхности в долях от прироста сопротивления движению или обтеканию внешней средой средства при нахождении бугорков шероховатости за пределами ламинарного подслоя пограничного слоя, целесообразного изменения параметров движения средства для получения экономического или иного эффекта. Кроме того, данный способ не учитывает взаимного влияния, в том числе, нейтрализации различных видов факторов состояния поверхности движущихся средств, например повреждений, друг на друга, в частности, шероховатости обшивки и местных остаточных деформаций.

Задачей, на которую направлено изобретение, является обеспечение наиболее рационального выбора параметров поверхности и/или движения (обтекания) средств, путем анализа параметров шероховатости, формы поверхности средств (состояния, изменения временного и/или остаточного), в частности наличия и получения судовой обшивкой гофрировки, параметров движения (обтекания) средства во внешней среде, поддержания состояния поверхности методами восстановления, ремонта и модернизации поверхностных конструкций средств, с учетом эффективности использования средства, например экономической, технологической.

Техническим результатом является обеспечение оптимальной эксплуатации средств.

Упомянутая задача достигается тем, что предварительно производится анализ характеристик поверхности средств, например, макро- и микрогеометрических, их влияние, в частности аэрогидромеханическое сопротивление движению (обтеканию) во внешней среде, преимущественно путем оценки влияния ряда факторов, например, повреждений, в частности повышенной шероховатости, гофрировки, обрастания, и исходя из анализа эффективности вариантов принимается решение о порядке дальнейшей эксплуатации, в частности проведении: профилактических работ, в том числе очистных, шпаклевочных, окрасочных; ремонта, в том числе правки, оснащения накладными листовыми элементами; изменении параметров эксплуатации, в том числе параметров движения средства, состояния окружающей среды, в частности ее температуры, вязкости (например, смена района плавания); модернизации, в том числе оснащение дублирующими, подкрепляющими конструкциями, замена двигателей, движителей. Геометрические и гидромеханические характеристики поверхности средств предусматривается оценивать, в том числе экспериментально, в частности в натурных и/или модельных условиях.

Предусматривается изменение геометрии поверхности средств, например восстановление геометрии обшивки, возможно, частичное, в частности параметров шероховатости (микрогеометрии). При этом снижение параметров шероховатости у поверхностей, имеющей срывы потока, например у гофрированной обшивки судов, возможно, только на части шпации, в частности половине шпации в корму судна. Восстановление макрогеометрии поверхности путем устранения источников отрыва потока, например устранение бухтин, гофрировки судовой обшивки, предполагается производить, например, правкой, в частности с дополнительными разрезами, заменой, накладными листовыми элементами, склеиванием, выклеиванием, формованием и их комбинациями, применительно к судну, преимущественно, через одну шпацию по длине корпуса судна. После чего на этих участках, преимущественно в пределах выправленных шпаций, исправляют параметры шероховатости использованием очистных, шпаклевочных, шлифовальных, окрасочных работ, напыления, расклепа, формования и их комбинаций. После восстановления макрогеометрии отдельных шпаций снижение микрогеометрии у следующих шпаций допустимо только на протяжении до 30% шпации считая от кормы.

На фиг.1 дана зависимость изменения скорости хода судна по отношению к начальной скорости при относительном возрастании сопротивления воды движению судна при начальной скорости хода ΔV/V=(ΔR/R); на фиг.2 приведены графики значений изменения величин ΔV/V и ΔR/R в зависимости от изменения при сохранении упора (I) и буксировочного сопротивления (II) коэффициента С_ζ (значения относительных величин даны в процентах); на фиг.3 помещена номограмма для определения процентного увеличения коэффициента сопротивления трения воды движению судна вследствие наличия у обшивки общей средней квадратической высоты шероховатости величиной ; на фиг.4 дана номограмма для определения влияния гофрировки на процентное изменение коэффициента сопротивления трения судового корпуса с шероховатой обшивкой вследствие наличия гофрировки; на фиг.5 дана номограмма для определения изменения потребления топлива судном при изменении его скорости и сопротивления относительно базового варианта; На фиг.6 дана номограмма для определения допускаемой величины средней квадратической шероховатости [k_СК] обшивки по длине судна.

Эксплуатирующиеся средства имеют поверхность, например суда - обшивку, которая изначально и дополнительно вследствие износа, истирания, обрастания, различных ударов имеет шероховатость и значительно увеличивает сопротивление движению этих средств. Кроме этого, поверхность может иметь, а также временно и/или остаточно изменять форму, предполагающую отрывное обтекание ее внешней средой, например, у судовой обшивки накапливаются остаточные деформации в виде, например, гофрировки, бухтин, которые при относительной величине стрелки прогиба к величине пролета такой деформации (например, шпации) более 3% гарантированно имеют зону отрывного обтекания, близкую половине этого пролета от передней кромки.

Экспериментально установлено, что наличие перед деформированной шпацией (бухтиной) нормальной значительно продлевает зону отрыва до 70...90% шпации.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно производится анализ поверхности средств, в частности их аэрогидромеханических характеристик. Так, у судов анализ производится преимущественно путем оценки влияния ряда факторов, например повреждений, в частности шероховатости, гофрировки и/или обрастания, и принимается решение о порядке дальнейшей эксплуатации. Характеристики поверхности определяются из анализа эффективности, в частности экономической, существования средств. В частности целесообразная величина шероховатости определяется исходя из задаваемой доли прироста, в частности отрицательного сопротивления движению и/или обтеканию внешней средой средства относительно базового значения сопротивления, в частности относительно случая аэрогидродинамически гладкого обтекания, при возможном нахождении бугорков шероховатости за пределами ламинарного подслоя пограничного слоя, целесообразного установления или изменения параметров движения и/или обтекания средства для получения эффекта, в частности экономического, а также учета взаимного влияния, в том числе нейтрализации различных видов факторов состояния поверхности средств, например разных видов повреждений, друг на друга, в частности шероховатости обшивки и местных остаточных деформаций и/или обрастания, и в случае необходимости принимается решение о порядке дальнейшей эксплуатации, в частности проведении: профилактических работ, в том числе очистных, шпаклевочных, шлифовальных, окрасочных, напыления, расклепа, формования и их комбинаций; ремонта, в том числе правкой, в частности с дополнительными разрезами, заменой, накладными листовыми элементами, склеиванием, выклеиванием, формованием и их комбинаций; изменение параметров движения или обтекания средства.

Предусматривается восстановление геометрии обшивки судов, возможно частичное, в частности параметров шероховатости (микрогеометрии). При этом снижение параметров шероховатости, возможно, только на части шпации, в частности половине каждой шпации от кормы судна. Восстановление макрогеометрии (устранение бухтин, гофрировки) обшивки предполагается производить, в частности правкой, в частности с дополнительными разрезами, заменой, накладными листовыми элементами, склеиванием, выклеиванием, формованием, преимущественно через одну шпацию по длине корпуса судна. После этого на восстановленных участках, преимущественно в пределах выправленных шпаций, снижают параметры шероховатости использованием очистных, шпаклевочных, шлифовальных, окрасочных работ, напыления, расклепа, формования и их комбинаций. После исключения отдельных источников отрыва, например, восстановления макрогеометрии в пределах части шпаций у судна, изменение микрогеометрии в пределах зон с наличием отрывного обтекания возможно лишь на части этих зон, в частности, снижение шероховатости судовой обшивки у шпаций, непосредственно следующих за недеформированной шпацией, возможно только на протяжении до 30% шпации считая от кормы.

Характеристики поверхностей средств, например, их аэрогидромеханические характеристики, предусматривается оценивать, в том числе, и экспериментально, в частности, в натурных и/или модельных условиях.

Пример реализации способа.

Известно, между гидродинамически гладким режимом обтекания и режимом с полным проявлением шероховатости существует переходный режим, характеризующийся нахождением элементов шероховатости между ламинарным подслоем, толщиной δ_Л, и слоем, в котором уже имеет место квадратичный закон обтекания δ_Ш [1]. Для указанных толщин имеют место зависимости

и

где v - коэффициент кинематической вязкости;

u_* - динамическая скорость.

Для переходного режима от гидравлически гладкой поверхности к шероховатой, т.е. от режима без проявления шероховатости к режиму с полным ее проявлением, дадим следующую зависимость для коэффициента гидравлического трения

где λ_ПЕР, λ_ГЛ и λ_Ш - коэффициенты гидравлического трения соответственно при переходном режиме, режиме без проявления шероховатости и режиме с полным проявлением шероховатости;

С_λ - коэффициент долевого влияния режима без проявления шероховатости при переходном режиме.

Для С_λ на основе опытных данных Никурадзе [1] получаем следующее приближенные выражения

где Re_H и Re_K - числа Рейнольдса начала и конца переходного участка соответственно.

Соотнося значения Re_H, Re_K с высотой шероховатости и структурой пограничного слоя, полагаем, что достижение величины Re_H соответствует достижению гидродинамически учитываемой высоты шероховатости k величины δ_Л, a Re_К величины δ_Ш. Тогда выражение (4) преобразуем к виду (граница применимости δ_Л≤k≤δ_Ш)

где k_СК - значение средней квадратической высоты шероховатости;

- смещение значения k по сравнению с k_СК в связи с удалением из рассмотрения элементов шероховатости высотой до δ_Л.

Зависимости (2)-(5), а также анализ влияния изменения коэффициента полного сопротивления судна ζ на изменение сопротивления воды и скорости хода судна, влияние зон отрыва гофрировки на сопротивление воды, изменение потребления топлива двигателем позволили автору предложить следующую методику.

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ И ГОФРИРОВКИ ОБШИВКИ НА ХОДОВЫЕ КАЧЕСТВА И РАСХОД ТОПЛИВА СУДНОМ

Данная методика представляет собой инженерное приложение разработанных автором алгоритмов расчета влияния шероховатости гофрировки на ходовые качества судов и определения оптимальных скоростей движения судна (с точки зрения расхода топлива) из условия изменения общего коэффициента сопротивления судна.

На фиг.1 дана зависимость изменения скорости хода судна по отношению к начальной скорости при относительном возрастании сопротивления воды движению судна при начальной скорости хода ΔV/V=(ΔR/R).

На фиг.2 приведены графики значений изменения величин ΔV/V и ΔR/R в зависимости от изменения коэффициента С_ζ (значения относительных величин даны в процентах).

Будем считать, что сопротивление трения судна имеет удельное значение С_т от полного его сопротивления. При отсутствии конкретных данных будем полагать, что сопротивление трения судна составляет около 70% от полного сопротивления, т.е. С_T≈0,7. Для оценки изменения коэффициента полного сопротивления судна ζ, характеризуемого коэффициентом С_ζ будем использовать следующую зависимость

где С_ζT - коэффициент удельного изменения коэффициента сопротивления трения ζ_T.

Для оценки изменения коэффициента С_ζT будем использовать следующую зависимость

где Δ_Ш - значение увеличения коэффициента сопротивления трения вследствие наличия шероховатости, %.

На фиг.3 помещена номограмма для определения процентного увеличения коэффициента сопротивления трения воды движению судна вследствие наличия у обшивки общей средней квадратической высоты шероховатости величиной .

Порядок использования номограммой фиг.3 следующий. Возьмем в рассмотрение судно длиной L=50 м, скоростью хода V=5 м/с при температуре воды 4°С, т.е. при коэффициенте кинематической вязкости v=1,57·10^-6 м²/с. Изначально определяется число Рейнольдса по длине судна, в нашем случае Re_L=1,56·10⁸, и его логарифм lgRe_L=8,20. Определим увеличение коэффициента сопротивления судна при значении =0,290 мм. Для этого в третьем и четвертом квадранте проводим линию, параллельную оси ординат через точку lgRe_L=8,20. После этого в первом квадрате от указанного значения проводим вертикальную линию до пересечения с кривой, соответствующей длине судна L=50 м и из полученной точки ведем горизонтальную прямую во второй квадрант до пересечения с ранее проведенной в нем прямой. Точка пересечения этих прямых определит значение коэффициента с_k=55. Затем в третьем квадранте из отсечки на оси ординат, соответствующей полученному значению с_k, проводим горизонтальную линию. Ее пересечение с первой даст значение прироста коэффициента сопротивления Δ_Ш=33%.

На фиг.4 дана номограмма для определения влияния гофрировки на процентное изменение коэффициента сопротивления трения судового корпуса с шероховатой обшивкой вследствие наличия гофрировки. Процедура использования номограммы фиг.4 следующая. По известным значениям общей по корпусу средней квадратической шероховатости и стрелки прогиба гофрировки , соответственно в I-м и IV-м квадрантах в пересечении с графиками размера шпации определяются точки, через которые проводятся горизонтальные прямые в квадранты II и III соответственно. Пересечение проведенной прямой в III-м квадранте с графиками числа шпаций дает точку, из которой восстанавливается вертикальная прямая до пересечения уже проведенной горизонтальной во II-м квадранте. Точка пересечения на поле графиков относительного процентного влияния шероховатости дает искомое значение Δ_Ш,%. Для примера на рисунке 2.4.8 определены значения Δ_Ш,% для значений =240 мм и =770 мм при шпации =500 мм и числе шпаций n=150. В первом случае получено Δ_Ш =0%, во втором Δ_Ш=10%.

На фиг.5 дана номограмма для определения изменения потребления топлива судном при изменении его скорости и сопротивления относительно базового варианта.

Для примера приведем оценку изменения потребления топлива судна ΔМ/М, имеющего двигатели 3Д6, у которого по сравнению с базовым состоянием увеличился коэффициент полного сопротивления на 20%, т.е. имеем величину коэффициента C_ζ=1,2. По винтовой характеристике двигателя определяем значение показателя степени m=1,1. Примем для оценки уменьшение скорости хода на 10%, т.е. берем для оценки ΔV/V=-0,1.

Поскольку на диаграмме фиг.5 нет случая для значения показателя степени m=1,1, то определяем при указанных исходных данных значения величины ΔМ/М при имеющихся значениях m=1,0 и m=1,2. Получаем соответственные данные (фиг.5) ΔМ/М≈-0,01 и ΔМ/М≈0. Линейная интерполяция полученных данных для значения показателя степени m=1,1 дает значение оценки изменения расхода топлива Δf/M≈-0,005, т.е. можно говорить, что при снижении скорости хода на 10% судна по сравнению с базовым вариантом сохраняем расход топлива неизменным.

При необходимости более полной оценки рассчитываем с учетом новой скорости движения время нахождения судна в рейсе и производим уточненный анализ расходов.

На фиг.6 дана номограмма для определения допускаемой величины средней квадратической шероховатости [k_CK] обшивки по длине судна. По данной номограмме возможно при задании значения допускаемого увеличения коэффициента сопротивления трения Δ_Ш,%, определить показатели допускаемой величины шероховатости по длине корпуса судна.

Литература

1. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Наука, 1974. - 712 с. (С.592...595).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля и поддержания качества поверхности движущихся средств. Способ заключается в анализе характеристик поверхности средств, после которого, исходя из анализа эффективности вариантов, принимается решение о порядке дальнейшей эксплуатации, в частности проведении различных работ по обеспечению параметров поверхности средств, например восстановление геометрии обшивки, возможно, частичное, в частности параметров шероховатости (микрогеометрии). Также может быть принято решение об изменении параметров эксплуатации, в том числе параметров движения средства, либо состояния окружающей среды, в частности ее температуры, вязкости. Геометрические и гидромеханические характеристики поверхности средств предусматривается оценивать, в том числе, экспериментально, в частности в натурных и/или модельных условиях. Технический результат заключается в обеспечении оптимальной эксплуатации средств. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ обеспечения параметров поверхности средств, их параметров движения относительно внешней среды, в частности параметров шероховатости поверхности, включающий допущение нахождения высоты элементов шероховатости в пределах ламинарного подслоя пограничного слоя, отличающийся тем, что производится анализ характеристик поверхностей средств, определение допускаемой величины параметров поверхности, в частности шероховатости, в зависимости от задаваемой доли прироста, возможно отрицательного, сопротивления движению, в том числе относительно базового значения сопротивления, в частности относительно случая аэрогидродинамически гладкого обтекания, при возможном нахождении бугорков шероховатости за пределами ламинарного подслоя пограничного слоя, целесообразного установления или изменения параметров движения, в частности обтекания, средства для получения эффекта, в частности экономического, а также учет взаимного влияния формы поверхности средств, ее состояния, изменения, возможно, в частности, временного и/или остаточного, в том числе нейтрализации различных видов факторов состояния поверхности средств, например повреждений, друг на друга, могущих иметь зоны отрыва пограничного слоя, в частности шероховатости обшивки и местных остаточных деформаций и/или обрастания, и, исходя из анализа эффективности вариантов, принимается и реализуется решение о порядке дальнейшей эксплуатации, в частности, проведение профилактических работ, в том числе очистных, шпаклевочных, окрасочных; например, при наличии источников срыва потока, в частности, у судов с гофрированной обшивкой производят снижение ее шероховатости, возможно только на части шпации, считая от кормы судна, в частности, половине шпации; ремонта, в том числе правки, оснащения накладными листовыми элементами, например для судов с гофрированной обшивкой выправляют или устанавливают накладные элементы, преимущественно через одну шпацию по длине корпуса судна; изменение параметров эксплуатации, в том числе параметров движения средства, состояния окружающей среды, в частности, ее температуры, вязкости, например, изменяется скорость движения судна до такой, при которой по сравнению с базовым вариантом сохраняется расход топлива неизменным; модернизации, в том числе оснащение дублирующими, подкрепляющими конструкциями, замена двигателей, движителей, например, для судов с гофрированной обшивкой устанавливают накладные элементы преимущественно через одну шпацию по длине корпуса судна.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечение параметров поверхности, в частности величины шероховатости и/или зон с отрывом потока, в частности, местных остаточных деформаций, производится в зависимости от места расположения участка на поверхности средства, например в зависимости от положения по длине корпуса средства.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что характеристики сопротивления поверхностей средств, например аэрогидромеханические, оцениваются экспериментально, в частности, в натурных и/или модельных условиях.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что величина базового значения сопротивления определяется предварительно, возможно расчетным, экспериментальным методом и их комбинациями, в частности, посредством анализа гидромеханических характеристик средств преимущественно путем оценки влияния ряда факторов, например повреждений, обрастания.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что производят изменение геометрии поверхности, например, восстановление геометрии обшивки, возможно частичное, в частности параметров шероховатости.6. Способ по п.5, отличающийся тем, что изменяют параметры шероховатости, возможно только на части зоны, имеющей отрывное обтекание, например, только на части шпации, в частности ее половине, считая от кормы судна.7. Способ по п.5, отличающийся тем, что восстановление макрогеометрии поверхности производят, например, правкой, в частности, с дополнительными разрезами, заменой, накладными листовыми элементами, склеиванием, выклеиванием, формованием и их комбинациями, в частности для судна, преимущественно через одну шпацию по длине корпуса и, возможно, снижают в пределах выправленных шпаций параметры шероховатости.8. Способ по п.5, отличающийся тем, что восстановление микрогеометрии поверхности производят с помощью, например, очистных, шпаклевочных, шлифовальных, окрасочных работ, напыления, расклепа, формования и их комбинаций.