СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА Российский патент 2020 года по МПК E02B15/02 

Изобретение относится к области судостроения, в частности к подводным судам, плавающим в ледовых условиях и разрушающим ледяной покров резонансным методом, то есть путем возбуждения во льду резонансных изгибно-гравитационных волн (ИГВ) (1. Козин В.М. резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты М.: Издательство «Академия Естествознания», 2007-355 с.).

Уровень техники известен из способа разрушения ледяного покрова резонансными ИГВ определенной высоты, возбуждаемыми подводным судном (2. В.М. Козин, А.В. Онищук. Модельные исследования волнообразования в сплошном ледяном покрове от движения подводного судна. - ПМТФ, Новосибирск, ВО «Наука», 1994, №2, 78-81).

Известный способ осуществляется следующим образом. Судно всплывает на безопасную глубину и движется подо льдом с резонансной скоростью V_p, то есть со скоростью, при которой высота возбуждаемых ИГВ максимальна.

Недостатком способа является ограниченность высоты ИГВ, то есть их ледоразрушающей способности, которая при резонансной скорости судна определяется заглублением и воздоизмещением последнего [2].

Задачей заявляемого изобретения является увеличение высоты ИГВ.

Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в повышении эффективности разрушения льда, то есть в увеличении толщины разрушаемого ледяного покрова.

Существенные признаки, характеризующие изобретение.

Ограничительные: ледяной покров разрушают подводным судном путем возбуждения во льду ИГВ при его движении подо льдом с резонансной скоростью.

Отличительные: в носовой оконечности судна формируют цилиндрический вихрь, ось вращения которого горизонтальна и перпендикулярна направлению движения судна, а его габариты превышают диаметр корпуса судна, при этом направление продольных составляющих скоростей вихря периодически с удвоенной частотой резонансных скоростей изгибно-гравитационных волн изменяют на противоположное в течение времени равному половине периода этих волн.

Известно (3. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969. - 742 с., см. на стр. 360), что возникающий на вращающемся цилиндре пограничный слой, взаимодействуя с набегающим на него поперечным потоком, приводит к возникновению поперечной силы. Это явление известно под названием эффекта Магнуса. Поперечная сила появляется вследствие разницы скоростей, возникающей при гидродинамическом взаимодействии пограничного слоя и потока жидкости. Там, где направления скоростей совпадают результирующая (суммарная) скорость также возрастает и наоборот, что, в соответствии с уравнением Бернулли, приводит к появлению перепада давлений, то есть к возникновению поперечной силы. Очевидно, что аналогичные процессы будут происходить и при взаимодействии вихря с набегающим потоком.

Так же известно (4. Козин В.М., Скрипачев В.В. Колебания ледяного покрова под действием периодически изменяющейся нагрузки / ПМТФ. - Новосибирск: издательство СО РАН. - 1992. - №5), что периодическое приложение к ледяному покрову поперечной нагрузки с частотой резонансных ИГВ приводит к возникновению в ледяном покрове деформаций и напряжений, превосходящих по сравнению с ее стационарным приложением.

Очевидно, что знакопеременное приложение периодически изменяющейся нагрузки с частотой резонансных ИГВ еще в большей степени вызовет увеличение деформации ледяного покрова.

Способ осуществляется следующим образом.

Под ледяным покровом на безопасной глубине начинают перемещать подводное судно с резонансной скоростью [1]. Если высота возбуждаемых при этом ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, то во время движения судна его рубку размещают под перегибом (узле) профиля ИГВ (за счет изменения скорости), а в его носовой оконечности при помощи гидродинамической системы, состоящей из предварительно установленных на судне трубопроводов и насосов, формируют цилиндрический вихрь, ось вращения которого горизонтальна и перпендикулярна направлению движения судна. С его помощью создают поток таким образом, чтобы его продольные составляющие скоростей над верхней палубой совпадали с направлением движения судна. Это условие обеспечивают габаритами вихря, превышающими диаметр корпуса судна. В результате суммарная скорость обтекания верхней палубы уменьшиться (так как продольные составляющие скорости вихря будут направлены противоположно скорости набегающего потока), а днища - возрастет. Это приведет к возникновению области повышенного давления над верхней палубой и пониженного давления под днищем, то есть появлению вертикальной силы, направленной вниз. Для компенсации этой силы, возникающей за счет эффекта Магнуса, горизонтальные рубочные рули перекладывают на положительный угол атаки. В результате под нагнетающей поверхностью рулей возникнет область повышенного давления, а под засасывающей-область пониженного давления. Поскольку при осуществлении способа рули будут расположены в точке перегиба профиля ИГВ, то возникающая область повышенного давления под вершиной ИГВ, а область пониженного давления под впадиной ИГВ вызовут увеличение результирующей высоты ИГВ.

Если и это не вызовет разрушения льда, то вихрь начинают формировать периодически с частотой резонансных ИГВ в течение времени равному половине их периода. В результате периодически возникающая направленная вниз вертикальная сила благодаря периодически возникающей в носовой оконечности области повышенного давления и необходимостью ее погашения с помощью горизонтальных рулей судна приведет к возбуждению в ледяном покрове дополнительной системы резонансных ИГВ, в такт накладывающихся на основную систему резонансных ИГВ, возбуждаемых движущимся судном. Благоприятная интерференция этих волновых систем будет обеспечена расположением рубки под перегибом профиля ИГВ. Это обеспечит дополнительное увеличение высоты ИГВ.

При необходимости дальнейшего увеличения высоты резонансных ИГВ за счет формирования в носовой оконечности судна вихря направление его продольных составляющих скоростей периодически с удвоенной частотой резонансных скоростей ИГВ изменяют на противоположное в течение времени равному половине периода этих волн. Очевидно, что знакопеременное приложение нагрузки к плавающей пластине в большей степени увеличит ее деформации, то есть высоту дополнительно возбуждаемых ИГВ. В таких условиях их интенсивность будет обеспечена не только за счет создания повышенного давления под гребнем волны, но и за счет понижения давления под его подошвой Резонансное приложение этих нагрузок в большей степени будет способствовать достижению заявленному техническому результату.

Реализация изобретения поясняется графически, где: на фиг. 1 показан вид на подводное судно и деформированный ледяной покров сбоку; на фиг. 2 - вид на судно сверху.

Под ледяным покровом 1 на безопасной глубине Н перемещают подводное судно 2 с резонансной скоростью V_p (фиг 1). Если высота возбуждаемых при этом ИГВ 3 окажется недостаточной для разрушения льда 1, то периодически формируют со знакопеременными скоростями вихрь 4 (фиг 1, 2). Для компенсации периодически возникающей силы ±Р горизонтальные рубочные рули также периодически из положения 5 при α=0 перекладывают в положения 6 с углами атаки ±α (фиг. 1). В результате будут периодически возникать области повышенного и пониженного давления 7 и 8. В результате высота ИГВ 3 возрастет до высоты ИГВ 9 (фиг. 1).

Изобретение относится к ледокольным работам. Сущность изобретения: ледяной покров 1 разрушают путем возбуждения во льду изгибно-гравитационных волн 3 подводным судном 2 при его движении подо льдом с резонансной скоростью. В носовой оконечности судна 2 с использованием забортной воды формируют цилиндрический вихрь 4, ось вращения которого горизонтальна и перпендикулярна направлению движения судна 2, а его габариты превышают диаметр корпуса судна 2, при этом направление продольных составляющих скоростей вихря 4 периодически с удвоенной частотой резонансных скоростей изгибно-гравитационных волн 3 изменяют на противоположное в течение времени, равного половине периода этих волн. За счет возникающего в этих условиях эффекта Магнуса, то есть возникновения знакопеременной вертикальной силы, достигается увеличение высоты изгибно-гравитационных волн. Изобретение направлено на повышение эффективности разрушения льда, то есть увеличение его разрушаемой толщины. 2 ил.

Способ разрушения ледяного покрова подводным судном путем возбуждения во льду изгибно-гравитационных волн при его движении подо льдом с резонансной скоростью, отличающийся тем, что в носовой оконечности судна формируют цилиндрический вихрь, ось вращения которого горизонтальна и перпендикулярна направлению движения судна, а его габариты превышают диаметр корпуса судна, при этом направление продольных составляющих скоростей вихря периодически с удвоенной частотой резонансных скоростей изгибно-гравитационных волн изменяют на противоположное в течение времени, равного половине периода этих волн.