Стенд для моделирования процессов торошения Российский патент 2023 года по МПК G09B25/00 

Изобретение относится к ледоведению и может быть использовано для изучения нагромождений морского льда - торосов и стамух.

Известен способ образования модели тороса, заключающийся в использовании парафиновых пластиночек, свободно насыпанных на горизонтальную поверхность [2]. Недостатки этого способа заключаются в том, что моделируется лишь геометрическое подобие паруса или киля торосов без учета их физико-механических свойств, а также без учета механики торосообразования, заключающейся в том, что торосы образуются при подвижках ледяных полей и при их сжатии. Эксперименты по определению прочностных свойств моделей торосов описаны в [1], стр. 133-135. Напиленные или наломанные обломки льда, соотношение сторон которых соответствует натурным обломкам торосов, засыпаются в сдвиговый прибор. Нагрузка на сдвиговый прибор передается домкратами. Во время экспериментов фиксируются давление в гидросистеме и перемещение домкратов, скорость перемещения. Недостатки этих устройств заключаются в том, что они моделируют прочностные свойства торосов без их морфометрических параметров. Известен способ образования искусственных торосов [5]. Его суть в том, что в ледяном поле делают прорези в виде лотка, по боковым сторонам которого устанавливают ограждения, а затем сдавливают в продольном направлении внутреннюю часть лотка до образования тороса. Недостатком данного способа является высокая трудоемкость и из-за этого невозможность многократного повторения опытов. Моделирование торошения проводилось в лабораторных условиях в теплоизолированном бассейне размерами 3x1,1x0,6 м [6]. Намороженное ледяное поле распиливалось поперек на три части, одна из крайних частей служила препятствием для создания ледяных нагромождений при сжатии двух других с помощью домкрата. Недостаток такого моделирования заключается в том, что для неоднократного повторения опытов требуется длительное время для намораживания льда, а также трудности в определении пористости неконсолидированной части киля лабораторных торосов.

Известны ледовые опытовые бассейны [4, 7-8], предназначенные для экспериментальных исследований механики деформации и разрушения морского льда. В них проводятся исследования процессов и сценариев разрушения ледяного покрова при взаимодействии с судами и инженерными сооружениями. Основной недостаток моделирования в ледовых бассейнах заключается в том, что изготовление лабораторного льда в ледовом бассейне требует чрезмерно больших затрат времени и ресурсов, в первую очередь энергетических.

Моделирование торошения и образования заторов описано в [3]. Используемый в этих экспериментах стенд был взят в качестве прототипа. Стенд в виде модели рельефа русла и поймы участка реки Лена протяженностью 68 м выполнен из уплотненного песка с последующим цементированием поверхностного слоя толщиной 2-3 см. В качестве модельного материала-имитатора льда применен полиэтилен. В экспериментах льдины были представлены в виде квадратных пластин с длиной стороны 5, 10 и 20 см и толщиной 0,5 и 0,6 см, что соответствует натурным размерам льдин. Размеры льдин выбирались таким образом, чтобы в целом на модели воспроизводилась картина, соответствующая натурному ледоходу. Методика проведения экспериментов заключалась в следующем. На чистую воду подавался имитатор льда в один слой. После этого он освобождался от удерживающего устройства, и начиналось свободное движение массива имитатора льда по чистой воде вниз по течению. Процесс движения имитатора льдин и формирования заторов снимался на фото- и видеокамеры. Недостатком является то, что фиксируется только внешний вид затора без возможности наблюдения перемещения блоков внутри затора.

Задача данного изобретения заключается в том, чтобы с помощью моделирования изучать механизм такого природного явления как торошение. Моделируется вертикальный поперечный срез гребня образующегося тороса. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей - наблюдение движения блоков друг относительно друга в процессе имитации торошения и измерение пористости модельного тороса.

Указанный технический результат достигается ограничением движения блоков-имитаторов льда в одной вертикальной плоскости. В качестве имитатора льда выбран полипропилен, т.к. его плотность соответствует плотности морского льда. Все блоки представляют собой параллелепипеды разного размера, но одинаковой толщины. Длина и ширина блоков соответствует натурным размерам ледяных обломков в парусах реальных торосов. За основу стенда взят бытовой аквариум размером 1500×600×300 мм. Длина стенда не менее чем в сто, а высота не менее чем в пятьдесят раз превышают максимальный размер блока-имитатора льда. Внутри аквариума рядом с лицевой стенкой установлена перегородка черного цвета на расстоянии, в 1,1-1,5 раза превышающем толщину блоков, имитирующих блоки льда. Между перегородкой и боковыми стенками аквариума оставлены зазоры шириной, соответствующей максимальной ширине блоков-имитаторов льда. Внутрь стенда залита вода на глубину примерно ¾ высоты аквариума.

Моделирование торошения на стенде реализуется следующим образом. Через боковые зазоры блоки-имитаторы льда последовательно друг за другом помещаются с обеих сторон между перегородкой и лицевой стенкой в плавающем положении. Под действием внешних горизонтальных усилий с одной или двух сторон обе последовательности блоков, имитирующие ровный лед или сморозь, перемещаются в сторону центральной части стенда. В центре происходит столкновение выстроившихся в линию блоков. За счет неидеальной формы блоков в некоторых местах возникают поперечные усилия, и происходит смещение отдельных блоков в поперечном направлении. Продолжение процесса приводит к нагромождению блоков, имитирующему торос. Варьирование размеров блоков и последовательности их употребления в эксперименте приводит к различным ситуациям с имитацией торошения. Светлые блоки на фоне черной перегородки создают контрастное изображение. На фиг.1 приведен снимок стенда, иллюстрирующий проведение моделирование торошения. На лицевую сторону стенда могут быть нанесены вертикальная и горизонтальная шкалы, например, с помощью портновских метров. Для имитации торошения у стенки (у борта судна или гидротехнического сооружения) с одной стороны в зазоре между лицевой стенкой и перегородкой может быть установлена и закреплена под нужным углом ограничивающая консоль.

После завершения опыта модельный торос фотографируется, изображение обрабатывается с помощью компьютера, и по нему рассчитывается пористость модельного тороса как отношение площади пор в выбранном сегменте к общей площади сегмента.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Алексеев Ю.Н., Афанасьев В.П., Литонов О.Е. и др. Ледотехнические аспекты освоения морских месторождений нефти и газа. Под ред. О.Е. Литонова и В.В. Панова. СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. 360 с.

2. Афанасьев В.П. Ледовые нагрузки на вертикальные опоры морских сооружений. Диссертация на соиск. уч. ст.канд. техн. наук. М., 1971, с. 98.

3. Бузин В.А. Зажоры и заторы льда на реках России. -СПб: Государственный гидрологический институт. 2016, - 240 с.

4. Патент России №2440271 от 01.07.2010. Бюллетень №2.

5. Патент России №763508 от 15.03.1979. Бюллетень №34.

6. Тышко К.П. Формирование и консолидация торосов в однолетнем ледяном покрове арктических морей как результат лабораторных и натурных исследований. Метеорология и гидрология. - 2009. - №8. - С.71-79.

7. https://krylov-centre.ru/experimental/basin-ice/

8. https://www.aari.ru/projects/ledovyy-opvtovyy-basseyn

Изобретение относится к ледоведению и может быть использовано для изучения нагромождений морского льда - торосов и стамух. Техническим результатом является возможность измерения пористости модельного тороса, как отношение площади пор в выбранном сегменте к общей площади сегмента, при помощи обработки изображения. В качестве имитатора льда выбран полипропилен. Стенд представляет собой на 3/4 заполненный водой резервуар, в котором рядом с прозрачной лицевой стенкой установлена перегородка черного цвета на расстоянии, в 1,1-1,5 раза превышающем толщину блоков-имитаторов льда. Между перегородкой и боковыми стенками резервуара оставлены зазоры шириной, соответствующей максимальной ширине блоков-имитаторов льда. Через боковые зазоры блоки-имитаторы льда последовательно друг за другом помещаются с обеих сторон между перегородкой и лицевой стенкой в плавающем положении. Под действием внешних горизонтальных усилий с двух сторон обе вереницы блоков перемещаются в сторону центральной части стенда. В центре происходит столкновение выстроившихся в линию блоков и последующее их нагромождение, имитирующее торошение льда. После завершения опыта модельный торос фотографируется, изображение обрабатывается с помощью компьютера, и по нему рассчитывается пористость модельного тороса, как отношение площади пор в выбранном сегменте к общей площади сегмента. 1 ил.

Стенд для изучения и моделирования процессов торошения, содержащий полипропиленовые блоки-имитаторы льда в виде плоских пластинок, отличающийся тем, что это на 3/4 заполненный водой резервуар, длина лицевой стороны которого не менее чем в сто, а высота не менее чем в пятьдесят раз превышают максимальную длину блоков-имитаторов, в котором рядом с прозрачной лицевой стенкой установлена перегородка черного цвета на расстоянии, в 1,1-1,5 раза превышающем толщину блоков-имитаторов льда, между перегородкой и боковыми стенками резервуара оставлены зазоры шириной, соответствующей максимальной ширине блоков-имитаторов льда, для задвигания с обеих сторон внешним горизонтальным усилием блоков-имитаторов льда последовательно друг за другом между перегородкой и лицевой стенкой в плавающем положении, в результате чего происходит их нагромождение, имитирующее торошение льда, которое наблюдают и фиксируют на фото и видеоаппаратуру для дальнейшей компьютерной обработки и расчета пористости модельного тороса, причем перемещение блоков происходит только в вертикальной плоскости.