Способ проведения испытаний моделей судов в ледовом бассейне с регулировкой приведенной толщины модельного льда Российский патент 2025 года по МПК B63B71/20 

Изобретение относится к судостроению, в частности к способам испытания моделей судов ледового плавания в бассейне с искусственным льдом.

Известны способы испытания моделей судов ледового плавания в бассейне с искусственным льдом, заключающиеся в том, что слой воды в бассейне, подвергающийся замораживанию, модифицируется таким образом, что обеспечиваются некоторые условия моделирования, позволяющие пересчитать результат испытаний на натурное судно. В частности к таким способам относятся способ Лаврова [1], Шварца [2], Песчанского [3]. Слой замороженного льда на поверхности получается из воды, имеющей определенную соленость во всем объеме бассейна. Такой лед обладал пластичностью несоответствующей условиям моделирования. Для изменения свойств льда требовалось изменять соленость во всем бассейне, что обуславливало малую оперативность и большую трудоемкость. Поэтому испытания проводились при одной солености. Намерзание слоя соленого льда на поверхности воды занимало от 10 до 20 часов.

Последующие исследователи использовали способы, основанные на модификации прочностных и упругих свойств только в зоне поверхностного слоя воды. С помощью различных добавок в воду (карбамид [4], этиленгликоль, алифатический детергент [5] и сахар [6], этанол [7], и др.) и при намораживании верхний слой модифицировался распылением или добавлением различных веществ, которые обеспечивали верхнему слою столбчатую или гранулированную структуру. Известен также способ, основанный на комбинации в верхнем слое частиц пластика и микрочастиц стекла [8]. Эти способы отличались технологической сложностью (обеспечение концентрации растворов и равномерность распыления) и требованиями к обеспечению условий испытаний (температура, влажность).

Как следует из большого количества приведенной литературы, предлагающей новые разновидности модельного льда, его поиск является до сих пор не до конца решенной технической задачей.

Близким аналогом является документ [9], в котором в воду добавляют измельченные частицы с положительной плавучестью и охлаждают полученную взвесь до образования ледового поля. Отличием здесь является то, что в воду добавляются частицы полиэтилена высокого давления, которые перемешиваются с водой.

Опыт применения этого способа показал, что полиэтиленовые частицы преимущественно округлой формы с примерным диаметром 4 мм замораживаются только в верхней части слоя насыпки для соблюдения условий моделирования [10]. Этот способ обладает рядом недостатков. Нижняя часть насыпанного слоя не связана с промороженным слоем. При ломке ледового поля происходит поворот отломленных секторов ледяного поля. Часть несвязанных частиц под действием гидродинамических сил обтекания поворачивающегося обломка остаются на месте или двигаются со скоростью меньшей, чем обломок. Это явление приводит к искажению реальных сил инерции при взаимодействии корпуса модели судна с моделью ледового поля. Кроме этого, снос плавучих частиц из-под поверхности сектора уменьшает его плавучесть по сравнению со сплошным сектором. Из-за этого реальная величина составляющей сопротивления притапливания обломков моделированного льда вокруг модели искажается.

Близким аналогом, свободным от этих недостатков, является евразийский патент [11]. Целью этого изобретения являлось повышение точности моделирования ледяного покрова путем приближения условий испытания к натурным условиям. Указанная цель достигалась тем, что в воду помещали частицы положительной плавучестью из полиэтилена высокого давления в виде усеченных конусов, после чего производилось охлаждение поверхностного слоя воды до образования ледового поля. После этого определяли величину ледового сопротивления судна, перемещая его модель по ледовому полю. Высоту конуса рекомендовалось определять расчетным путем из условия плавания конусной частицы широким основанием вверх.

Несмотря на положительный эффект, этот аналог имел ряд недостатков. Предлагаемая форма конуса, параметры которой задаются формулой, обеспечивает плавание конической частицы в вертикальном положении (большим основанием конуса вверх) только при помещении конуса в воду вертикально. Однако, как показал опыт применения таких частиц, конус также устойчиво может плавать и на боку. Поэтому после засыпки частиц в воду в бассейне приходится поворачивать конусы так, чтобы ось конуса была вертикальной. Это сильно замедляет подготовку к проведению испытаний моделей судов ледового плавания. При отрицательной температуре воздуха на плавающих на боку конусах успевает нарасти лед, и форма частицы после поворота искажается. Недостаток указанного аналога также состоит в том, что условие вертикального плавания конуса требует выполнение строго заданного формулой соотношения между высотой конуса и диаметром его большего основания. Для выполнения условий моделирования может требоваться больший диапазон изменения соотношения высоты конуса и диаметров его верхнего и нижнего основания.

В качестве прототипа выбран способ, описанный в патенте [12]. Указанные выше недостатки устраняются в прототипе тем, что с целью обеспечения безусловного плавания осью конуса вертикально вверх в полиэтиленовых частицах по оси конуса от нижнего основания вверх выполняется глухое отверстие (путем сверления или при отливке конуса), которое в нижней части плотно закрывается цилиндрической пробкой из тяжелого металла (стали, олова, свинца и пр.). Диаметр отверстия d₁, его высота от основания гранулы H_грн и масса пробки m_грн подбираются такими, что выполняются два условия. Первое состоит в том, что масса конусной полиэтиленовой частицы с отверстием и тяжелой пробкой равна массе такой же частицы без отверстия и пробки, т.е. средняя плотность объема усеченного конуса с отверстием и пробкой равна плотности полиэтилена, из которого изготавливается усеченный конус. Требуемая высота груза оказывается не зависящей от диаметра внутреннего отверстия (при его высоте, близкой к высоте гранулы H) и составляет для стального груза h_гр = (ρ_п/ρ_гр) H (ρ_п - плотность полиэтилена, ρ_гр - плотность материала груза). Это условие обеспечивает физическую идентичность предлагаемой конструкции конуса конусу без отверстия и пробки.

Второе условие состоит в том, что центр тяжести измененного описанным способом усеченного конуса располагается ниже центра приложения сил плавучести, что обеспечивает вертикальное плавание конуса большим основанием вверх, для чего отношение диаметра отверстия d₁ к диаметру большего основания конуса D и, следовательно, диаметр груза, который необходимо вставить в отверстие для безусловно вертикального плавания полиэтиленовой гранулы в виде усеченного конуса должно быть следующим:

d ₁/D>{[(1- ρ_п/ρ_в)(1- К₂/4К₁) К₁]/[3(1- К₂/4К₁)+ 3ρ_п /ρ_гр]}^1/2,

где К₁=1+k +k²,

K₂=1+2k+3k²,

k=d/D,

d - диаметр меньшего основания усеченного конуса,

ρ _в - плотность воды.

Предложенное в прототипе решение имеет существенный недостаток, обусловленный тем, что конусы по поверхности воды располагаются плотно, контактируя верхними основаниями друг с другом.

Однозначно плотное расположение полиэтиленовых частиц не позволяет изменять приведенную толщину моделируемого льда H_p, которая определяется как отношение массы поля модельного льда (массы всех гранул М и массы льда между гранулами М_л) к площади поверхности модельного поля S. Этот параметр является одним из определяющих при проведении модельных экспериментов. Его требуется варьировать при серии испытаний модели судна в ледовом бассейне. При плотном расположении количество льда между гранулами минимально, один типоразмер конических гранул позволяет получить результат практически только для одной приведенной толщины модельного льда. Если с целью уменьшения приведенной толщины модельного льда загрузить в воду бассейна меньшее количество гранул они будут располагаться друг от друга на произвольных расстояниях, группируясь и сгущаясь произвольным образом, оставляя в то же время области свободной воды без гранул, что нарушит однородность площади ледяного поля при замораживании.

Целью изобретения является получение заранее заданной приведенной толщины модельного льда путем равномерного и упорядоченного распределения полиэтиленовых гранул по поверхности воды на одинаковых расстояниях друг от друга перед замораживанием.

Технический результат достигается за счет того, что в разработанном способе проведения испытаний моделей судов ледового плавания с регулировкой приведенной толщины модельного льда так же, как и в способе-прототипе, в воду добавляют гранулы в виде полиэтиленовых частиц с положительной плавучестью, имеющих форму тела вращения и способных занимать вертикальное положение благодаря внутреннему глухому отверстию, которое в нижней части плотно закрывается цилиндрической пробкой из тяжелого металла, высоту тяжелой пробки подбирают такой, что масса гранулы с отверстием и тяжелой пробкой равняется массе такой же частицы без отверстия и пробки, а диаметр тяжелой пробки обеспечивает устойчивое плавание гранулы в вертикальном положении, после чего охлаждают полученную взвесь до образования ледового поля и определяют величину ледового сопротивления судна, перемещая его модель по ледовому полю. Новым является то, что с целью обеспечения возможности регулирования приведенной толщины модельного ледяного покрова путем равномерного увеличения расстояния между гранулами, имеющими форму шара, усеченного конуса и кругового цилиндра, в качестве цилиндрической пробки используют постоянный магнит, вставленный в отверстие гранулы, причем размещают магниты одноименными полюсами наружу, при этом регулируют приведенную толщину H_Р на участке воды в ледовом бассейне, имеющим заданную площадь S, определяя требуемую массу гранул М по формуле:

,

где h_л - толщина намороженного льда между гранулами,

m _грн - масса одной гранулы,

s_грн - площадь верхнего основания гранулы,

ρ_Л - плотность льда,

после чего засыпают это количество в ледовый бассейн.

Разработанный способ поясняется следующими фигурами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного изобретения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая реализации.

На фиг.1 показано расположение внутренних отверстий и цилиндрических пробок, в качестве которых используют магниты, в полиэтиленовых гранулах.

На фиг.2 условно показан бассейн, ограниченный стенками, с равномерно распределенными гранулами.

На фиг.3 показано: а) элемент площади модельного льда с равномерно распределенными гранулами цилиндрической формы, который имеет вид правильного шестиугольника, б) сечение выделенного элемента пощади.

На фиг.1 показаны полиэтиленовые гранулы 1, имеющие форму кругового цилиндра 2, форму усеченного конуса 3 и шаровую форму 4. Каждая гранула 1 имеет глухое отверстие, которое в нижней части плотно закрывается цилиндрической пробкой, в качестве которой используется магнит 5, причем магниты 5 размещены одноименными полюсами наружу. Условно показана площадь s_грн, занимаемая каждой из гранул 1, при заморозке во льду 6. Эта площадь используется при выводе формулы для определения массы гранул 1, необходимой при создании в бассейне модельного льда с заданной приведенной толщиной H_Р.

На фиг.2 показана условная площадь бассейна, ограниченная стенками 7 с равномерно распределенными гранулами 1 с пробками из цилиндрических магнитов 5.

На фиг.3 а показан сверху элемент площади модельного льда 6 с равномерно распределенными гранулами 1 цилиндрической формы, который имеет вид правильного шестиугольника со стороной а. На разрезе В-В (фиг.3 б) показано сечение выделенного элемента площади вертикальной плоскостью для представления конструкции цилиндрической гранулы 1 с магнитом 5 и вычисления приведенной толщины модельного льда в зависимости от расстояния а между соседними гранулами 1 и от толщины h_л естественного льда 6.

Фиг.3 служит для пояснения способа определения приведенной толщины модельного льда. Гранулы 1 имеют высоту Н, диаметр верхнего основания D. Объём каждой гранулы 1 с грузом в виде магнита 5 составляет V_гр = (πD²/4)∙Н. Площадь правильного шестиугольника со стороной а, выделенного штриховой линией на фиг.3 а, составит . В этой площади располагается масса трех гранул 1: две по (1/3 6) на периферии плюс одна гранула в центре. Между гранулами 1 намораживается естественный лед 6 (фиг.3 б). Его объем составит V_Л = (S-3∙πD²/4) h_л. Общий объем полиэтиленовых гранул 1 и естественного льда 6 на площадке площадью S составит (S-3∙πD²/4) h_л + 3 V_гр. Таким образом, приведенная толщина льда при расстоянии между гранулами a будет определяться формулой:

.

Пример конкретного исполнения.

Допустим, цилиндрическая гранула имеет следующие размеры: D = 2 cм, Н = 6 см, h_Л = 0,4 см, ρ_Л = ρ_П = 0,92 г/см³. Зазор между гранулами: минимальный 0,5 см, что дает а = 2,5 см (из условия отсутствия взаимного заклинивания при повороте обломков льда), максимальное не ограничено. Расчет по формуле дает следующие значения. При а = 2,5 см Н_р = 3,7 см, при а = 3 см Н_р = 2,65 см, при а = 4 см Н_р = 1,7 см. При масштабе модели судна 1:75 это будет соответствовать толщине натурного ледяного покрова от 2,8 м до 1,27 м и далее в сторону уменьшения.

Способ проведения испытаний моделей судов с регулированием приведенной толщины модельного льда реализуется следующим образом. Подготовленные указанным образом гранулы 1, предназначенные для создания модельного ледяного поля приведенной толщины H_Р помещаются на участке воды в ледовом бассейне, имеющим заданную площадь S. Требуемая масса гранул М определяется следующим образом.

Приведенная толщина состоит из объема всех гранул, отнесенных к площади бассейна S, плюс толщина естественного льда, намороженного между гранул . Толщину льда между гранул (h_Л) следует считать тоньше, за счет того что из общей площади S следует вычесть площадь, занятую гранулами S^грн = s_грн·N,

где s_грн - площадь занятая одной гранулой (см. фиг.1),

N = M/m_грн - общее количество гранул,

m_грн - масса одной гранулы.

Тогда уменьшение толщины составит ,приведенная толщина будет иметь вид:

Из этого выражения находят величину массы гранул, которую надо засыпать в ледовый бассейн площадью S, чтобы получить модельный лед с приведенной толщиной Н_р, когда требуется толщина намороженного естественного льда между гранулами h_Л:

Отмеренное взвешиванием количество гранул засыпается в ледовый бассейн, где они располагаются вертикально благодаря весу груза в каждой грануле и устанавливаются на равных расстояниях друг от друга под действием сил магнитного отталкивания, обеспечивая заданную приведенную толщину Н_Р. Поверхность воды охлаждают до образования слоя льда между гранулами толщиной h_Л, определяемую из условий моделирования. В результате получают искусственное модельное ледяное поле. Измеряют прочность и упругость ледяного поля. Осуществляют движение модели, измеряют скорость движения, сопротивление, крен, дифферент и другие параметры движения. После окончания движения измеряют толщину льда между гранулами h_Л. Обломки разрушенного ледяного поля убирают с водной поверхности и помещают в среду с положительной температурой. После полного таяния льда частицы используют в следующем опыте. Для последующего опыта в серии по формуле вычисляют массу гранул для уменьшения (увеличения) приведенной толщины и повторяют процедуру с засыпкой гранул, замораживанием слоя льда между гранулами и испытанием модели. После серии опытов с разной приведенной толщиной модельного льда получают график ледопроходимости модели. На его основании проводят пересчет ледового сопротивления модели на натурное судно и оценивают ледопроходимость судна.

Применяют частицы полиэтилена высокого давления в виде шаров, усеченных конусов или цилиндров с круговым основанием, у которых низкая адгезия со льдом, а плотность и коэффициент трения такие же, как у натурного льда. Предел прочности и модуль упругости моделированного льда получают меньше, чем у натурного льда, из-за нарушения и ослабления связей между кристаллами льда и частицами полиэтилена. Плотность и коэффициент трения моделированного льда такие же, как у натурного льда, так как в состав моделированного льда входят только твердые частицы полиэтилена и кристаллы натурного льда с одинаковыми плотностью и коэффициентом трения.

Прочность и упругость меняют за счет изменения толщины льда, намораживаемого между частицами. Большей толщине льда соответствует большая прочность и упругость искусственного ледяного поля. Охлаждение водной поверхности можно производить в специальном ледовом бассейне искусственным холодом или в открытом бассейне в зимнее время при отрицательной температуре. Таяние льда с гранулами, находящимися в обломках после проведения опыта, можно осуществлять теплой водой или теплым воздухом (помещать обломки в помещение с положительной температурой). В предлагаемом способе испытания моделей судов ледового плавания в искусственном льду сохраняются все положительные качества прототипа: обеспечивается уменьшение трудоемкости при создании ледяного поля, уменьшение предела прочности и модуля упругости ледяного поля, что приводит к соблюдению подобия по прочности и упругости, осуществляется подобие и правильная оценка сил сопротивления разрушения льда, соблюдается геометрия образования трещин и геометрия в размере обломков. Этот способ так же, как у прототипа, обеспечивает соблюдение подобия по плотности и трению льда о корпус, что приводит к подобию и правильной оценке сил сопротивления движению в обломках. Обломки ледяного поля имеют подобную натурным массу и плавучесть благодаря объему полиэтиленовой частицы, находящемуся под поверхностью воды. Наибольшие диаметры используемых частиц в виде тел вращения выбираются из условия, что приведенная толщина модельного льда соответствует толщине, требуемой для модельного ледяного поля из условий моделирования.

Таким образом, сохраняется подобие и правильная оценка основных составляющих сил ледового сопротивления, получаемых с помощью рассматриваемого способа и простой пересчет результатов модельных испытаний на натурное судно.

Так как гранулы могут располагаться друг от друга на заданном расстоянии, они могут иметь не только шаровую или коническую, но и цилиндрическую форму, поскольку благодаря установлению расстоянию между цилиндрическими гранулами можно исключить заклинивание соседних цилиндрических гранул при изгибе модельного ледяного поля. Так как верхнее и нижнее основание цилиндрической гранулы имеют одинаковый диаметр, в приведенной выше формуле параметр k = 1, и формула примет вид: d₁/D>{(1- ρ_п/ρ_в)/(1+ 2ρ_п /ρ_гр)}^1/2.

В реальных условиях плотность воды ρ_в = 1 г/см³,^,плотность полиэтилена ρ_П = 0,92 г/см³, плотность неодимового магнита ρ_гр = 7,8 г/см³ ,тогда относительный диаметр внутреннего отверстия в цилиндрической грануле составит d₁/D>0,254.

Таким образом, в разработанном способе удалось получить заранее заданную приведенную толщину модельного льда путем равномерного и упорядоченного распределения полиэтиленовых гранул, имеющих форму шара, усеченного конуса и кругового цилиндра, по поверхности воды на одинаковых расстояниях друг от друга перед замораживанием. В таких гранулах в качестве цилиндрической пробки используют постоянный магнит, вставленный в отверстие гранулы, причем размещают магниты одноименными полюсами наружу. При этом регулируют приведенную толщину H_Р на участке воды в ледовом бассейне, имеющим заданную площадь S, определяя требуемую массу гранул М по формуле:, где h_л - толщина намороженного льда между гранулами, m_грн - масса одной гранулы, S_грн - площадь верхнего основания гранулы, ρ_Л - плотность льда, после чего засыпают это количество в ледовый бассейн.

Список литературы

1. Лавров В.В. Вопросы физики и механики льда. Труды ААНИИ 1962, т. 247.

2. Schwarz J. Icebreaker trails around Spitsbergen / Schwarz J., Hoffman L. //IAHR Symposium on ice problems, proceeding part I / Lulea, Sweden, August. - 1978. - P. 1-15.

3. А.с. SU 441190 «Способ испытания моделей судов ледового плавания в опытовом бассейне с искусственным льдом», МПК В63В9/02, G01M10/00, публ. 30.08.1974 г.

4. Narita S «The model ice of the NNK ice model basin» /S Narita , M. Inoue, S. Kishi// Proceeding LAHR Ice Symposium. Sapporo, Japan, 1988.-Vol.1.-P. 782-892.

5. Timco G.W. EG/AD/S: A new type of model ice for refrigerated towing tanks / Timco G.W. // Cold Regions Science and Technology. - 1986. - Vol 2. - P. 175-195.

6. Timco G.W. The Mechanical and Morphological Properties pf Doped Ice / Timco G.W. // Proc. POAC. – P.719-739.

7. Li. Z. On the flexural strength of DUT-1 synthetic model ice / Li. Z. // Elsevier. - 2002. - Volume 35. - issue 2. - С. 67-72.

8. Beltaos S. «A model material for river ice breakup studies» / Beltaos S., Wong J., Moody W.J. // Proceedings IAHR Ice Symposium. / Espoo, Finland 1990. - Vol.1. - P.575 –585;

9. А.с. SU 1071515 «Способ испытания моделей судов ледового плавания», МПК В63В9/02, публ. 07.02.1984 г.

10. Беляков В.Б. Новая модель льда. В сб. «Вопросы теории прочности и проектирования судов ледового плавания» Горьковский политехнический институт им. А.А. Жданова. 1984. С. 48-52.

11. Евразийский патент № 040813 «Способ испытания моделей судов ледового плавания», МПК В63В71/20 G01M10/00, публ. 29.07.2022 г.

12. Патент на изобретение RU 2811173 «Способ проведения испытаний моделей судов в ледовом опытном бассейне», МПК В63В71/20, публ. 11.01.2024 г.

Изобретение относится к судостроению, в частности к способам испытания моделей судов ледового плавания в бассейне с искусственным льдом. Для проведения испытаний моделей судов в ледовом бассейне с регулировкой приведенной толщины модельного ледяного покрова в воду добавляют гранулы в виде полиэтиленовых частиц с положительной плавучестью, имеющих форму тела вращения и способных занимать вертикальное положение благодаря внутреннему глухому отверстию, которое в нижней части плотно закрывается цилиндрической пробкой из тяжелого металла. Высоту тяжелой пробки подбирают такой, что масса гранулы с отверстием и тяжелой пробкой равняется массе такой же частицы без отверстия и пробки, а диаметр тяжелой пробки обеспечивает устойчивое плавание гранулы в вертикальном положении. После чего охлаждают полученную взвесь до образования ледового поля и определяют величину ледового сопротивления судна, перемещая его модель по ледовому полю. Гранулы выполнены в форме шара, усеченного конуса и кругового цилиндра, а в качестве цилиндрической пробки используют постоянный магнит, вставленный в отверстие гранулы, причем размещают магниты одноименными полюсами наружу. Достигается подобие и правильная оценка основных составляющих сил ледового сопротивления, и простота пересчета результатов модельных испытаний на натурное судно. 3 ил.

Способ проведения испытаний моделей судов в ледовом бассейне с регулировкой приведенной толщины модельного ледяного покрова, заключающийся в том, что в воду добавляют гранулы в виде полиэтиленовых частиц с положительной плавучестью, имеющих форму тела вращения и способных занимать вертикальное положение благодаря внутреннему глухому отверстию, которое в нижней части плотно закрывается цилиндрической пробкой из тяжелого металла, высоту тяжелой пробки подбирают такой, что масса гранулы с отверстием и тяжелой пробкой равняется массе такой же частицы без отверстия и пробки, а диаметр тяжелой пробки обеспечивает устойчивое плавание гранулы в вертикальном положении, после чего охлаждают полученную взвесь до образования ледового поля и определяют величину ледового сопротивления судна, перемещая его модель по ледовому полю, отличающийся тем, что гранулы выполнены в форме шара, усеченного конуса и кругового цилиндра, а в качестве цилиндрической пробки используют постоянный магнит, вставленный в отверстие гранулы, причем размещают магниты одноименными полюсами наружу, при этом регулируют приведенную толщину H_Р на участке воды в ледовом бассейне, имеющем заданную площадь S, определяя требуемую массу гранул М по формуле: М = (H_Р – h_Л)S(ρ_Л m_грн / (m_грн – ρ_Л) h_Л S_грн), где h_Л - толщина намороженного льда между гранулами, m_грн - масса одной гранулы, S_грн - площадь верхнего основания гранулы, ρ_Л - плотность льда, после чего засыпают это количество в ледовый бассейн.