Обоснование способа определения характеристик ледовой ходкости судов с помощью модельных испытаний в композитной модели ледяного покрова

Данная диссертационная работа посвящена обоснованию способа определения характеристик ледовой ходкости судов с помощью модельных испытаний в композитной модели ледяного покрова. В первой главе приведён анализ современной мировой практики модельных испытаний судов в ледовых опытовых бассейнах. Рассмотрены различные материалы лабораторного льда, показаны их достоинства и недостатки, а также лаборатории, где они применяются. Приведены сведения о натурном ледяном покрове, использующиеся при настройке моделей. Среди них выделены наиболее значимые параметры разрушения ледяного покрова, подобие которых должна выполнять разрабатываемая композитная модель, а также определён тип тестового опыта. Выполнен обзор различных методов получения критериев подобия движения судна в сплошном льду. Рассмотрена их применимость для испытаний с использованием композитной модели ледяного покрова. В результате проведённого анализа сформулированы требования к разрабатываемому типу композитной модели, а также цели и задачи научного исследования. Во второй главе приведено экспериментально-теоретическое обоснование подходов к определению условий моделирования движения судна в композитной модели ледяного покрова. Проведены эксперименты по измерению прочности адгезионного соединения пресноводного льда и материала, из которого были изготовлены гранулы модели (полиэтилен высокого давления), в результате чего предпочтение было отдано подходу, предложенному В. Б. Беляковым. Дано теоретическое обоснование этого подхода с использованием метода функционального подобия теории подобия. Представлен общий вид условий моделирования ледяного покрова как функциональной зависимости геометрического масштаба от толщины модельного поля льда. Был введён новый параметр – приведённая толщина композитной модели ледяного покрова, позволяющий преодолеть противоречия, связанные с геометрическим подобием модельного поля. В 3 главе работы было проведено экспериментальное исследование разрушения композитной модели ледяного покрова, были получены диаграммы разрушения модели, составленной из гранул сферической формы: диаметром 20 мм (1 слой), диаметром 10 мм (1 и 2 слоя), мелких гранул средним диаметром 3 мм (1, 2, 3 и 4 слоя), промороженных пресноводным льдом на различную глубину. Составлено феноменологическое описание процесса разрушения композитной модели ледяного покрова рассматриваемых конструкций. Выявлено влияние размеров гранул и количества слоёв их укладки на исследуемое явление, дана количественная оценка. Пользуясь этими соотношениями, на основе положений метода функционального подобия были получены условия моделирования параметров диаграмм разрушения всех исследовавшихся вариантов композитной модели ледяного покрова. В 4 главе была выполнена проверка полученных условий моделирования с помощью буксировочных испытаний эталонных моделей ледокола пр. 21900 «Санкт-Петербург», выполненных в масштабах 1:100 и 1:75, а также ледоколов пр. 1105 «Капитан Чечкин» и пр. 1191 «Капитан Евдокимов», выполненных в масштабе 1:50. Выполненный анализ показал, что подобие основных параметров движения моделей (сопротивление, толщина льда, скорость движения) достигается в том случае, когда подобна полная энергия разрушения ледяного покрова, измеренная в опыте, имитирующем прокладку канала судном. На основе этих результатов была разработана методика проведения модельных испытаний в композитной модели ледяного покрова. Предложена новая конструкция композитной модели, представляющая собой гранулы полиэтилена высокого давления в форме усечённого конуса, промороженные пресноводным льдом.