ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУЭМПИРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СУДОВ СО ЛЬДОМ

Объект - ледокольный флот для удержания лидерских позиций в создании международных транспортно-логистических систем, освоении и использовании Мирового океана, Арктики и Антарктики. Предмет – физические и математические модели взаимодействия судов со льдом. Проект посвящен разработке теоретико-экспериментальных методов прогнозирования ледовой ходкости, позволяющих детально учитывать форму корпуса ледокола при взаимодействии с окружающей средой. Основное внимание было уделено проведению испытаний моделей судов различных проектов ледоколов и экспериментальных исследований в опытовых бассейнах НГТУ с различными физическими моделями ледяного покрова; обработке результатов экспериментов; настройке полуэмпирических моделей ледового сопротивления с использованием регрессионного анализа; определению коэффициентов полуэмпирических моделей ледового сопротивления. А также проведено сравнение расчетов по полученным моделям с имеющимися натурными экспериментальными данными. На заключительном этапе проекта получены научно значимые результаты. Для прогнозирования ледовой ходкости судов была разработана расчетная методика определения чистого ледового сопротивления при движении в сплошном льду, а также обоснован выбор расчетных методик определения чистого ледового сопротивления других авторов наиболее полно учитывающих геометрические характеристики судна и физико-механические характеристики льда. Разработанная расчетная методика определения сопротивления при движении в сплошном льду основана на энергетическом подходе. К формализации физических процессов, составляющих ледовое сопротивление отнесены значимые факторы: размерения и форма корпуса ледокола, определяемая характерными углами и геометрическими функциями формы корпуса; скорость хода; толщина и характеристики ледяного покрова, плотность воды и льда, коэффициент трения льда о корпус судна. Проведены буксировочные испытания моделей ледоколов проектов Р-47, 21900, 16, 1105, 1191 с различной формой корпуса в модельном льду: «тонком» естественном и композитной структуры. Испытания проведены по разработанным уникальным методикам для различных моделей льда и при заданном тяговом усилии (сопротивлении), которое оставалось постоянным для серии испытаний в разных толщинах льда. В результате буксировочных испытаний получены протоколы испытаний c фиксацией необходимых данных. Перед каждой буксировкой модели была получена диаграмма разрушения приготовленного льда по разработанной оригинальной методике исследования процесса разрушения модельного ледяного покрова вертикальной нагрузкой. Выполнен анализ этих диаграмм и получены графики эмпирических зависимостей силовых, кинематических, энергетических параметров от толщины ледяной пластины и от глубины смороженных гранул ПВД. Параметры процесса разрушения модельного пресноводного льда и льда композитной конструкции, а также его физико-механические характеристики имеют не только важное прикладное значение для прогнозирования ледовой ходкости судов, но и самостоятельную научную ценность, так как к настоящему времени недостаточно изучены. Также были исследованы физико-механические характеристики моделей ледяного покрова и получены величины плотности льда ρл, модуля упругости E и коэффициента трения f по поверхности материалов моделей судов. Результаты испытаний моделей судов были обработаны и пересчитаны на натурные суда. Для натурных судов определены достижимые скорости движения v из совместного решения уравнений полного ледового сопротивления R и полезной тяги движителей P_e=f(v) с учетом того, что при установившейся скорости движения P_e=R. Для всех моделей сопротивления по разработанному алгоритму были получены эмпирические коэффициенты с использованием экспериментальных данных сразу по нескольким моделям судов с различными формами корпуса. С использованием настроенных моделей сопротивления произведены расчеты ледовой ходкости судов проектов 16, Р-47, 1105, 1191, 21900. Как показали проведенные исследования, точность прогнозирования ледового сопротивления судна расчётными методами дает хороший результат по сравнению с натурными данными. В результате реализации проекта в 2024 году получен уникальный инструмент – методы расчёта ледового сопротивления, основанные на полуэмпирических моделях взаимодействия судна со льдом. Точность прогнозирования ледового сопротивления судна расчётными методами близка к экспериментальным, использующим физическое моделирование. Это открывает широкие возможности не только для проектантов, но и для исследователей в области ледовой ходкости, позволяя раскрывать новые фундаментальные закономерности функционирования ледоколов и судов ледового плавания, их взаимодействия с ледовыми образованиями. Полученные полуэмпирические модели определения сопротивления могут быть использованы для прогнозирования ходкости существующих ледоколов, судов ледового плавания на начальных этапах проектирования, пересчета результатов модельных исследований ходкости на натурные суда, а также для создания оптимальных с точки зрения взаимодействия со сплошным ледовым полем обводов ледоколов. Оригинальность и самостоятельность достигнутых результатов подтверждается их публикацией в известных научных изданиях с уровнем цитируемости выше среднего как для теории корабля, так и в целом для судостроительной отрасли. Также результаты были доложены на представительных конференциях и значимых научных мероприятиях, получили положительные отзывы от ведущих экспертов в области ледовой ходкости судов.