Определение аэродинамических усилий
Влияние ветра на управляемость судном
Действие ветра на надводную часть судна можно свести к действию аэродинамической силы, точка приложения которой называется «центром ветрового давления». Как правило, он не совпадает с центром масс судна. Вследствие этого образуется момент аэродинамической силы относительно начала подвижной системы координат 
, вызывающий повышенную рыскливость судна.
При этом разные суда по-разному реагируют на действие ветра. Одни суда при непереложенных органах управления стремятся развернуться носовой частью по ветру. В этом случае говорят, что судно уваливается по ветру. Для предупреждения такого зарыскивания рулевые органы перекладывают на наветренный борт 
. Другие суда под действием ветра стремятся развернуться носовой частью на ветер. Такое судно называют приводящимся к ветру. Для удержания его на курсе рулевые органы перекладывают на подветренный борт (рис. 1.1) 
.
|
| Рис. 1.1. Увальчивость судов при ветре |
Возможно, что при максимальном угле перекладки рулевых органов судно под действием ветра не в состоянии двигаться заданным курсом. В этом случае говорят, что судно потеряло управляемость.
Решение большинства задач о движении судна в условиях ветра сводится к отысканию условий, при которых может наступить потеря управляемости. Опыт эксплуатации показывает, что в условиях ветра наиболее сложно удержать судно на прямолинейной траектории. Рассмотрим прямолинейное движение судна при действии ветра.
|
|
|
Схематизация и математическая модель
Прямолинейного движения судна при ветре
Предположим, что судно двигалось равномерно и прямолинейно со скоростью 
и на него подействовал ветер, например, со стороны правого борта 
(рис. 1.2). На надводную часть судна будет действовать воздушный поток со скоростью, равной по величине скорости судна и направленный в противоположном направлении. Чтобы сохранить первоначальное направление движения необходимо путем перекладки рулевых органов ввести поправку к курсу.
|
| Рис. 1.2. К определению истинного и кажущегося ветра |
На само судно при его движении будет действовать так называемый кажущийся ветер 
, который представляет собой сумму двух векторов – вектора истинного ветра 
и вектора скорости судна 
, обусловленного движением судна:
 .
| (1.1) |
Вектор кажущегося ветра, помимо скорости, характеризуется курсовым углом 
, т.е. углом между носовой частью ДП и кажущимся направлением ветра (см. рис. 1.2). За направление ветра принимается то, откуда дует ветер (ветер дует «в компас»).
Курсовые углы ветра измеряются от 0 до 180 градусов вправо и влево от ДП (курсовые углы правого или левого борта).
|
|
|
Геометрический смысл формулы (1.1) характеризуется векторным треугольником (см. рис. 1.2, а, б, в). Из рисунка видно, что под влиянием движения судна вперед со скоростью 
курсовой угол кажущегося ветра будет всегда меньше истинного.
Вполне очевидно, что на стоянке понятия истинного и кажущего ветра совпадают ( 
). На ходу их разница прямо зависит от скорости судна 
.
На приведенной схеме сил (рис. 1.3), действующих на судно при прямолинейном движении в условиях ветра, видно, что если 
, то судно уваливается по ветру. Если же 
, то судно приводится к ветру. В первом случае для удержания на курсе рулевой орган перекладывают на наветренный борт, во втором – на подветренный.
.
|
| Рис. 1.3. Схема сил, действующих на судно при прямолинейном движении в условиях ветра |
При встречно-боковых ветрах скорость движения снижается. Попутные и попутно-боковые ветра, казалось бы, должны увеличивать скорость движения, однако в этом случае упор винта компенсируется увеличением продольных составляющих гидро- и аэродинамических усилий на корпусе, что порой также приводит к снижению скорости. Кроме того, при попутных ветрах повышается рыскливость судна.
|
|
|
Определение аэродинамических усилий
На надводной части корпуса
Для определения составляющих аэродинамической силы используются выражения:
 ;
 .
| (1.4) |
Здесь 
, 
– безразмерные коэффициенты сил 
, 
;
– плотность воздуха, 
;
– площадь проекции надводной поверхности судна на плоскость мидель-шпангоута, 
;
– площадь парусности (площадь проекции надводной поверхности судна на диаметральную плоскость), ;
– скорость кажущегося ветра на уровне центра парусности, м/с.
Ветровой момент, действующий на судно:
 .
| (1.5) |
Здесь 
– расстояние от точки приложения силы 
(центра давления) до центра масс судна.
Для определения коэффициентов , используют результаты продувок в аэродинамических трубах моделей надводной части судов. На основе обработки результатов этих испытаний получены следующие расчетные выражения:
– для морских судов
 ;
 .
| (1.6) |
– для речных судов
 ;
 .
| (1.7) |
Точка приложения аэродинамической силы в соответствии со свойствами крыла смещается от центра парусности (ЦП) навстречу потоку воздуха, т.е. при носовых курсовых углах ветра – в сторону носовой части, а при кормовых курсовых углах – в корму. Величина смещения зависит от курсового угла кажущегося ветра: чем острее угол атаки между ДП и направлением ветра, тем дальше от ЦП смещается точка приложения аэродинамической силы. Максимальное смещение точки приложения аэродинамической силы (при курсовых углах, близких к 0 и 180 градусам) составляет в среднем приблизительно четверть длины судна, т.е. 
, а при курсовых углах кажущегося ветра, равных 90 градусам, точка приложения аэродинамической силы совпадает с центром парусности (ЦП).
|
|
|
Физический смысл понятия геометрический центр парусности поясним с помощью рис. 1.5.
|
| Рис. 1.5. К понятию геометрический центр парусности судна |
Как видно из рис. 1.5, ЦП – это геометрическая характеристика, представляющая собой центр тяжести фигуры, т.е. площади 
. Очевидно, что положение ЦП зависит от архитектуры надводного борта и палубных надстроек судна, степени его загрузки, наличия палубного груза и др.
Плечо поперечной аэродинамической силы относительно ЦМ можно определить по формуле
 ,
| (1.8) |
здесь 
– абсцисса ЦП судна.
Величина принимается положительной, если ЦП смещен в нос от ЦМ, и отрицательной – при его смещении в корму (на грузовых судах с кормовой надстройкой величина геометрического центра парусности составляет от –3 до –12 м, а на пассажирских судах – от +0,5 до +2,5 м). Следует помнить, что положение ЦМ по длине приблизительно совпадает с мидель-шпангоутом только при посадке судна на ровный киль. При наличии дифферента ЦП смещается в сторону противоположную смещению ЦМ, что приводит к существенному изменению и, следовательно, . Практические наблюдения показывают, что суда в балласте при курсовых углах кажущегося ветра от нуля до шестидесяти градусов обычно уваливаются по ветру, а при ветрах кормового направления 120–180 градусов приводятся к ветру.
Дата добавления: 2018-09-20; просмотров: 679; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!