RU2723587C1

RU2723587C1 - Method of ice cover destruction

Info

Publication number: RU2723587C1
Application number: RU2019129032A
Authority: RU
Inventors: Виктор Михайлович Козин; Виталий Леонидович Земляк; Михаил Васильевич Канделя; Никита Олегович Баурин
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2019-09-13
Publication date: 2020-06-16

Abstract

FIELD: icebreaking works.

SUBSTANCE: ice cover 1 is destroyed by exciting in the ice of bending-gravity waves 3 by submarine 2 when it moves under ice at resonant speed. In ship bow 2 with the use of outboard water cylindrical vortex 4 is formed, the axis of rotation of which is horizontal and perpendicular to direction of ship 2 movement, and its dimensions exceed vessel hull 2 diameter, wherein the direction of the longitudinal velocity components of vortex 4 is periodically alternated with a double frequency of resonant speeds of flexural-gravity waves 3 to the opposite direction for a time equal to half the period of these waves. Due to the Magnus effect occurring in these conditions, i.e. occurrence of an alternating vertical force, an increase in the height of the flexural-gravity waves is achieved.

EFFECT: invention is aimed at improvement of efficiency of ice destruction, id est increase of its destructed thickness.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области судостроения, в частности к подводным судам, плавающим в ледовых условиях и разрушающим ледяной покров резонансным методом, то есть путем возбуждения во льду резонансных изгибно-гравитационных волн (ИГВ) (1. Козин В.М. резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты М.: Издательство «Академия Естествознания», 2007-355 с.).The invention relates to the field of shipbuilding, in particular to submarines sailing in ice and destroying the ice cover by the resonance method, that is, by exciting resonant flexural-gravitational waves (IHV) in ice (1. Kozin V.M. resonant method of ice cover destruction Inventions and experiments M .: Publishing house "Academy of Natural Sciences", 2007-355 p.).

Уровень техники известен из способа разрушения ледяного покрова резонансными ИГВ определенной высоты, возбуждаемыми подводным судном (2. В.М. Козин, А.В. Онищук. Модельные исследования волнообразования в сплошном ледяном покрове от движения подводного судна. - ПМТФ, Новосибирск, ВО «Наука», 1994, №2, 78-81).The prior art is known from the method of ice cover destruction by resonant IGWs of a certain height excited by an underwater vessel (2. V.M. Kozin, A.V. Onishchuk. Model studies of wave formation in a continuous ice cover from the movement of an underwater vessel. - ПМТФ, Новосибирск, ВО " Science ”, 1994, No. 2, 78-81).

Известный способ осуществляется следующим образом. Судно всплывает на безопасную глубину и движется подо льдом с резонансной скоростью V_p, то есть со скоростью, при которой высота возбуждаемых ИГВ максимальна.The known method is as follows. The vessel floats to a safe depth and moves under the ice with a resonant speed V _p , that is, at a speed at which the height of the excited IGW is maximum.

Недостатком способа является ограниченность высоты ИГВ, то есть их ледоразрушающей способности, которая при резонансной скорости судна определяется заглублением и воздоизмещением последнего [2].The disadvantage of this method is the limited height of the IGW, that is, their ice-breaking ability, which at the resonant speed of the vessel is determined by the depth and displacement of the latter [2].

Задачей заявляемого изобретения является увеличение высоты ИГВ.The task of the invention is to increase the height of the IHV.

Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в повышении эффективности разрушения льда, то есть в увеличении толщины разрушаемого ледяного покрова.The technical result achieved in the process of solving the problem is to increase the efficiency of ice destruction, that is, to increase the thickness of the destructible ice cover.

Существенные признаки, характеризующие изобретение.The essential features characterizing the invention.

Ограничительные: ледяной покров разрушают подводным судном путем возбуждения во льду ИГВ при его движении подо льдом с резонансной скоростью.Restrictive: the ice cover is destroyed by an underwater vessel by excitation of IGW in ice when it moves under ice at a resonant speed.

Отличительные: в носовой оконечности судна формируют цилиндрический вихрь, ось вращения которого горизонтальна и перпендикулярна направлению движения судна, а его габариты превышают диаметр корпуса судна, при этом направление продольных составляющих скоростей вихря периодически с удвоенной частотой резонансных скоростей изгибно-гравитационных волн изменяют на противоположное в течение времени равному половине периода этих волн.Distinctive: in the fore end of the vessel a cylindrical vortex is formed, the axis of rotation of which is horizontal and perpendicular to the direction of movement of the vessel, and its dimensions exceed the diameter of the hull of the vessel, while the direction of the longitudinal components of the velocity of the vortex periodically with a doubled frequency of the resonant velocities of the bending gravitational waves is reversed during time equal to half the period of these waves.

Известно (3. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969. - 742 с., см. на стр. 360), что возникающий на вращающемся цилиндре пограничный слой, взаимодействуя с набегающим на него поперечным потоком, приводит к возникновению поперечной силы. Это явление известно под названием эффекта Магнуса. Поперечная сила появляется вследствие разницы скоростей, возникающей при гидродинамическом взаимодействии пограничного слоя и потока жидкости. Там, где направления скоростей совпадают результирующая (суммарная) скорость также возрастает и наоборот, что, в соответствии с уравнением Бернулли, приводит к появлению перепада давлений, то есть к возникновению поперечной силы. Очевидно, что аналогичные процессы будут происходить и при взаимодействии вихря с набегающим потоком.It is known (3. Schlichting G. Theory of the boundary layer. M: Nauka, 1969. - 742 p., See page 360) that the boundary layer arising on a rotating cylinder, interacting with the transverse flow incident on it, leads to shear force. This phenomenon is known as the Magnus effect. The transverse force appears due to the difference in velocities arising from the hydrodynamic interaction of the boundary layer and the fluid flow. Where the directions of the speeds coincide, the resulting (total) speed also increases and vice versa, which, in accordance with the Bernoulli equation, leads to the appearance of a pressure drop, that is, to the appearance of a transverse force. Obviously, similar processes will occur during the interaction of the vortex with the incident flow.

Так же известно (4. Козин В.М., Скрипачев В.В. Колебания ледяного покрова под действием периодически изменяющейся нагрузки / ПМТФ. - Новосибирск: издательство СО РАН. - 1992. - №5), что периодическое приложение к ледяному покрову поперечной нагрузки с частотой резонансных ИГВ приводит к возникновению в ледяном покрове деформаций и напряжений, превосходящих по сравнению с ее стационарным приложением.It is also known (4. Kozin VM, Skripachev VV Fluctuations of the ice cover under the action of a periodically changing load / PMTF. - Novosibirsk: publishing house of the SB RAS. - 1992. - No. 5) that a periodic application to the transverse ice cover loads with a frequency of resonant IGWs leads to the appearance of deformations and stresses in the ice sheet that are superior to its stationary application.

Очевидно, что знакопеременное приложение периодически изменяющейся нагрузки с частотой резонансных ИГВ еще в большей степени вызовет увеличение деформации ледяного покрова.Obviously, the alternating application of a periodically changing load with the frequency of resonant IGWs will even more cause an increase in the deformation of the ice cover.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Под ледяным покровом на безопасной глубине начинают перемещать подводное судно с резонансной скоростью [1]. Если высота возбуждаемых при этом ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, то во время движения судна его рубку размещают под перегибом (узле) профиля ИГВ (за счет изменения скорости), а в его носовой оконечности при помощи гидродинамической системы, состоящей из предварительно установленных на судне трубопроводов и насосов, формируют цилиндрический вихрь, ось вращения которого горизонтальна и перпендикулярна направлению движения судна. С его помощью создают поток таким образом, чтобы его продольные составляющие скоростей над верхней палубой совпадали с направлением движения судна. Это условие обеспечивают габаритами вихря, превышающими диаметр корпуса судна. В результате суммарная скорость обтекания верхней палубы уменьшиться (так как продольные составляющие скорости вихря будут направлены противоположно скорости набегающего потока), а днища - возрастет. Это приведет к возникновению области повышенного давления над верхней палубой и пониженного давления под днищем, то есть появлению вертикальной силы, направленной вниз. Для компенсации этой силы, возникающей за счет эффекта Магнуса, горизонтальные рубочные рули перекладывают на положительный угол атаки. В результате под нагнетающей поверхностью рулей возникнет область повышенного давления, а под засасывающей-область пониженного давления. Поскольку при осуществлении способа рули будут расположены в точке перегиба профиля ИГВ, то возникающая область повышенного давления под вершиной ИГВ, а область пониженного давления под впадиной ИГВ вызовут увеличение результирующей высоты ИГВ.Under the ice cover at a safe depth, a submarine begins to move at a resonant speed [1]. If the height of the IGV excited at the same time is insufficient to destroy the ice, then during the movement of the vessel its cabin is placed under the inflection (node) of the IGV profile (due to a change in speed), and in its nasal tip using a hydrodynamic system consisting of pre-installed on the vessel pipelines and pumps, form a cylindrical vortex, the axis of rotation of which is horizontal and perpendicular to the direction of movement of the vessel. With its help, a stream is created in such a way that its longitudinal velocity components above the upper deck coincide with the direction of motion of the vessel. This condition is ensured by the dimensions of the vortex exceeding the diameter of the ship's hull. As a result, the total velocity around the upper deck will decrease (since the longitudinal components of the vortex velocity will be directed opposite to the speed of the incoming flow), and the bottoms will increase. This will lead to an area of increased pressure above the upper deck and reduced pressure under the bottom, that is, the appearance of a vertical force directed downward. To compensate for this force arising due to the Magnus effect, horizontal chopping wheels are shifted to a positive angle of attack. As a result, under the suction surface of the rudders, an area of increased pressure will appear, and under the suction, a region of reduced pressure. Since during the implementation of the method, the rudders will be located at the inflection point of the IGV profile, the resulting region of increased pressure below the top of the IGV, and the region of reduced pressure below the basin of the IGV will increase the resulting height of the IGV.

Если и это не вызовет разрушения льда, то вихрь начинают формировать периодически с частотой резонансных ИГВ в течение времени равному половине их периода. В результате периодически возникающая направленная вниз вертикальная сила благодаря периодически возникающей в носовой оконечности области повышенного давления и необходимостью ее погашения с помощью горизонтальных рулей судна приведет к возбуждению в ледяном покрове дополнительной системы резонансных ИГВ, в такт накладывающихся на основную систему резонансных ИГВ, возбуждаемых движущимся судном. Благоприятная интерференция этих волновых систем будет обеспечена расположением рубки под перегибом профиля ИГВ. Это обеспечит дополнительное увеличение высоты ИГВ.If this does not cause the destruction of ice, then the vortex begins to form periodically with a frequency of resonant IGW for a time equal to half their period. As a result, the vertical force periodically arising downward due to the period of increased pressure periodically arising in the nasal extremity and the necessity of its cancellation using the horizontal rudders of the vessel will lead to the excitation in the ice sheet of an additional system of resonant IGVs, overlapping the main system of resonant IGV excited by a moving vessel. Favorable interference of these wave systems will be ensured by the location of the cabin under the inflection of the IHV profile. This will provide an additional increase in the height of the IHV.

При необходимости дальнейшего увеличения высоты резонансных ИГВ за счет формирования в носовой оконечности судна вихря направление его продольных составляющих скоростей периодически с удвоенной частотой резонансных скоростей ИГВ изменяют на противоположное в течение времени равному половине периода этих волн. Очевидно, что знакопеременное приложение нагрузки к плавающей пластине в большей степени увеличит ее деформации, то есть высоту дополнительно возбуждаемых ИГВ. В таких условиях их интенсивность будет обеспечена не только за счет создания повышенного давления под гребнем волны, но и за счет понижения давления под его подошвой Резонансное приложение этих нагрузок в большей степени будет способствовать достижению заявленному техническому результату.If it is necessary to further increase the height of the resonant IGW due to the formation of a vortex in the bow of the vessel, the direction of its longitudinal velocity components periodically with a doubled frequency of the resonant velocity of the IGW is reversed during the time equal to half the period of these waves. Obviously, the alternating application of the load to the floating plate will increase its deformations to a greater extent, that is, the height of the additionally excited IGVs. Under such conditions, their intensity will be ensured not only by creating increased pressure under the crest of the wave, but also by lowering the pressure under its sole. The resonant application of these loads will contribute more to the achievement of the claimed technical result.

Реализация изобретения поясняется графически, где: на фиг. 1 показан вид на подводное судно и деформированный ледяной покров сбоку; на фиг. 2 - вид на судно сверху.The implementation of the invention is illustrated graphically, where: in FIG. 1 shows a side view of the submarine and the deformed ice cover from the side; in FIG. 2 - view of the ship from above.

Под ледяным покровом 1 на безопасной глубине Н перемещают подводное судно 2 с резонансной скоростью V_p (фиг 1). Если высота возбуждаемых при этом ИГВ 3 окажется недостаточной для разрушения льда 1, то периодически формируют со знакопеременными скоростями вихрь 4 (фиг 1, 2). Для компенсации периодически возникающей силы ±Р горизонтальные рубочные рули также периодически из положения 5 при α=0 перекладывают в положения 6 с углами атаки ±α (фиг. 1). В результате будут периодически возникать области повышенного и пониженного давления 7 и 8. В результате высота ИГВ 3 возрастет до высоты ИГВ 9 (фиг. 1).Under the ice cover 1 at a safe depth H move the submarine 2 with a resonant speed V _p (Fig 1). If the height of the IGV 3 excited in this case is insufficient to destroy the ice 1, then a vortex 4 is periodically formed with alternating speeds (Figs. 1, 2). To compensate for the recurring force ± P, the horizontal wheel controls are also periodically shifted from position 5 at α = 0 to position 6 with angles of attack ± α (Fig. 1). As a result, regions of increased and reduced pressure 7 and 8 will periodically occur. As a result, the height of the IGV 3 will increase to the height of the IGV 9 (Fig. 1).

Claims

A method of destroying ice cover by an underwater vessel by excitation of flexural-gravitational waves in ice when it moves under ice at a resonant speed, characterized in that a cylindrical vortex is formed in the bow of the vessel, the axis of rotation of which is horizontal and perpendicular to the direction of movement of the vessel, and its dimensions exceed the diameter hull of the vessel, while the direction of the longitudinal components of the velocity of the vortex periodically with twice the frequency of the resonant velocities of the flexural-gravitational waves is reversed for a time equal to half the period of these waves.