Бассейн для определения характеристик ледового покрова

1. Изобретение относится к области судостроения и используется для проведения модельных испытаний судов и морских сооружений в ледовом опытовом бассейне. Модельные испытания судов и морских сооружений проводятся с целью прогнозирования ледовых нагрузок в натурных условиях при различных сочетаниях конструктивных особенностей испытуемых объектов и физико-механических характеристик ледовых образований. Модели судов и сооружений изготавливаются в уменьшенном линейном масштабе, как правило, в диапазоне от 1/20 до 1/100 от натуральной величины. При этом толщина модельного льда и его прочностные характеристики должны удовлетворять так называемым критериям подобия, при соблюдении которых справедливы известные уравнения пересчета модельных нагрузок на натурный объект, а также сохраняется общая картина и механизм разрушения ледяного покрова. Согласно критериям подобия толщина модельного льда и его прочность на изгиб должны быть меньше натурных величин в линейной пропорции уменьшения линейных размеров модели. При выполнении этого условия действующие на модель ледовые нагрузки снижаются в третьей степени от уменьшения линейного масштаба, а картина разрушения льда сохраняется.

Известны способы приготовления модельного льда в ледовых опытовых бассейнах, с помощью которых в большей или меньшей степени удается выполнение критериев подобия и формирование льда с заданными прочностными характеристиками и толщиной. Например, известен способ, получивший название FG-ice [Enkvist E., Makinen S. Fine-Grain model-ice. Proceedings of the IAHR Symposium. 1984. Vol.II. P.217-227. Germany]. Согласно этому способу технология приготовления льда заключается в постоянном распылении водного раствора NaCl при температуре замерзания над поверхностью бассейна в течение всего периода намораживания 2% раствора поваренной соли. Недостатком такого способа является зернистая, а не кристаллическая, как в натуре структура льда. В результате характер разрушения модельного льда и соответствующие ледовые нагрузки неполностью соответствуют натурным параметрам и дают недостаточно адекватные результаты.

Известен также усовершенствованный способ приготовления модельного льда, так называемая технология FGX-ice [Noutala-Hoikkanen model ice at the Masa-Yarda Artic Research Centre // Proceedings of the IAHR Ice Symposium. 1990. Vol.3, p.247-259. Espoo, Finland]. Эта технология отличается тем, что она состоит из отдельных этапов по времени: засеивание ядер кристаллизации льда с помощью водного раствора NaCl, сохранение образовавшегося тонкого слоя льда, упрочнения льда, термообработка для доведения характеристик льда до заданного значения. В ряде случаев полученный согласно данному способу лед обладает слишком низкими прочностными характеристиками, поэтому перед началом испытаний требуется этап упрочнения путем снижения температуры воздуха над поверхностью льда. Недостатком данного способа является низкая воспроизводимость прочностных характеристик модельного льда, а также сложность и трудоемкость технологии. Требуемые прочностные характеристики льда достигаются только при толщинах более 15 мм и прочности на изгиб более 20 кПа, что в значительном числе случаев недостаточно.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности отличительных признаков к заявленному является «Способ и устройство для формирования моделированного ледяного покрова», патент США №3.691.781 от 19.09.1972 г. Способ заключается в том, что над чашей бассейна распыляется инертная криогенная жидкость (жидкий азот) через мелкодисперсные форсунки при температуре замерзания жидкости — 60°C. Испарение жидкого хладагента сопровождается поглощением тепла с поверхности бассейна. В результате поверхность воды замерзает. Рост ледяного покрова происходит чрезвычайно быстро со скоростью 1 см/час, в результате чего образовавшийся слой льда состоит из очень мелких кристаллов, рост которых происходит только в вертикальном направлении в виде игольчатой структуры. Прочностные свойства такого льда (модуль упругости и прочность на растяжение) зависят от окружающей температуры и солености воды.

Регулируя скорость роста льда в бассейне, соленость воды и температуру, которая сохраняется после замерзания, можно регулировать прочностные свойства в соответствии с выполняемой задачей. Авторы изобретения считают, что такой лед, состоящий из тонких кристаллов с переменными свойствами, является отличной моделью натурного льда. В описании изобретения указывается, что свойства модельного льда должны соответствовать набору правил, которые получены из системы безразмерных дифференциальных уравнений. Приведены 9 формул, в которых коэффициенты соответствующих величин в безразмерных уравнениях одинаковы для модельного и натурного льда. Приведенные в описании формулы являются математической формулировкой критерия подобия.

Недостатками способа и устройства моделирования льда, согласно прототипу, по мнению заявителей являются недостаточно адекватные свойства модельного льда натурному льду. Причина неадекватности заключается в слишком мелких размерах кристаллов льда игольчатой структуры и невозможность их регулирования. Прочность модельного льда регулируется только его толщиной и соленостью. В результате картина разрушения модельного льда в процессе испытаний не соответствует натурной. Кроме того, система распыления жидкого азота не обеспечивает достаточной однородности ледяного покрова, что обусловлено конструктивным исполнением системы в виде неподвижного набора жестких труб с форсунками. Под форсунками температура оказывается более низкой, соответственно толщина льда увеличивается, а между форсунками лед получается более тонким. Существенный недостаток прототипа заключается в использовании большого количества распыляемого жидкого азота, вредного для здоровья персонала. В результате присутствие персонала в помещении бассейна в процессе приготовления льда не допускается, что затрудняет контроль над процессом.

Целью предлагаемого изобретения является создание способа и устройства приготовления моделированного ледяного покрова в опытовом бассейне с заданными прочностными характеристиками полностью отвечающего критериям подобия и свободного от недостатков аналогов и прототипа.

Технический результат заключается в возможности моделирования ледяного покрова с заданными прочностными характеристиками (модулем упругости, прочностью на изгиб, характером разрушения льда при движении модели) согласно критериям подобия натурного и модельного льда.

Способ моделирования ледяного покрова в ледовом опытовом бассейне заключающийся в том, что в замкнутом помещении бассейна, над чашей бассейна, заполненной соленой водой, распыляется инертная криогенная жидкость (жидкий азот) через мелкодисперсные форсунки при температуре замерзания жидкости — 60°C, в результате испарения жидкого хладагента сопровождаемого поглощением тепла с поверхности бассейна, поверхность воды замерзает, отличающийся тем, что температура воздуха в закрытом помещении опытового бассейна предварительно охлаждается до -10°C, а в качестве жидкости распыляется пресная вода в количестве 0,1 кг на квадратный метр поверхности, распыление осуществляется в течение 2-3 минут через мелкодисперсные форсунки, установленные на равномерно движущейся вдоль поверхности воды буксировочной тележке с рельсовым ходом, после чего выжидают некоторое время до образования сплошного слоя тонкого льда, и далее, по определенному графику регулируют температуру воздуха в бассейне в сторону понижения или повышения, в зависимости от требуемой толщины и прочности ледяного покрова, и сам процесс охлаждения осуществляется в замкнутом помещении ледового бассейна.

Преимущества предлагаемого способа моделирования ледяного покрова и устройство для его реализации заключаются в следующем.

Засев чаши бассейна ядрами кристаллизации льда с регулируемыми размерами и плотностью распределения на поверхности, в отличие от прототипа, позволяет управлять размерами образующихся кристаллов льда и тем самым задавать требуемые прочностные характеристики.

Регулирование температуры воздуха по графику, в зависимости от вертикального распределение температуры в чаше бассейна, обеспечивает формирование льда со стабильными и воспроизводимыми характеристиками от эксперимента к эксперименту.

Предлагаемый способ и устройство для приготовления модельного льда позволяет получить более однородные параметры льда по всей площади бассейна за счет распыления ядер кристаллизации с равномерно движущейся тележки, а не из фиксированных точек, как в прототипе.

Отказ от использования агрессивных химических реагентов для моделирования льда создает благоприятные условия для работы обслуживающего персонала.

2. Замкнутое помещение по п.1 состоит из закрытого помещения ледового опытового бассейна с системой охлаждения и вентиляции воздуха, расположенной в помещении чащи бассейна, заполненной переохлажденной соленой водой, и подвижной буксировочной тележки с рельсовым ходом, с установленными на тележке мелкодисперсными форсунками для распыления пресной воды, характеризуется тем, что для управления прочностными характеристиками льда мелкодисперсные форсунки выполнены с возможностью регулирования размеров ядер кристаллизации льда, а также дополнены системой контроля распределения температуры воды по вертикали в чаше бассейна.

Состав устройства для реализации способа моделирования ледяного покрова приведено на фиг.1. В состав устройства входят: закрытое помещение опытового бассейна 1, чаша бассейна 2, буксировочная тележка с рельсовым ходом 3, установленные на тележке мелкодисперсные форсунки 4 для распыления ядер кристаллизации льда.

Способ осуществления моделирования ледяного покрова и работа устройства происходит в следующей последовательности.

С помощью системы охлаждения и вентиляции в помещении бассейна понижают температуру воздуха примерно до -10°C. Подсоленную воду в чаше бассейна охлаждают до температуры, близкой к температуре замерзания. Затем над чашей бассейна в течение 2-3 минут распыляют с равномерно движущейся вдоль поверхности воды тележки ядра кристаллизации льда, образующиеся из пресной воды. Размер ядер кристаллизации регулируют давлением воздуха и геометрией сопла мелкодисперсных форсунок 4. Выжидают некоторое время до образования тонкого сплошного льда. От засеянных на поверхность моды ядер кристаллизации начинают расти кристаллы льда только в вертикальном направлении согласно градиенту температуры. Размеры кристаллов льда зависят от исходных размеров ядер кристаллизации, плотности засева, температуры и солености воды. После этого регулируют температуру по определенному графику согласно требуемой толщине и прочностным характеристикам льда. После достижения требуемой толщины льда температуру воздуха устанавливают на фиксированном значении, при котором свойства льда сохраняются достаточно длительное время, необходимое для испытания моделей.

Подбор прочностных качеств моделированного льда производится на основании результатов испытаний эталонной модели судна, ледопроходимость которого в натурных условиях известна. По результатам испытаний эталонной модели вносится поправка на некоторое несоответствие упругих и пластических свойств моделированного и натурного льда.

Опыт эксплуатации предлагаемого способа и устройства моделирования ледяного покрова в опытовом ледовом бассейне ААНИИ подтвердил ожидаемые прочностные и физико-механические характеристики льда, а также воспроизводимость характеристик от эксперимента к эксперименту.

Источник

Кейсы Сегодня кейсов в Базе — 66

Дата публикации: 04.06.2013

Изобретательская ситуация

В постперестроечное время у нас в университете я познакомился с заведующим опытовым бассейном и его научным руководителем. Работали они на кафедре кораблестроения и занимались разработкой темы, касающейся разрушения льда ледоколами. А именно, перед ними была поставлена задача – увеличить в несколько раз скорость разрушения льда. Необходимость увеличения скорости была вызвана повышением требований безопасности речных (и морских) государственных границ в зимнее время. Кроме того, скорость имеет существенное значение при разрушении ледяных заторов и ледяных полей во время весенних ледоходов. Для решения поставленной задачи ими была предложена идея использования в качестве ледоколов судов на воздушной подушке (СВП) /1/.

Ледокольные свойства СВП зависят от режима движения, величины давления воздуха в подушке, толщины и прочности льда. Взламывание льда может осуществляться воздушной подушкой статическим и динамическим способами.

Статический способ применяется при движении с малыми скоростями (до 4 – 5 уз). Под действием давления подушки уровень воды в полынье опускается ниже поверхности ледяного покрова, подо льдом образуется воздушная полость, которая выходит за габариты судна, и ледяной пласт консольно зависает над водой. После того как длина консоли достигнет критической величины, ледяное поле начинает разламываться под действием собственного веса.

Разрушение льда СВП динамическим способом осуществляется при движении судна с большой скоростью (10 – 15 уз). Разрушение происходит в результате возникновения во льду изгибающих волн от перемещающегося источника давления, вызывающего деформацию льда. Амплитуда критической волны, при которой разрушается лед, зависит от его толщины, прочности и протяженности ледяного покрова, а также от глубины водоёма и размеров судна на воздушной подушке. Наиболее эффективное разрушение льда СВП происходит при использовании резонансного метода. Двигаясь по поверхности льда, за счет искусственного и естественного колебаний корпуса, СВП создает резонансные изгибногравитационные волны, под воздействием которых во льду образуются трещины. Такой способ ледокольных работ отличается от традиционных возможностью разрушать ледяной покров на обширных площадях, а также проводить суда на небольших глубинах.

Рисунок 1. Разрушение сплошного ледового покрова СВП

Итак, резонансно-динамический способ взламывания льда отличается от статического большей эффективностью, так как позволяет разрушать лёд с более высокой скоростью. 2

Для доказательства эффективности использования СВП в качестве ледоколов необходимо было провести модельные испытания в опытовом бассейне. Проблема заключалась в том, что университетский опытовый бассейн не был предназначен для испытания ледоколов, то есть в нём не была предусмотрена морозильная установка для создания льда, а испытания необходимо было провести. Более того, в мире существует единственный ледовый опытовый бассейн, который находится в Санкт-Петербурге.

Таким образом, изобретательская ситуация заключалась в следующем: необходимо срочно провести испытания на эффективность использования СВП в качестве ледоколов, что связано с безопасностью государственных границ (в частности речных); есть опытовый бассейн, но он не предназначен для испытания ледоколов.

Краткая справка о моделировании ледовых полей (способы и назначение)

Для решения сформулированной выше задачи необходимо иметь представление:

– о характеристиках льда;

– процессах, происходящих при разрушении льда ледоколом;

– ледовом опытовом бассейне;

– существующих, к моменту начала работы, способах моделирования ледяных полей.

Следует отметить, что приведённые ниже материалы будут касаться более широких вопросов, чем это необходимо (или кажется, что необходимо) для решения конкретной задачи. Во-первых, нам ещё точно не известно, что пригодится, а что нет. Во-вторых, если будут предложены модели ледяных полей, с помощью которых можно будет испытывать не только СВП-ледоколы, но и ледоколы классических типов, то будет решена сверхзадача.

Характеристики льда

Начнём с классификации льда (морского и речного) /2/. Льды различают по возрасту, подвижности (динамичности), строению, состоянию поверхности и стадиям таяния.

По возрасту различают следующие виды льда:

– начальные льды (ледяные иглы, сало, шуга и т. п.);

– ниласовые льды (блинчатый лед, склянка, нилас и т. д.) толщиной до 10 см;

– серые льды толщиной от 10 до 30 см;

– белый лед толщиной от 30 до 70 см;

– однолетние – годовалые льды, прошедшие годовой цикл нарастания в минувшую зиму и сохранившиеся до начала нового осеннего ледообразования;

– двухлетние льды, находящиеся во втором годичном цикле нарастания;

– многолетние льды (пак) толщиной 2,5 м и более, просуществовавшие более двух лет.

Для нашей конкретной задачи интерес представляет белый и серый лёд с максимальной толщиной 1 м.

По динамическому признаку льды разделяются на две категории:

1) неподвижный лед, основной формой которого является припай, – сплошной ледяной покров, связанный с берегом; протяженность припая может достигать нескольких сотен миль;

2) дрейфующий лед – лёд, не связанный с берегом и находящийся в движении под влиянием ветра и течения.

По горизонтальным размерам (протяженности) дрейфующий лед подразделяется на две основные группы: ледяные поля и битый лед, образующиеся в результате разрушения припая и последующего дробления более крупных форм дрейфующего льда, развития и 3

нарастания ледяного покрова, смерзания мелких льдин любого возраста. По своим очертаниям поля и отдельные льдины бывают остроугольными и округлыми.

Ледяные поля – наиболее крупные образования дрейфующего льда – делятся на:

– обширные – протяженностью свыше 10 км;

– большие – протяженностью от 2 до 10 км;

– малые – протяженностью от 0,5 до 2 км;

– обломки полей – льдины протяженностью 100…500 м.

Битый лед состоит из льдин различных размеров, но меньших, чем обломки полей. Различают следующие формы битого льда:

– крупнобитый – льдины, имеющие в поперечнике 20…100 м,

– мелкобитый – льдины протяженностью от 2 до 20 м;

– куски льда – льдины размером от 0,5 до 2 м.

Для нашей конкретной задачи интерес представляет неподвижный лёд, ледяные поля и битый лёд.

Состояние дрейфующего льда характеризуется сплоченностью и сжатием. Сплоченность льда на наблюдаемом участке водной акватории определяется отношением площади льдин к площади этого участка и оценивается по 10-ти балльной шкале. Например, при сплоченности льда 6 баллов 60 % площади участка покрыто льдом. Различают редкий лед, разреженный лед, сплоченный лед и очень сплоченный лед.

Сжатие льда оценивается по трехбалльной шкале: 1 балл соответствует слабому сжатию, 3 балла – сильному.

Вышеперечисленная классификация позволяет выбрать тот тип льда, который в первую очередь необходимо моделировать для решения поставленной задачи, а именно, оценка эффективности использования СВП в качестве ледокола, а также определение ледокольных характеристик СВП при разных тактиках движения по льду.

Для нашей конкретной задачи следует моделировать не менее двух состояний льда: одно состояние НЕПОДВИЖНЫЙ лед и второе – БИТЫЙ лёд (от обломков полей до кусков льда).

Физико-механические свойства льда

Лед представляет собой вещество, наделенное свойствами, присущими твердому кристаллическому телу /2/.

Образование льда происходит в результате процессов теплообмена между водной средой и атмосферой. Основными факторами, влияющими на интенсивность роста ледяного покрова, являются метеорологическая обстановка и гидрологический режим водоема (скорость течения, глубина, условия перемешивания водных масс и так далее).

Структура льда определяется условиями возникновения и формирования кристаллов, которые первоначально образуются в тонком переохлажденном поверхностном слое воды. В процессе роста лед приобретает неоднородное блочное строение. По границам блоков кристаллов концентрируются посторонние примеси и соляной раствор (в морском льду).

Отметим этот очень важный момент, что лёд имеет БЛОЧНОЕ строение.

С точки зрения механических качеств, лед естественного образования можно принять за поликристаллическое тело. При этом, если в направлении, параллельном плоскости намерзания, ледяной покров можно рассматривать как изотропное тело, то в направлении, перпендикулярном плоскости намерзания, наблюдаются анизотропные свойства, обусловленные в основном температурным перепадом между верхними и нижними слоями льда, как тела, находящегося на границе двух сред с различными температурами.

К числу наиболее важных физико-механических свойств ледяного покрова, влияющих на движение судна во льдах, относятся: прочность льда, его упруго-пластические и фрикционные характеристики.

Движение судна в сплошных и крупнобитых льдах сопровождается разрушением ледяного покрова, происходящим в основном за счет изгиба (хотя имеют место также дефор-4

мации среза и смятия в случае применения классических ледоколов). Поэтому при определении сопротивления ледяного покрова движению судна, наибольшее значение имеют его прочностные характеристики: пределы прочности на изгиб, срез и смятие.

Известно, что в естественных условиях при отсутствии снега температура верхних слоев льда близка к температуре окружающего воздуха, а температура нижних – к температуре воды. Вследствие такого температурного перепада во льду образуются слои неодинаковой прочности. Наличие снега на ледяном покрове уменьшает температурный градиент внутри льда, поэтому разница в свойствах слоев заснеженного льда оказывается не такой значительной, как у бесснежного. Хотя слои имеют различные физико-механические свойства ледяной покров под нагрузкой работает как единое целое.

Отметим этот очень важный момент, ледяной покров под нагрузкой работает как единое целое.

В качестве расчетных значений предела прочности на изгиб σ_р могут быть приняты следующие величины:

– для пресноводного льда σ_р = 12,5 кГ/см 2 ;

– для морского (соленого) льда σ_р = 8 кГ/см 2 .

Что касается пределов прочности льда на смятие и срез, которые играют менее важную роль при разрушении ледяного покрова судном, то можно принять следующие значения для пресноводного льда: предел прочности на смятие – 12,5…30 кГ/см 2 ; предел прочности на срез – 1,5…6,0 кГ/см 2 .

Известно, что материалы при температуре, близкой к их точкам плавления, в той или иной мере обладают пластичностью. Натурный лед как твердое тело в этом отношении не является исключением. Опыты показывают, что характер деформирования льда в значительной степени зависит от времени действия нагрузки. При длительном воздействии нагрузки появляется пластичность, которая может выражаться как в виде ползучести (увеличение деформации во времени при постоянной нагрузке), так и в виде релаксации (уменьшение прочности во времени при постоянной деформации).

Упругие свойства льда обычно характеризуются модулем упругости E, который для материалов, подчиняющихся закону Гука, является коэффициентом пропорциональности между деформацией и напряжениями. Опытные данные показывают, что значение этой характеристики, зависящей от структурного строения льда и температуры, изменяется в довольно широких пределах. Тем не менее, для практических целей, связанных с движением судна во льдах, рекомендуется использовать следующие значения модуля упругости:

– для пресного льда от 35 000 до 62 000 кГ/см 2 ;

– для зимнего, соленого льда – 30 000 кГ/см 2 .

Внешнее трение льда является одним из важнейших факторов, обусловливающих процесс движения судна во льдах. В особенности это относится к плаванию судна в битых льдах, так как в этих условиях роль сил трения особенно велика. По современным представлениям трение льда – это трение с самосмазкой, возникающей в результате плавления льда. Причиной плавления является тепло, мгновенно возникающее в местах истинного (фактического) контакта, имеющего дискретный характер. Знание закономерностей трения льда имеет большое значение для моделирования движения судна во льдах. Рекомендуемое среднее расчетное значение коэффициента динамического трения льда о судовую сталь и льда по льду может быть принято равным f_T – 0,08…0,13.

Для нашей конкретной задачи интерес представляют: факт блочного строения льда; то, что ледяной покров под нагрузкой работает как единое целое, а также значения предела прочности на изгиб σ_р , значения модуля упругости E и значения коэффициента динамического трения льда по льду f_T .

Разрушение льда ледоколом

Ледокол классического типа разрушает лёд форштевнем, носовой частью и бортами. При встрече ледокола с полем форштевень ударяется о лед и носовая часть судна налезает на ледяной покров, который не разрушается изгибом, а «прорезается» форштевнем. По мере продвижения судна вперед, во время которого его дифферент увеличивается на корму, в контакт со льдом вступают борта ледокола, разрушающие лед изгибом на отдельные секторы, располагающиеся в один, два и более рядов вдоль каждого борта. Неодновременность ломки льда различными участками бортов, а также отсутствие разрушения льда впереди форштевня приводит к тому, что в процессе движения носовая часть судна не опускается до первоначального положения. Таким образом, ледокол, преодолевая ровный сплошной лед, движется с практически постоянным дифферентом на корму, приобретенным в начальный период при налезании форштевня на лед. Величина этого дифферента, как показывают наблюдения, зависит от толщины и прочности льда, формы обводов корпуса и скорости. Имеют место лишь сравнительно небольшие изменения посадки, обусловленные разрушением ледяного покрова отдельными участками бортов, а также небольшое рыскание и изменение крена, связанные с неодновременностью ломки льда и левым и правым бортами.

Форштевень судна в процессе движения образует во льду прорезь. Снеговой покров и частично верхний слой льда оказываются выдавленными из этой прорези на ледяной покров и образуют снежный валок. Изгибные трещины впереди форштевня отсутствуют. Наблюдения показывают, что величина зоны прорезания льда форштевнем зависит от физико-механических качеств льда, скорости движения ледокола и формы носовой оконечности корпуса. Иной характер носит разрушение льда бортами ледокола (рисунок 2). Первоначально в районе контакта борта со льдом происходит местное смятие верхней кромки льда, которое продолжается вплоть до момента разрушения льда изгибом. Размеры указанных зон смятия кромки зависят от толщины, прочности льда, формы обводов корпуса и скорости движения судна.

Рисунок 2. Разрушение льда бортом ледокола: а – образование трещин; б – начало притапливания льдины; в – поворачивание льдины на ребро

Момент разрушения льда изгибом характеризуется появлением одной, двух и более концентрических трещин, образующихся в результате растяжения верхних слоев льда. Обычно окончательный облом льда происходит по ближайшей к борту трещине, в то время как трещины II и III закрываются. Прилегающая к корпусу льдина притапливается. Если ширина зоны разрушенного льда в этом месте недостаточна для прохождения корпуса ледокола, то происходит притапливание льдины, расположенной между трещинами I и II, и так далее. Число рядов секторов, выламываемых каждым бортом от форштевня до кромки неразрушенного ледяного покрова, а также абсолютные размеры этих секторов в основном зависят от толщины льда, скорости движения ледокола и его ширины. Отношение длины сектора к его ширине во всех случаях довольно стабильно и равно 3 – 5. При сравнительно небольших скоростях движения и предельных толщинах льда обычно наблюдается «однорядная» (рисунок 3), редко «двухрядная» ломка бортами. Длина секторов, выламываемых бортами ледокола при однорядной ломке, может достигать 50 – 80 м, при ширине 20 м.

Рисунок 3. Схема однорядной ломки льда

При применении СВП-ледоколов реализуется другой механизм разрушения льда. Начнём рассматривать этот механизм немного издалека. Очевидно, что если на лёд действует некоторая нагрузка (автомашина, вертолёт, СВП и так далее), то он прогнётся. Если же эта нагрузка будет двигаться, то по льду будут расходиться волны. Естественно, что эти волны могут вызывать разрушение льда. Причём чем «острее» профиль этих волн (больше амплитуда или меньше длина волны), тем вероятность разрушения льда выше. Оказалось, что «острота» профиля максимальна при достижении скорости перемещения нагрузки (ν) некоторого критического значения (ν_р) – резонансной скорости (рисунок 4) /1/. а)

Рисунок 4. Прогибы ледяного покрова в зависимости от скорости: а – ν ν_р

Кроме того, если во льду есть полыньи (майны), то начинает проявляться эффект «щелкающего хлыста» и лёд разрушается ещё легче.

Ледовые опытовые бассейны (краткая характеристика)

Первый и единственный опытовый бассейн для испытаний моделей судов во льдах был построен в 1955 г. в научно-исследовательском институте Арктики и Антарктики /2/. Этот бассейн (точнее лаборатория для испытаний моделей судов во льдах) состоит из охлаждаемого помещения, в котором расположена чаша бассейна; машинного зала с аммиачной холодильной установкой и двух вспомогательных помещений для приборов, устройств и приспособлений, обеспечивающих проведение модельных испытаний.

Чаша бассейна выполнена в виде канала прямоугольного сечения со следующими размерами (в метрах):

длина по зеркалу воды 13,4;

высота от днища до уровня борта 1,95;

возвышение борта над уровнем пола 1,1;

объем при наибольшем уровне наполнения 1,7 м.. 42 м 3 .

Чаша бассейна представляла собой двухслойную железобетонную конструкцию. Водонепроницаемость обеспечивалась специальной гидроизоляцией. Бассейн наполнялся водой через донный кингстон.

Помещение, в котором расположена чаша бассейна, охлаждалось с помощью рассольных батарей с поверхностью охлаждения 340 м 2 . Холодильная установка позволяла довести температуру воздуха в помещении бассейна до –17 °С и поддерживать ее длительное время. Суммарная холодопроизводительность установки 140 000 ккал/ч.

Рисунок 5. Общий вид ледового опытового бассейна

Общий вид бассейна показан на рисунке 5. В диаметральной плоскости чаши бассейна расположено устройство для буксировки модели (рисунок 5). На колеса 1 и 13, установленные на противоположных концах бассейна, надет бесконечный трос. В его нижнюю ветвь включена запряжка модели. С ведущим колесом жестко связан барабан, на котором уложен трос рабочего груза. Рабочий груз, приводящий в движение модель, подвешивается к подвижному ролику полиспаста. К бесконечному тросу, в целях исключения его проскальзывания по ободу колеса, приложено усилие, создаваемое натяжным устройством. Колесо 13 подвешено шарнирно, и к его оси прикреплены пружинные динамометры и талрепы. Талрепы позволяют создать заданное постоянное натяжение, поскольку в процессе эксплуатации буксировочный трос вытягивался. Колеса 1 и 13 крепятся в специальных каретках, конструкция которых позволяет поднимать и опускать их на некоторое расстояние по отношению к уровню воды в бассейне. Это необходимо для того, чтобы при испытании моделей различных размеров не менять уровень воды в бассейне.

Рисунок 6. Схема устройства для буксировки модели:

1, 13 — колеса: 2 — рабочий груз; 3 — полиспаст; 4, 6 — направляющие ролики; 5 — подвижный ролик полиспаста; 7 — барабан; 8 — бесконечный трос; 9 — запряжка модели; 10 — модель; 11 — шарнир подвески колеса; 12 — натяжное устройство и динамометр

Модель ледяного поля

Согласно теории моделирования, лабораторный лед, в котором проводятся испытания моделей судов, должен удовлетворять следующим условиям /1/:

– равенство коэффициентов трения натуры и модели;

– равенство отношений h_н/h_м= w_н/w_м= E_н/E_м= (σ_р)_н/(σ_р)_м= H_н/H_м= λ, где индексы «н» и «м» указывают к чему относится соответствующий параметр к натурному льду или модели; h – толщина льда, w – прогиб льда, E – модуль Юнга, σ_р – предел прочности на изгиб, H – глубина водоёма; λ – масштаб моделирования.

Методика приготовления лабораторного льда в условиях ледового бассейна, помимо соблюдения указанных требований, должна обеспечить возможность многократного воспроизведения льда заданной толщины и физико-механических характеристик.

В ледовом бассейне применяется натуральный поликристаллический ослабленный лед. Ослабление прочности льда достигается внедрением в его кристаллическую решетку примесей и созданием значительных межкристаллических прослоек. Практически это достигается растворением в воде поваренной соли. Однородность льда и его поликристаллическое строение достигается внесением в верхний переохлажденный слой воды большого количества мелких частиц льда, которые являются центрами кристаллизации, поэтому рост льда начинается во всех точках ледяного покрова одновременно.

Перед приготовлением моделированного льда температуру воздуха в бассейне понижают до –10 °С, а поверхность воды тщательно очищают от остатков битого льда и «сала», измеряют температуру воды в бассейне и при наличии температурных перепадов воду перемешивают. Затем над спокойным зеркалом воды распыляется 0,15…0,20 л воды. Частицы воды, переохлаждаясь в воздухе, превращаются в кристаллы льда и, попадая на водную поверхность, производят «зарядку ледяного поля» – дают начало кристаллообразованию.

Существуют и другие модели ледовых полей, для реализации которых не требуются низкие температуры.

Например, сплошной ледяной покров моделируют с помощью устройства, содержащего упругую пленку, располагающуюся на поверхности воды /1/. В другой модели пластины положительной плавучести (например, из полиэтилена), размещаются в опытовом бассейне, причём эти пластины взаимодействуют между собой боковыми поверхностями, но не образуют сплошного «ледяного поля».

Все вышеперечисленные модели ледовых полей имеют существенные недостатки:

– изготовление лабораторного льда в ледовом бассейне требует чрезмерно больших затрат времени и ресурсов, в первую очередь энергетических;

– модель льда в виде упругой плёнки не позволяет промоделировать влияние полыней и трещин на работу СВП-ледоколов;

– модель льда в виде несплочённых пластин положительной плавучести не позволяет промоделировать основной механизм действия СВП-ледокола, то есть не позволяет промоделировать разрушения сплошного ледяного покрова.

Подводя итог, можно сказать, что целью изобретения является обеспечение моделирования разрушения сплошного ледяного покрова в неледовом опытовом бассейне.

Желаемое системное свойство модели ледяного поля:

– не разрушаться (не разделяться на фрагменты), если воздействия на модель не превышают критическую величину (докритическое воздействие);

– разрушаться (разделяться на фрагменты), если воздействия на модель превышают критическую величину (сверхкритическое воздействие);

– не сплачиваться (не соединяться) самопроизвольно после снятия сверхкритического воздействия;

– сплачиваться (соединяться) после поступления внешнего командного воздействия.

Решение задачи по АРИЗ.

При решении задачи использовалось описание методики АРИЗ-85В, взятое из /3/.

1. Анализ задачи.

Шаг 1.1. Формулировка мини-задачи.

Техническая система для испытания моделей судов ледового плавания включает: взаимодействующие между собой боковыми поверхностями пластины положительной плавучести, модель судна, заполненный водой опытовый бассейн с системой буксировки модели судна, устройство сплачивания пластин положительной плавучести.

1. В описании изобретательской ситуации были представлены три возможных варианта моделирования ледяного поля; имитация льда на уровне физического эффекта «жидкое-твердое вещество»; имитация ледяного поля гибкой плёнкой и имитация ледяного поля взаимодействующими между собой боковыми поверхностями пластины положительной плавучести. При формулировке мини-задачи выбор был сделан в пользу последней модели из трёх, представленных в описании изобретательской ситуации, по следующим причинам. Идеальность последней модели, на первый взгляд, выше, чем первой и второй, так как первая модель требует значительных энергетических ресурсов, а также тщательной очистки зеркала воды от остатков разрушенного ледяного поля; вторая модель не позволяет моделировать разрушение ледяного поля. Кроме того, в описании характеристик льда отмечалось его блочное строение, которое прекрасно моделируется в последней модели.

ТП-1. Если сплочённые пластины положительной плавучести хорошо (с достаточным усилием) сопротивляются воздействию, вызванному моделью судна, существенно повышается сложность устройства сплачивания пластин положительной плавучести.

2. При формулировке этого противоречия слова, выделенные курсивом, могли быть представлены и в следующей редакции «… воздействию модели судна…», но в этом случае речь могла идти только об испытании моделей классических ледоколов, которые непосредственно воздействуют на лёд. При испытании же СВП-ледоколов на лёд (его отдельные фрагменты) воздействует как сам ледокол, так и волны, распространяющиеся в воде и во льду (это разные волны), вызванные движением модели СВП-ледокола.

ТП-2. Если сплочённые пластины положительной плавучести плохо (с недостаточным усилием) сопротивляются воздействию, вызванному моделью судна, устройство сплачивания пластин положительной плавучести реализуется просто.

3. В ситуации, описанной вторым противоречием, пластины вообще не сплачиваются, поэтому-то они и плохо сопротивляются. Соответственно по этой же причине и просто реализуется устройство сплачивания, оно просто напросто вообще отсутствует.

4. В формулировки технического противоречия поясняется, что понимается в данном случае под «хорошо» (с достаточным усилием) и «плохо» (с недостаточным усилием).

5. При описании изобретательской ситуации описывались все известные на то время модели ледового поля, предназначенные для испытания ледоколов. Среди этих моделей не было моделей, состоящих из пластин с магнитными элементами по периметру, поэтому при разборе задачи они не рассматривались.

6. Второе противоречие имеет место в «…модели льда с пластинами положительной плавучести (например, из полиэтилена), размещаются в опытовом бассейне, причём эти пластины взаимодействуют между собой боковыми поверхностями, но не образуют сплошного «ледяного поля». » (цитата из описания изобретательской ситуации). То есть в этой модели пластины просто плавают в воде, поэтому-то они и плохо сопротивляются воздействию модели судна, но их никак не сплачивают, поэтому и простое (отсутствующее) устройство сплачивания. Именно эта модель используется как прототип.

Шаг 1.2. Выявление конфликтующей пары.

Изделия: модель судна (МС), устройство сплачивания пластин положительной плавучести (УС).

Инструмент: пластины положительной плавучести (Пл), в дальнейшем просто пластины.

7. Реально, если рассматривать известные на момент изобретения модели ледяного поля, устройство сплачивания это некоторый абстрактный элемент. Для первой модели ледяного поля (ледяное поле из натурального льда) устройством сплачивания выступает холодильная установка. Для второй (гибкая плёнка) моделей устройство сплачивания отсутствует, так как во второй модели ничего не разрушается. Для третьей (полиэтиленовые пластины) моделей устройство сплачивания тоже отсутствует. Но так как именно третья модель взята за прототип, то мы добавляем устройство сплачивания, которое должно осуществлять соединение полиэтиленовых пластин боковыми поверхностями. Реализация устройства зависит от того, как будут изменены боковые поверхности пластин. Например, если на боковые поверхности прикрепить ленты «липучки» (крючки и петли), устройство сплачивания должно будет развернуть пластины так, чтобы они соприкасались разнородными элементами (крючки с петлями, а не крючки с крючками или петли с петлями), затем сдавить пластины между собой, чтобы ленты «липучки» вошли в зацепление.

8. В этой задаче есть определённые сложности в выявлении инструмента и изделия.

С одной стороны, модель судна и устройство сплачивания действуют на пластины положительной плавучести. Модель судна (МС) действует, чтобы разъединить пластины, а устройство сплачивания (УС), чтобы, наоборот, их соединить. То есть можно предположить, что МС и УС – это инструменты, но тогда по логике АРИЗ-85В их и следует менять для решения задачи (инструменты легче меняются, чем изделия). Но нам-то по условию задачи нужно создать модель ледяного поля, то есть изменениям должны подвергаться именно пластины положительной плавучести. С другой стороны, пластины положительной плавучести сопротивляются действию модели судна к разъединению пластин и подчиняются действию устройства сплачивания, то есть являются инструментом, обрабатывающим МС и УС.

Взаимодействие конфликтующей пары. Пластины положительной плавучести (Пл) должны сильно сопротивляться воздействиям, вызванным моделью судна (МС) и должны слабо сопротивляться воздействиям, вызванным моделью судна (МС).

9. В этом пункте мы практически вышли уже к физическому противоречию: пластины должны и сильно и слабо сопротивляться воздействиям, вызванным моделью судна.

10. В АРИЗ-85В нет явных указаний, что необходимо описывать взаимодействия в конфликтующей паре, нужно только выявить конфликтующую пару, хотя в некоторых материалах такое и встречается /4/. В данном случае выявление взаимодействий в конфликтующей паре позволило выйти на физическое противоречие на несколько шагов раньше.

Шаг 1.3. Графическая схема ТП-1 и ТП-2.

Графическая схема ТП-1.

Графическая схема ТП-2.

где – полезное взаимодействие;

Шаг 1.4. Выбор технического противоречия.

В качестве основного выбираем ТП-1 (если сплочённые пластины положительной плавучести хорошо (с достаточным усилием) сопротивляются воздействию, вызванному моделью судна, существенно повышается сложность устройства сплачивания пластин положительной плавучести.)

Критерием выбора является соответствие действий, представленных в ТП-1, основному производственному процессу.

11. Основной производственный процесс заключается в исследовании возможности модели судна разрушать (разъединять) сплочённые пластины положительной плавучести, то есть на моделировании упругого сопротивления и разрушения сплочённых пластин под воздействием модели судна.

Шаг 1.5. Усиление конфликта.

Пластины САМИ соединяются (сплачиваются), чтобы сопротивляться воздействию, вызванному моделью судна, и САМИ не соединяются (не сплачиваются) друг с другом после разъединения, без использования устройства сплачивания.

12. В качестве основы для такой формулировки были использована формулировка пункта 1.5 на 330 страницы книги Альтшуллер Г.С. и др. Поиск новых идей: от озарения к технологии (Теория и практика решения изобретательских задач), Кишинёв: Картя Молдовеняска, 1989, 383 с. и статьи Г.Северинец «Незаметные нюансы – заметной задачи», http://www.trizland.ru /nezamet _o_shalke.pdf . В статье Г.Северинец, в частности приводится такая последовательность формулировок (стр.4).

Выбрать из двух схем конфликта (ТП-1 и ТП-2) ту, которая обеспечивает наилучшее осуществление главного производственного процесса (основной функции технической системы, указанной в условиях задачи).

Главная цель системы ШЛАКОВОЗ — перевезти жидкий шлак быстро и без потерь.

ТП 1:если слой (горячего) воздуха возле поверхности расплавленного шлака неподвижен (воздух хороший теплоизолятор), то не образуется твердой, толстой корки застывшего шлака, но удержать (горячий) воздух неподвижным у поверхности очень трудно, нужно специальное устройство.

Шаг 1.5. Усиление ТП

САМ Воздух (выделено мною ВБ) у поверхности остается все время неподвижным с момента заливания шлака в ковш, до момента слива шлака из ковша, без применения дополнительных устройств. При этом шлак не образует твердой, толстой корки».

Шаг 1.6. Модель задачи.

Даны отсутствующее сплачивающее устройство и пластины положительной плавучести.

13. Здесь также за основу бралась статью Г.Северинец стр.5.

Шаг 1.6. Модель задачи

Записать формулировку модели задачи, указав:

1. конфликтующую пару;

2. усиленную формулировку конфликта;

3. что должен сделать вводимый для решения задачи иксэлемент (что он должен сохранить и что должен устранить, улучшить, обеспечить и т.д.)

Даны расплавленный шлак и неподвижный воздух.

САМ Воздух у поверхности остается все время неподвижным с момента заливания шлака в ковш, до момента слива шлака из ковша, без применения дополнительных устройств. На шлаке не образует твердой, толстой корки.

Необходимо найти такой иксэлемент, который, сохраняя способность «воздуха быть неподвижным» не замедляя при этом слив шлака, и предотвращая образование твердой, толстой корки на поверхности шлака.

Для кого: Инженер

Тип решаемой задачи: Техника

Приобретаемые навыки: поиск задач,постановка задачи,решение задачи

Источник