Как уменьшить осадку судна

Проседание судна на мелководье

(Squat effect)

Составление плана перехода (Passage Plan) требует, чтобы при плавании на мелководье, в каналах, в узких фарватерах и портовых водах учитывалось увеличение осадки от проседания судна на мелководье.

Рассмотрим физический смысл проседания судна на мелководье.

Эффект проседания судна на мелководье основан на действии Закона Бернулли:

«При уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, статическое давление падает»

На судно не имеющее хода относительно воды и находящееся в неподвижной воде действует только сила поддержания. Как только у судна появляется ход относительно воды, то вокруг судна возникают потоки воды, образующие гидродинамическое поле с различными скоростями в каждой его точке. На участках с большей скоростью начинает действовать закон Бернулли и, следовательно, понижается давление.

Когда судно, следует по мелководью или в узкости, то у обтекающего его потока воды появляются дополнительные границы в виде дна и берегов, которые значительно сужают русло потока, что приводит к возрастанию скорости протекания воды и понижению давления. Понижение давления под днищем судна приводит к просадке, а понижение давления между бортом судна и откосами приводит к возникновению эффекта присасывания. Могут одновременно проявляться оба эффекта. Очевидно, что чем меньше запас воды под килем и между бортом и откосом, тем больше проявляется эффект проседания и присасывания.

Проседание судна на мелководье

Глубина на которой начинает появляться эффект проседания вычисляется по формуле Г.Е. Павленко:где,

Т – средняя осадка неподвижного судна (м);

V – скорость судна (м/с);

g — ускорение свободного падения (9, 81 м/с²)

Наиболее чувствительно влияние мелководья сказывается, когда соотношение глубины к осадке судна Н / Т ≤ 2. Наибольший эффект при соотношении Н / Т = 1,1 – 1,2.

При этом увеличение скорости относительно грунта не всегда увеличивает проседание судна. Например, если судно дрейфует по течению относительно грунта со скоростью 7 узлов, то относительно воды оно находится в состоянии покоя и никакого проседания наблюдаться не будет, так как судно движется с потоком воды, не толкает воду и поток воды не движется под днищем судна. Однако если судно ошвартовано или стоит на якоре на течении скоростью в 7 узлов, то в этом случае поток будет обтекать судно с разной скоростью, особенно ускоряясь под днищем судна и из-за понижения давления будет возникать проседание судна. Как видим, в данном случае скорость относительно грунта будет равняться нулю, а поток воды будет обтекать судно со скоростью 7 узлов. Таким образом, судно может испытывать проседание даже стоя у причала на сильном течении.

Степень влияния мелководья зависит от скорости судна, выраженной числом Фруда (Fr), которое вычисляется по формуле: где,

Н – глубина фарватера (м);

V – скорость судна (м/с);

g — ускорение свободного падения (9,81 м/с²).

При числе Фруда Fr 0,7 – судно проседает носом.

У судна, имеющего дифферент на корму, проседание также будет на корму, при дифференте на нос, проседание также на нос.

Как уже упоминалось выше в каналах и в узких фарватерах сечение потока воды значительно сужается корпусом судна. Соотношение сечения русла канала к проекции поперечного сечения подводной части корпуса судна называют коэффициентом загромождения русла канала (Bf).

Таким образом мы рассмотрели все факторы от которых зависит просадка судна на мелководье. Далее рассмотрим формулы применяемые для вычисления просадки судна. Величина просадки вычисляется по формулам доктора Баррасса. Одна формула применяется для вычисления просадки при плавании в стесненных водах — каналах и подобным им фарватерам (Confined waters), а другая для вычисления просадки при плавании в открытых водах — на мелководье имеющем достаточно большое водное пространство (Open waters).

Данные формулы справедливы для значений:

Коэффициент общей полноты судна Сb = 0,5 – 0,9;

Отношение глубины к осадке судна Н / Т = 1,1 – 1,4.

Вычисление величины проседания судна на мелководье

Стесненные воды (Confined waters):

Открытые воды (Open waters):

Sq — Просадка судна (метры);

Сb – Коэффициент общей полноты;

V — Скорость судна относительно воды (узлы).

Если известны размеры русла канала и можно вычислить коэффициент загромождения, то его добавляют в формулу для стесненных вод: Где,

Полученное значение просадки судна на мелководье используется для расчетов минимально допустимого запаса глубин (Under keel clearance — UKC) при плавании на мелководных и стесненных участках пути судна.

Вычисленные значения минимально допустимого запаса глубин необходимо сравнить со значениями, установленными компанией и если полученное значение менее допустимого, то необходимо выполнить расчет просадки для более низкой скорости судна и сравнить снова, пока полученный результат минимально допустимого запаса глубин не будет соответствовать установленному компанией.

Источник

Как уменьшить осадку яхты?

Мечтаем купить яхту «Нева» но для плавания на нашем мелководном Новосибирском водохранилище необходимо уменьшить ее осадку с 1,5 м до 1 м. Мы рассчитываем сделать это путем замены штатного плавника киля, отлитого из чугуна, на сварной пустотелый плавник меньшей «высоты», но большей «длины», залитый внутри свинцом. Площадь нового плавника будет такой же, как и у штатного киля, а вот центр тяжести его расположится на 3 см ниже. Таким образом, остойчивость яхты не ухудшится.

Этого, вероятно, нельзя будет сказать о лавировочных качествах судна. Можно ли компенсировать потерю гидродинамического качества киля установкой по его нижней кромке концевой шайбы из листа шириной 300 мм?

Если заменить узкий киль большого удлинения, которым снабжается «Нева», на широкий киль с длинной нижней кромкой, то значительно большее количество воды будет перетекать через эту кромку, вызывая мощные завихрения потока. Доля энергии, затрачиваемой на образование этих вихрей, или индуктивное сопротивление корпуса яхты может возрасти до 50% общего сопротивления воды движению судна. Ведь величина индуктивного сопротивления обратно пропорциональна квадрату осадки яхты.

До недавнего времени можно было рекомендовать, пожалуй, только два варианта уменьшения осадки, при которых гидродинамические потери были бы относительно невелики — установить убирающийся киль-шверт или два скуловых киля. Однако после успешного дебюта в гонках на Кубок Америки 1983 г. «Австралии- II», снабженной килем с подводным крылом, появился еще один оптимальный вариант. Речь идет о киле-тандеме, запатентованном англичанином Уорвиком Коллинзом.

Испытания показали, что киль-тандем развивает такую же силу сопротивления дрейфу, как и традиционный плавниковыи киль, имея в то же время на 40% меньшую осадку.

Так же как и крыльчатый киль «Австралии-II», киль Коллинза снабжен на нижней кромке большой дельтавидной в плане гидродинамической концевой шайбой. Ее назначение — воспрепятствовать перетеканию воды в зону разрежения, образованию вихрей на нижней кромке и тем самым снизить индуктивное сопротивление. Но, в отличие от киля «двенадцатиметровика», киль Коллинза имеет щель, которая разделяет его на два киля большого удлинения (напрашивается аналогия с парусами — гротом и стакселем, не перекрывающими друг друга).

При движении яхты поток с повышенным давлением обтекает подветренную поверхность носовой части киля, затем через щель уходит на другой борт. Завихренный (турбулентный) поток воды, сходящий с задней кромки передней части, отбрасывается далеко на наветренную сторону, и передняя кромка задней части входит, таким образом, в невозмущенный поток. А так как эффективность работы любого киля зависит, прежде всего, от характера обтекания его передней кромки, здесь получаются практически два киля, работающих в невозмущенном потоке. Это значит, что киль-тандем дает практически двойную силу сопротивления дрейфу при одинаковой площади с таким же сплошным килем.

Характерная форма щели в киле Коллинза — узкая внизу и расширяющаяся кверху, препятствует развитию вихрей на нижней кромке, так как здесь поток, проходящий через щель, сильно ускоряется. Поэтому индуктивное сопротивление, уже существенно сниженное благодаря дельтавидной концевой шайбе, уменьшается еще больше.

Есть и еще одна важная особенность гидродинамики киля тандем. Любой киль (или руль) наиболее эффективно работает тогда, когда водный поток набегает на него под определенным углом атаки (углом дрейфа).

Если этот угол превышает некоторую критическую величину, происходит срыв потока, вследствие чего подъемная сила на киле резко падает. Для обычного плавникового киля критический угол атаки составляет 12—15°. А у киля Коллинза, как выяснилось при испытаниях в бассейне, движение водного потока сквозь разрез имеет такой характер, при котором критический угол увеличивается примерно до 30°.

Это явление обеспечивает несколько немаловажных преимуществ. Например, при повороте оверштаг можно очень быстро выбрать втугую стаксель — в случае потери скорости не нужно сначала немного уваливаться, чтобы опять ее набрать. А при движении курсом бакштаг по взволнованному морю яхта с килем тандем лучше слушается руля, что позволяет нести спинакер более круто к ветру. Говоря другими словами, яхта, оснащенная килем-тандем, ходит быстрее и увереннее. Относительно большая длина киля повышает также устойчивость яхты на курсе.

Разумеется, если дельтавидную часть киля-тандем выполнить достаточно массивной, то остойчивость яхты с уменьшенной осадкой опасений вызывать не будет. У литых килей Коллинза удается 50 % их веса сосредоточить в шайбе.

Одна из первых крейсерских яхт, оснащенных килем Коллинза, — 7,7-метровая «Флайинг Боут», имеющая осадку всего 0,89 м, при испытаниях успешно конкурировала с гоночной яхтой класса «Л24», имеющей узкий плавниковый киль и большую осадку — 1,22 м. «Флайинг Боут» не уступала по крутизне и скорости лавировки, хорошо шла полными курсами. Не создавал киль-тандем неудобств и при посадке яхты на мель.

Заметим, что еще в середине 70-х годов в студенческом конструкторском бюро Киевского института инженеров гражданской авиации проводились работы по созданию высокоэффективных килей для яхт. Среди испытывавшихся образцов был и киль-тандем, установленный на полутоннике «Вираж» (см. «КиЯ» №85). Правда, от киля Коллинза киль «Виража» отличался наличием вместо концевой шайбы сигарообразного бульба, относительно большим зазором между кромками обеих частей киля и возможностью изменять угол атаки кормовой части.

Следует иметь в виду, что в настоящее время правила IOR не разрешают применять кили описываемого типа для гоночных яхт.

Источник

Крен судна

Одним из основных качеств, определяющих мореходность судна, является его остойчивость. Хорошая остойчивость яхты – это, прежде всего, гарантия безопасного плавания в условиях сильного волнения. А также от остойчивости зависит площадь устанавливаемого на судне парусного вооружения, отчего во многом зависят и его скоростные показатели. Сам же термин «остойчивость» означает способность судна противостоять крену. В данной статье остановимся подробнее именно на этом явлении – крене судна.

Причины крена судна

В морской дисциплине крен судна определяется как отклонение диаметральной плоскости корпуса от вертикали, условно проведённой к водной поверхности. Если выражаться более просто и доходчиво, то крен – это любое отклонение условной плоскости корпуса от горизонтального положения. Причин для этого может быть несколько:

Угол крена судна измеряется в градусах, показывающих степень отклонения горизонтального положения его корпуса от условного горизонта морской поверхности. Кроме этого, определение крена судна возможно и по разнице осадки правого и левого борта. Если осадка левого борта больше, то такое положение корпуса называется «крен на левый борт». Когда же осадка судна больше на правый борт, то ситуация определяется как «крен на правый борт».

Виды крена судна

В зависимости от причин, вызывающих крен судна, он может быть нескольких типов. К ним относят нижеперечисленные виды.

Динамический

Самый распространённый из всех видов крена, с которым приходится сталкиваться любому яхтсмену при выходе в открытое море. Возникает под действием неких внешних кратковременных сил. Обычно такими силами являются резкие порывы ветра или удары волны в борт. Динамический крен в силу короткого момента своего возникновения, редко требует вмешательства яхтсмена. Если быть точнее, то экипаж чаще всего просто не успевает предпринять какие-либо конкретные действия по ликвидации возникшего динамического крена.

В результате судно либо самостоятельно выравнивается, благодаря заложенной в его конструкции запаса остойчивости, либо ложится на бок. Способность судна сопротивляться кратковременному динамическому крену и определяет характеристики его остойчивости. При возникновении крена яхты под действием внешней силы, сразу же возникают противоположно направленные уравнивающие силы, стремящиеся привести судно в первоначальное положение.

Статический

Статическим называют крен судна, возникший под действием некоторой статической, то есть неизменной по своей величине, силы. Причиной статического крена является смещение центра тяжести судна на корму/нос или на один из бортов. К этому обычно приводит неправильная центровка груза или его смещение в результате обрыва креплений. Кроме того, причиной статического крена судна может стать поступление воды внутрь корпуса в результате полученной пробоины. В данной ситуации судно находится в накрененном положении даже в отсутствии внешнего воздействия в виде волн или ветра. Статический крен определяется как отрицательная начальная остойчивость судна, что при дополнительном воздействии внешних сил с большой долей вероятности может привести к его перевороту.

Продольный

Продольным креном, или дифферентом, судна называется дисбаланс осадки его кормы и носа. Когда осадка кормы больше осадки носа – это дифферент на корму, если же, наоборот, то дифферент на нос. Продольный крен судна оказывает значительное влияние на мореходные качества яхты. Для небольших яхт, с длиной корпуса менее 10 м, максимально допустимым дифферентом считается разница в осадке в 5 см. Больший показатель осадки кормы уменьшает скорость лодки, так как излишне погружённая корма увеличивает силу сопротивления водной массы движению.

Продольный крен увеличивает курсовую устойчивость движущегося судна. В связи с этим яхта хуже слушается руля при необходимости изменить курс. Кроме того, дифферент на корму приводит к тому, что лодка получает склонность уваливания под ветер. У лодок, основным типом движения которых является глиссирование, дифферент на корму затрудняет их выход на устойчивую глиссаду. Наблюдается так называемый эффект «дельфинирования», когда нос судна периодически забрасывается вверх с последующим нырянием вниз.

Продольный крен яхты с дифферентом на нос также приводит к значительному снижению скорости из-за «зарывания» носа в волны, что увеличивает лобовое сопротивление при движении. Яхта, имеющая дифферент на нос, становится рыскливой, чрезмерно «отзывчивой» на малейшее изменение положения руля, хуже держит курс. Особенно явственно это проявляется при движении под углом к волне. Увеличение лобового сопротивления воды у глиссирующих лодок также вызывает проблемы с выходом на глиссаду из-за снижения скорости. Избежать всех перечисленных проблем можно путём правильного размещения груза или балласта внутри корпуса.

Циркуляционный

Циркуляционным креном называется крен, возникающий при вхождении судна в поворот. Величина циркуляционного крена зависит от скорости, на которой судно совершает манёвр, и от радиуса кривизны поворота. Водоизмещающие судна при заходе в поворот кренятся во внешнюю сторону. Глиссирующие же лодки, вследствие динамических особенностей своего движения, накреняются, наоборот, вовнутрь поворотного радиуса.

Слишком резкая перекладка руля на судах с малой остойчивостью может привести к опрокидыванию судна. Кроме того, пассажиры и члены экипажа, не подготовленные к манёвру, могут оказаться за бортом из-за внезапного крена. Поэтому перед заходом в поворот, рулевому следует предусмотреть опасность опрокидывания яхты, а также предупредить находящихся на борту людей о предстоящем манёвре.

Предотвращение крена судна

Как видим, крен является довольно неприятным явлением, способным привести к довольно серьёзным последствиям – выпадению людей за борт, или даже перевороту судна. К слову, переворот возможен не только на борт. В морской истории отмечались случаи переворота судов на полном ходу через нос – как предполагается, именно так погиб знаменитый клипер «Ариэль», победитель «Чайной гонки-1866».

Для предотвращения крена и борьбы с ним, на больших судах устанавливают целые системы выравнивания. В их состав входят водяные цистерны, насосы и баллоны со сжатым воздухом, кингстоны и так далее. Подобные «антикреновые» системы являются частью общей корабельной системы борьбы за живучесть, и позволяют нивелировать возникающие крены и дифференты.

Определение угла крена осуществляется особым прибором – кренометром. Он устанавливается на мостике корабля или в ходовой рубке яхты. Обычно бывает двух видов:

Источник

Киль уменьшающий осадку не снижая остойчивости

В общем, рисунок надо, а то я чёт не въехал.

Весить не весит а давление создает.

Создает, но не увеличивающее остойчивость, а увеличивающее сопротивление дрейфу! «Ватеркиль» аналогичен двум параллельным швертам равной площади. Только вот:

Вощем, ты не обижайся, но идея мертворожденная.

«Создает, но не увеличивающее остойчивость, а увеличивающее сопротивление дрейфу! «Ватеркиль» аналогичен двум параллельным швертам равной площади. Только вот…»
Ayrton

ватеркиль это труба, а шверты это какие не какие, а крылья.

Вобщем какая то сомнительная конструкция.

Рулевой 3-го класса

Уважаемый автор, вы кто по образованию? Вы вообще то изучали физику и гидродинамику?

В вашем варианте у яхты вообше отсутствует остойчивость. Ну или почти отсутствует.
И всё-таки у киля сопротевление дрейфу намного больше чем у вашего изобретения.
P.S. Попробуйте сделать модель и всё сами поймёте.

Основная Ваша беда, помимо всего прочего, что вопрос остойчивости Вы рассматриваете в динамике, тогда как это задача в основном из статики корабля. Остановите Вашу лодку, и расставьте силы, которые действуют в состоянии покоя, и сразу изменится картина мира.

Для начального понимания процесса могу порекомендовать книжечку:
В.Л.Фукельман «Основы гидромеханики и теории корабля», Л. «Судостроение», 71.
Она есть во всех технических библиотеках, и уж точно, в инженерных ВУЗах.

Рулевой 3-го класса

волновое давление
цепляться за воду
укорочено-продольную форму
направление давления
труба имеет меньшую обтекаемость
крыло узкое и длинное, а труба короткая и широкая

Вы видели где ни будь самолет с трубой вместо крыльев. Нет. Правильно такой самолет не взлетит.

Посмотрите на собственные рисунки Г2 и Г3. Если задуматься над гидростатикой этих яхт, то вылезает забавный парадокс:

Г2: Вода занимает объем, в котором должен находиться воздух, поэтому она увеличивает остойчивость.

Г3: Вода и казалось бы вес погружены под воду. На первый взгляд, кажется, что ЦТ смещен вниз и остойчивость должна возрасти. Ан нет! Сила Архимеда, действующая на погруженный в воду танк на 100% уравновешивает вес воды в танке! Поэтому сколь нибудь существенного увеличения остойчивости не возникает!

Ну возникает, конечно, но в размере объема киля заполненного воздухом. Но у нормального киля объем мизерный, поэтому его водоизмещение можно смело игнорировать.

ВМГ, kaa
Не хотелось бы быть сожженным на костре. И все-таки: а) образование архитектурное, б) аргументы типа «почитайте книжки» не подходят. Я для того и воспользовался форумом, что бы получить конструктивную критику или поддержку этой идеи, с соответствующей доказательной базой.

Ayrton
А если так, допустим, что классический киль и труба имеют одинаковый вес. Если согласиться с тем, что труба это фактически два параллельных киля то, как действует динамика на очень узкий и удлиненный киль. И как быть с поперечной планкой. Ведь ставят же на киль горизонтальные крылья.
Вообще как можно добиться уменьшения киля в длине, не прибегая к увеличению массы?

Вообще как можно добиться уменьшения киля в длине, не прибегая к увеличению массы?

—
Посетитель дополнил свое сообщение в [mergetime]1093333969[/mergetime]:
Вот я еще раз себя процитирую:

Основная Ваша беда, помимо всего прочего, что вопрос остойчивости Вы рассматриваете в динамике, тогда как это задача в основном из статики корабля. Остановите Вашу лодку, и расставьте силы, которые действуют в состоянии покоя, и сразу изменится картина мира.

как действует динамика на очень узкий и удлиненный киль. И как быть с поперечной планкой. Ведь ставят же на киль горизонтальные крылья.
Вообще как можно добиться уменьшения киля в длине, не прибегая к увеличению массы?

1. Киль качающийся в поперечной плоскости
2. Бортовые балластные танки

Источник

Дополнительная осадка при движении судна.

При движении судна по мелководью наблюдается увеличение осадки корпуса. Это явление называется просадкой.

Основной причиной возникновения просадки является уменьшение гидродинамических сил поддерживания корпуса судна вследствие увеличения скорости протекания потока между днищем судна и грунтом. Чем меньше расстояние от днища судна до дна и чем больше скорость движения судна, тем больше будет величина просадки (рис.8.3). Кроме того, скорость обтекания днища увеличивается и за счет работы движителей.

При малом запасе воды под днищем (когда V_о ). Вследствие этого гидродинамическая сила поддерживания корпуса Р₁ уменьшается и вызывает образование дифферента судна на корму ( Т_к1 > Т_н1). При дальнейшем уменьшении запаса воды под корпусом движение судна (положение Ш) сопровождается увеличением скорости протекания воды под днищем (V₂ > V₁) и уменьшением сил поддержания (Р₂ Т_к1) и судно получает некоторое общее приращение осадки.

Дальнейшее движение судна в условиях минимальных глубин (положение 1V) и с высокой скоростью характеризуется увеличением общего сопротивления воды движению судна R, образованием большой придонной волны у его кормы и максимальной общей просадкой судна. В этом случае общая осадка судна по миделю Т_ср3 значительно превышает осадку судна при движении по глубокой воде Т_ср0.

Просадка ΔТ зависит от соотношения скорости V, осадки Т судна и глубины судового хода Н, а также от обводов корпуса судна. Она может быть определена методом натурных испытаний или расчетов.

Общее приращение осадки судна ΔТ (в м) при движении на мелководье рекомендуется определять для одиночных судов по формуле А.М.Полунина

ΔТ =( 0,08 + 0,34 ) .(8.3)

h – глубина судового хода, м;

При отношении 1,4 приращение осадки удобно определять по формуле Г.И. Сухомела и В.М.Засса

ΔТ = mV 2 , (8.4)

где m– числовой коэффициент, зависящий от отношения длины судна L к ширине корпуса судна В ( см.табл.8.1);

V— скорость судна, км/ч.;

	m
3.5 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0	0.00380 0.00290 0.00230 0.00200 0.00160 0.00145 0.00126	1.50 1.25 1.10

Наибольшая просадка судна, создаваемая за счет дифферента на корму, определяется по формуле

Где α — коэффициент, приведенный в таблице 8.1;

ΔТ— дополнительная осадка, определенная по формуле 8.4.

Приращение осадки у крупнотоннажных речных судов достигает 60 – 70 см и более.

Для уменьшения просадки при движении судна на мелководье необходимо уменьшать скорость движения на этом участке. Запас воды под корпусом с учетом просадки должен быть не менее предусмотренного Правилами плавания.

Источник