Публикации
Расчет спуска спасательной шлюпки в штормовых условиях
Расчет спуска спасательной шлюпки в штормовых условиях
Hans Jørgen Mørch, CFD Marin and Agder University, Norway.
Sven Enger, Milovan Perić and Eberhard Schreck, CD-adapco.
Главной целью этого партнерства является поддержание лидирующего положения в техники разработки мячей компании Wilson. «Wilson давно понимает значение аэродинамики при разработке высококачественных мячей ...
Сравнение по многим тестам показывает, что решение на сетках из многогранников требует примерно в четыре раза меньше ячеек, в два раза меньше памяти и в 5-10 раз меньше компьютерного времени в сравнении ...
Спасательные шлюпки являются важным компонентом мер безопасности пассажиров и экипажа на кораблях и платформах. Они должны быть сконструированы таким образом, чтобы люди могли быть безопасно эвакуированы. Зто означает что: шлюпка не должна быть повреждена при спуске на воду; шлюпка должна суметь отойти от места спуска на достаточное расстояние до того, как запустит собственные двигатели; и испытываемые людьми ускорения не должны превышать установленной предельной величины.
В прошлом, конструкция спасательных шлюпок проверялась только экспериментом. При этом проводились измерения давления в определенных точках, записывались скорость и ускорение. Однако, из-за наличия огромного числа разновидностей шлюпок и великого разнообразия условий, при которых они используются, число необходимых тестов стало неуправляемым.
Эксперименты оказывались недостаточными и по другим причинам:
-
В моделирующих экспериментах масштабирование должно быть не более чем 1:10, чтобы иметь достаточно большую модель и избежать неблагоприятных эффектов масштабирования. Максимальная высота волны на моделирующем оборудовании не превышают одного метра. Для получения реальных результатов необходимо экстраполировать результаты экспериментов для более низких волн с той же степенью крутизны. Это приводит к дополнительному искажению результатов.
-
Рис:01 Первоначальная форма корпуса (сверху), модификация кормы
( в середине) и модификации и кормы и носа (внизу).
Рис:02 Изменение во времени вертикальной составляющей ускорения, выраженная в количестве g ( 9.8 м/с2) в эксперименте и расчете для передней (слева) и задней (справа) части шлюпки.
Рис:03 Сравнение нормированного максимума значения СAR при полной загрузке плюс 10т балласта для трех форм корпуса полученные в эксперименте (синий) и расчетно (красный) для передней части (front (слева)) и задней части ( rear (справа)) спасательной шлюпки.
Рис:04 Элементы структуры сетки в плоскости симметрии около корпуса и свободной поверхности. Положение шлюпки через 2 сек после начала движения
Рис:05 Распределение давления (слева) и величины скорости в плоскости симметрии вокруг шлюпки через 2 секунды после начала движения ( при наличии ветра).
Рис:06 Распределение давления на поверхности корпуса шлюпки через 1.8 сек (вверху), 1.9 сек (в середине) и 2 сек (внизу) после начала движения ( при наличии ветра). Также показана форма свободной поверхности и область корпуса, покрытая водой
Недавние достижения численной динамики жидкости (CFD) сделали возможным проведение расчет спуска шлюпки на воду полностью и при реалистических начальных и граничных условиях. Моделирование также позволяет исследовать влияние изменения формы корпуса лодки без применения каких-либо физических приближений. То есть стало возможным изучить больший диапазон форм корпуса в различных условиях спуска и найти наиболее оптимальную конструкцию. Метод, описанный здесь, является произведением искусства в области соединения возможностей CFD и CAD инструментов, с использованием решателя для движения твердого тела с 6 степенями свобод, и позволяет оценить эффекты от изменения конструкции лодки при различных условиях спуска. Последние включают ветер, течение, глубину води и профиль волн в любой комбинации. Движение воды и ветер, а также вызванное ими движение лодки рассчитываются согласованно (in a coupled manner).
Поскольку число параметров для оптимизации велико, необходимо чтобы метод расчета был эффективным. Это требует локального измельчения сетки и эффективного управления адаптацией сетки в зависимости от изменения положения лодки при ее движении. Испробовав несколько альтернативных подходов, авторы остановились на методе, который использует перекрывающиеся сетки (overlapping grids). При этом фоновая сетка (background grid) адаптирована под пространственные размеры и внешние границы (такие как форма дна (sea bed), нефтяная платформа или корабль), в то время как накрывающая сетка (overlapping grids) привязана к форме лодке и движется с ней без каких-либо деформаций. Этот метод накладывающихся сеток (overlapping grids) применим без ограничения на движения (включая опрокидывание лодки) и граничные условия (такие как генерация волн) проще для применения, чем в других подходах.
Спасательная шлюпка, сбрасываемая с уступа, проходит три стадии до того, как коснется воды. Первая – ускорение по мере ухода с подставки, которое происходит под действием сил гравитации и трения. Вторая стадия -когда центр тяжести пересечет край подставки (уступа) лодка будет испытывать угловое ускорение под действием момента силы реакции со стороны угла подставки. Этот момент исчезает (третья стадия), когда лодка полностью уйдет с подставки. Начиная с этого момента, лодка ускоряется вниз с почти постоянными горизонтальной и угловой скоростями до момента удара о воду. На ходе этой третьей стадии следует начинать связанный (coupled) расчет движения среды и ее влияния на движение. Начальными условиями для моделирования будут положение центра тяжести относительно поверхности воды и угол дифферента (trim angle). Начальные горизонтальная, вертикальная и угловая скорости также должны быть заданы.
Для того, чтобы доверять данной технологии расчеты, была проведена валидация совместно с компанией Norsafe AS с тем, чтобы определить влияние эффекта изменения формы корпуса на движение лодки и на ускорение, испытываемое ее пассажирами. В ходе этого эксперимента рассматривались три различных формы корпуса: первоначальная, с измененной кормой, и с измененными кормовой и носовой секциями. Результаты экспериментов и расчетов для всех трех форм представлены на Рисунках 02 и 03. Результаты согласуются как качественно так и количественно, отражая влияние изменения формы в той же степени, как и эксперимент. Обычной количественной мерой измерения ускорения является величина CAR. Для всех трех форм ускорения выше в тыльной части, чем в передней. Однако разница становится тем меньше, чем дальшк мы уходим от первоначальной формы лодки. Более того, абсолютное значение СAR уменьшается с каждой модификацией. Корпус с измененной кормовой и носовой частями имеет значение CAR на корме на 20% меньше, чем при первоначальной форме. Уменьшение значение CAR в передней части значительно меньше – порядка 5%.
Проведенные расчеты, таким образом, показывают, что моделирование движения шлюпки с тремя степенями свободы ( две линейных и одна вращение) в полной мере, начиная с момента спуска до выныривания из воды и движения до 40 метров от места спуска, может быть проведено на одном процессоре (то есть на одном ядре многоядерного компьютера) менее чем за день, используя сеточную модель порядка 300 тысяч ячеек.
Валидация, проведенная в условиях спокойной воды, показывает, что данное разрешение по сетке достаточно для того, чтобы различить эффект от изменения формы. Окончательная валидация для оптимизированной формы может потребовать более мелкой сетки и большего числа процессоров для того, чтобы удержать время счета в пределах 1-2 дней.
Это показывает, что использование СFD для изучения нагрузок на элементы лодки и изучения испытываемых людьми ускорений во время входа ложки в воду, является идеальным дополнением к эксперименту, который может быть ограничен проверкой окончательного, оптимизированного варианта. Используя кластер с ста процессорами можно провести тысячи расчетов и оценить результаты в течение нескольких недель.
Рис:07 Предсказанные (рассчитанные) угловое положение (снизу), угловая скорость (в середине) и угловое ускорение (снизу) лодки через 6 секунд после начала спуска при условии отсутствия ветра.
Уцелевшие с Титаника.
Спасательная шлюпка "Collapsible B", смытая с Титаника кверху дном.
После крушения Титаника 15-го Апреля 1912 года, появились требования, чтобы спасательных шлюпок хватало на всех пассажиров на борту. Титаник, с общем грузоподъемностью 46 тысяч тонн имел 20 спасательных лодок, удовлетворял требованиям Board of Trade обеспечить лодками не менее 1060 человек. Спасательные лодки Титаника могли взять 1178 человек при общей вместимости корабля 3330 человек. Требования увеличения количества спасательных шлюпок вызывало недостаток места на палубе даже для прохода пассажиров. Это проблема была решена появлением разборных (collapsible) лодок, некоторое количество которых (лодки Бертона (Berthon) было на Титанике.
-
Полномасштабные эксперименты могут быть проведены только при хорошей погоде с небольшим ветром и небольшой волной, в то время как в реальных условиях высота волны порядка 15 метров и очень сильный ветер. При этом сложно сделать реальную оценку.
-
Моделирующие тесты имеют пределы по предельным размерам лаборатории в сравнении с требованиями реальной высоты волны. При этом спуск шлюпки с уклона, превышающего размеры имеющегося оборудования непрактично и дорогостояще.
-
Модельные и полномасштабные тесты обычно документируются через видео запись. Минимальным является установка датчиков для измерения ускорения на носу и корме и давления в нескольких точках. Соответствующие временной ход ускорения и давления при изменении траектории шлюпки необходимо синхронизовать с выскоскоростной съемкой на камеру.
-
Эксперименты хороши для определения реальных нагрузок на конструкции лодки и людей в ней, но они не обеспечивают достаточной информации для усовершенствования конструкции. Для этих целей необходимо знать распределение давлений и скоростей вокруг корпуса в разных фазах его движения.
