Методы исключения влияния течения и ветра при обработке результатов скоростных испытаний судов

До настоящего времени не существует общепринятой методики исключения влияния волнения, ветра и течения на результаты скоростных испытаний судов. Поэтому рекомендуется следовать практике, введенной еще во второй половине прошлого столетия французскими судостроителями и принятой затем во всем мире, и определять скорость судов в условиях тихой воды при отсутствии волнения и ветра и по возможности при отсутствии течения.

Однако такие идеальные условия проведения испытаний встречаются чрезвычайно редко. Если и оказывается возможным выйти на скоростные испытания при отсутствии волнения, то дождаться безветрия почти невозможно, так же как найти район моря, где бы не было течения. Поэтому судостроители вынуждены проводить скоростные испытания судов, считаясь с неизбежным наличием ветра и течения, влияние которых при обработке результатов скоростных испытаний впоследствии исключается тем или иным способом.

Опубликованные в литературе методы исключения влияния течения и ветра могут быть разделены на две группы.

К первой группе относятся приемы, связанные с непосредственным исключением влияния течения при незначительном ветре. В этом случае используются только данные измерений, проведенных в натурных условиях. К этой группе относится метод скоростных испытаний на нескольких пробегах, совершаемых в противоположных направлениях на мерной линии [25] или под углом 120° друг к другу при измерении скорости судна радиоинтерференционными средствами. При применении этих методов по средней скорости и средней частоте вращения винтов определяют путь судна за один оборот винта
α=v/n
По частоте вращения винтов на каждом пробеге ni и средней частоте вращения п рассчитывают отклонение частоты вращения от средней
Δni = ni — n       (1.52)
Отклонение истинной скорости судна от средней для каждого пробега может быть вычислено  по выражению
Δvi = αΔni(1.53)
Истинная скорость судна составляет при этом
v'i — v + Δvi      (1.54)
и, соответственно, скорость течения
vT = vi — v'i,     (1.55)
В качестве примера в табл. 7 приводится расчет скорости течения на мерной линии Полперро в период прогрессивных испытаний бельгийского теплохода «Любумбаши» 10 января 1954 г. [71]. Приведенные в табл. 7 изменения скорости и направления течения указывают на наличие приливно-отливных течений в районе мерной линии Полперро.

Изложенному методу по существу аналогичен метод, предложенный в последней редакции правил проведения испытаний, разработанных BSRA (Англия) [98]. Согласно этому методу средняя скорость течения может быть вычислена по формуле

где n1, n2 — частота вращения гребных винтов, измеренная на встречных галсах; vs1, vs2 — соответственно скорости относительно земли на этих галсах. К этой же группе примыкают методы, позволяющие исключить не только влияние течения, но также и волнения и ветра, используя только данные натурных измерений. Так, при наличии ветра и волнения, интенсивность которых мало изменяется в процессе испытаний, правилами [98] для расчета скорости течения рекомендуется формула

где Ne1 и Ne2 — соответствующие скоростям vs1 и vs2 на встречных галсах мощности гребного вала. В формуле знак «плюс» принимают в том случае, когда ветер дует по течению, а «минус» — против течения.

Ко второй группе относятся предложенные Тейлором [103], Шенхерром [ 100], Эггертом [8] и рядом других авторов методы, в которых в той или иной мере учитывают результаты модельных испытаний в опытовых бассейнах, а также результаты испытаний моделей гребных винтов. Поэтому такие методы нельзя назвать «чистыми» методами обработки натурных испытаний.

В методах, позволяющих исключить влияние ветра и воздушного сопротивления надводной части судна, используют данные круговых продувок схематизированных моделей надводной части судов и результаты испытаний моделей гребных винтов. Поэтому и в этом случае мы имеем дело не с «чистыми» методами обработки натурных испытаний.

В предложенном Шенхерром методе исключения влияния ветра используются кривые действия винта за корпусом, полученные на основе самоходных испытаний модели, и натурные измерения вращающего момента на гребных валах, частоты вращения винтов, а также относительной скорости и направления ветра. Продувки модели надводной части судна при применений этого метода не требуется.

При наличии упоромеров необходимо измерить также упор винтов. Согласно методике Шенхерра, коэффициенты упора определяют для пробегов судна в противоположных направлениях и строят график кривых изменения коэффициента упора в зависимости от частоты вращения винта. С помощью этого графика можно получить разность величин коэффициентов упора при пробегах по ветру и против ветра при одних и тех же значениях частоты вращения. Эта разность характеризует изменение коэффициента упора под влиянием ветра.

Шенхерр корректирует коэффициент упора в предположении, что При пробегах судна по ветру и против ветра частота вращения винта сохраняется постоянной. На основании полученных данные строят кривые действия винта за корпусом, соответствующие условиям тихой воды. Используя результаты буксировочных испытаний модели в бассейне и сопоставляя с ними полученные данные, можно определить дополнительное сопротивление, обусловленное влиянием ветра.

Аналогичный анализ может быть выполнен с использованием результатов измерений крутящего момента.

Метод устранения влияния течения, предложенный Шенхерром, достаточно сложен. Он основан на использовании параметра, связывающего скорость движения судна относительно воды со скоростью поступательного движения винта. Изменение скольжения винта, вызванное наложением скорости течения на скорость натекания воды на винт, позволяет учесть влияние течения на пропульсивные качества судна. В работе Шенхерра предлагается способ учета изменения скольжения винта только для нерегулярных течений, скорость которых выражается как функция времени.

В методике, разработанной Эггертом, гребной винт используется как динамометр. Зная геометрические элементы гребного винта, установленного на судне, определяют его характеристики по модельным испытаниям в свободной воде, что дает возможность определить скорость движения гребного винта относительно воды. Обычно для определения этой скорости берут среднюю величину скорости судна для группы пробегов, выполненных на одном режиме при заданной частоте вращения.

Разность между средним значением скорости движения судна относительно земли и средней скоростью движения винта относительно воды (с учетом коэффициента попутного потока) используют при расчете скорости течения для данной группы пробегов.

Влияние ветра исключается с помощью метода, основанного на учете изменения эффективной мощности, вызванного воздушным сопротивлением.

В величину скорости судна относительно воды (найденную путем учета изменения эффективной мощности) необходимо ввести поправку, учитывающую влияние ветра. Это позволит сравнить скорость движения судна относительно воды при ветре со скоростью, определенной с помощью метода, основанного на анализе работы винта.

Если из значений средних скоростей движения судна относительно воды при ветре исключить поправку на ветер, то получится скорость, среднее значение которой по данной группе пробегов уже можно сравнивать со скоростью судна, рассчитанной по результатам модельных испытаний.

Краткий обзор перечисленных методов показывает, что в них содержится много условного, поэтому ни один из этих методов не может быть рекомендован для использования при обработке результатов скоростных испытаний судов.

Ниже приводится описание более простого метода Тейлора, позволяющего. исключить из результатов скоростных испытаний влияние ветра и течения. Метод основывается на предположении, что ветер в зависимости от его направления увеличивает или уменьшает сопротивление воды движению судна, а это при заданной частоте вращения винтов влияет на изменение скорости судна и мощности механизмов. В то же время метод учитывает тот факт, что наличие течения не влияет на кривую мощности, построенную в функции от частоты вращения винтов. Поэтому сначала из результатов испытаний исключается влияние ветра, а затем течения.

Сущность метода поясняется на примере обработки результатов испытаний парохода «Клертон» (табл. 8), проведенных 9 октября 1931 г. близ Рокленда (США) на мерной линии длиной в одну морскую милю.

Таблица 8. Результаты испытаний парохода «Клертон»
По данным табл. 8 на рис. 27, а, в построены кривые, характеризующие влияние ветра на скорость судна. Для построения этих кривых необходимо располагать данными обработки результатов круговых продувок надводной части судна. Эти данные можно представить в виде отношения воздушного сопротивления надводной части корпуса при заданном угле атаки к сопротивлению той же надводной части при угле атаки 0° (встречный ветер). Зависимость этого отношения от угла атаки для  судна, близкого по своим элементам к пароходу «Клертон», приведена на рис. 28. При построении этого графика принималось, что абсолютные значения коэффициента k одинаковы при равных углах атаки с носа и кормы. Необходимые вычисления для определения влияния ветра на скорость судна выполнены в табл. 9. В таблице коэффициент k записан со знаком «плюс» при встречных курсовых углах ветра и со знаком «минус» при попутных курсовых углах.

Таблица 9. Расчет влияния ветра на скорость судна

Рис. 27. Результаты скоростных испытаний парохода «Клертон»: I — курс 0°; II — курс 180°; III — при отсутствии ветра; IV — среднее значение скорости.

Кривые зависимости величины kv2a от n, где va — относительная скорость ветра, приведены на рис. 27, б — сплошные линии. Пунктиром на этом же графике показана кривая kv2a для случая безветрия, при этом va принималось равным скорости судна, а k=1,0. Дальнейший расчет мощности механизмов, соответствующей скорости судна при безветрии, приведен в табл. 10. Расчет выполнен в предположении, что кривая мощности при безветрии делит интервал между кривыми мощностей, измеренных при встречном и попутном ветре так же, как кривая скорости судна при безветрии, т. е. пропорционально величине kv2a.

В табл. 11 дается схема расчета истинной скорости судна относительно воды при безветрии.

Рис. 28. Кривая изменения воздушного сопротивления надводной части судна, отнесенного к его значению при нулевом угле атаки ветра.

Таблица 10. Расчет кривой мощности главных двигателей при безветрии

В качестве примера в табл. 12 произведен расчет истинной скорости движения парохода «Клертон» по двум методам: отечественному (без учета влияния ветра) и зарубежному (метод Тейлора). Результаты их сопоставления показывают, что метод Тейлора, по-видимому, целесообразно применять при малых скоростях судна в тех случаях, когда во время испытаний наблюдается относительно большой ветер. На больших скоростях, соответствующих использованию полной мощности механизмов, относительное возрастание сопротивления движению судна, вызванное ветром, незначительно, и им можно пренебречь.

В упомянутых правилах BSRA также даны методы определения скорости течения при ветре. При этом предполагается, что влияние волнения на ходовые качества судна либо не зависит от направления галса, либо незначительно. Мощность на валу судна, необходимая для преодоления ветра, на каждом галсе вычисляется по формуле
где Rветра — дополнительное сопротивление судна, вызванное ветром; v = [v1+v2]/2 — средняя скорость судна, м/с; η — пропульсивный коэффициент, определяемый по результатам модельных испытаний, для данной частоты вращения. При отсутствии данных модельных испытаний величина η может быть оценена по формуле Эмерсона
где n — частота вращения гребных винтов, об/мин. В этих же правилах приведены систематические данные по продувкам в аэродинамической трубе надводных частей судов, необходимые для оценки дополнительного сопротивления, вызванного ветром Rвeтра. По результатам расчетов строят графики ΔNeветра =f(vs). Вследствие влияния течения точки образуют две кривые, каждая из которых соответствует галсу одного направления. Разность этих кривых равна удвоенной скорости течения.

Условность изложенных методов является в основном следствием двух причин. Одна из них вызывается погрешностями, обусловленными тем, что при обработке результатов не учитывается дополнительное сопротивление движению судна. Это сопротивление есть следствие частой перекладки руля при наличии переменного по силе порывистого ветра, оказывающего  различное давление на надводную часть корпуса движущегося судна, или следствие постоянно переложенного на некоторый угол руля при постоянном по силе и направлению ветре, действующем под углом к диаметральной плоскости судна. Другая причина заключается в том, что внесение в результаты натурных измерений данных модельных испытаний принципиально недопустимо, так как при этом не выполняется одна из целей проведения натурных испытаний — получение непосредственно на судне необходимых данных и сравнение их с результатами модельных испытаний.

Метод модельных испытаний судов, учитывающий сопротивление постоянно переложенного руля, в настоящее время разработан и изложен в работе [33].