Порядок выполнения работы:

1. Осуществить питание лабораторной установки водой и, при необходимости, выполнить измерение глубины воды на пороге верхней головы и в камере шлюза (по аналогии с п.1 работы №1).Измерение осадки и расстояния от носа судна до верхних ворот выполняется при уровне верхнего бьефа. Сначала осуществляется равномерная загрузка судна твердым балластом, а затем специальным шаблоном измеряется осадка его носа и кормы и мерной лентой – расстояние L_к;

2. Выполнить тарировку прибора, используемого для измерения продольной гидродинамической силы.

Гидродинамическое воздействие неустановившегося потока воды на шлюзуемое судно в камере носит очень сложный характер и может быть выражено двумя основными составляющими: волновой силой , которая в ряде случаев является преобладающей по величине, и силой сопротивления, главным образом, силой трения воды о корпус судна

, кН (9)

где - местная составляющая гидродинамической силы.

При совершенных гасительных устройствах верхней головы шлюза, обеспечивающих равномерное распределение скоростей по глубине воды в камере, эта составляющая силы близка к нулю.

Знак (+) и (-) в формуле (9) указывает направление действия силы: соответственно, прямое (направленной от верхней головы к нижней) или обратное (от нижней головы к верхней).

Для измерения гидродинамической силы в лабораторных условиях могут использоваться приборы, фиксирующие суммарную величину силы или отдельные ее составляющие. По принципу работы их можно разделить на приборы механического и электрического действия.

Наиболее совершенным прибором электрического принципа действия является кольцевой тензометрический датчик усилий. Схема швартовки судна и прибора для измерения гидродинамической силы представлены на рис. 3. Основным элементом прибора является стальное кольцо с тщательно наклеенными на него тензометрами. Для измерений растягивающих и сжимающих деформаций кольца используются проволочные тензометры сопротивлением от 200 до 500 Ом, собранные по мостовой схеме. Сигналы, поступающие от датчика через усилитель, регистрируются на бумагу осциллографа или самописца.

Для установления связей деформаций кольца с величинами действующих на судно гидродинамических сил перед началом опыта производится статическая тарировка датчика. Для этого к судну, находящемуся в невозмущенном состоянии при уровне верхнего бьефа, через блочок закрепляется нить с подвеской (рис. 4, а) на которую устанавливаются грузы (разновески). Грузы укладываются на подвеске нарастающим итогом и их влияние на деформации стального кольца оцениваются по отклонениям луча гальванометра “δ” или пера самописца от первоначального положения. Тарировка выполняется как по прямым, так и по обратным силам, а характер тарировочных кривых (рис. 4, б) имеет, как правило, линейный характер.

Измерения гидродинамических сил тензометрическим датчиком усилий производится с достаточно высокой точностью, которая зависит от характеристики аппаратуры, надежности работы датчика, отсутствия за

Рис. 3. Схема швартовки судна и прибора для измерения гидродинамической силы

метных искажений, вносимых в поле измерения случайными процессами и других причин.

Величина волновой составляющей гидродинамической силы может быть получена косвенным путем посредством измерений продольных уклонов (дифферентов) судна. Величина силы в этом случае определяется как произведение уклона на водоизмещение судна W:

, кН (10)

где , кН; - плотность воды;

δ=0,80 – 0,85 - коэффициент полноты водоизмещения.

Для измерения продольных дифферентов судна используются уклономеры различной конструкции и принципа действия. Наиболее простую конструкцию имеет уклономер (рис.5), принцип работы которого основан на перемещении пузырька цилиндрического уровня типа АЦР-60. Уровень имеет цену деления 54 с, что в пересчете на уклон составляет 0,262·10^-3, точность уровня 5 с (0,243·10^-4). Изображения краев пузырька, перемещающегося при наклонениях судна, цена деления уровня, а также изображения сигналов контактного отметчика времени фиксируется на фотобумаге прибора.

Уровенный уклономер в настоящее время широко используется при выполнении исследований как в лабораторных, так и в натурных условиях. К недостаткам прибора следует отнести инерционность пузырька уровня и малую его точность.

3. Произвести измерения действующих на судно гидродинамических сил в процессе наполнения камеры шлюза, выполнить обработку опыта с целью определения величин прямых и обратных сил и проанализировать характер их изменения.

После загрузки судна твердым балластом и тарировки датчика усилий необходимо осуществить опорожнение камеры, произвести настройку регистрирующей аппаратуры и установить заданный режим открытия затвора наполнения камеры. Включение регистрирующей аппаратуры производится несколько раньше (примерно на 0,5÷1 мин.) включения на подъем затвора наполнения. Это необходимо для того, чтобы на бумаге регистрирующей аппаратуры был четко зафиксирован “0” графика изменения гидродинамической силы . В процессе опыта измеряется также полная высота и время подъема затвора. После окончания опыта, при необходимости, требуется проявление фотобумаги регистрирующих приборов, а затем выполняется обработка опыта и анализ величин действующих на судно гидродинамических сил.

При обработке осциллограммы сил снимаются наиболее характерные их пики, которые имеют наибольшие значения по величине и достаточно хорошо прослеживаются в опытах. Обычно рассматриваются значения первого пика прямой и максимальные пики прямой и обратной гидродинамических сил.

Анализ опытных кривых изменения гидродинамических сил показывает, что они имеют сложный характер, определяемый волновыми процессами в камере шлюза (рис. 6, а). В связи с этим, при обработке осциллограмм сил необходимо различать возможные типы их колебаний для того, чтобы исключить погрешности, связанные со случайными процессами в камере шлюза (рывки, вибрация, навалы судна на стенки и т.п.).

При анализе осциллограммы сил можно выделить следующие основные колебания гидродинамических сил:

• Изменения сил большого периода, в течение которого они меняют направления действия с прямого на обратное. Эти колебания вызваны изменениями прямых и обратных уклонов поверхности

Рис.6. Опытная кривая изменения гидродинамических сил (а) и уклонов (б) (лаборатория)

воды в камере в зависимости от изменения - прямой уклон, - обратный уклон.

• Изменения сил малого периода, обусловленные распространением длинной волны в камере шлюза и ее отражениями от носа, кормы судна, верхних и нижних ворот. Период этих колебаний определяется по формуле:

, с (11)

где - периоды колебаний, соответственно, на участке перед носом судна, в пределах судна и за кормой судна;

– расстояние от кормы судна до нижних ворот, м;

– скорости распространения длинных волн в пределах судна и на свободных от судна участках камеры.

; (12)

Здесь —площадь погруженной части судна по миделю;

—коэффициент, учитывающий полноту обводов судна.

• Изменения сил с периодами, близкими с периодам собственных колебаний судна Т_С. Это очень сложный вид колебаний, связанный с собственными колебаниями самого судна в совокупности с системой его швартовки в камере, включающий датчик силы и его электрическую схему. Период собственных колебаний судна определяется выражением:

, с (13)

Здесь I_в – момент инерции массы судна относительно его ватерлинии;

WH – коэффициент продольной остойчивости судна.

При обработке осциллограмм колебания сил типа Т_С, ввиду их малости, исключаются из рассмотрения путем осреднения, которое обычно выполняется для участков, где снимаются наиболее характерные значения прямых и обратных сил.

Волновой характер записей наблюдается и при измерениях продольных дифферентов судна (рис. 6,б). величина уклонов судна для характерных пиков определяется умножением цены деления пузырька уровня (Ц = 0,26·10^-3) на число делений n, отсчитываемое от горизонтального положения уровня “0” до каждой характерной точки на дифферентограмме.

(14)

Величина силы определяется по формуле (10) как произведение уклона на водоизмещение судна.

Результаты лабораторных опытов по определению действующих на судно гидродинамических сил, пересчитанные для натуры, заносятся в табл. 2.

Таблица 2

Результаты лабораторных опытов

№ опыта	Скорость подъема затвора .,м/с	Водоизмещение судна W, кН	Положение в камере L1, м	Гидродинамическая сила и время ее наступления			Расчетные значения сил, кН		Периоды колебания сил, Тк, с
				прямая		обратная	по ф-ле (15)	по ф-ле (16)	опыт	Расчет по ф-ле (11)
				Р1	Рмах	Рмах
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11

Опытные значения гидродинамических сил (столбцы 5-7) сравнивают с их расчетными значениями: допустимой величиной гидродинамической силы, определяемой по формуле:

, кН; (15)

и значением первого пика прямой силы

, кН (16)

Здесь — величина скоса порога.

Полная площадь водопропускного отверстия определяется по формуле (8), а коэффициент расхода системы наполнения принимается по результатам выполнения работы № 2. Время наступления первого пика прямой гидродинамической силы приближенно можно определить по выражению:

, с (17)

В последних столбцах табл. 2 приводятся значения периодов колебаний гидродинамических сил: среднее опытное значение (10) и расчетное (11).

Результаты исследований и основные выводы

1. Объяснить принцип действия прибора, используемого для определения величины гидродинамической силы.

2. Сравнить значения опытных и расчетных сил и дать объяснение их расхождениям.

3. Объяснить характер изменения гидродинамической силы в лабораторных опытах.

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ,

ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ШЛЮЗУЕМЫЕ СУДА, ОТ ВОДОИЗМЕЩЕНИЙ СУДОВ

Целью работы является установление зависимости величин гидродинамических сил, действующих на суда при наполнении (опорожнении) камер судоходных шлюзов, от водоизмещений судов.

Исходные данные:

1. Модель судоходного шлюза в масштабе λ=30;

для модели для натуры

2. Длина камеры шлюза L_к=______м, L_к=______м;

3. Ширина камеры шлюза В_к=______м, В_к=_____м;

4. Начальная глубина воды в камере h_к=______м, h_к=______м

5. Напор на пороге верхней головы Н_n=______м, Н_n=______м;

6. Напор воды на камеру Н_к=______м, Н_к=______м;

7. Полная высота подъема затвора h_з.n=_____м, h_з.n=_____м;

8. Полное время подъема затворов t_з.п=_____м, t_з.п=______м;

9. Угол наклона ножа затвора α=35⁰, α=35⁰;

10. Площадь поперечного сечения

камеры при уровне нижнего бьефа F_К=_______м², F_К=_______м²;

11. Размеры расчетного судна:

длина l_с=________м, l_с=_________м;

ширина b_c=________м, b_c=________м;

осадка S₁=________м, S₁=________м;

S₂=________м, S₂=________м;

S₃=________м, S₃=________м;

12. Водоизмещение судна W₁=_______кГс, W₁=______кН;

W₂=______ кГс, W₂=______кН;

W₃=______кГс, W₃=______кН;

13. Расстояние от носа судна до

верхних ворот L_i=________м, L_i=________м;

14. Коэффициент расхода системы

питания при полностью поднятом

затворе =_________