5. Pochodne hydrodynamiczne sił na kadłubie
5.3. Oscylator ruchu płaskiego (Planar Motion Mechanism - PMM)
Metodę generowania ruchu za pomocą oscylatora ruchu płaskiego, mierzenia sił hydrodynamicznych oraz analizy wyników przedstawili szczegółowo w swoich pracach m.in. Abkowitz (1964) oraz Strøm-Tejsen i Chislett (1966).
Procedury przeprowadzania prób modelowych za pomocą oscylatora ruchu płaskiego oraz opis wymagań dotyczących basenu modelowego, oscylatora, modelu oraz samej techniki pomiarowej i analizy wyników uzyskanych z prób opisane zostały w szczegółach również przez ITTC (1996, 1999).
Podczas prób na oscylatorze ruch modelu zablokowany jest zazwyczaj we wszystkich stopniach swobody poza nurzaniem i przegłębianiem, a model holowany jest względem ściśle zdefiniowanej i znanej w każdym momencie sinusoidalnej trajektorii.
Podczas kolejnych prób następuje zmiana parametrów ruchu bądź ustawień urządzeń sterowych. W pierwszym etapie różnicuje się jeden parametr i opisuje wynikowe siły i momenty w funkcji tego parametru. Kolejny krok polega na zmianie dwóch parametrów, a gdy zmierzone siły i momenty różnią się od superpozycji sił i momentów z przypadków jednoparametrycznych, to różnica ta jest wyrażana w funkcji dwuwymiarowej zależnej od dwóch aktualnie zmienianych parametrów. Są to tzw. siły sprzężone.
Próby na oscylatorze dzielą się na próby statyczne i dynamiczne. Za pomocą prób statycznych określić można zależność sił hydrodynamicznych od kąta dryfu, kąta wychylenia urządzeń sterowych lub kombinacji kątów dryfu i urządzeń sterowych. Próby dynamiczne służą do określenia zależności sił i momentów hydrodynamicznych od przyspieszeń wzdłużnego i poprzecznego oraz zależności sił sprzężonych od kombinacji prędkości liniowych i obrotowej. Próby dynamiczne pozwalają na określenie zależności sił hydrodynamicznych w próbach czystego myszkowania i czystego kołysania burtowego. Siły sprzężone mogą zostać określone z prób myszkowania z dryfem, myszkowania z wychylonym urządzeniem sterowym oraz kombinacji tych prób.
5.3.1. Próby statyczne
Do prób statycznych zaliczyć można próbę oporu oraz holowanie w dryfie. Z próby oporu uzyskuje się pochodne hydrodynamiczne zależne od prędkości wzdłużnej. Próby przeprowadzane są dla prędkości bliskiej prędkości początkowej przewidywanego do symulacji manewru.
Schemat holowania w dryfie pokazany jest na Rysunku 5.3. Próba holowania w dryfie wykorzystywana jest do określania pochodnych hydrodynamicznych zależnych od prędkości poprzecznej. Dryf modelu w poszczególnych przebiegach zmieniany jest w zakresie kątów przewidywanych z prób modelu swobodnego, najczęściej do 30°, a prędkość holowania zasadniczo zmniejszana jest z rosnącym kątem dryfu.
Rysunek 5.3 Schemat próby statycznej
5.3.2. Próby dynamiczne
Oscylator ruchu płaskiego wykorzystywany w Centrum Techniki Okrętowej S.A. jest typowym urządzeniem tego rodzaju o możliwych do uzyskania parametrach ruchu mieszczących się w środkowym przedziale zakresu podobnych urządzeń. Maksymalna możliwa do uzyskania amplituda ruchu wynosi 1,0 m.
Nastawy oscylatora powinny być tak dobrane, aby parametry ruchu modelu, takie jak prędkości poprzeczne, kąty dryfu oraz prędkości kątowe, pokrywały zakres tych parametrów podczas prób cyrkulacji i prób stateczności kursowej. Przy ustalaniu parametrów ruchu podczas prób dynamicznych należy bezwzględnie przestrzegać kilku wskazówek, których niespełnienie w sposób znaczny może wpłynąć na wyniki pomiarów. Zestaw takich wskazówek podali np. Vantorre (2000) oraz Vantorre i Eloot (1997). Dotyczą one ograniczenia związanego z długością basenu holowniczego, zakresu ruchu poprzecznego związanego z oddziaływaniem ścian basenu oraz efektów niestacjonarnych, takich jak
rezonans basenu, fala generowana przez ruch poprzeczny i wzdłużny modelu, a także efektu pamięci, gdy rufa wpływa w ślad hydrodynamiczny dziobu.
Oznaczając:
c - liczba oscylacji na długości basenu, lT - długość użytkowa basenu,
to ze względu na ograniczenie długości basenu spełniony powinien być warunek:
π ′ω′
ze względu na falę generowaną przez ruch modelu konieczne jest, aby:
25
oraz ze względu na efekt pamięci spełniony powinien być jeden z warunków:
<3
ω′ , dla prób czystych oscylacji poprzecznych,
<4
ω′ , dla prób czystego myszkowania. (5.3)
5.3.2.1. Próba czystych oscylacji poprzecznych
Podczas próby czystych oscylacji poprzecznych, które są skutkiem oscylacji dziobu i rufy modelu w tej samej fazie określa się masę wody towarzyszącej na kierunku poprzecznym oraz pochodne hydrodynamiczne zależne od prędkości poprzecznej. Schemat próby przedstawiony jest na Rysunku 5.4.
Rysunek 5.4 Schemat próby czystych oscylacji poprzecznych
5.3.2.2. Próba czystego myszkowania
Próba czystego myszkowania przeprowadzana jest w celu wyznaczenia pochodnych hydrodynamicznych zależnych od prędkości kątowej i przyspieszenia kątowego. Obrót modelu dostosowany jest do holowania w ten sposób, że oś symetrii modelu jest w każdym momencie styczna do trajektorii, tzn. prędkość poprzeczna oraz dryf są zawsze równe zero.
Schemat próby czystego myszkowania pokazany jest na Rysunku 5.5.
Rysunek 5.5 Schemat próby czystego myszkowania
5.3.2.3. Próba myszkowania z dryfem
W związku z tym, że podczas cyrkulacji statek zawsze płynie z pewnym kątem dryfu konieczne jest ustalenie sprzężonych pochodnych hydrodynamicznych zależnych od prędkości kątowej i poprzecznej. Jest to możliwe przy pomocy próby myszkowania z dryfem, przedstawionej na Rysunku 5.6, której zasada jest identyczna jak próby czystego myszkowania, z tym że model podczas całego przejazdu porusza się ze stałym kątem dryfu.
Rysunek 5.6 Schemat próby myszkowania z dryfem
W Tabeli 5.1 przedstawiłem pochodne hydrodynamiczne wykorzystane w modelu matematycznym sił i momentu generowanego na kadłubie i próby, z których są otrzymywane.
Tabela 5.1 Pochodne hydrodynamiczne otrzymane z poszczególnych prób
Rodzaj próby Otrzymane pochodne hydrodynamiczne
Próba oporu X ′uu
Statyczne holowanie w dryfie X ′ , vv X ′ , vvvv Y ′ , v Y′ , vvv N′ , v N ′vvv Czyste oscylacje poprzeczne Yv&′ , Nv&′
Czyste myszkowanie Xu′ , & X ′rr, Y′r , Y′rrr, Yr&′, N′r, N′rrr, Nr′&
Myszkowanie z dryfem X ′ , vr Y′ , vvr Y′ , vrr N ′ , vvr N′vrr
Schemat wykorzystanego w projekcie badawczym oscylatora ruchu płaskiego zamieszczony jest w Załączniku B, a przebieg prób na Zdjęciach 5.1 i 5.2. Szczegółowy plan prób
wykonanych na oscylatorze ruchu płaskiego w trakcie trwania projektu przedstawiłem w Załączniku C do pracy.
Zdjęcie 5.1 Model M737 pod oscylatorem ruchu płaskiego (zdj. CTO S.A.)
Zdjęcie 5.2 Model M737 podczas próby czystego myszkowania (zdj. CTO S.A.)