Колебательные процессы в поплавковых системах

В последние годы Мировой океан получил широкое признание как мощный потенциальный источник жизненно важных для человека естественных богатств. Появление принципиально новых технологических процессов, позволяющих добывать полезные ископаемые из морской водыистощение энергетических ресурсов на суше, что привело к использованию континентальных шельфовых зон в качестве новых районов по добыче нефти и газаувеличение объёма рыболовстваэти и другие проблемы привлекли в последнее время пристальное внимание к исследованию и освоению Мирового океана. В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года поставлена задача обеспечить развитие научных работ по изучению Мирового океана, включая шельф, с целью рационального использования его ресурсов, совершенствования методов прогнозирования погоды и других явлений природы, повышения эффективности мероприятий в области охраны окружающей среды [41]. Кроме того, принято решение развернуть разведивательные работы в прибрежных шельфовых зонах морей с целью поиска месторождений нефти, газа, золота, олова и других полезных ископаемых, а также внедрить новые средства поиска рыбы и расширить исследования сырьевой базы Мирового океана [б4]. Эти задачи ставят на повестку дня ряд технических проблем, одной из которых является разработка эффективных систем сбора океанографической информации, что привело к возни|^новению и быстрому развитию новой науки — океанотехники. Возможность использования такого многообразия приборов позволяет вести многоцелевые исследования для сбора информации об окружающей среде в различных акваториях Мирового океана. Эта информация может быть использована не только для фундаментальных исследований, но и для решения ряда прикладных задач [в, 42, 60]: — составление детального описания климатических условий, сбор подробных статистических данных о возможности возникновения штормовой обстановки, образования ледяного покрова, возникновения и распространения цунами с целью определения районов, наиболее благоприятных для судоходства- - изучение миграции рыбных косяков с целью оценки рыбных ресурсов и выявления районов, наиболее экономически выгодных для рыболовства- - обор данных о характере донных отложений, о направлении и характере морских и океанических течений, необходимых для проектирования и строительства глубоководных портов и приливных гидроэлектростанций- - сбор метеорологических и физико-океанографических данных, необходимых для характеристики определенных районов с целью предсказания ориентировочного порядка проведения исследовательских и разведывательных работ на нефтяных и газовых месторождениях в открытом море- - сбор данных, необходимых при создании проектов глубоководных разработок полезных ископаемых и т. д.Использование автономных автоматических буйковых комплексов- 7 станций, способных нести разнообразную океанографическую исследовательскую аппаратуру, объединение их в единую сеть буйковых станций с использованием спутниковой системы связи позволяет решать многие вопросы по изучению океана и признается одним из наиболее перспективных направлений в мировых океанографических исследованиях. Несмотря на значимость изучения Мирового океана с помощью дрейфующих буйковых станций и проводимые исследования как у нас в стране так и за рубежом в области колебаний буйковых станций, находящихся под воздействием поверхностного волнения моря, всё же: — отсутствует общий подход к наиболее полному математическому описанию колебаний дрейфующих станций под воздействием поверхностного волнения моря с помощью нелинейных дифференциальных уравнений- - не разработана методика эквивалентной замены спектрального описания поверхностного волнения моря его описанием в виде гармонической функции- - недостаточно исследованы вопросы определения численных значений параметров буйковой системы- - отсутствует методика проведения натурных экспериментальных исследований динамики буйковой системы под воздействием поверхностного волнения моря и обработки экспериментальных данных при исследовании колебаний буйковой системы как случайного процесса. Цель представляемой работы заключается в исследовании колебательных процессов в буйковой системе, находящейся под воздействием поверхностного волнения моря, при описании её движения нелинейными дифференциальными уравнениями и определении погрешности, вносимой в расчет амплитуд колебаний буйковой системы при линейной постановке задачи. Научная новизна работы: — 8 — предложено математическое описание движения буйковой системы, находящейся под воздействием поверхностного волнения моря, с помощью нелинейных дифференциальных уравнений- - определены амплитуды колебаний буя и контейнера с измерительной аппаратурой при нелинейной силе гидродинамического сопротивления и нелинейной восстанавливающей силе фала, соединяющего буй и контейнер о измерительной аппаратурой- - на основании спектральных методов расчета и анализа ветровых волн предложены формулы перехода от спектра поверхностного волнения для полностью развитого волнения, моря к основным параметрам волны для спектра Пирсона-Московитца- - путем сравнительного анализа амплитуд колебаний буйковой системы при спектрально-энергетическом и синусоидальном представлении волнения моря определены поправочные коэффициенты, используемые для эквивалентного описания поверхностного волнения моря- - разработана методика проведения натурных испытаний с помощью датчиков ускорения и предложен алгоритм обработки экспериментальных данных при исследовании колебаний буйковой системы, находящейся под воздействием поверхностного волнения моря, представляемого как случайный процесс. Краткая аннотация диссертации. В первой главе приводятся описание конструктивных особенностей поплавковых систем и задачи их исследованиярассматриваются спектральные методы описания ветровых волнприводятся формулы перехода от энергетического спектра поверхностного волнения моря к основным параметрам волны. Во второй главе исследуется динамика буйковой системы, находящейся под воздействием поверхностного волнения моря, описываемого энергетическим спектром и синусоидойпутем сравнения амплитуд колебаний в первом и во втором случаях определяется поправочный коэффициент, исполь^ 9 зуемый при аппроксимации спектрального описания поверхностного волнения моря его описанием в виде синусоидыдается методика определения численных значений коэффициентов гидродинамического сопротивления методом последовательных приближенийприводятся формулы для определения присоединенной массы жидкости. В третей главе исследуются колебания буйковой системы, движение которой описывается нелинейными дифференциальными уравнениями с нелинейной силой гидродинамического сопротивления и нелинейной восстанавливающей силой резиновой нити, изолирующей контейнер с измерительной аппаратурой от фалапо экспериментальным данным методом наименьших квадратов определяется численное значение жесткости резиновой. нити при описании её восстанавливающей силы квадратным двухчленомсравниваются результаты, полученные в предыдущей главе с амплитудами колебаний, полученными. при решении нелинейных дифференциальных уравнений. В четвертой главе излагается методика проведения экспериментальных исследований динамики буйковой системы в условиях поверхностного волнения моряпредлагается алгоритм обработки экспериментальных данныхпроводится сравнительный. анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований, Численные расчеты по основным формулам проводились на ЗВМ «Электроника ДЗ-28» по программам, составленным автором и приведенным в приложении. «1 0.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Проведенными теоретическими исследованиями установлено, что колебания поплавковой системы, под воздействием поверхностного волнения моря, необходимо рассматривать как колебания системы с нелинейным гидродинамическим сопротивлением и нелинейной восстанавливающей силой фала.

2. Предложены нелинейные дифференциальные уравнения движения поплавковой системы, находящейся под воздействием поверхностного волнения моря, которые, как показали результаты натурного эксперимента, достаточно строго описывают сущность данного явления.

3. Установлено, что расчет колебаний поплавковой системы с учетом нелинейности гидродинамического сопротивления и восстанавливающей силы фала позволяет уточнить зону резонанса и найти действительные значения амплитуд, которые оказываются значительно меньше, определяемых при линейной постановке задачи.

4. Предложена методика расчета амплитуд колебаний поплавковой системы, основанная на замене спектрального представления поверхностного волнения моря его описанием в виде гармонической функции и замене двухмассовой системы двумя одномаособыми, которая значительно упрощает расчеты и, как показали результаты натурного эксперимента, не вносит значительных погрешностей в определение численных значений амплитуд колебаний поплавковой системы*.

5. Разработана методика натурного эксперимента по определению параметров колебаний поплавковой системы, основанная на применении низкочастотной виброизмерительной аппаратуры, и методика обработки экспериментальных данных, основанная на использовании спектрально-корреляционного анализа, позволяющие с достаточной точностью (относительная погрешность около 5 $) определить параметры колебаний поплавковой системы, находящейся в условиях поверхностного волнения моря.

6. Установлено, что поверхностное волнение моря, которое наиболее полно описывается энергетическим частотным спектром, при расчете колебаний поплавковой системы целесообразно заменить гармонической функцией. Доказано, что для определения поправочного коэффициента.

Ь0, определяющего эквивалентность такой замены, достаточно знать лишь амплитуду колебаний буя, так как она практически не зависит от амплитуды колебаний контейнера с измерительной аппаратурой и определяется параметрами самого буя и поверхностным волнением.

7. Показано, что использование в поплавковых системах, имеющих связь малой жесткости между буем и контейнером с измерительной аппаратурой, демпферов водоналивного типа позволяет значительно снизить амплитуду колебаний контейнера с измерительной аппаратурой, которая определяет шумы обтекания, создаваемые гидродинамическим потоком при движении контейнера в жидкой среде.

8. Установлено, что при проведении натурного эксперимента, чтобы исключить влияние поверхностного волнения моря непосредственно на заглубленную измерительную аппаратуру, последнюю необходимо рас-пологать на глубине свыше 70 метров, где поверхностное волнение моря практически затухает.

9. Предложенная методика расчета амплитуд колебаний поплавковых систем в нелинейной постановке задачи внедрена в ряде организаций с годовым экономическим эффектом 56,3 тысячи рублей.