Введение
Водный резервуар, используемый для проведения гидродинамических испытаний. Модельный бассейн – это бассейн или резервуар, предназначенный для проведения гидродинамических испытаний моделей судов с целью проектирования нового судна (полного размера) или улучшения конструкции существующего для повышения его ходовых качеств. Этот термин может также относиться к организации (часто компании), владеющей и эксплуатирующей подобное сооружение. Инженерная компания выступает в качестве подрядчика для судостроительных верфей, предоставляя гидродинамические испытания моделей и численные расчеты для поддержки проектирования и разработки судов и морских платформ.
A ship model basin is a basin or tank used to carry out hydrodynamic tests with ship models, for the purpose of designing a new (full sized) ship, or refining the design of a ship to improve the ship's performance at sea. It can also refer to the organization (often a company) that owns and operates such a facility. An engineering firm acts as a contractor to the relevant shipyards, and provides hydrodynamic model tests and numerical calculations to support the design and development of ships and offshore structures.
История
Известный английский инженер Уильям Фроуд опубликовал серию влиятельных работ по проектированию кораблей для обеспечения максимальной устойчивости в 1860-х годах. Институт военно-морских архитекторов в конечном итоге поручил ему определить наиболее эффективную форму корпуса. Он подтвердил свои теоретические модели обширными эмпирическими испытаниями, используя масштабные модели различных размеров корпуса. Он вывел формулу (ныне известную как число Фроуда), позволяющую использовать результаты испытаний моделей в малом масштабе для прогнозирования поведения корпусов в натуральную величину. Он построил ряд моделей в масштабе 3, 6 и (как показано на рисунке) 12 футов и использовал их в буксировочных испытаниях для определения сопротивления и законов масштабирования. Его эксперименты впоследствии были подтверждены полномасштабными испытаниями, проведенными Адмиралтейством, что привело к строительству первого бассейна для испытания моделей кораблей за государственный счет в его доме в Торквей. Здесь он смог эффективно сочетать математическую теорию с практическими экспериментами, благодаря чему его методы используются до сих пор. Вдохновленная успешной работой Фруда, судостроительная компания William Denny and Brothers в 1883 году завершила строительство первого в мире коммерческого бассейна для испытания моделей кораблей. На этом объекте проводились испытания моделей различных судов и изучались различные методы движителей, включая винты, гребные колеса и лопастные колеса. Испытания проводились на моделях стабилизаторов Denny Brown и судов на воздушной подушке Denny для оценки их целесообразности. Персонал бассейна также проводил исследования и эксперименты для других компаний: компания Harland & Wolff из Белфаста решила установить бульбообразный нос на лайнере Canberra после успешных испытаний модели в бассейне Denny.
Испытательные сооружения
Гидродинамические испытательные комплексы, расположенные на территории модельного бассейна, включают как минимум буксировочный бассейн и кавитационный туннель, а также мастерские. Некоторые модельные бассейны располагают дополнительными сооружениями, такими как бассейн для испытаний маневренности и мореходных качеств, а также ледовый бассейн.
Буксирный бак
Буксировочный бассейн – это резервуар шириной несколько метров и длиной сотни метров, оборудованный буксировочным вагоном, движущимся по двум рельсам с обеих сторон. Буксировочный вагон может буксировать модель или следовать за самоходной моделью и оснащен компьютерами и устройствами для регистрации или управления, соответственно, такими параметрами, как скорость, тяга и крутящий момент гребного винта, угол руля и т.д. Буксировочный бассейн используется для проведения испытаний сопротивления и движению с буксируемыми и самоходными моделями судов, чтобы определить, какая мощность потребуется двигателю для достижения скорости, указанной в контракте между верфью и судовладельцем. Буксировочный бассейн также служит для определения маневренных характеристик в масштабе модели. Для этого самоходная модель подвергается серии зигзагообразных маневров с различными амплитудами угла руля. Последующая обработка данных испытаний с использованием системной идентификации позволяет создать численную модель для имитации любых других маневров, таких как спиральный тест Дюдонне или описания виражей. Кроме того, буксировочный бассейн может быть оснащен ПММ (механизмом плоскостного движения) или CPMC (компьютеризированным механизмом плоскостного движения) для измерения гидродинамических сил и моментов, действующих на суда или подводные объекты под воздействием косого потока и заданных движений. Буксировочный бассейн также может быть оснащен генератором волн для проведения испытаний на мореходность, либо путем моделирования естественных (нерегулярных) волн, либо путем воздействия на модель волнового пакета, который дает набор статистических данных, известных как операторы амплитудно-частотной характеристики (RAO), определяющих вероятное поведение судна в реальных морских условиях при различных амплитудах и частотах волн (эти параметры известны как состояния моря). Современные стенды для испытаний на мореходность могут определять статистику RAO с помощью соответствующего компьютерного оборудования и программного обеспечения в ходе одного испытания.
Кавитационный туннель
Кавитационный туннель используется для исследования пропеллеров. Это вертикальный водяной контур с трубами большого диаметра. В верхней части расположены измерительные приборы. Обеспечивается параллельный подвод потока. С моделью судна или без нее, пропеллер, закрепленный на динамометре, помещается в поток, и его тяга и крутящий момент измеряются при различных отношениях скорости вращения пропеллера к скорости потока. Стробоскоп, синхронизированный с частотой вращения пропеллера, позволяет визуализировать кавитацию так, будто пузырьки кавитации неподвижны. Это позволяет наблюдать за возможным повреждением пропеллера кавитацией. Для обеспечения подобия полноразмерному пропеллеру давление понижается и контролируется газонасыщенность воды.
Семинары
Судовые модельные бассейны изготавливают модели кораблей из дерева или парафина с помощью компьютеризированных фрезерных станков. Некоторые из них также производят модели пропеллеров. Основными задачами мастерских являются оснащение моделей кораблей всеми приводами и измерительными приборами, а также изготовление оборудования для нестандартных испытаний моделей.
Маневровой и морской бассейн
Это испытательный комплекс, достаточно широкий для исследования произвольных углов между волнами и моделью судна, а также для выполнения маневров, таких как циркуляции, которые невозможно выполнить в буксировочном бассейне из-за его недостаточной ширины. Однако для некоторых важных маневров, например спирального испытания, требуется еще больше пространства, и их по-прежнему приходится моделировать численно после идентификации системы.
Резервуар для льда
Для разработки ледокольных судов используется криобассейн, выполняющий аналогичные функции, что и буксировочный бассейн для судов открытого плавания. Сопротивление, необходимая мощность двигателя и маневренные характеристики определяются в зависимости от толщины льда. Также возможно определение ледовых нагрузок на морские платформы и сооружения. Ледяной покров формируется по специальной технологии, позволяющей уменьшить размер кристаллов льда до модельного масштаба.
Программное обеспечение
Кроме того, эти компании или организации располагают программным обеспечением для вычислительной гидродинамики (CFD) и опытом численного моделирования сложного обтекания судов, их рулей и гребных винтов. Современный уровень развития технологий пока не позволяет полностью заменить натурные испытания моделей расчетами с использованием CFD. Одна из причин, но не единственная, заключается в том, что дискретизация расчетной сетки остается дорогостоящей. Также разработку обводов некоторых судов выполняют специалисты судостроительного бассейна, либо изначально, либо путем оптимизации предварительного проекта, полученного от верфи. То же самое относится и к проектированию гребных винтов.