Бассейн для модели судна — это бассейн или резервуар , используемый для проведения гидродинамических испытаний с моделями судна с целью проектирования нового (полноразмерного) судна или усовершенствования конструкции судна для улучшения его характеристик в море. Также может относиться к организации (часто компании), которая владеет и управляет таким объектом.
Инжиниринговая фирма выступает в качестве подрядчика для соответствующих верфей и обеспечивает проведение гидродинамических модельных испытаний и численных расчетов для поддержки проектирования и разработки судов и морских сооружений.
Выдающийся английский инженер Уильям Фруд опубликовал ряд влиятельных статей о судостроительных проектах для максимизации 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 для различных размеров корпуса. Он установил формулу (теперь известную как число Фруда ), с помощью которой результаты маломасштабных испытаний могли использоваться для прогнозирования поведения полноразмерных корпусов. Он построил последовательность из 3-, 6- и (показано на рисунке) 12-футовых масштабных моделей и использовал их в буксировочных испытаниях для установления законов сопротивления и масштабирования. Его эксперименты позже были подтверждены в полномасштабных испытаниях, проведенных Адмиралтейством , и в результате первый бассейн для модели корабля был построен за государственный счет в его доме в Торки . Здесь он смог объединить математические знания с практическими экспериментами с таким хорошим эффектом, что его методы применяются и сегодня. [1]
.jpg/1280px-Denny_Tank_(24505547053).jpg)
Вдохновленная успешной работой Фруда, судостроительная компания William Denny and Brothers завершила первый в мире коммерческий пример бассейна для моделирования судна в 1883 году. Объект использовался для испытания моделей различных судов и изучения различных методов движения, включая винты, лопасти и крыльчатые колеса. Эксперименты проводились на моделях стабилизаторов Denny-Brown и судна на воздушной подушке Denny , чтобы оценить их осуществимость. Сотрудники Tank также проводили исследования и эксперименты для других компаний: базирующаяся в Белфасте компания Harland & Wolff решила установить бульбообразный нос на лайнере Canberra после успешных испытаний модели в резервуаре Denny. [2]
Гидродинамические испытательные сооружения, представленные на модельном участке бассейна, включают по крайней мере буксировочный танк , кавитационный туннель и мастерские. Некоторые судовые модельные бассейны имеют дополнительные сооружения, такие как маневренный и мореходный бассейн и ледяной танк .
Буксирный резервуар представляет собой бассейн шириной в несколько метров и длиной в сотни метров, оборудованный буксирной тележкой, которая движется по двум рельсам с каждой стороны. Буксирная тележка может либо буксировать модель, либо следовать за самоходной моделью и оснащена компьютерами и устройствами для регистрации или управления, соответственно, такими переменными, как скорость, тяга и крутящий момент винта, угол перекладки руля и т. д. Буксирный резервуар служит для испытаний сопротивления и тяги с буксируемыми и самоходными моделями судов, чтобы определить, какую мощность должен будет обеспечить двигатель для достижения скорости, указанной в контракте между верфью и судовладельцем. Буксирный резервуар также служит для определения поведения при маневрировании в масштабе модели. Для этого самоходная модель подвергается серии зигзагообразных маневров при различных амплитудах угла перекладки руля. Постобработка данных испытаний с помощью системной идентификации приводит к получению числовой модели для имитации любого другого маневра, такого как спиральный тест Дьедонне или круговые повороты. Кроме того, буксирный танк может быть оборудован PMM ( механизмом плоского движения ) или CPMC (компьютеризированной кареткой плоского движения) для измерения гидродинамических сил и моментов на судах или подводных объектах под воздействием косого притока и вынужденных движений. Буксирный танк также может быть оборудован 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 амплитуды отклика (сокращенно RAO ), которые определяют вероятное реальное поведение судна при движении в море с различными амплитудами и частотами волн (эти параметры известны как состояния моря ). Современные испытательные установки для мореходности могут определять эти статистические данные RAO с помощью соответствующего компьютерного оборудования и программного обеспечения за один тест.
Для исследования винтов используется кавитационный туннель . Это вертикальный водяной контур с трубами большого диаметра. Вверху он несет измерительные приборы. Устанавливается параллельный приток. С моделью судна или без нее винт, прикрепленный к динамометру , вводится в приток, и его тяга и крутящий момент измеряются при различных соотношениях скорости винта (числа оборотов) к скорости притока. Стробоскоп, синхронизированный со скоростью винта, служит для визуализации кавитации, как если бы кавитационный пузырь не двигался. С помощью этого можно наблюдать, будет ли винт поврежден кавитацией. Чтобы обеспечить сходство с полномасштабным винтом, давление понижается, а содержание газа в воде контролируется.
Судомодельные бассейны изготавливают свои модели кораблей из дерева или парафина с помощью компьютеризированного фрезерного станка . Некоторые из них также изготавливают свои гребные винты. Оснащение моделей кораблей всеми приводами и датчиками, а также изготовление оборудования для нестандартных модельных испытаний являются основными задачами мастерских.
Это испытательная установка, которая достаточно широка для исследования произвольных углов между волнами и моделью судна, а также для выполнения маневров, таких как поворотные круги, для которых буксировочный бак слишком узок. Однако некоторые важные маневры, такие как спиральный тест, все еще требуют еще больше места и должны быть смоделированы численно после идентификации системы.
Ледяной танк используется для разработки ледокольных судов , этот танк выполняет те же функции, что и буксировочный танк для судов открытой воды. Сопротивление и требуемая мощность двигателя, а также маневренность определяются в зависимости от толщины льда. Также могут быть определены ледовые силы на морских сооружениях. Слои льда замораживаются с помощью специальной процедуры для уменьшения кристаллов льда до масштаба модели.
Кроме того, эти компании или органы власти имеют программное обеспечение CFD и опыт для численного моделирования сложного потока вокруг судов, их рулей и винтов. Современное состояние дел пока не позволяет программному обеспечению полностью заменить модельные испытания расчетами CFD. Одна из причин, но не единственная, заключается в том, что элементизация все еще дорога. Кроме того, проектирование линий некоторых судов выполняется специалистами судомодельного бассейна либо с самого начала, либо путем оптимизации первоначального проекта, полученного с верфи. То же самое относится к проектированию винтов.
Бассейны для моделирования судов по всему миру объединены в ITTC [3] (Международную конференцию по буксировочным танкам) с целью стандартизации процедур испытаний моделей.
Некоторые из наиболее значимых бассейнов для моделирования судов: