close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование метода расчета гидродинамического сопротивления плоской рыболовной сети при поперечном обтекании

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Бояринова Наталья Алексеевна
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЛОСКОЙ
РЫБОЛОВНОЙ СЕТИ ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ОБТЕКАНИИ
05.18.17 Промышленное рыболовство
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Калининград – 2015
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность избранной темы. Коэффициент гидродинамического
сопротивления плоских рыболовных сетей в механике орудий лова является
одним из основных параметров, который входит в эмпирические зависимости
для определения силы сопротивления сетного полотна, имеющего различные
геометрические формы и расположенного под произвольным углом к
набегающему потоку воды. Наиболее исследованной к настоящему времени
является автомодельная область сопротивления, наименее – переходная область
при числах Рейнольдса менее 150. Экспериментальные исследования для
уточнения и получения новых значений коэффициента в переходной области
сопротивления не потеряли актуальности. Эксплуатация различных орудий
рыболовства происходит в широком диапазоне чисел Рейнольдса от линейной
зоны сопротивления до автомодельной, поэтому назрела необходимость
провести анализ уже имеющихся формул для уточнения их использования по
критерию Рейнольдса.
Степень
разработанности
темы.
Большая
часть
орудий
лова
представляет собой сетные конструкции. Все объячеивающие орудия лова, к
которым относятся ставные, плавные, дрифтерные и обкидные сети при вылове
рыбы располагают в водоемах перпендикулярно течению. В результате при
обтекании сетного полотна возникает сила гидродинамического лобового
сопротивления,
направление
которой
совпадает
с
вектором
скорости
набегающего потока воды. Определению силы лобового сопротивления
посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых, а именно,
Ф.И. Баранова, А.И. Трещева, Н.Т. Сенина, К.Л. Павлова, А.Л. Фридмана,
М.М. Розенштейна, Ю.А. Данилова, А.А. Недоступа, М. Tauti, Н. Miyamoto,
К. Yamamoto.
Цель и задачи исследования. Разработать усовершенствованную методику
и алгоритм расчёта силы лобового гидродинамического сопротивления плоской
рыболовной сети при установившемся движении воды во всем диапазоне чисел
Рейнольдса, соответствующих условиям эксплуатации орудий лова.
3
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
разработать
-
методику
экспериментального
определения
гидродинамических коэффициентов сопротивления плоской рыболовной сети
при
поперечном обтекании
в переходной области
сопротивления при
установившемся движении в лабораторной установке, спроектированной автором
работы;
- разработать методику обработки экспериментальных данных для
получения
величин
гидродинамических коэффициентов при
поперечном
обтекании плоских сетей, базирующуюся на теории случайных функций;
- на основании полученных математических зависимостей разработать
полуэмпирическую
модель
и
алгоритм
расчета
коэффициентов
гидродинамического сопротивления плоской рыболовной сети при поперечном
обтекании во всем диапазоне чисел Рейнольдса.
Научная новизна работы:
-
с
помощью
гидродинамических
лабораторной
коэффициентов
установки
лобового
получены
сопротивления
значения
плоских
рыболовных сетей при поперечном обтекании в переходной области
сопротивления при скоростях движения менее 0,1 м/с, что соответствует
числам Рейнольдса Re < 150;
- с помощью теории случайных функций проведен анализ всей доступной
экспериментальной информации, включая данные, полученные автором работы
и другими исследователями, и определены уточненные эмпирические
константы в зависимостях для этих же коэффициентов в функции от двух
контролируемых параметров, а именно, числа Рейнольдса и сплошности сети
во всем диапазоне чисел Рейнольдса;
- на базе полуэмпирической модели разработан алгоритм расчета силы
гидродинамического сопротивления плоской сети при поперечном обтекании.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в
создании полуэмпирической модели (стандартной кривой сопротивления) и
алгоритма определения гидродинамического сопротивления плоской рыболовной
сети при поперечном обтекании во всем диапазоне чисел Рейнольдса, которые
4
могут
быть
применены
в
проектной
практике
для
расчета
сил
гидродинамического сопротивления рыболовных сетей.
Методология и методы диссертационного исследования. Достоверность
результатов исследований обеспечивается применением основополагающих
принципов и методов физики, механики, теории вероятности и математической
статистики.
Результаты,
полученные
автором,
экспериментальные
и
теоретические в основном согласуются с опубликованными данными других
исследователей.
Положения, выносимые автором на защиту:
- методика экспериментального определения силы гидродинамического
сопротивления плоской рыболовной сети при поперечном обтекании на
лабораторной установке в диапазоне чисел Рейнольдса Re < 150 и полученные
значения коэффициентов лобового сопротивления плоской рыболовной сети в
зависимости от двух контролируемых в эксперименте факторов (сплошности
сети и числа Рейнольдса);
- полуэмпирическая модель (стандартная кривая сопротивления) для
коэффициента
лобового
сопротивления,
построенная
по
уточненным
эмпирическим зависимостям в практически значимом для промышленного
рыболовства диапазоне чисел Рейнольдса;
- алгоритм расчета силы гидродинамического сопротивления плоской
рыболовной
сети
при
поперечном
обтекании
с
использованием
полуэмпирической модели.
Степень достоверности и апробации результатов подтверждается
шестикратным
повторением
каждого
опыта,
воспроизводимостью
экспериментальных данных и их статистической обработкой по теории
случайных функций. Результаты работы внедрены в учебный процесс подготовки
бакалавров
дисциплины
направления
«Механика
«Промышленное
орудий
рыболовство»
рыболовства».
при
Апробация
изучении
работы
осуществлялась в виде докладов на Международных научных конференциях
«Инновации в науке и образовании – 2009, 2010, 2011, 2012» (Калининград);
Международной научно-практической конференции, посвященной 85-летию со
дня рождения заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации
5
Фридмана Александра Львовича и 95-летия со дня основания кафедры
Промышленного рыболовства (Калининград, 2010); Международной научнопрактической
конференции,
посвященной
125-летию
со
дня
рождения
заслуженного деятеля науки и техники РСФСР Баранова Федора Ильича
(Калининград, 2011); ХII Международной научной конференции «Инновации в
науке, образовании и бизнесе - 2014»; 11th International Workshop Methods for the
Development and Evaluation of Maritime Technologies (Rostock, October 9-12, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликована 31 работа, из них 3 в
научно-практическом и производственном журнале «Рыбное хозяйство»,
включенного в перечень ВАК Минобрнауки России. Зарегистрированы два
патента на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,
пяти глав, заключения, библиографического списка, четырех приложений.
Общий объем работы составляет 134 страницы машинописного текста, 43
рисунка, 24 таблицы. Список использованных источников состоит из 98
названий, из которых 8 принадлежат иностранным авторам.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении отражены аспекты актуальности темы, перечень задач,
решаемых автором в работе; научная новизна и практическая ценность
результатов.
В первой главе выполнен анализ экспериментальных методов и
эмпирических формул для определения силы лобового гидродинамического
сопротивления плоских сетей.
В настоящее время для вычисления силы лобового сопротивления
используется коэффициент Сх определяемый по обобщенной формуле,
неоднократно
использованной
А.Л.
Фридманом,
М.М.
Розенштейном,
А.А. Недоступом и другими авторами
v   Re
 2F 
n
C X  A 0   A Re  ; Re  

,

2 F0
 Re 
n
(1)
где Rе – число Рейнольдса, вычисляемое по гидравлическому размеру ячеи ,
F0 – сплошность сетного полотна.
6
Наиболее известными вариантами формулы (1) являются следующие
 2F 
C X  3 0 
 Re 
0 , 07
 2F 
С X  16 0 
 Re 
- формула Фридмана-Данилова.
(2)
0 , 28
 2F 
С X  4,2 0 
 Re 
- формула Kawakami.
(3)
- формула Yamamoto.
(4)
0,18
Эмпирические формулы имеют одну и ту же структуру, но числовые
константы в них различны. При вычислении коэффициентов Сх не всегда
получаются одни и те же значения. В этой же главе проведен анализ скоростей
течений в прибрежной зоне морей и рек Дальнего Востока и Балтики и
установлено, что ставные орудия лова эксплуатируются при скоростях потока
воды от v = 0,01 - 1,8 м/с. В конце главы сформулированы задачи исследования
и пути их решения.
Вторая глава посвящена экспериментальной лабораторной установке,
спроектированной
автором
работы
для
определения
коэффициента
сопротивления Сх, формированию методики эксперимента и получению
первичной экспериментальной информации. Тип установки – гравитационный с
использованием принципа действия известной машины Атвуда. Схема
установки приведена на рисунке 1. Установка включает в себя: резервуар с
водой 1, поперечную связь 2 с направляющими роликами 3, рамку 4 с сеткой 5,
шайбу 6, гибкую нить 7, съемный груз переменной массы 8. На дно резервуара
рамка с сеткой опускается под действием собственного веса. Для поднятия
рамки из резервуара к нити подвешивались дополнительные мерные грузы.
Время подъема измерялось электронным секундомером. Расчетом определяли
значения силы сопротивления пустой рамки и рамки с сетным образцом.
Последующими расчетами влияние оснастки
на величину силы лобового
сопротивления сетки исключали. Пустая рамка и рамка с сеткой для
поперечного перемещения сетного образца в воде показана на фотографиях
рисунка 2. На фото видны проушины, к которым крепилась гибкая связь со
стопорной шайбой. Проушины были нужны для того, чтобы нити не
7
перемещались по сторонам рамки, так как при их перемещении плоскость
рамки могла стать не перпендикулярной вектору скорости набегающего потока
воды.
Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки для определения
коэффициента гидродинамического сопротивления сетного полотна
при поперечном обтекании
Рисунок 2 – Рамка для поперечного перемещения сетного образца
без сетки и с сеткой с посадкой в квадрат
Основные характеристики рамки: материал – сталь; форма – квадрат;
профиль обода – круглый пруток диаметром d = 8 мм; внешняя сторона
квадрата – 238 мм. Все сетки натягивались на рамку с посадочными
коэффициентами ux = uy = 0,707. При формировании методики проведения
8
эксперимента были получены ответы на следующие вопросы: 1 – какова
величина разгонного участка, на котором рамка с сеткой перемещается с
ускорением; 2 – существенно ли влияние стенок емкости на получение
экспериментальных данных. Вопрос об определении величины участка
движения образца с переменной скоростью был решен экспериментально
методом последовательных приближений. В дальнейшем при выполнении всех
опытов замеры времени проводились при расстоянии рамки ℓ = 0,15 м от днища
бака, что позволило полностью исключить участок ее подъема с переменной
скоростью. Влияние стенок емкости на получение опытной информации было
проверено
также
экспериментально.
Рамку
с
сеткой
последовательно
располагали посередине бака и около стенки. Между этими двумя сериями
опытов средняя относительная погрешность по замерам времени составила
1,66 %, т.е. стенки емкости не оказывали существенного влияния на получение
первичной информации.
В результате проведенных экспериментов были сделаны следующие
выводы:
1 – сетной образец, закрепленный на рамке, можно перемещать с
постоянными скоростями менее v < 0,1 м/с, что соответствует переходной
области сопротивления по числах Рейнольдса Re < 400;
2 – экспериментальная лабораторная установка является конструктивно
простым устройством, с помощью которого возможно количественное
определение гидродинамических коэффициентов сопротивления плоской
рыболовной сети.
При постановке эксперимента было выполнено 330 опытов, имеющих
целевую
направленность,
относящуюся
к
максимально
возможному
уменьшению случайных погрешностей.
Третья глава посвящена методике расчета коэффициента лобового
сопротивления Сх плоской рыболовной сети при поперечном обтекании в
переходной области сопротивления. Как у А.Л. Фридмана и Ю.А. Данилова в
1967 г., была выдвинута гипотеза, что в переходной области сопротивления
коэффициент Сх является функцией двух контролируемых в экспериментах
9
параметров, а именно, числа Рейнольдса Re и сплошности сети F0. В
соответствии с основными понятиями математической статистики были
выбраны единые условия обработки экспериментальной информации:
- коэффициент гидродинамического сопротивления Сх рассматривался как
случайная функция неслучайного аргумента Reλ;
- под реализацией случайной функции подразумевали совокупность
результатов испытаний, полученных снятием замеров времени t на участке
установившегося движения Н для выбранного образца сети при всех значениях
дополнительных грузов;
-
для
сглаживания
(выравнивания)
экспериментальных
данных
использовали метод наименьших квадратов;
- для оценки точности Сх использовали интервальную оценку с
доверительной вероятностью 0,95 и распределение Стьюдента.
В первом приближении предположили, что силу сопротивления плоской
сети Ri в i- том опыте можно найти, как разность сил сопротивлений для рамки
с сеткой R1i и рамки без сетки R0i при одном и том же значении скорости Vi
Ri = R1i – R0i .
(5)
Сила сопротивления рамки с сетным образцом при установившемся
движении определялась для каждой случайной реализации по зависимости
R1i = (mi – m0)10-3 g,
(6)
где g = 9,8 м/с2 – ускорение свободного падения; mi, m0 – масса
дополнительного груза и груза, уравновешивающего вес рамки с сетным
полотном в воде, соответственно, г.
Экспериментальные значения сил сопротивления для рамки с сеткой и
рамки без сетки в общем случае не соответствовали одним и тем же скоростям
движения при одних и тех же дополнительных грузах, что делало невозможным
определение силы сопротивления сети по экспериментальным точкам. Поэтому
для вычисления сил гидродинамического сопротивления была применена
известная из гидромеханики формула, в которой для аппроксимации
использовалась степенная зависимость скорости
R1  1 ( v)  A1  v n1 ; R 0  0 ( v)  A 0  v n 0 ; Ri   (Vi ) -  (Vi ) .
0
1
10
(7)
Методом
наименьших
квадратов
с
помощью
пакета
MATHCAD
определили A0 и n0, выполнив обработку 66-ти опытов для пустой рамки:
A0= 3,74 и n0 = 1,64. Для рамки с сеткой были обработаны все опытные данные.
В качестве примера приведено определение коэффициентов A1 и n1 для рамки с
капроновой сетью (d = 1,06 мм; a= 16 мм; ux= uy = 0,707; F0 = 0,133; Н = 0,8 м):
A1 = 9,70; n1 = 1,66). Формулы (7) для выбранной реализации случайной
функции приобрели вид
R1  9,70 V 1,66 ; R0  3,74  V 1,64 .
(8)
На рисунке 3 представлены опытные данные и результаты расчетов по
формулам (5) - (8). Для определения коэффициента лобового сопротивления Сх
применили формулу, аналогичную формуле (7)
n
v
Re
 2  Fo 
n
C х  A

  A Re  , Re  

2  Fo .
 Re 
(9)
Результаты расчетов по формуле (9) коэффициентов Аk и nk сглаживающих
зависимостей для пяти сетных образцов (для пяти реализаций случайных
функций), испытанных на лабораторной установке и сети № 6, взятой из
опытов Y. Miyazaki, приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Результаты расчетов коэффициентов сглаживающих зависимостей
Аk и nk в формуле (9)
№
d, мм
а, мм
F0
Ak
nk
Re
Материал
1
1,4
11,7
0,239
23,19
0,353
96-332
Лавсан
2
0,66
7,0
0,156
15,65
0,402
17-91
Капрон
3
1,14
18,0
0,156
19,76
0,325
44-168
Лавсан
4
1,08
11,0
0,196
21,18
0,374
29-121
Лавсан
5
1,06
16,0
0,133
14,42
0,334
60-131
Капрон
6
0,348
8,0
0,086
23,20
0,400
40-150
Нейлон
11
1 – рамка с сетью (R1); 2 – рамка без сети (R0); 3 – плоская сеть (Ri);
линии – результаты расчетов по формуле (7); точки – опытные данные
Рисунок 3 – Зависимости сил гидродинамического сопротивления от скорости
В
результате
дальнейшего
сглаживания
осредненных
реализаций,
приведенных в таблице 1, по сечениям при фиксированных значениях
аргумента Reλ автором работы была выведена расчетная формула для
коэффициента сопротивления Сх плоских сетей в переходной области
сопротивления при числах Рейнольдса Re < 150
 2F 
С X  19,4 0 
 Re 
0 , 36
.
Графики сглаживающих зависимостей для коэффициентов
(10)
плоских
сетей, перечисленных в таблице 1, приведены на рисунке 4. Номера на поле
графика соответствует номерам сетных образцов в таблице 1; сплошная линия –
результат расчета по формуле (10).
Рисунок 4 – Экспериментальные зависимости для коэффициента Сx = (Re),
полученные методами теории случайных функций
12
В соответствии с теорией случайных функций требуется оценить
погрешность
аппроксимации
формулы
(10).
Границы
доверительных
интервалов для зависимости (10) были определены следующим образом.
Прологарифмировали равенство (10)
ln(СХ )  ln(19,4)  0,36  ln(Re ) или cl(x)  b0  b1  x .
Для
линейной
зависимости
методика
построения
(11)
доверительных
интервалов известна. Формула среднего квадратического отклонения линейной
зависимости (11) имеет вид

1

n2
n
 ci  с1(xi )2 ,
ci  ln(СХi ), xi  ln(Rei ) .
(12)
i 1
Границы доверительных интервалов математического ожидания случайной
линейной функции с1(x) с доверительной вероятностью γ = 0.95 и
коэффициентом Стьюдента tγ получили по формуле (13)
1 x  xs 
1 x  xs 
,  2( x)  c1( x)  t    
,
1( x)  c1( x)  t   

n
S
n
S
2
где xs 
1
n
n

xi ,
i 1
S
2
(13)
n
 xi  xs 2 .
i 1
Границы доверительного интервала зависимости (10) показаны на рисунке
5.
Из графиков на рисунке 5 видно, что достоверность зависимости (10)
весьма высока: полуширина доверительного интервала по кривым 2 и 3
составляет 5 – 10 %.
Обработка экспериментальной информации других исследователей в
переходной зоне сопротивления привела к новым значениям эмпирических
констант в формуле для коэффициента Cx. В таблице 2 приведены
первоначальные варианты формулы и уточненные зависимости (14), (15), (16),
полученные по методике сглаживания и осреднения реализаций случайных
функций. Уточненные зависимости соответствуют диапазону чисел Re = 150 1000.
13
1 – верхняя граница доверительного интервала; 2 – результат расчета по
формуле (10); 3 – нижняя граница доверительного интервала
Рисунок 5 – Доверительный интервал для коэффициента
гидродинамического сопротивления плоской сети при поперечном обтекании
Таблица 2 – Формулы для определения гидродинамического сопротивления Сх
в переходной области сопротивления
Исследователи
Уточненные зависимости по методике
сглаживания и осреднения реализаций
случайных функций
Старые эмпирические
зависимости
0 , 28
Т. Kawakami
 2F 
С X  16 0 
 Re 
А.Л. Фридман
 2F 
C X  3 0 
 Re 
К. Yamamoto
 2F 
С X  4,2 0 
 Re 
 2F 
С X  8,77 0 
 Re 
0 , 07
 2F 
C X  10,3 0 
 Re 
0,18
0 ,19
(14)
0 , 25
 2F 
С X  12,9 0 
 Re 
(15)
0 , 28
(16)
Дальнейшее осреднение зависимостей (14) - (16) позволило получить
новые значения эмпирических констант в формуле для определения Сх,
пригодной в этом диапазоне чисел Рейнольдса
 2F 
С X  9,33 0 
 Re 
0 , 216
(17)
Относительные отклонения расчета коэффициента Сх по формулам (14) (16) от вновь полученной зависимости (17) показаны на рисунке 6. С
14
возрастанием чисел Рейнольдса относительные погрешности возрастают, но не
превышают 12 % в переходной области.
Рисунок 6 – Относительная погрешность формулы (17) в процентах по
отношению к зависимостям (14), (15), (16)
В результате выполненной статистической обработки экспериментальной
информации по теории случайных функций для переходной области
сопротивления были выявлены две подобласти.
Для определения коэффициента Сх в первой из них при Re < 150 после
обработки собственной опытной информации, была получена формула (10), для
второй подобласти при 150< Re < 1000 – формула (17), заменившая три ранее
выведенных формулы по результатам экспериментов, выполненных другими
исследователями. Максимальная погрешность вычисления коэффициента Сх по
формуле (10) не превышает 10 %, по формуле (17) не превышает 12 %.
Четвертая глава посвящена разработке полуэмпирической модели
сопротивления или стандартной кривой сопротивления плоской рыболовной
сети при поперечном обтекании. Она представляет зависимость коэффициентов
сопротивления Сx = (Re) во всем диапазоне чисел Рейнольдса. Кривая
сопротивления для любого тела содержит три зоны: линейную, переходную,
автомодельную. Для плоской сети в переходной области сопротивления были
получены две формулы: (10) для Re < 150 и (17) для 150< Re < 1000. Для
сопряжения зависимостей (10) и (17) определили, при каком числе Рейнольдса,
вычисления по этим формулам дают одно и то же значение коэффициента Сх
По результатам решения получили Rе ≈ 200. График сопряженных
15
зависимостей показан на рисунке 7. Сплошная линия – результат расчета по
формуле (10), штриховая – по формуле (17).
Рисунок 7 – График сопряженных зависимостей коэффициента Сх
по формулам (10) и (17)
Для определения числа Рейнольдса Reп, соответствующего границе между
переходной областью сопротивления и автомодельной, были обработаны
экспериментальные данные Y. Miyazaki, А.Л. Фридмана и Ю.А. Данилова. Из
опытных данных были выбраны только значения
при Re > 1000. Уравнения
сглаживающих прямых по теории случайных функций были получены автором
работы в таком виде
Cm = 1 (F0) = 1,60 + 1,16 F0 - по данным Miyzaki;
(18)
Cd = 2 (F0) = 1,22 + 2,25 F0 - по данным Фридмана-Данилова. (19)
При дальнейшем осреднении реализаций Cm и Cd была получена одна
формула для коэффициента сопротивления Сх
Сх = (F0 ) = 1,41 + 1,70F0 .
Анализ показал, что для правой границы
(20)
переходной области
сопротивления нельзя назвать какое-то одно значение числа Рейнольдса Reп,
так как различным значениям F0 соответствуют свои значения Rek.
Предположили, что Reп = Rek ≠ const. Для определения чисел Рейнольдса Rek
приравняли два выражения Сх (17) и (20), и решили полученное уравнение
2F
1,41 + 1,70F0 = С X  9,33 0 
 Re 
0 , 216
, откуда Re k  2Fo
16
0 , 216
9,33
.
1,41  1,70  Fo
(21)
Рисунок 8 – Графические сопряжения зависимостей коэффициента
гидродинамического сопротивления Сx = (Re,Fo) плоской сети
на границе переходной и автомодельной областей
На рисунке 8 сплошные линии – результат вычисления Сх по формуле
(17); штриховые линии – по формуле (20); граница начала автомодельной
области – результат расчета по формуле (21); значения сплошности по номерам
кривых: 1 – F0 = 0,05; 2 – F0 = 0,15; 3 – F0 = 0,3; 4 – F0 = 0,5.
Для определения левой границы переходной области Reл найти надежных
экспериментальных данных по рыболовным сетям в линейной области
сопротивления не удалось. Значение Reл было определено только качественно.
Для
определения
коэффициента
Сх
в
линейной
зоне
сопротивления
использовали известную из гидромеханики формулу
C x  A 0 / Re .
(22)
Предположили, что в линейной зоне сопротивления жидкость не обтекает
нитки сети, а просачивается через ячею. Значению коэффициента А0 = 30
соответствует Re0 = 10, вычисленное по скорости истечения V0, что было
экспериментально доказано (А.Д. Альтшуль, Гидравлические сопротивления,
1982) при исследовании местных сопротивлений. Предположили, что в первом
приближении сила гидродинамического сопротивления плоской сети в
линейной области может быть вычислена аналогичным способом по формуле
R Х  0,5  CoX    Fн  V02 , CoX  30 / Re o , Re o    V0 /  ,
17
(23)
В
промышленном
рыболовстве
принято
вычислять
силу
гидродинамического сопротивления сети по величине скорости набегающего
потока воды V, связанной с наибольшей скоростью истечения соотношением
V0  V /(1  F0 ) .
(24)
Учтя соотношение (24), коэффициент гидродинамического сопротивления
Сх в линейной области сопротивления получили в следующем виде:
CХ 
A o (F0 )
,
Re
A o (F0 ) 
60  F0
1  F0 , для Re  Re л .
(25)
Критическое число Reл определили теоретически из условий сопряжения
двух зависимостей (10) и (25). В точке сопряжения должно выполняться
равенство
 2F 
19,4  0 
 Re л 
0,36

A o (F0 )

Re л
Re л  3,95 
F0
1  F0 1,56 .
(26)
По (26) Reл зависит от сплошности сети, если в расчеты вводить скорость
набегающего потока воды V, а не наибольшую скорость истечения V0. Для
качественной
оценки
ориентировочно
приняли,
что
линейная
зона
сопротивления для плоской рыболовной сети располагается при Re ≤ 10. Для
уточнения этого предположения нужны дополнительные экспериментальные
исследования. Каждой зоне сопротивления на полуэмпирической модели
соответствуют свои расчетные формулы для определения Сх. Алгоритм выбора
формул приведен ниже
Если Re ≤ Reл = 3,95 
Fo
A F 
60  Fo 
; то С X  o o ; где A o Fo  
.
1.56
1 - Fo
Re
1 - Fo 
Если Reл  Re ≤ 400F0, то С X  19,4
2 F0 

 Re 
0 , 36
2F
Если 400F0 < Re < Rеk , то С X  9,33 0 
 Re 
где Re k  2Fo 0, 216
9,33
.
1,41  1,70  Fo
Если Re ≥ Rеk, то Сх = 1,41 + 1,70 F0
18
.
0 , 216
,
Значение силы лобового сопротивления далее определяли по формуле
R x  0,5C x Fн V 2  ,
(27)
где Fн – площадь ниток сети,  – плотность жидкости.
Кривые сопротивления или полуэмпирическая модель сопротивления
Сx = ( Fo, Re) приведены на рисунке 9.
1 – F0 = 0,05; 2 – F0 = 0,1; 3 – F0 = 0,2; 4 – F0 = 0,4
Рисунок 9 - Полуэмпирическая модель сопротивления Сx = ( Fo, Re)
плоской сети при поперечном обтекании
В пятой главе показано использование полуэмпирической модели для
определения коэффициента лобового сопротивления Сх. В качестве примера
бала рассмотрена задача определения силы лобового сопротивления для
плоской сети во всем диапазоне скоростей, в котором возможна эксплуатация
ставных
сетей.
полуэмпирической
Коэффициенты
модели
и
сопротивления
по
формуле
определялись
по
Фридмана-Данилова.
Сопоставительный анализ показал, что формулой Фридмана-Данилова в
переходной зоне сопротивления при Rе < 400 пользоваться не желательно,
особенно в диапазоне Rе < 150, так как относительная погрешность достигает
60 % по отношению к значениям стандартной кривой сопротивления (формула
(10)). Значения сил сопротивления существенно меняются при эксплуатации
одной и той же ставной сети в различных районах промысла, так как различны
диапазоны скоростей, соленость и плотность морской воды. Так в Охотском
море сила сопротивления Rх изменялась от 139 до 8804 Н, в Балтийском море
Rх - от 16 до 466 Н. Учет особенностей районов эксплуатации позволит
спроектировать оснастку ставной сети необходимой конструкции.
19
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполненных в работе исследований по определению
гидродинамических характеристик плоской рыболовной сети, расположенной
перпендикулярно вектору скорости набегающего потока воды, определены
возможности использования уточненных и вновь выведенных зависимостей для
определения коэффициента лобового сопротивления во всем практически
значимом в промышленном рыболовстве диапазоне чисел Рейнольдса.
1. На лабораторной экспериментальной установки, спроектированной
автором, были проведены опыты и получены значения гидродинамических
коэффициентов сопротивления плоских рыболовных сетей при поперечном
обтекании в наименее исследованной до настоящего времени переходной
области сопротивления при скоростях движения V < 0,1 м/с, что соответствует
числам Рейнольдса Re <150.
2. Применив методику сглаживания и осреднения реализаций случайной
функции к обработке своих опытных данных, получили экспериментальную
зависимость (10), пригодную для определения коэффициентов лобового
гидродинамического сопротивления сетного полотна при числах Рейнольдса
Re < 150; точность определения Сх по формуле (10) составляет 5 - 9,6 %.
3. С помощью теории случайных функций был проведен анализ всей
доступной экспериментальной информации и определены уточненные
эмпирические константы в зависимостях для коэффициента лобового
сопротивления плоских рыболовных сетей при поперечном обтекании во всем
диапазоне чисел Рейнольдса в функции от двух контролируемых параметров:
числа Рейнольдса и сплошности сети.
4. Для коэффициента Сх в каждой зоне сопротивления по методике
сглаживания и осреднения реализаций случайной функции были получены
уточненные математические зависимости: линейная область сопротивления –
формула (25), переходная область сопротивления – формулы (10) и (17),
автомодельная область сопротивления – формула (20).
5. На базе указанных выше формул была разработана полуэмпирическая
модель или стандартная кривая сопротивления зависимости Сх= f(Re) и
алгоритм, которые составили основу усовершенствованной методики
определения гидродинамического сопротивления Rx плоской рыболовной сети
при поперечном обтекании.
20
6. Из процедуры сравнения стандартной кривой сопротивления сетного
полотна с формулами Фридмана-Данилова (15) и T. Kawakami (14) выявлен
диапазон чисел Рейнольдса, в котором этими известными в промышленном
рыболовстве формулами можно пользоваться: формула (15) – Re =120 - 1000;
формула (14) – Re > 40.
7. Стандартная кривая сопротивления и алгоритм могут быть применены
на практике для расчета сил гидродинамического сопротивления рыболовных
сетей при их проектировании.
Перспективы дальнейшей разработки темы:
- следует продолжить исследования, направленные на повышение
точности определения первичной экспериментальной информации на
спроектированной лабораторной установке и получению значений
гидродинамических коэффициентов сопротивления плоской сети при
продольном обтекании;
используя
теорию
случайных
функций,
разработать
усовершенствованный
метод
расчета
определения
коэффициента
гидродинамического сопротивления плоской сети, расположенной под углом
менее 90о к вектору скорости потока воды.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах
В изданиях из перечня ВАК Минобрнауки России:
1. Великанов Н. Л. Методика определения гидродинамического сопротивления
плоских элементов рыболовных сетей при поперечном обтекании / Великанов Н. Л.,
Наумов В. А., Кикот А. В., Бояринова Н. А. // Рыбное хозяйство. 2010. № 4. С. 72-75.
2. Наумов В. А. Схема создания полуэмпирической модели сопротивления плоской
рыболовной сети при поперечном обтекании / Наумов В. А., Великанов Н. Л., Кикот
А. В., Бояринова Н. А. // Рыбное хозяйство. 2011. № 3. С. 96-99.
3. Великанов Н. Л. Гидродинамические силы сопротивления сетных частей орудий
промышленного рыболовства при поперечном обтекании / Великанов Н. Л., Наумов
В. А., Бояринова Н. А., Кикот А. В. // Рыбное хозяйство. 2012. № 4. С. 109-111.
Патенты на полезную модель:
4. Наумов В. А. Устройство для определения гидродинамического сопротивления
сетного полотна / Наумов В. А., Великанов Н. Л., Кикот А. В., Бояринова Н. А. //
патент на полезную модель № 95838 Российская Федерация, МПК G 01 М 10/00;
заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный
21
технический университет». - № 2010109706; заявл. 15.03.2010; опубл. 10.07.2010,
Бюл. № 19. – 2 с.: ил.
5. Наумов В. А. Устройство для определения гидродинамического сопротивления
сетного полотна при продольном обтекании / Наумов В. А., Великанов Н. Л., Кикот
А. В., Бояринова Н. А. // патент на полезную модель № 107353 Российская
Федерация, МПК G 01 М 10/00; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО
«Калининградский государственный технический университет». - № 2011110805;
заявл. 22.03.2011; опубл. 10.08.2011, Бюл. № 22. - 2 с.: ил.
Публикации в других изданиях:
6. Бояринова Н. А. Коэффициент гидродинамического сопротивления при
неравномерном движении // Проблемы развития водохозяйственного комплекса
Калининградской области: сб. науч. тр. / КГТУ. Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО
«КГТУ», 2010. С. 12-17.
7. Бояринова Н. А. Оценка неравномерности вертикального движения плоской сети //
Труды VIII международной научной конференции, посвященной 80-летию
образования университета / КГТУ. Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО «КГТУ», 2010.
Ч. 1. С. 238-240.
8. Бояринова Н. А. Особенности определения коэффициента сопротивления плоской
сети при поперечном обтекании экспериментальным способом // Комплексное
использование и охрана водных ресурсов региона: сб. науч. тр. / КГТУ. Калининград:
Изд-во ФГОУ ВПО «КГТУ», 2011. С. 12-21.
9. Бояринова Н. А. Обработка результатов экспериментальных измерений
гидродинамического сопротивления плоской сети при поперечном обтекании :
материалы IХ международной научной конференции: сб. науч. тр. / КГТУ.
Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО «КГТУ», 2011. Ч. 1. С. 110-113.
10. Бояринова Н. А. Результаты измерений гидродинамического сопротивления
плоской сети и их обработка // Труды международной научно-практической
конференции, посвящённой 125-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки
и техники РСФСР Баранова Ф.И.: сб. науч. тр. / КГТУ. Калининград: Изд-во ФГОУ
ВПО «КГТУ», 2011. С. 335-340.
11. Бояринова Н. А. Алгоритм расчета гидродинамических сил сопротивления для
плоских рыболовных сетей при поперечном обтекании. Калинин-град: Известия
КГТУ, 2013. № 28. С. 248-253.
12. Бояринова Н. А., Наумов В. А. О возможности применения различных формул для
расчета коэффициента гидродинамического сопротивления плоской сети при
поперечном обтекании // Труды Х международной научной конференции «Инновации
22
в науке и образовании и бизнесе - 2012»: сб. науч. тр. / КГТУ. Калининград: Изд-во
ФГОУ ВПО «КГТУ», 2012. Ч. 1. С. 202-205.
13. Бояринова Н. А., Кикот А. В. Формулы для определения силы лобового
гидродинамического сопротивления сетного полотна и их эволюция //
Международная конференция «Россия ХХI века: традиции и современность»,
посвященной 1150-летию славянской письменности: сб. науч. тр. / МГУТУ.
Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО «МГУТУ», 2013. С. 17-22.
14. Бояринова Н. А. Усовершенствованная версия определения гидродинамического
коэффициента сопротивления для плоской сети при поперечном обтекании в
линейной области сопротивления / Бояринова Н. А., Кикот А. В., Наумов В. А. //
Труды ХII международной научной конференции «Инновации в науке, образовании и
бизнесе – 2014»: сб. науч. тр. / КГТУ. Калининград: Изд-во ФГБОУ ВПО «КГТУ»,
2014. Ч. 1. С. 24-26.
15. Великанов Н. Л. Расчет сил сопротивления сетных частей орудий промышленного
рыболовства при поперечном обтекании / Великанов Н. Л., Наумов В. А., Кикот А. В.,
Бояринова Н. А. // Труды международной научно-практической конференции,
посвящённой 125-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники
РСФСР Баранова Ф. И.: сб. науч. тр. / КГТУ. - Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО
«КГТУ», 2011. С. 341-345.
16. Великанов Н. Л. Методика расчета коэффициента гидродинамического
сопротивления плоской сети по экспериментальным данным / Великанов Н. Л.,
Наумов В. А., Кикот А. В., Бояринова Н. А. // Труды Ⅷ юбилейной международной
научной конференции «Инновации в науке и образовании: сб. науч. тр. / КГТУ.
Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО «КГТУ», 2010. Ч. 1. С. 218-221.
17. Великанов Н. Л. Коэффициенты сопротивления плоской сети при поперечном
обтекании / Великанов Н. Л., Наумов В. А., Кикот А. В., Бояринова Н. А. //
Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 85летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники Российской
Федерации Фридмана Александра Львовича и 95-летию со дня основания кафедры
промышленного рыболовства: сб. науч. тр. / КГТУ. Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО
«КГТУ», 2010. С. 384-386.
18. Кикот А. В. Погрешность расчета коэффициента гидродинамического
сопротивления плоской сети при поперечном обтекании / Кикот А. В., Бояринова Н.
А., Наумов В. А. // Труды ХII международной научной конференции «Инновации в
науке, образовании и бизнесе – 2014»: сб. науч. тр. / КГТУ. Калининград: Изд-во
ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2014. Ч. 1. С. 31-34.
23
19. Кикот А. В., Бояринова Н. А. Характеристика скоростей течений в морях и реках
рыбопромышленных районов Российской Федерации // Состояние и перспективы
развития водохозяйственного комплекса региона: сб. науч. тр. / КГТУ. Калининград:
Изд-во ФГОУ ВПО «КГТУ», 2012. С. 62-67.
20. Бояринова Н. А., Кикот А. В. Опыты Рейнольдса и существование различных зон
сопротивления // Проблемы современного образования в развитии ключевых
компетенций конкурентноспособного специалиста. Всероссийское педагогическое
собрание: сб. науч. тр. / МГУТУ. Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО «МГУТУ», 2012.
С. 6-10.
21. Бояринова Н. А., Наумов В. А. Коэффициент сопротивления плоских сетей при
поперечном обтекании в квадратичной области // Комплексное использование и
охрана водных ресурсов региона: сб. науч. тр. / КГТУ. Калининград: Изд-во ФГОУ
ВПО «КГТУ», 2011. С. 93-99.
22. Наумов В. А., Бояринова Н. А. Статистическая обработка результатов измерений
гидродинамического сопротивления плоской сети // Вестник Российской академии
естественных наук / КГТУ. Калининград: КГТУ, 2011. С. 75-81.
23. Наумов В. А., Бояринова Н. А. Эмпирические формулы для коэффициента
сопротивления плоских рыболовных сетей при поперечном обтекании. Калининград:
Известия КГТУ. 2012. № 24. С. 143-150.
24. Наумов В. А., Бояринова Н. А. Исследование силы гидродинамического
сопротивления плоской сети при поперечном обтекании: метод. указания к
лабораторным работам по дисциплине «Основы гидравлики» для студентов по
направлению 111000.62 Рыболовство. Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ», 2011. 19 с.
25. Наумов В. А., Бояринова Н. А. Анализ опытных данных, полученных при
поперечном обтекании плоских сетей в переходной области сопротивления.
Калининград: Известия КГТУ, 2011. № 20. С. 195-202.
26. Naumov V., Velikanov N., Kikot A., Bojarinova N. The Hydrodynamic Drag coefficient
of flat netting at a cross-section flow / V. Naumov, N. Velikanov, A. Kikot, N. Boyarinova
– Rostock: DEMaT’13, 11th International Workshop Methods for the Development and
Evaluation of Maritime Technologies,Vol. 8. 2013.
P. 73-80.
Подписано в печать 07.04.2015 г. Заказ №__, объем 1 п.л. Бумага 60х84 (1/16). Тираж 100 экз.
___________________________________________________________________________________
Издательство ФГБОУ ВПО «КГТУ» 236022, Калининград, Советский пр-т., 1
24
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа