Морева И.Н., Дерябин И.В., Криворчук Л.И.
Севастопольский
национальный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ
ВОЛНОПРОДУКТОРА В ОПЫТОВОМ БАССЕЙНЕ СЕВНТУ
Одной из основных задач при проектировании какого-либо
морского сооружения является его безопасность. Изучение влияния морского
волнения на исследуемый объект представляет большой практический интерес в
связи с многочисленными проблемами мореплавания, морского гидротехнического
строительства, кораблестроения и требует детальных теоретических и
экспериментальных исследований с помощью различных измерительных приборов [2].
Эксперименты проводятся в опытовых бассейнах, оснощенных волнопродукторами и
специальной измерительной аппаратурой.
Приборы для измерения характеристик поверхностных волн
называются волнографами. Балтийской научно-исследовательской морской
обсерваторией (БНИМО) к 1951 г. был изобретен волнограф Морозова-Теляева,
положивший начало инструментальным измерениям волнения. В настоящее время
существуют различные типы волновых бассейнов и установленных там систем
измерения характеристик волновых процессов. Например, в университете г.
Нью-Йорк используется оптический волнограф на основе доплеровского эффекта, в
г. Санкт-Петербург в качестве волнографов используют приборы электролитического
типа. Для измерения волн в мореходном бассейне в Токио используются емкостные и
ультразвуковые преобразователи. Известны также волнометрические приборы иных
типов: поплавковые, струнные, многострунные, гидростатические, емкостные и
другие.
Применительно для условий опытового бассейна СевНТУ,
оснащенного пневматическим волнопродуктором и решетчатым волногасителем, была
создана система из двух цифровых волнографов на основе измерения разности атмосферного
давления и давления на определенной глубине бассейна.
При выполнении
экспериментальных исследований волновых возмущений в опытовом бассейне СевНТУ
решались следующие задачи: определение возможности получения устойчивых оценок
параметров волновых возмущений при различных режимах работы волнопродуктора и
при различной установке датчиков волнографов. Сопоставление показаний
вонографов с результатами прямых измерений. Выбор оптимальных условий для
работы цифровых волнографов.
Поскольку опытовый бассейн имеет конечную длину,
решетчатый волногаситель, после непродолжительной работы волнопродуктора, не
полностью компенсирует энергию генерируемой волны и поэтому в бассейне
наблюдаются отраженные волны [3]. Характеристики прямых и отраженных волн необходимо определять для оценок
волновых воздействий на испытуемые объекты. Схема волнового бассейна
представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема волнового бассейна
В качестве волнографов, регистрирующих параметры волн,
применены дифференциальные датчики давления с динамическим диапазоном 10 кПа и
чувствительностью 2,5 мВ/кПа. Прямые входы датчиков присоединены к жестким
измерительным трубкам длиной 1 м. Выходы датчиков через операционные усилители
подключены к коммутатору аналого-цифрового преобразователя и далее через
формирователь – к порту ПЭВМ.
Дифференциальный вход датчика воспринимает атмосферное давление, прямые входы
датчиков подсоединены к измерительным трубкам, концы которых опускаются на
заданную глубину и воспринимают гидростатическое и волновое давление воды.
Для статистической обработки показаний волнографов была разработана
специальная программа Statistika. С
помощью этой программы получаем сведения о параметрах волн, генерируемых
волнопродуктором: длину, м; период, с; амплитуду волны, м и высоту волны, м, вычисленных
на основе взаимной статистической обработки показаний волнографов,
расположенных друг от друга на расстоянии 
.
С помощью волнографов и программы Statistika. необходимо перед проведением экспериментальных
исследований на модели полупогружной платформы выбрать оптимальный режим работы
как для волнопродуктора, так и для волнографов.
Эксперименты в волновом бассейне были проведены для различных режимов
работы волнопродуктора, при разном погружении трубок волнографов (от 15 до 30
см) и расстоянии между ними. Пример результатов обработки показаний волнографов
представлен на рисунке 2, где 
– расстояние между
волнографами, а – амплитуда суммарной волны,
- погружение трубок волнографов на 20 см,
- погружение трубок волнографов на 25 см,
- погружение трубок волнографов на 30 см.
При работе волнопродуктора в различных режимах выполнялись визуальные
оценки высоты волн. Эти оценки в целом совпали с данными статистичесой
обработки. Было также установлено, что чем меньше напряжение на волнопродукторе
тем больше амплитуда волны.
Результаты выполненных экспериментов показали, что при всех указанных
напряжениях на двигателе волнопродуктора не обеспечивается устойчивый режим генерации
стационарной системы волн с постоянной амплитудой и неизменным периодом. В
некоторых случаях изменялся их период на относительную величину до (5…10)%.
Причинами такой нестабильности являются несовершенство волногасителя и
механизма волнопродуктора. Тем не менее, анализ записей волнографов показал,
что при продолжительности работы волнопродуктора имеются отдельные участки
стационарных волн с постоянной амплитудой продолжительностью до 5 мин. Этого
достаточно для статистической обработки данных и получения однозначных
результатов. Стабильная работа волнопродуктора наблюдается при напряжении 17 В,
что отчетливо видно на рисунке 2.
Рисунок 2 – Результаты статистической обработки показаний волнографов при напряжении
двигателя волнопродуктора, равном 17 В
Результаты экспериментальных исследований показали, что волнографы
могут быть эффективно использованы при различных научно-исследовательских и
опытно-конструкторских работах, проводимых в малом опытовом бассейне СевНТУ. Они обеспечивают непрерывные
измерения основных параметров волн: амплитуду прямой, отраженной и суммарной
волн, а также период и длину генерируемых волн. Наиболее устойчивый режим
генерации волн в опытовом бассейне соответствует напряжению на двигателе
волнопродуктора 17 В. Увеличение расстояния между вонографами более 30 см нецелесообразно,
так как фазовый сдвиг может превышать 90о, что может дать
неоднозначную оценку фазового сдвига.
Литература.
1.
Голуб
В. Акселерометры фирмы Analog Devaices / В. Голуб // ЭКиС. – Киев: VD MAIS, 2003. – № 12. – 42 с.
2.
Горлин С.М. Аэродинамические измерения.
Методы и приборы / С.М. Горлин, И.И. Слезингер. – М.: Наука, 1972. – 264 с.
3. Морева И.Н. Исследования волновых возмущений в
опытовом бассейне / И.Н. Морева, С.В. Федоров, Ю.Г. Ожиганов и др. // Сб. науч. тр. СНУЯЭиП. – Севастополь,
2006. – Вып. 2(18). – С. 217–226.