Экспериментально-теоретическое исследование полуэмпирических моделей взаимодействия судов со льдом

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00376

НазваниеЭкспериментально-теоретическое исследование полуэмпирических моделей взаимодействия судов со льдом

Руководитель Куркин Андрей Александрович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" , Нижегородская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-104 - Движение объектов и аппаратов в различных средах

Ключевые слова модель ледяного покрова, феноменологическая модель, математическая модель, лабораторные эксперименты, опытовый бассейн, разрушение ледяного покрова, прогнозирование ледопроходимости, ледовая ходкость

Код ГРНТИ55.45.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Арктика обладает уникальным природно-ресурсным и инфраструктурным потенциалом, а ее освоение обоснованно становится приоритетом политики обеспечения национальной безопасности, реализуемой нашим государством. Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации (АЗРФ) осуществляется по двум основным направлениям: широкого освоения минерально-сырьевого потенциала и развития транспортной системы, в том числе обеспечивающей транзитные перевозки по Северному морскому пути (СМП). Системное освоение ресурсного потенциала арктического шельфа и развитие транспортной инфраструктуры СМП становятся для России главными составляющими государственной политики. Наиболее универсальным средством продления навигации и борьбы с ледовыми затруднениями является ледокольный флот. За более чем полутора вековую историю его развития в значительной мере претерпели изменение ледокольные концепции, накоплен значительный опыт проектирования ледоколов. В этих процессах важную роль играли теоретические и экспериментальные исследования ледовой ходкости. Тем не менее, анализ точности методов прогнозирования ледопроходимости показывает, что развитие физического моделирования и математического описания взаимодействия судов со льдом зашло в тупик. Расширение фундаментальных исследований в теоретическом и экспериментальном направлении позволит углубить понимание физических процессов взаимодействия судов со льдом и обеспечить научно-технический прогресс в области проектирования и постройки высокоэффективных средств преодоления ледяного покрова. Предлагаемый проект посвящен разработке экспериментально-теоретических методов прогнозирования ледовой ходкости, позволяющих детально учитывать форму корпуса ледокола во взаимодействии с окружающей средой. Предлагаемое исследование лежит в области фундаментальных основ корабельной ледотехники, связано с представлением о взаимодействии ледокольного судна с ледяным покровом и представляется своевременным и актуальным вкладом в исследование взаимодействия корпуса судна со льдом. Основное внимание будет уделено обоснованию теории и разработке практических методов прогнозирования ходкости судов ледового плавания, ориентированных на условия их эксплуатации. Будут проведены комплексные исследования процессов разрушения ледяного покрова и сопротивления льда движению судна. В ходе выполнения проекта предлагается произвести: - разработку перспективной физической модели ледяного покрова на основе вмораживаемых в лёд частиц полиэтилена высокого давления; - разработку альтернативных методик физического моделирования ледового сопротивления; - анализ напряженного состояния, характеристик деформирования и разрушения ледяного покрова; - экспериментальные исследования в опытовых бассейнах НГТУ им. Р. Е. Алексеева» с различными физическими моделями ледяного покрова; - теоретическое обоснование структуры расчетных моделей ледового сопротивления; - настройку полуэмпирических моделей расчета ледового сопротивления с использованием регрессионного анализа; - создание феноменологических моделей взаимодействия корпуса ледокола со льдом; - оценку сопротивления льда движению ледоколов с различными обводами корпуса. Научную новизну работы составляют: - новые материалы и технологии проведения модельных ледовых испытаний; - методы и результаты настройки полуэмпирических моделей расчета ледового сопротивления по данным экспериментальных исследований; - методы пересчета ледового сопротивления с прототипа и физической модели; - структура полуэмпирических моделей расчета ледового сопротивления; - методики моделирования ледового сопротивления; - новые методы оценки качества ледокола с помощью коэффициентов, характеризующих его ледовую ходкость.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Грамузов Е.М., Калинина Н.В., Куркин А.А. Теоретическая модель сопротивления обломков льда при движении ледокола в ровном сплошном ледяном поле Экологические системы и приборы, № 10. С.59-66. DOI: 10.2579/esip.10.2022.1326 (год публикации - 2022)
10.2579/esip.10.2022.1326

2. Куркин А.А., Грамузов Е.М., Калинина Н.В. Теоретико-экспериментальные исследования ледовой ходкости судов Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Моря России: вызовы отечественной науки». 26 – 30 сентября 2022 г., г. Севастополь, ФГБУН ФИЦ МГИ, С. 106-108. (год публикации - 2022)

3. Себин А. С., Двойченко Ю. А., Куркин А. А. Применение малых ледовых опытовых бассейнов в ледокольных исследованиях Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Моря России: вызовы отечественной науки». 26 – 30 сентября 2022 г., г. Севастополь, ФГБУН ФИЦ МГИ, С. 137-139. (год публикации - 2022)

4. Грамузов Е.М., Калинина Н.В., Куркин А.А. Теоретическая модель сопротивления разрушения льда при движении ледокола в ровном сплошном ледяном поле Экологические системы и приборы, № 10. С.25-35. DOI: 10.2579/esip.10.2022.1322 (год публикации - 2022)
10.2579/esip.10.2022.1322

5. Калинина Н.В. Экспериментально-теоретические исследования ледовой ходкости судов Деловой журнал «Neftegaz.RU», № 11 (131). С.56-62. (год публикации - 2022)

6. Двойченко Ю.А., Панченко М.А., Панакушин М.А. Определение физико-механических свойств композитной модели льда в малом ледовом бассейне Транспортные системы, № 3 (25). C. 32-38. (год публикации - 2022)
10.46960/2782-5477_2022_3_32

7. Грамузов Е.М., Калинина Н.В., Куркин А.А. Математическая модель движения судов в сложной ледовой обстановке Труды XVI Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (ГА–2022) (год публикации - 2022)

8. Грамузов Е.М., Калинина Н.В., Куркин А.А. Физическое моделирование сопротивления сплошного льда движению судов Экологические системы и приборы, № 12. С. 82-89. (год публикации - 2022)
10.25791/esip.12.2022.1343

9. Калинина Н.В., Грамузов Е.М., Куркин А.А. Теоретическая модель сопротивления при движении ледокола в канале битого льда Инженерная физика, Москва, № 2, 2023. с.3-9 (год публикации - 2023)
10.25791/infizik.2.2023.1309

10. Калинина Н.В., Куркин А.А., Ларин А.Г., Грамузов Е.М. Экспериментальные исследования для настройки полуэмпирических моделей взаимодействия судов со льдом Инженерная физика, Москва, № 5, 2023. с. с. 3-11 (год публикации - 2023)
10.25791/infizik.5.2023.1324

11. Грамузов Е.М., Калинина Н.В., Куркин А.А. Перестроение полуэмпирической модели чистого ледового сопротивления при движении судна в сплошном льду Инженерная физика, Москва, Инженерная физика, №11, 2023. с. 53-62 (год публикации - 2023)
10.25791/infizik.11.2023.1367

12. Калинина Н.В., Грамузов Е.М., Куркин А.А. Mathematical model for determining the average speed of icebreaker movement by ramming Lecture Notes in Networks and Systems, vol 706. Springer, Cham, Zokirjon ugli, K.S., Muratov, A., Ignateva, S. (eds) Fundamental and Applied Scientific Research in the Development of Agriculture in the Far East (AFE-2022). AFE 2023. Lecture Notes in Networks and Systems, vol 706. Springer, Cham. pp. 588–597, 2023. (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-36960-5_67

13. Двойченко Ю.А., Калинина Н.В., Куркин А.А. Экранирующее влияние битого льда на распространение волн Труды конференции. – СПб.: ИПК «НП-Принт»., Седьмая международная научно-практическая конференция «Имитационное и комплексное моделирование морской техники и морских транспортных систем» (ИКМ МТМТС-2023). Труды конференции. – СПб.: ИПК «НП-Принт», 2023. С. 67-75. Санкт-Петербург, 22 июня 2023. (год публикации - 2023)

14. Себин А. С., Блинов К. Д., Двойченко Ю. А. Исследование параметров моделирования ледового сопротивления судов с использованием композитной модели ледяного покрова Труды конференции. – СПб.: ИПК «НП-Принт»., Седьмая международная научно-практическая конференция «Имитационное и комплексное моделирование морской техники и морских транспортных систем» (ИКМ МТМТС-2023). Труды конференции. – СПб.: ИПК «НП-Принт», 2023. С. 186-196. Санкт-Петербург, 22 июня 2023. (год публикации - 2023)

15. Ларин А.Г., Калинина Н.В., Грамузов Е.М., Ларина Е.М. Экспериментальные исследования взаимодействия судов со льдом ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (Нижний Новгород), Транспортные системы, № 2 (28), 2023. Н. Новгород, НГТУ. С. 50-59. (год публикации - 2023)
10.46960/2782-5477_2023_2_50

16. Калинина Н.В., Жуков А.Е., Золотов Н.В. Модернизация оборудования для буксировочных испытаний моделей судов ледового плавания в НГТУ МОРСКИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. Учредители: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "Морские интеллектуальные технологии", Морские интеллектуальные технологии, №3, часть 3, 2023. С. 30-38. (год публикации - 2023)
10.37220/MIT.2023.61.3.040

17. Грамузов Е.М., Калинина Н.В., Тихонова Н.Е., Хрунков С.Н. Определение сопротивления сплошного льда движению ледокола с помощью модельного эксперимента МОРСКИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. Учредители: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "Морские интеллектуальные технологии", Морские интеллектуальные технологии, №3, часть 3, 2023. С. 45-50. (год публикации - 2023)
10.37220/MIT.2023.61.3.042

18. Двойченко Ю.А., Кулепов В.Ф., Садекова Е.В., Себин А.С. Определение допустимой массы груза, выгружаемого с судна на кромку льда МОРСКИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. Учредители: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "Морские интеллектуальные технологии", Морские интеллектуальные технологии, №3, часть 3, 2023. С39-44. (год публикации - 2023)
10.37220/MIT.2023.61.3.041

19. Блинов К.Д., Ларин А. Г., Панченко М. А., Панакушин М. А. Экспериментальное исследование ледового сопротивления модели ледокола проекта 21900 в опытовом бассейне МОРСКИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. Учредители: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "Морские интеллектуальные технологии", Морские интеллектуальные технологии, №3, часть 3, 2023. С. 71-76. (год публикации - 2023)
10.37220/MIT.2023.61.3.046

20. Панакушин М.А., Ларин А.Г., Блинов К.Д., Панченко М.А. Прогнозирование ходкости речного ледокола проекта 1105 с использованием модельного эксперимент МОРСКИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. Учредители: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "Морские интеллектуальные технологии", Морские интеллектуальные технологии, №3, часть 3, 2023. С. 88-93. (год публикации - 2023)
10.37220/MIT.2023.61.3.048

21. Себин А.С., Блинов К.Д., Двойченко Ю.А. Исследование композитной модели ледяного покрова (GP-ice), составленной из одного слоя гранул сферической формы диаметром 20 мм МОРСКИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. Учредители: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "Морские интеллектуальные технологии", Морские интеллектуальные технологии, №3, часть 3, 2023. С. 94-105. (год публикации - 2023)
10.37220/MIT.2023.61.3.049

22. Калинина Н.В., Блинов К.Д. Настройка полуэмпирических моделей сопротивления сплошного льда движению судов Транспортные системы, Транспортные системы, № 1 (31), 2024. С. 25-32. (год публикации - 2024)

23. Грамузов Е.М., Калинина Н.В., Куркин А.А. Связь ледовой ходкости судов с характеристиками прочности ледяного покрова Труды Крыловского государственного научного центра, Труды Крыловского государственного научного центра. Специальный выпуск № S1, 2024. С.75-81. (год публикации - 2024)

24. Грамузов Е.М., Калинина Н.В., Куркин А.А. Определение физико- механических свойств льда при прогнозировании ледовой ходкости судов в опытовом бассейне Труды Крыловского государственного научного центра, Труды Крыловского государственного научного центра. Специальный выпуск № S1, 2024. С.81-86. (год публикации - 2024)

25. Грамузов Е.М., Калинина Н.В., Куркин А.А. Физическое моделирование сопротивления сплошного льда движению ледокола Труды Крыловского государственного научного центра, Труды Крыловского государственного научного центра. Специальный выпуск № S1, 2024. С.86-93. (год публикации - 2024)

26. Грамузов Е.М., Калинина Н.В., Блинов К.Д. Определение сопротивления сплошного льда движению ледокола с помощью модельного эксперимента Морские интеллектуальные технологии, Морские интеллектуальные технологии, № 3 часть 1, 2024. С. 23—29. (год публикации - 2024)
10.37220/MIT.2024.65.3.019

27. Калинина Н.В., Двойченко Ю.А., Куркин А.А. Лабораторные исследование влияния битого льда на распространение корабельных волн Санкт-Петербург, В сборнике: «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». Труды 17 Всероссийской конференции, Санкт-Петербург, 5-7 июня 2024. С. 178-181. (год публикации - 2024)

28. Себин А.С., Блинов К.Д., Двойченко Ю.А. Анализ подходов к определению условий моделирования движения судов в сплошном льду с помощью композитной модели ледяного покрова Морские интеллектуальные технологии, Морские интеллектуальные технологии. 2024. № 3 часть 1, С. 81—90. (год публикации - 2024)
10.37220/MIT.2024.65.3.026

29. Грамузов Е.М., Калинина Н.В., Блинов К.Д., Куркин А.А. Определение физико-механических свойств различных моделей ледяного покрова во время проведения испытаний Инженерная физика, Инженерная физика, № 11, 2024. С.12-19. (год публикации - 2024)
10.25791/infi zik.11.2024.1436

30. Беляков В.Б., Двойченко Ю.А., Себин А.С. Диаграмма пролома ледяного покрова как индикатор прочности льда при испытании судов в ледовом опытовом бассейне Труды Крыловского государственного научного центра, Труды Крыловского государственного научного центра. Специальный выпуск № S1, 2024. С.63-69. (год публикации - 2024)

31. Себин А.С., Блинов К.Д., Двойченко Ю.А., Куркин А.А. Приведенная толщина композитной модели ледяного покрова, составленной из нескольких слоев гранул сферической формы Экологические системы и приборы, Экологические системы и приборы, № 10, 2024. С. 15-25. (год публикации - 2024)
10.25791/esip.10.2024.147

32. Грамузов Е.М., Калинина Н.В., Блинов К.Д., Куркин А.А. Использование энергетического подхода для расчетного метода ледового сопротивления с использованием данных модельных испытаний в пресном льду Морские интеллектуальные технологии, Морские интеллектуальные технологии, № 4 часть 3, 2024 С. 34—43. (год публикации - 2024)
10.37220/MIT.2024.66.4.048

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект посвящен разработке экспериментально-теоретических методов прогнозирования ледовой ходкости, позволяющих детально учитывать форму корпуса ледокола при взаимодействии с окружающей средой и физико-механические свойства ледяного покрова. Проводимые исследования являются фундаментальными в области корабельной ледотехники, связаны с представлением о взаимодействии судов со льдом, своевременны и актуальны в судостроении. В соответствии с заявленным планом, основное внимание в третий год работы над проектом было уделено: проведению испытаний моделей ледоколов различных проектов и экспериментальным исследованиям в опытовых бассейнах НГТУ физико-механических свойств модельного льда; обработке результатов экспериментов; настройке полуэмпирических моделей сопротивления на экспериментальные данные по исследованию ходкости; определению коэффициентов полуэмпирических моделей ледового сопротивления. В ходе выполнения проекта получены научно значимые результаты. Для прогнозирования ледовой ходкости судов была разработана расчетная методика определения чистого ледового сопротивления при движении в сплошном льду, а также обоснован выбор расчетных методик определения чистого ледового сопротивления других авторов наиболее полно учитывающих геометрические характеристики судна и физико-механические характеристики льда: В.И. Каштеляна; Levis’а и Edvards’а; Enkvist’а, В.А. Зуева. Разработанная расчетная методика определения сопротивления при движении в сплошном льду основана на энергетическом подходе. К формализации физических процессов, составляющих ледовое сопротивление отнесены значимые факторы: размерения и форма корпуса ледокола, определяемая характерными углами и геометрическими функциями формы корпуса; скорость хода; толщина и характеристики ледяного покрова, плотность воды и льда, коэффициент трения льда о корпус судна. Проведены буксировочные испытания моделей ледоколов проектов Р-47, 21900, 16, 1105,1191 с различной формой корпуса в модельном льду: «тонком» естественном и композитной структуры. Испытания проведены по разработанным уникальным методикам для различных моделей льда и при заданном тяговом усилии (сопротивлении), которое оставалось постоянным для серии испытаний в разных толщинах льда. В результате буксировочных испытаний получены протоколы испытаний c фиксацией необходимых данных. Перед каждой буксировкой модели была получена диаграмма разрушения приготовленного льда по разработанной оригинальной методике исследования процесса разрушения модельного ледяного покрова вертикальной нагрузкой. Выполнен анализ этих диаграмм и получены графики эмпирических зависимостей силовых, кинематических, энергетических параметров от толщины ледяной пластины и от глубины смороженных гранул ПВД. Параметры процесса разрушения модельного пресноводного льда и льда композитной конструкции, а также его физико-механические характеристики имеют не только важное прикладное значение для прогнозирования ледовой ходкости судов, но и самостоятельную научную ценность, так как к настоящему времени недостаточно изучены. Также были исследованы физико-механические характеристики моделей ледяного покрова и получены величины плотности льда ρл, модуля упругости E и коэффициента трения f по поверхности материалов моделей судов. Они составили: E= 5х106 кПа; ρл= 0,91 т/м3; f = 0,05 . Часть характеристик модельного льда была задана по статистическим данным: коэффициент Пуассона μ=0,33, предел прочности льда на изгиб Sigи=600 кПа. Результаты испытаний моделей судов были обработаны и пересчитаны на натурные суда. Для натурных судов определены достижимые скорости движения v из совместного решения уравнений полного ледового сопротивления R и полезной тяги движителей Pe=f(v) с учетом того, что при установившейся скорости движения Pe=R. Полученные результаты испытаний моделей судов и параметры диаграмм разрушения были использованы при настройке полуэмпирических моделей ледового сопротивления. Для всех моделей сопротивления по разработанному алгоритму были получены эмпирические коэффициенты с использованием экспериментальных данных сразу по нескольким моделям судов с различными формами корпуса. С использованием настроенных моделей сопротивления произведены расчеты ледовой ходкости судов проектов 16, Р-47, 1105, 1191, 21900. Как показали проведенные исследования, точность прогнозирования ледового сопротивления судна расчётными методами дает хороший результат по сравнению с натурными данными. В результате реализации проекта в 2024 году получен уникальный инструмент – методы расчёта ледового сопротивления, основанные на полуэмпирических моделях взаимодействия судна со льдом. Точность прогнозирования ледового сопротивления судна расчётными методами близка к экспериментальным, использующим физическое моделирование. Это открывает широкие возможности не только для проектантов, но и для исследователей в области ледовой ходкости, позволяя раскрывать новые фундаментальные закономерности функционирования ледоколов и судов ледового плавания, их взаимодействия с ледовыми образованиями. Полученные полуэмпирические модели определения сопротивления могут быть использованы для прогнозирования ходкости существующих ледоколов, судов ледового плавания на начальных этапах проектирования, пересчета результатов модельных исследований ходкости на натурные суда, а также для создания оптимальных с точки зрения взаимодействия со сплошным ледовым полем обводов ледоколов. Оригинальность и самостоятельность достигнутых результатов подтверждается их публикацией в известных научных изданиях с уровнем цитируемости выше среднего как для теории корабля, так и в целом для судостроительной отрасли. Также результаты были доложены на представительных конференциях и значимых научных мероприятиях, получили положительные отзывы от ведущих экспертов в области ледовой ходкости судов. По результатам проекта исполнителем Себиным А.С. подготовлена кандидатская диссертация на тему «Обоснование способа определения характеристик ледовой ходкости судов с помощью модельных испытаний в композитной модели ледяного покрова». Результаты проекта были всесторонне обнародованы и представлены на сайтах и интернет-источниках: Дзен — платформа для просмотра и создания контента «Молодые ученые НГТУ им. Р.Е. Алексеева покоряют мир!»: https://dzen.ru/a/ZehqCHhDPldbb8p8?sso_failed=blocked&uuid=02ac8815-353b-49f4-878b-4ed0fa71b959 ; в программе Вести Биробиджан (ГТРК Бира) «Приамурский госуниверситет имени Шолом-Алейхема провёл Всероссийскую конференцию»: https://vk.com/video-211746812_456241741 ; на сайте ФГУП "Крыловский государственный научный центр": https://krylov-centre.ru/press/news/2882/ ; на Рен ТВ от 3 ноября 2024 (с 5,5 сек. до 7,3 сек.) «Гонки на выжимание — Наука и техника (03.11.2024)»: https://rutube.ru/video/30765dbf39a1444fcf09ca6c9b01a9f2/ .

Публикации

Возможность практического использования результатов
Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации (АЗРФ) осуществляется по двум основным направлениям: широкого освоения минерально-сырьевого потенциала и развития транспортной системы, в том числе обеспечивающей транзитные перевозки по Северному морскому пути. Актуальной является транспортировки нефти и газа с Арктического шельфа по Северному морскому пути в различных ледовых условиях. Возникает необходимость прогнозировать время выполнения рейсов, исследовать ледовую ходкость судов в различных режимах движения при круглогодичной навигации. Представленные результаты проекта позволяют прогнозировать ходкость ледоколов и судов ледового плавания не только на этапе проектирования, но и в процессе эксплуатации.