ВЛИЯНИЕ СНЕЖНОГО ПОКРОВА И ГЛУБИНЫ ВОДОЕМА НА СПОСОБНОСТЬ РАЗРУШАТЬ ЛЕДЯНОЙ ПОКРОВ СУДАМИ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ РЕЗОНАНСНЫМ МЕТОДОМ ПРИ ИХ ДВИЖЕНИИ «ФРОНТОМ»

  • Авторы: Козин В.М1
  • Учреждения:
    1. Институт машиноведения и металлургии Хабаровского федерального исследовательского центра Дальневосточного отделения Российской академии наук, Комсомольск-на-Амуре, Российская Федерация
  • Выпуск: № 3 (2025)
  • Страницы: 42-53
  • Раздел: Статьи
  • URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/4652
  • DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2025.3.04
  • Цитировать

Аннотация


Приведены результаты исследований возможностей резонансного метода разрушения льда (РМРЛ), реализуемого амфибийными судами на воздушной подушке (СВП) при их движении по льду со скоростью резонансных изгибно-гравитационных волн (ИГВ). При такой скорости минимальная частота изгибных колебаний, распространяющихся в свободной плавающей пластине, совпадает с минимальной фазовой скоростью изгибно-гравитационных волн. В этом случае архимедовы силы поддержания (силы плавучести) полностью уравновешиваются гидродинамическими силами, и вода перестает поддерживать ледяной покров, т.е. его равновесие достигается только за счет внутренних сил упругости, возникающих в самой пластине. Это приводит к резкому увеличению амплитуды возбуждаемых ИГВ. Рассмотрена возможность повышения эффективности РМРЛ за счет интерференции резонансных ИГВ, возбуждаемых одновременно несколькими СВП. Результаты получены на основании экспериментов, выполненных: в ледовом бассейне; с крупномасштабными моделями СВП в полевых условиях; с натурными СВП в различных условиях ледовой обстановки, а также с использованием теоретических зависимостей, полученных для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) ледяного покрова от действия движущейся нагрузки. При определении ледоразрушающей способности судов учитывались изменение глубины водоема и наличие на льду снежного покрова в условиях изгибно-гравитационного резонанса (ИГР). При описании вязко-упругого характера соотношения между напряжениями и деформациями во льду использовалась обобщенная модель деформирования вязко-упругой среды Максвелла-Кельвина-Фойгта. Снежный покров моделировался вязким слоем. Приведены зависимости, позволяющие определить увеличение толщины льда, разрушаемого резонансным методом, за счет одновременного использования нескольких судов, движущихся фронтом, т.е. при расположении судов на линии, перпендикулярной их курсу следования. Зависимости получены с учетом влияния на эффективность РМРЛ снежного покрова, глубины водоема и расстояния между судами.


Полный текст

Большие энергетические затраты на разрушение льда традиционными технологиями (ледоколами, судами ледового плавания, ледокольно-ледоочистительными приставками и пр.) их ограниченность, а, часто, и невозможность использования в сложных ледовых условиях обуславливают необходимость поиска новых средств и методов решения различных ледотехнических задач. К ним можно отнести: разрушение ледяного покрова на мелководье, когда глубина акватории оказывается не доступной для ледоколов из-за их осадки; разрушение заторов и зажоров во время весенних ледоходов с целью предотвращения разрушительных наводнений из-за их низкой эффективности; разрушение льда на больших площадях при обслуживании ГЭС и вскрытии ледяного покрова водохранилищ и заливов рек с целью более раннего открытия навигации из-за их низкой производительности; околка маломерных судов, вмерзших в ледяной покров, т.к. при использовании в таких случаях ледоколов возникают опасные для обеспечения прочности судов силы бокового сжатия и пр. Перспективы в более успешном их решении открываются в связи с открытием сравнительно недавно способностью СВП разрушать ледяной покров при их движении по льду со скоростью резонансных ИГВ [1 – 12], т.е. резонансным методом [14]. При такой скорости минимальная частота изгибных колебаний, распространяющихся в свободной плавающей пластине, совпадает с минимальной фазовой скоростью изгибно-гравитационных волн. В этом случае архимедовы силы поддержания (силы плавучести) полностью уравновешиваются гидродинамическими силами и вода перестает поддерживать ледяной покров, т.е. его равновесие достигается только за счет внутренних сил упругости, возникающих в самой пластине. Это приводит к резкому увеличению амплитуды возбуждаемых ИГВ, что значительно повышает энергоэффективность разрушения льда резонансным методом по сравнению с известными технологиями.

Об авторах

В. М Козин

Институт машиноведения и металлургии Хабаровского федерального исследовательского центра Дальневосточного отделения Российской академии наук, Комсомольск-на-Амуре, Российская Федерация

Автор, ответственный за переписку.
Email: kozinvictor@rambler.ru

Список литературы

  1. Dutfild D.O., Dickins D.E. Icebreakins trials with Bell Acгоspace Voyageur ACV // Canadien Aeronautics and space journal, 1974, vol. 20, № 10, p.471–474
  2. Wade R.J. Air Cushion technology in Icebreaking // Hoverig Graft and Hydrofoil. 1975, vol. 14, № 8, p. 20-23
  3. Wade R.J., Edwards R.Y., Kim J.K. Improvements in icebreaking by use of air cushion technology //Symposium Calgary, 1976, № 10, p. 1-14
  4. Зуев В.А. Средства продления навигации на внутренних водных путях.¬ – Л: Судостроение, – 1986. – 208 с
  5. Жаботинский О.Н. Использование грузовых и специализированных СВП за рубежом // Передовой опыт и новая техника. – 1978. – №4. – С. 67-72
  6. Смигельский С.П. Об американских работах по программе создания арктических КВП // Судостроение за рубежом. – 1978. – №3 (135). – С. 3-18
  7. Hindley Keith. A. Breakthrough for Canadian icebreaking // New Sei. 1978. Vol. 78, No.1104. P. 502-503
  8. Messer T. Seaway icebreaker role for ACV // Can. Ship. and Mar. Eng. 1976. Vol. 47. No.4. P. 21
  9. O’Nayl I. Icebreaking helped by ACV technology // Can. Ship. and Mar. Eng. 1976. Vol.47. No.6. P. 29-30
  10. Симонов Ю.А., Амфилохиев Л.Б. Оценка ледокольных качеств судов на воздушной подушке // Труды ЦНИИМФ. – 1979. – Вып. 243. – С. 105-110
  11. Зуев В.А. Исследование взаимодействия судов на воздушной подушке с ледяным покровом. //Отчет ГПИ им. А.А. Жданова. – Инв. № Б 641989. 1977. 65 c
  12. Каштелян В.И., Яровая Т.Х. Использование устройств на воздушной подушке для разрушения льда // Судостроение за рубежом. – 1978,– № 5. – с.57-64
  13. Козин В.М. Результаты экспериментально-теоретических исследований возможностей резонансного метода разрушения ледяного покрова // Изв. РАН. МТТ. – 2023,– № 3. – с. 3-20
  14. Козин В.М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова: Изобретения и эксперименты. – М.: Академия естествознания. – 2007. – 355 с. ISBN 978-5-7692-1687-
  15. Честнов Е.И. Использование судов на воздушной подушке для взламывания льда // Передовой опыт и новая техника. – 1979. – вып.2 (62). – с.69–73.
  16. Ткачева Л.А. Поведение плавающей упругой пластины при колебаниях участка дна // ПМТФ. – 2005. – т. 46. – № 2. – с. 98-108
  17. Korobkin A., Khabakhpasheva T., Papin A. Waves Propagating Along a Channel with Ice Cover // European Journal of Mechanics - B/Fluids. 2014. Vol. 47. P. 166–175
  18. Батяев Е.А., Хабахпашева Т.И. Гидроупругие волны в канале со свободным ледовым покровом // Известия Российской Академии наук. Механика жидкости и газа. – М.: Наука. – 2015. – №6. – С. 71-88
  19. Шишмарев К.А., Хабахпашева Т.И., Коробкин А.А. Влияние гидростатического и гидродинамического давлений на колебания ледового покрова // МАК-2015: «Математики - Алтайскому краю». – Сборник трудов всероссийской конференции по математике. – 2015. – С. 87-91
  20. Ткачева Л.А. Взаимодействие поверхностных и изгибно-гравитационных волн в ледяном покрове с вертикальной стенкой // ПМТФ. – 2013. – Т.54. –№4. – С. 158-170
  21. Ткачева Л.А. Поведение полубесконечного ледяного покрова при равномерном движении нагрузки // Прикладная механика и техническая физика. – 2018. –Т.59. – №2. – С. 82-98
  22. Ткачева Л.А. Волновые явления, возникающие при движении нагрузки по свободной поверхности жидкости вдоль кромки ледяного покрова // ПМТФ – 2019. – №3. – С. 73-84
  23. Стурова И.В. Действие периодического поверхностного давления на ледяной покров в окрестности вертикальной стенки // ПМТФ – 2017. – Т.58. – №1. – С. 92-101
  24. Стурова И.В. Движение внешней нагрузки по полубесконечному ледяному покрову в докритическом режиме // Известия Российской Академии наук. Механика жидкости и газа. –2018. – №1. – С. 51-60
  25. Букатов А.Е. Волны в море с плавающим ледяным покровом. – Севастополь: ФГБУН МГИ. – 2017. – 360 с
  26. Завьялова К.Н., Шишмарев К.А., Хабахпашева Т.И. Движение внешней нагрузки по битому льду в канале // Известия Алтайского государственного университета. – 2018. – №4(102). – С. 73-78
  27. Шишмарев К.А., Хабахпашева Т.И. Нестационарные колебания ледового покрова в замороженном канале под действием движущегося внешнего давления // Вычислительные технологии. – 2019. – Т.24. – №2. – С. 111-128
  28. Khabakhpasheva T., Shishmarev K., Korobkin A. Large-time response of ice cover to a load moving along a frozen channel // Applied Ocean Research 86 (2019). p. 154–165
  29. Стурова И.В., Ткачева Л.А. Колебания ограниченного ледяного покрова при локальном динамическом воздействии // Полярная Механика. – 2016. – №3. – С. 997-1007
  30. Экспериментально-теоретические исследования зависимости параметров распространяющихся в плавающей пластине изгибно - гравитационных волн от условий их возбуждения. Под общ. ред. В.М. Козина. – Новосибирск: Изд-во СО РАН. – 2016. – 222 с. ISBN 978-5-7962-1504-
  31. Милованов Э.В., Цой Л.Г. Перспективы использования амфибийных судов на воздушной подушке за рубежом // Л: Судостроение. – 1976. – № 4. – с. 16-19.
  32. Ионов Б.П., Грамузов Е.М. Ледовая ходкость судов. – СПб.: Судостроение. – 2001. – 512 с. ISBN 5-7355-0576-9
  33. Козин В.М., Земляк В.Л., Рогожникова Е.Г. Увеличение эффективности резонансного метода разрушения ледяного покрова при одновременном движении двух судов на воздушной подушке. // ПМТФ. – 2017. –Т. 58. – № 2. С. 185–192
  34. Песчанский И.С. Ледоведение и ледотехника. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1967. – 467 с
  35. Иванов К.E., Песчанский И.С. Грузоподъёмность ледяного покрова и устройство дорог на льду. – М.; Л.: Главсевморпуть. –1949. –182 с
  36. Голушкевич С.С. О некоторых задачах теории изгиба ледяного покрова. – Л.: Воениздат. –1947. – 231 с
  37. Иванов К.Е., Кобеко П.П., Шульман А.Р. Деформация ледового покрова при движений грузов. // Журнал технической физики. – 1946. – т. 16. – С. 257-262
  38. Ключарев В., Изюмов С. Определение грузоподъемности ледяных переправ // Военно-инженерный журнал. – 1943. – № 2-3. – С. 30-34
  39. Кобеко П.П., Шишкин Н.И., Марей Ф.И. Пролом и грузоподъемность льда // Журнал технической физики. –1946. – т. 16. – вып.З. – С. 273-276
  40. Шушлебин А.И. Волновые процессы и напряжения ледяного покрова // Проблемы Арктики и Антарктики. – 1978. – Т.53. – вып.4. – С.50-53
  41. Якунин А.Е., Бутягин И.П. Расчеты несущей способности ледяного покрова // Труды НИИВТ, 1984, вып.88, с.66-81
  42. Брегман Г.Р., Проскуряков Б.В. Ледяные переправы. – Свердловск: Гидрометеоиздат. – 1943. – 151 с
  43. Бернштейн С.А. Ледяная железнодорожная переправа. Работа, теория и расчет ледяного слоя //18 Сборник НКПС. – М.: Транспечать. – 1929. – 42с
  44. Панфилов Д.Ф. К расчету грузоподъемности ледяных переправ //Изв. ВНИИГ. – 1960. – т.64. –С. 101-116.
  45. Войтковский К.Ф. Механические свойства льда. – М.: Изд. АН СССР. – I960. – 99 с.
  46. Доронин Ю.П., Хейсин Д.Е. Морской лед. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1975. – 318 с.
  47. Зубов Н.Н. Льды Арктики. – М.: Изд-во Главсевморпути. – 1945. – 360 с
  48. Хейсин Д.Е. Динамика ледяного покрова. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1967. – 215 с
  49. Фрейденталь А., Гейрингер Х. Математические теории неупругой сплошной среды. – М.: Физматгиз. – 1962. – 432 с
  50. Чубаров Л.Б. О некоторых численных моделях распространения длинных волн в жидкости при наличии ледяного покрова. // М: Численный анализ. –1978. – Т. 2. – С. 99-110
  51. Takizawa T. Deflection of a floating sea ice sheet induced by a moving load // Cold Regions Sci. and Techn. 1985. V. 11. P. 171–180
  52. Squire V.A., Hosking R.J., Kerr A.D., Langhorne P.J. Moving Loads on Ice Plates // Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 1996. 236 p
  53. URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BD%D0%B5%D0%B6%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D0%BE%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%B2 (дата обращения 12.10.2021)
  54. Козин В.М., Земляк В.Л., Верещагин В.Ю. Влияние снежного покрова на параметры изгибно-гравитационных волн в ледяном покрове. // ПМТФ. – 2013. –Т. 54. – № 3. – С. 134-140
  55. Богородский В.В., Галкин Е.И. Исследование внутреннего трения пластин льда со слоем снега при изгибных колебаниях // Акустический журнал. – М.: Наука. – 1966. – т. 12. – Вып.4. – с. 411-415
  56. Войтковский К. В. Реология льда и снега. // Труды первый всесоюзный симпозиум по реологии грунтов. Ереван. –1973. – С.26-42
  57. Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед. Физические свойства. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1980. – 384 с
  58. Takizawa T. Field studies on response of a floating sea ice sheet to a steadily moving load // Contributions from the Institute of Low Temperature Science. 1987. Vol. 36. P. 31-7

Статистика

Просмотры

Аннотация - 659

PDF (Russian) - 33

Cited-By


PlumX


© Козин В.М., 2025

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах