Гидродинамические силы, действующие на лесотранспортную единицу при буксировке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Северный Арктический Федеральный Универститет

Гидродинамические силы, действующие на лесотранспортную единицу при буксировке

Гуменчук Александра Анатольевна, магистр, студент

В статье подробно рассмотрены силы сопротивления для лесотранспортной единицы такие как, сопротивление трения, волновое сопротивление, сопротивление от уклона, сопротивление формы. Приведены характеристики, от которых они зависят, а также формулы для нахождения этих сил.

Транспортировка круглых лесоматериалов осуществляется различными видами транспорта. Однако, водный транспорт леса на сегодняшний день является основополагающим транспортом для доставки лесоматериалов. Этому способствуют, в основном, небольшие эксплуатационные затраты. При транспортировке плотов большое внимание следует уделить силам, которые действуют на них. Именно от гидродинамических характеристик зависит выбор судна - буксировщика, остановки плотов, конструкции сплоточных единиц и их крепления.

Движение тела в потоке - это наиболее частое взаимодействие тела, погруженного в поток, с самим потоком. Для водного транспорта леса это может быть движение судна в воде, лесотранспортной единицы (лесоматериала, пучка) и т.д.

Может быть несколько режимов движения:

1. Ускоренное движение. Когда скорость плота стечением времени получит положительное ускорение; , где - внешняя сила, которая, по направлению совпадает с продольной осью плота, чем и будет вызвано движение, R - сопротивление движению.

2. Равномерное движение, когда скорость плота остается постоянной. При этом ускорение , в этом случае .

3. Замедленное движение, когда скорость плота с течением времени получает отрицательное приращение, в это случае [1].

На практике имеет наиболее большое значение равномерное движение сплоточной единицы.

Во время движения сплоточной единицы действуют гидродинамические и гидростатические силы. Результирующая гидродинамических сил - сила сопротивления движению воды, которая действует в противоположном направлении движения тела на тело и препятствует движению в воде.

Важно учитывать, что на движение лесотранспортных единиц и судов воздействует окружающая внешняя среда - ветроволновые нагрузки, уклон водной поверхности на участках движения, характеристики лесосплавного хода (глубина, ширина) и др.

Общий вид, усыновленный Ньютоном для определения силы сопротивления

(1)

где С - коэффициент сопротивления; F- площадь миделевого сечения; - плотность жидкости; - скорость перемещения плота.

Коэффициент сопротивления (1) представляет собой сложную функцию, которая зависит одновременно от физических свойств жидкости и формы, параметров тела.

Коэффициент сопротивления является функцией

С = f(Re); (2)

С = f(Fr); (3)

Общее сопротивление движению (лобовое сопротивление) можно представить в следующем виде

(4)

где R_{тр} - сопротивление трения; R_ф - сопротивление формы; R_в-волновое сопротивление; R_i - сопротивление, возникающее от наличия уклона водной поверхности.

Сопротивление трения получается в результате трения частиц жидкости по поверхности. Трение зависит от вязкости жидкости, в котором перемещается тело. На трение влияние также шероховатость поверхности и скорость передвижения тел в жидкости.

Первые исследования для определения сопротивления трения для досок были проведены еще в конце половине 18 века. Однако наиболее достоверные данные были получены в семидесятых годах 19 века Фрудом. Он исследовал полностью погруженные доски с различной длиной и с различной степенью шероховатости. Фруд использовал доски со следующими параметрами: толщина - 5мм, ширина - 485 мм, длина - 305-15240 мм. Скорость изменяли от 30 до 240 м/мин. Когда происходит погружение полностью, то сопротивление формы и волновое сопротивление становится равным сопротивлению трения. Фруд предложил следующую эмпирическую формулу

(5)

где g - удельный вес воды; - коэффициент трения, в зависимости от длины и степени шероховатости поверхности; S - подводная часть доски; - скорость передвижения; n - показатель степени (зависит от шероховатости), n=(1,82,0).

По этой формуле с помощью экстраполяции из экспериментальных данных был сделан пересчет для сопротивления трения судов, только для них степень n равняется 1,825. Формула Фруда многие годы применялась в области судостроения для определения .

Позднее было исследовано, что расчет сопротивления трения с использованием формулы Фруда дает заниженный показатель.

В результате различных исследований установлено, что на значение сопротивления трения влияет скорость перемещения тела, параметры и степень шероховатости части тела, находящейся под водой, а также физические свойства жидкости, такие как плотность, вязкость.

Сопротивление формы (или вихревое) - это часть проекции результирующей гидродинамического давления, которая возникает из-за перераспределения давления по смоченной поверхности судна или лесотранспортной единицы.

Изменение давления можно объяснить так. В то время как обтекается криволинейная поверхность, давление у пограничного слоя не является постоянным. Это происходит в связи с различными скоростями потока у пограничного слоя вдоль тела, поэтому и происходит перепад давления.

Хорошо обтекаемые тела имеют небольшую абсолютную величину сопротивления формы, она зависит от удлинения тела. У плохо обтекаемых тел во время обтекания отрывается пограничный слой. За телом образуется попутная струя., которая состоит из сложных вихревых образований. [2]

Сопротивление трения и формы являются функцией от числа Рейнольдса

(6)

где - скорость передвижения тела относительно жидкости, м/с; L - длина тела, м; N - кинематическая вязкость жидкости, м³/с.

Число Рейнольдса представляет собой соотношение сил инерционной природы к силам вязкости, действующих в жидкости.

Экспериментально установлено, что сопротивление формы имеет зависимость от числа Рейнольдса. В большинстве случаев практики лесосплава скорости перемещения лесосплавных единиц таковы, что эта зависимость исчезает и появляется зависимость сопротивления формы от числа Фруда

(7)

сопротивление лесоматериал сила лесотранспортный

Число Фруда представляет собой соотношение сил инерции к силам тяжести.

Число Рейнольдса участвует в динамическом подобии, которое имеет следующий вид

(8)

Для числа Фруда соответствует закон подобия Фруда

(9)

Законы подобия необходимы для того, чтобы выполненные исследования на моделях можно было перенести на натуру.

Волновым называется сопротивление, возникающее при движении тела с большими скоростями по свободной поверхности жидкости или вблизи нее сопровождающееся образованием гравитационных волн. Волновое сопротивление зависит от числа Фруда.

Когда судно или плот движется с небольшой скоростью в воде, то поток плавно обтекает тело без существенного изменения равновесия свободной поверхности воды. Если скорость увеличивается, поток при обтекании не успевает плавно обтекать, результатом этого является то, что поверхность воды деформируется. Частицы жидкости, которые не находятся в равновесии, под действием сил тяжести совершают колебания. Такие перемещения частиц вызывают повторяющееся изменение формы свободной поверхности в виде волн [3].

Доказано, что волновое сопротивление начинает проявляться тогда, когда Fr = (0,14 - 0,16) для судов с полными обводами и Fr = (0,16 - 0,21) для судов с острыми обводами. Для буксировки одиночных лесоматериалов волновое сопротивление имеет значение при Fr = 0,35.

Суммарное сопротивление и является, так называемым, остаточным сопротивлением.

(10)

Считается, что в реальных условиях лесосплава все составляющие подчиняются квадратичному закону сопротивления по скорости:

(11)

(12)

(13)

(14)

где , , - коэффициент сопротивления трения. формы, волновое; - плотность воды, кг/м³; S - площадь трения (площадь, омываемая водой), м²; F- площадь миделевого сечения, м².

Для хорошо обтекаемых тел используют двучленную формулу:

(15)

Для плохо обтекаемых тел

(16)

Где С- коэффициент полного сопротивления.

(17)

При наличии уклона свободной поверхности потока возникает влекущая сила. Пропорционально объему погруженной части плавающего тела и величине уклона. В результате при движении тела по течению сила сопротивления уменьшается, а при движении против течения - увеличивается. Знак плюс в формуле соответствует случаю буксировки против течения, а минус - по течению [4].

Все составляющие сопротивления влияют друг на друга, но это влияние не учитывают при их определении и считаются самостоятельными.

Список литературы

1. Патякин В.И Лесоэкслуатация [Текст]: учебник для студ. Высш.учебн. заведений/ В.И. Патякин, Э.О.Салминен, Ю.А.Бит и др. М.: Издательский центр «Академия», 2007 320 с.

2. Повх И.Л., Техническая гидромеханика [Текст]: 2- е изд. дополн. Л., «Машиностроение», 1976. 504 с.

3. Прозоров И.В. Гидравлика, водоснабжение и канализация [Текст]: учебное пособие для строит. спец. Вузов/ И.В.Прозоров, Г.И.Николадзе. А.В.Минаев,. М. Высш. шк., 1990. 448 с.

4. Харитонов, В. Я. Расчет сопротивления воды равномерному движению лесотранспортных единиц [Текст]: метод. указ. к выполнению самостоят. работ / В.Я. Харитонов, В.А. Пустошный. Архангельск: [б. и.], 1993. 24 с.

Размещено на Allbest.ru