Главная » Архивы-2 » Условия и закономерности распространения ветровых волн как основа технологии

Условия и закономерности распространения ветровых волн как основа технологии

А.А. Загородников

Экспериментально найденные неизвестные ранее закономерности и условия распространения ветровых волн позволили объяснить возникновение аномально высоких волн в Черном море (с высотой более 20 метров) и других морях, образование особо опасных зон с повышенным на порядок уровнем волновой энергии, чем в окружающей акватории, охваченной штормами.

В таких зонах чаще всего гибнут суда, происходит формирование технических условий для разрушения морских сооружений, берегов и пляжей.

Открытые закономерности распространения ветровых волн, а также возможность дистанционного измерения детальной структуры волнения и приводного ветра позволяют создать принципиально новые технологии, обеспечивающие безопасность плавания судов, сохранность морских сооружений и берегов при штормовых условиях. Они также дают возможность эффективно использовать энергию волн и ветра в полезных целях.

Согласно классической теории гидромеханики [1], фазовая С и групповая Cg скорости ветровой волны в линейном приближении определяются на основании дисперсионного отношения:

W2 — g K t h = 0;        C = W/K;        Cg = dW/dK

Здесь W = 2 /T — круговая частота; Т — период волны; K = 2 / — волновое число; — длина волны; Н — глубина водоема; g — ускорение силы тяжести.

Для трех характерных случаев фазовые скорости волны равны.

  1. Глубокий водоем KH >> 1; C = (gK-1)1/2 ;      (2)
  2. Конечная глубина KH ~1; C = [gK-1th(KH)]1/2;

Cg=1/2 [gK-1th(KH)1/2 x [1=2KH/Sh(2KH)]      (3)

  1. Мелкий водоем KH << 1; C = (gH)1/2;

Cg = (gH)1/2 = C;       (4)

Эти выражения выведены в предположении ровного дна Е.П. Пелиновским [2] получено приближенное дисперсионное соотношение для водоема с наклонным дном, что характерно для описания распространения ветровых волн в прибрежной зоне;

W4 — gW2 /H = g2K2 = 0;
W = {gK/2KH = [(gK/2KH)2 = g2K2]1/2 }1/2      (5)
Ch = C{1/2KH = [(1/2 KH) = 1]1/2 } 1/2 CGH = C/2 [ = (1/2KH)2]-1/2

Здесь Ch? CgH — фазовая и групповая скорости волн при наклонном дне.

На глубокой воде значения скорости совпадают с зависимостями для водоема с ровным дном. При малой глубине водоема они имеют вид:

CH = C/KH;      CgH = CKH

На рис.1 приведены зависимости нормированных скоростей волн от глубины водоема. Цифрой 1 обозначена фазовая скорость для наклонного дна согласно работам [2], 2 — фазовая скорость для ровного дна [1] , 3 — групповая скорость для ровного дна [1], 4 — групповая скорость для наклонного дна [2], 5 — отношение групповой скорости к фазовой для ровного дна [1].

Измерения и расчеты скоростей

Для измерения времени существования, векторов фазовой и групповой скорости волн использовалась экспериментальная установка [3,5], позволяющая дистанционно в радиолокационном ( = 3,2 см) и видимом оптическом диапазоне следить за движением каждой конкретной волны, каждого пакета волн. По данным наблюдений получались пространственно-временные изображения траекторий движения индивидуальных волн и их пакетов (огибающей пакетов волн) в координатах (расстояние — r , время — t). Тангенс угла наклона касательной к траектории движения волны или пакета волн позволял определить модуль вектора скорости волн (и пакетов волн, а фронт движения — направление вектора).

На рис.2 приведен фрагмент пространственно-временного радиолокационного изображения траекторий волн и групп (пакетов) волн размером 1000 метров х 192 секунд. Траектории пакетов волн определяются по более ярким засветкам и меньшему углу наклона относительно оси времени, чем траектории индивидуальных волн.

Расстояния между соседними траекториями отдельных волн или пакетов волн в направлении, параллельном оси времени — t позволяют определить периоды индивидуальных волн — T, периоды групп волн — Tg. Если эти расстояния отсчитывать вдоль направления, параллельного оси расстояний — r, то измеряются длины волн или длина групп волн g.

Данные экспериментальных измерений приведены на рис.1 Квадратиками изображены значения фазовой скорости, а кружками — значения групповой скорости, полученные при помощи радиолокационного волномера. Крестиками обозначены данные групповой скорости, полученные телевизионным волномером.

Анализ этих экспериментов показывает, что для вычисления фазовой скорости в глубоких водоемах и с конечной глубиной фазовой скорости в глубоких водоемах и с конечной глубиной можно пользоваться формулами работы [1]. Зависимости, полученные в [2], для фазовой скорости в [2], экспериментами не подтверждаются. На малых глубинах при Н -> 0 фазовые скорости в [2] становятся бесконечными, что противоречит физическому смыслу.

Зависимости

Неожиданными оказались зависимости групповой скорости от глубины водоема. Из [1] следует, что с уменьшением глубины фазовая и групповая скорости должны сближаться, а при Н -> 0 выполняется С = Сg . В действительности оказалось, что групповая скорость, то есть скорость движения огибающей пакетов волн по водной поверхности, с уменьшением глубины водоема снижается в значительно большей степени, чем фазовая, то есть огибающая пакетов обладает волновыми свойствами и как имеющая большую длину, чем индивидуальные волны, начинает первая «чувствовать» дно и тормозиться, в то время как для индивидуальных волн этот водоем еще остается глубоким.

При косом падении волны на берег, разная степень торможения огибающей пакетов волн и индивидуальных волн приводит к более значительной рефракции пакетов волн по сравнению с индивидуальными. В результате направления векторов групповой и фазовой скоростей, совпадающие на глубокой волне при подходе к берегу с пологим дном все более расходятся.

Время существования

Время существования волн и их пакетов оцениваются по длине траектории, которую проходит каждое волновое образование на плоскости координат (r,t), полученное при помощи радиолокационного волномера в интервале расстояний от берега r = 5,5 — 20,5 км в течение часа при глубинах Н = 60-80 м. На изображении видно, что конкретные пакеты существуют более 35 мин., проходя по водной поверхности путь более 15 км. Анализ траекторий показывает, что они иногда пересекаются, т.е. более быстрые пакеты догоняют медленные и проходят сквозь них, сохраняя свою индивидуальность. Из анализа экспериментов следует, что интенсивное волнение тем больше, чем больше время существования.

технологическая инструкция для судна

Технические условия возникновения

При девятибальном шторме (по шкале ГУГМС 1954 г.) пакеты зыби существуют до 1 часа, пакеты собственного ветрового волнения — до 30 минут, а отдельные индивидуальные волны существуют примерно на 40-50 % меньше по сравнению с пакетами этих волн. Согласно спектральной теории волнения [5] каждое волновое образование или пакет волн состоит из совокупности отдельных гармонических состоящих. Компоненты спектра с большей длиной волны движутся быстрее, чем составляющие с меньшей длиной. В результате волновое образование должно расплыться и существовать не более 30 с. В пакет — не более 4 мин. В действительности оказалось, что время их существования по крайней мере на порядок выше, что объясняется нелинейными взаимодействиями [6] отдельных спектральных составляющих. В этой же работе авторы исследовали движение пакетов волн. Они же считали, что реальное ветровое волнение вряд ли обладает солитонными свойствами из-за переменности возбуждающей волны силы ветра.

В наших экспериментах оказалось, что огибающая пакетов обладает не только волновыми, но и солитонными свойствами, т.е. как индивидуальное целое существует длительное время, приходя по водной поверхности значительные расстояния (до 30 километров).

Неизвестные ранее закономерности распространения ветровых волн и их пакетов имеют важное практическое значение.

  1. Волновые свойства огибающей пакетов волн объясняют причину образования особо опасных зон с повышенным уровнем волновой энергии. Неоднородности рельефа дна играют роль линз, например, подводные холмы являются собирательными линзами, над которыми сходятся пакеты самых высоких волн. Энергия волнения переносится с групповой скоростью и фокусировкой пакетов волн, объясняется образованием зон с аномально высокими волнами.
  2. По характеру рельефа дна и направлению движения волн можно заранее выбрать наименее опасные места для размещения морских объектов. Управлением подводного рельефа осуществится отвод волновой энергии от защищаемого объекта или использование этой энергии в полезных целях, например, для расчистки морских каналов, получения электроэнергии и других приложениях.
  3. Солитонный характер движения пакетов ветровых волн и возможность дистанционного слежения за каждыми конкретными отдельными волнами и пакетами волн и изменения характеристик волнения и приводного ветра позволяют создать судовые системы безопасного плавания в штормовых условиях. Это же дает возможность эффективного использования энергии ветра для движения судов и получения электроэнергии на ветроэлектростанции в прибрежных зонах.

тех условия гибели суднаСуда во время шторма тонут в нескольких типичных ситуациях:

  • Резонансная качка,
  • Перелом на соседних гребнях или подошвах,
  • Встреча с особо высокими волнами,
  • И другие…

Эти варианты могут быть заранее запрограммированы в памяти компьютера, и система безопасного плавания управляет движением судна, попасть в аварийную ситуацию много сложнее.

Республика Крым богата предприятиями электроники. Это Севастополь, Симферополь, Феодосия и некотрые другие города имеют подобную электронную промышленность, которой требуются новые технологии, патенты и рынки сбыта.

Мировое судовождение чрезвычайно заинтересовано в наличии и развитие подобных систем. Они облегчают навигацию, и… уменьшают страховые выплаты.

 

 

 Устройства, оборудование и производственные возможности Крыма

Имеется возможность наладки их производства  на уровне мировых стандартов в Крыму на элементной базе иностранных производителей, но при использовании наших технологий и программного обеспечения.

Такая система не только снижает вероятность аварий при шторме 5-10 раз, но и обеспечивает успешное проведение операций на море, такие как буксировка, швартовка, спуск, подъем спасательных средств.

Одновременно снижается расход топлива во время прохода судами зон с сильным волнением. Стоимость производства одного экземпляра не превысит 100 тысяч долларов США, а цена реализации может быть в пределах 300-400 тысяч долларов.

Через 2-3 года после начала производства вполне возможно обеспечить годовой выпуск до 1000 экземпляров, а еще через 2-3 года до 5000 штук.

При условии сохранения приоритета Крыма (необходимо немедленное патентование в нескольких странах, получение сертификата на соответствие в морском регистре) на первом этапе оборот экспорта этого оборудования может составить 200- 300 миллионов долларов в год, а затем до 1 -1,5 млрд. долларов в год.

В городе Феодосия расположено НИИ аэроупругих систем, там же, кроме НИОКР  имеется опытное производство.

Данное учреждение было ведущим в СССР по проектированию и производству мягких оболочек разных видов.

На основе мягких оболочек могут быть созданы и начато серийное производство средств защиты морских сооружений от штормовых волн и управления движением волн для защиты объектов и использования энергии штормов в полезных целях.Экспорт технологий защиты морских объектов от штормовых волн и использование энергии волн в полезных целях принесет долгожданный рост экономики региона.

В Керчи, Феодосии и Севастополе имеются судостроительные заводы, которые могут производить суда с системами безопасного плавания в условиях шторма и экономии топлива. Такие суда будут покупаться за рубежом. С истощением углеводородного топлива и возникшими экологическими проблемами утилизации отработанного ядерного топлива неизбежен возврат к использованию энергии ветра для движения судов. Предлагаемые системы обеспечивают использование ветра на парусных судах с наивысшим КПД и создание парусных яхт с рекордными скоростями. Эти новые технологии поднимут судостроительную промышленность и отрасли с ней связанные. Продажа всех этих судов и технологий также даст значительную прибыль.

Обобщая возможную результативность внедрения новых технологий: воплощенные «в железо» и ПО — оборудование сможет прирастить оборот региона на два миллиарда долларов.

Рост выручки обеспечит возможность крупного ремонта коммуникаций Крыма, и ре новации санитарно рекреационных комплексов Крыма и обеспечит приток более обеспеченных туристов в республику.