Молодежная научная лаборатория ледотехники

Влияние особенностей формы погруженного тела на его гидродинамические характеристики при движении на малом заглублении

Экспериментально-теоретическое исследование направлено на изучение влияния формы погруженного тела на параметры его движения (вертикальное перемещение, угол дифферента) и гидродинамические характеристики (сопротивление, подъемную силу, гидродинамический момент) в приповерхностной водной среде при относительной скорости движения Fr=0.3-1, в том числе в ледовых условиях.

Глубокое понимание гидродинамических характеристик погруженного в жидкость тела имеет большое значения для обеспечения маневренности, управляемости и безопасности работы автономных подводных аппаратов (АПА). Наружный корпус современного АПА имеет сложную архитектуру в виде ограждения выдвижных устройств, надстройки, кормового оперения, горизонтальных и вертикальных рулей, что влияет на гидродинамические характеристики тела. Вместе с тем в научной литературе при определении сил и момента, действующих на погруженное тело, обычно используется упрощенное тело вращения.

Усложнение геометрической формы погруженного тела ведет к снижению скорости его движения, росту сопротивления, подъемной силы и гидродинамического момента. Существенное влияние на параметры движения АПА может оказывать ледяной покров и ледовые условия, в которых движется устройство (глубина и рельеф дна, наличие торосов, трещин и пр.).

В рамках исследования планируется экспериментально и теоретически определить влияние архитектурных особенностей погруженного тела на гидродинамические характеристики и параметры движения вблизи свободной поверхности жидкости, в том числе в ледовых условиях.

Будет выявлена зависимость между гидродинамическими характеристиками и параметрами генерируемых гравитационных волн на свободной поверхности жидкости и изгибно-гравитационных волн (ИГВ) на поверхности ледяного покрова, определена ледоразрушающая способность генерируемых в системе «лед-вода» ИГВ, выполнена оценка безопасности эксплуатации АПА в приповерхностной водной среде с учетом условий эксплуатации.

Разработка композиционных материалов повышенной прочности на основе льда с армирующим геосинтетическим каркасом

Цель проекта — разработка новых композиционных материалов на основе льда с заданными физико-механическими свойствами путем внедрения в его структуры полимерных геосинтетических пространственных каркасов для строительства сооружений различного назначения в условиях отрицательных температур.

В восточных и северных районах России, особенно в Арктической зоне, в виду отсутствия развитой транспортной инфраструктуры широко используются ледовые платформы, переправы, зимние аэродромы. Ледяной покров на таких сооружениях должен обладать достаточной несущей способностью, а глубина воды подо льдом превышать 1 м. Если толщина ледяного покрова недостаточна, используется намораживание льда снизу и сверху, усиление деревянным колейным настилом и пр.

Физико-механические свойства усиленного традиционными методами ледяного покрова зависят от внешних факторов (наличие снега и ветра в момент намораживания, температуры окружающей среды). Лед, получаемый ускоренным дождеванием, часто представляет собой фирновую массу, которая может прилипать к колесам автомашин и отрываться от природного льда. 

Перспективным решением может быть создание композитных материалов повышенной прочности на основе льда путем внедрения в него армирующих элементов с различными физико-механическими свойствами. Традиционно для усиления прочности льда используется метод дождевания или использование различных модификаторов (хвоя, углеродные нанотрубки, льноволокно, древесная стружка, стекловолокно), что дает прирост прочности при изгибе льда не более 80 %.

Для повышения несущей способности ледяного покрова толщиной от 0,4 м может быть использовано внедрение в структуру льда плоских, пространственных и цилиндрических каркасов из полимерных геосинтетических материалов как наиболее доступных армирующих элементов. Ледяной покров в этом случае будет рассматриваться как композиционный материал повышенной прочности, который даже при предельных нагрузках, вызывающих трещинообразование, позволит сохранять несущую способность. Для проектирования каркасов планируется использование геосеток, георешеток, геоматов и геотекстиля.

В ходе реализации проекта будет разработан подход к созданию композитных материалов повышенной прочности на основе льда; предложена численная модель разрушения материалов при различных скоростях нагружения; с помощью модельных экспериментов на специальном нагружающем стенде построены диаграммы нагрузка-прогиб, определены физико-механические свойства композиционных образцов, их прочность и предельная несущая способность; проведены серии экспериментов по моделированию армированного ледяного поля в опытовом ледовом бассейне.

Устройство по очистке твердых дорожных покрытий от снежного и ледяного наката

Ледяной и снежный накат является одной из основных причин роста травматизма и дорожно-транспортных происшествий в зимнее время. Техника, которая используется для очистки от снега и наледи тротуаров, дорог и аэродромов имеют существенные недостатки, среди которых низкая надежность при эксплуатации, наличие в конструкциях приводов или двигателей, повреждение поверхности дорожных покрытий и сопутствующих конструкций (бордюры, рельсы, люки) вследствие вращения исполнительных органов, сезонность эксплуатации, высокая стоимость. 

Проект направлен на разработку устройства для очистки дорожного покрытия от снежного и ледяного наката без разрушения дорожного полотна, что может существенно снизить затраты на эксплуатацию транспортной инфраструктуры и повысить безопасность на дорогах в регионах с постоянными отрицательными температурами в зимний период. 

Совместно с Институтом машиноведения и металлургии ДВО РАН получено семь патентов на устройство, способное бороться со снежным и ледяным накатом на твердых дорожных покрытиях. 

Принцип работы устройства заключается в механическом воздействии на накат дисковыми ножами, катящимися по поверхности и вращающимися под действием сил трения. В местах контакта ножей с покрытием в слоях наката возникают нормальные и касательные напряжения, которые разрушают и отрывают его фрагменты от дороги. Для создания нормальных напряжений ножи нагружаются вертикальной силой, а для касательных задается угол атаки ножей, который зависит от толщины наката. 

В рамках проекта планируется разработать конструкцию устройства, способного бороться со снежным и ледяным накатом толщиной до 20 см без повреждения покрытия дороги, выполнить расчеты на прочность и деформируемое состояние, разработать конструкторскую документацию.

Совместно с учеными Института машиноведения и металлургии Хабаровского федерального исследовательского центра ДВО РАН с помощью модельных экспериментов проанализирована возможность разрушения ледяного покрова погруженными телами запатентованным резонансным методом. Разработана математическая модель для анализа напряженно-деформированного состояния ледяного покрова при наличии слоя снега.

В рамках реализации ФЦП (соглашение №14.B37.21.1839)

Совместно с учеными Амурского гуманитарно-педагогического университета исследовано поведение ледяного покрова в условиях изгибно-гравитационного резонанса от движения двух нагрузок по поверхности льда фронтом, кильватерным строем и параллельным курсом, определено влияние рельефа дна и различных ледовых условий на параметры генерируемых изгибно-гравитационных волн. Исследованы физико-механические характеристики ледяного покрова, предложены и проанализированы силовой, кинематический, геометрический и энергетический критерии оценки ледоразрушающей способности изгибно-гравитационных волн от движения нагрузки. 

 В рамках реализации гранта РФФИ №18-38-200

Совместно с учеными Jiangsu University of Science and Technology (Zhenjiang, China) предложены, экспериментально и теоретически обоснованы новые способы повышения несущей способности ледяного покрова путем его поверхностного армирования. 

В рамках реализации проекта №9.4934.2017/БЧ

Совместно с учеными Института машиноведения и металлургии Хабаровского федерального исследовательского центра ДВО РАН теоретически и экспериментально исследовано влияние глубины акватории и рельефа дна на параметры изгибно-гравитационных волн от движения погруженного тела, влияние снежного покрова на поведение льда. Аналитически решена задача по определению волнового сопротивления и вертикальной подъемной силы, действующей на погруженное тело, двигающиеся вблизи свободной поверхности жидкости и нижней поверхности ледяного покрова.

В рамках реализации гранта РНФ №16-19-10097

Начато систематическое изучение влияния на гидродинамические характеристики (сопротивление, подъемную силу, гидродинамический момент), вертикальное перемещение и угол дифферента модели погруженного тела при движении на малом заглублении, в том числе при наличие ледяного покрова на поверхности воды. Совместно с учеными Крыловского государственного научного центра (Санкт-Петербург) выполнена разработка волнопродуктора для моделирования регулярного волнения на поверхности воды при проведении буксировочных испытаний.

В рамках проекта РНФ №21-19-00118

По запросу компании «СИБУР-Полилаб» запланировано проведение испытаний для получения физико-механических характеристик новых композитных материалов повышенной прочности на основе льда, армированного геосинтетическими материалами. Для испытаний в рамках сотрудничества будет использована продукция компании «ТехПолимер».

Проходит акселерацию в акселераторе «Газпром нефть» INDUSTRIX.

Опытовый ледовый бассейн размерами 14×3×1 м позволяет проводить эксперименты по определению поведения ледяного покрова в условиях изгибно-гравитационного резонанса от движения нагрузок. Используется пресноводный лед без примесей, намораживаемый до заданной толщины с помощью естественного охлаждения. Толщина намораживаемого покрова контролируется с помощью ультразвукового толщиномера. 

Внутри чаши бассейна установлена система терморегуляции и искусственного кондиционирования воздуха.

Бассейн оснащен регулируемым подвесным дном из четырех отдельно управляемых секций. Конструкция секций позволяет моделировать не только глубину воды, но и рельеф дна в виде выступов, уступов и наклонных участков. Пластинчатый волнопродуктор и волногасители для обеспечивают возможность моделирования регулярного волнения на поверхности воды. 

Буксировочная тележка позволяет проводить испытания в диапазоне чисел Fr=0,2-1, в том числе моделировать нестационарные режимы движения (разгон, торможение).

Изготовление моделей погруженных тел заданной геометрической формы осуществляется методом послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели с помощью принтера Raise3D с точностью печати до 0,01 мм.

Для записи взволнованной поверхности воды и ледяного покрова используется измерительный комплекс из бесконтактных лазерных датчиков LAS-Z-100-А компании WayCon и системы сбора данных Q.gate IP с модулем Q.bloxxA107.

Тросовая буксировочная система и видеокамеры позволяют определить вертикальное перемещение, возникающее под воздействием подъемной силы, и угол дифферента модели.  Две камеры машинного зрения VLXT-50M.I моно IMX250, 2/3′′ CMOS, 2464 × 2056, 163 к/с установлены напротив водонепроницаемых окон, вмонтированных в боковую поверхность чаши бассейна. Одна камера машинного зрения VLXT-31C.I моно IMX252, 1/1.8′′ CMOS, 2048 × 1536, 216 к/с используется в качестве панорамной, фиксируя процесс разрушения ледяного покрова и характер волнообразования от движения моделей.

Численное моделирование осуществляется с помощью графических станций CELSIUS R970 power с двумя процессорами Intel Xeon Gold 6144 8C (тактовая частота 3.50GHz по 8 физических ядер в каждом процессоре) и HP DL385 Gen10 с двумя процессорами AMD EPYC 7402 (тактовая частота 2.8GHz, по 24 физических ядра в каждом процессоре), а также на вычислительном кластере (суперкомпьютере) xFusion 2288H V6. Численные модели разрабатываются на базе ПК ANSYS 19 R2 Academic Research и ПК Логос. 

Универсальная площадка для проведения полунатурных экспериментов в области механики разрушения снежного и ледяного наката и разработки новых композитных материалов повышенной прочности на основе льда. 

На территории полигона расположен стенд — металлическая ферменная конструкция, вмонтированная в бетонное основание, вдоль которой расположены рельсовые направляющие. Внутри конструкции моделируется слой наката заданной толщины, по рельсам перемещается буксировочная тележка с режущими элементами. 

В состав полигона входит универсальное нагружающее устройство для разрушения ледяных композитных образцов чистым изгибом, оснащенное весовым терминалом и лазерным датчиком вертикальных перемещений. Для видеозаписи процесса разрушения образцов используются высокоскоростные камеры.

Изготовление и разрушение ледяных образцов происходит в соответствии с методиками и рекомендациями Секции ледовых проблем МАГИ (Международная ассоциация гидравлических исследований). Образцы изготавливаются методом заморозки естественным холодом в специальных опалубках. 

Испытания позволяют получить не только величину предельной разрушающей нагрузки, определить характер деформации образца, зарождения и раскрытия трещин, но и построить диаграмму «нагрузка-прогиб», определить приведенный модуль упругости (Модуль Юнга), предел прочности на изгиб и при необходимости предел прочности на сжатие. Полученные результаты используются для построения численных и аналитических моделей напряженно-деформированного состояния армированного ледяного поля при движении по нему нагрузки. Испытания не моделируют натурные условия эксплуатации, однако позволяют прогнозировать поведение материала при различных стадиях нагружения.

При лаборатории функционирует научно-производственный цех, оснащенный обрабатывающим оборудованием и станками с ЧПУ.