Глава 3. ВЕТРО-ВОЛНОВЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ

3.1. Общая характеристика ветра-волновых возмущений

Движение морских подвижных объектов происходит в условиях постоянного воздействия ветра, течений, морского волнения. Взаимодействие перемещающихся частиц воды и воздуха с корпусом движущегося объекта приводит к возникновению гидроаэродинамических сил и моментов, которые образуют ветро-волновые возмущения. В результате этих внешних воздействий появляется качка (бортовая, килевая, вертикальная), рыскание и боковой снос (дрейф), снижается скорость поступательного движения МПО. Существенная часть мощности исполнительных органов управления (рулей, подруливающих устройств, движителей и т. п.) расходуется на компенсацию возмущающего воздействия среды. При интенсивном ретро-волновом процессе уровень управляющих воздействий может быть существенно ниже возмущений. Это отрицательно сказывается на характере движения и качестве управления. Ухудшаются условия функционирования МПО. Системы управления перестают обеспечивать требуемые параметры движения, В экстремальных условиях преобладание ветро-волновых возмущений приводит к развитию аварийных ситуаций. Сопоставление возможностей управления и уровня ветро-волновых воздействий осуществляется в процессе создания МПО.

Разнообразные движения водной и воздушной среды представляют собой единый физический процесс. Волны и течения в океане образуются за счет энергии воздушного потока, Их интенсивность зависит от средней скорости ветра над морем. В свою очередь, энергия морского волнения сказывается на характере движения воздуха в приводном слое атмосферы. Физически сложный ветро-волновой процесс удобно разложить на несколько элементарных. Это упрощает изучение физического явления, делает более наглядным математическое описание отдельных составляющих и процесса в целом при сохранении адекватности моделей. Расчет возмущающих гидроаэродинамических сил и моментов при раздельном анализе ветра, течения и волнения в большей мере согласуется с существующей теорией и методами гидроаэродинамики. Раздельный анализ возможен из-за различного характера движения частиц среды и их физических отличий.

Рис. 3.1. Распределение поверхностного (а) и глубинного (б) течений

Ветро-волновой процесс образуется движением водной и воздушной среды. Движение воды состоит из течения и волнения. Воздушный поток включает в себя постоянный турбулентную и волновую составляющие, а также шквалы.

Характерный признак течения заключается в том, что оно образуется однонаправленным поступательным горизонтальным движением частиц жидкости. Это самая простая составляющая ветро-волнового процесса. Различают поверхностное (рис. 3.1, а) и глубинное (рис. 3.1, б) течения. Интенсивность течения и его направления характеризуются вектором скорости . При исследовании систем управления движением МПО этот вектор можно считать постоянным, так как анализ выполняется на ограниченных временных и пространственных интервалах, а геометрические размеры морских объектов существенно меньше протяженности слоев воды с одинаковой скоростью поступательного движения. Вертикальные перемещения частиц воды из одного слоя течения в другой не имеют ределяющего значения. В. основном наблюдается плоскопараллельное движение жидкости с постоянной групповой скоростью частиц на заданной глубине (см. рис. 3.1). Это дает основания считать, что вектор скорости течения на поверхности моря или определенной глубине расположен в горизонтальной плоскости неподвижной координатной системы, состоит из продольной и поперечной составляющих и не имеет вертикальной составляющей. Взаимодействие течения с кораблем определяется не только скоростью

Рис. 3.2. Вектор скорости течения в связанной координатной системе

водного потока, но и углом набегания , который отсчитывается относительно диаметральной плоскости против часовой стрелки (рис. 3.2). Течение при - с носа при - с кормы. При малых углах крена и дифферента корабля, когда горизонтальные плоскости неподвижной и связанной координатных систем практически совпадают, проекции вектора скорости течения на связанные координатные оси имеют вид

Скорость океанических поверхностных течений редко превышает хотя скорость Гольфстрима на поверхности может достигать . Течения ослабевают по мере погружения. Существуют также глубинные течения.

Морское волнение связано с вертикальным перемещением частиц жидкости. Это движение носит колебательный характер, причем последовательные волны случайным образом различаются по амплитуде, периоду и форме. В океане встречаются самые разнообразные волны: приливные с периодом долгопериодические 5 мин 12 ч. вызванные циклонами и землетрясениями. Наиболее характерны ветровые гравитационные волны с периодом 1-30 с, которые возникают в результате воздействия на частицы жидкости ветра и гравитационных сил Земли. Они практически всегда присутствуют на поверхности моря и содержат основную энергию морского волнения.

Воздушный поток над поверхностью моря представляет собой однонаправленное горизонтальное движение частиц воздуха, характеризующееся некоторой групповой скоростью. В определенной мере можно провести аналогию между ветром и течением. Но из-за того, что плотность воздуха в 800 раз меньше плотности воды, в воздушном потоке ярче проявляются вертикальные составляющие, обусловленные, в частности, волнением на поверхности моря, а также турбулентные завихрения. Нарушение плоскопараллельного движения воздушного потока в приводном слое атмосферы проявляется в переменном характере скорости ветра. Особый вид ветрового процесса представляют собой шквалы, когда скорость ветра в течение короткого времени изменяется в широких пределах.