Плавучий гаситель энергии ветровых волн

Автор — Рогачко Станислав Иванович, доктор технических наук, профессор. Был исполнителем, ответственным исполнителем и научным руководителем в 67 научно-исследовательских работах, в том числе и в международных проектах. Он является автором более двух десятков изобретений и патентов и более 120 печатных работ. Среди этих работ — две монографии, три учебных пособия, два учебника и несколько методических указаний. С сентября 2015 года и по настоящее время работает в Одесском национальном морском университете на кафедре Морских и речных портов.
ORCID

Аннотация

Морское гидротехническое строительство в Украине является одной из важнейшей отраслей народного хозяйства, связанной с работой портов и защитой морских побережий от разрушений. В ближайшем послевоенном будущем в стране необходимо произвести реконструкцию ряда портов с целью восстановления разрушенной войной инфраструктуры. Прием и обработка современных крупнотоннажных судов требует увеличения глубин воды на подходных каналах и строительства новых глубоководных причалов. Не менее важной задачей в стране является защита морских берегов населенных пунктов и ряда городов, в которых некоторые городские и частные строения, промышленные объекты и исторические памятники были построены в опасной близости от уреза воды. Обустройство перспективных на разработку морских месторождений углеводородов невозможно без строительства морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений.

Производство гидротехнических работ на море, особенно на незащищенных от волнения акваториях зависит от неблагоприятных погодных условий, которые снижают темпы строительства, а иногда и полностью исключают возможность их проведения.

В настоящей работе представлена конструкция гибкого гасителя энергии ветровых волн, предназначенного для временной локальной защиты небольших по площади акваторий, на период возведения на них морских гидротехнических сооружений, которые будут эксплуатироваться в условиях открытого моря.

Вступление

Основными трудностями при строительстве морских гидротехнических сооружений, в том числе и в условиях открытого моря, являются неблагоприятные погодные условия, связанными со штормовыми ветрами. При действии ветров с суши, в непосредственной близости от берегов, ветровые волны на водной поверхности не формируются из-за отсутствия длины разгона штормов. В таких случаях возможно производство гидротехнических работ в процессе возведения причалов, оградительных и берегозащитных сооружений. Как известно, наиболее благоприятными для производства любых работ на море представляют собой штили, длительность которых значительно мала по сравнению с неблагоприятной погодой, связанной с волнообразованием. Штормовые волны существенно снижают темпы строительства всех типов морских гидротехнических сооружений, в том числе и нефтегазопромысловых, которые возводятся на значительно больших глубинах и расстояниях от берегов, в отличие от портовых и берегозащитных.

Следует особо отметить, что все берегозащитнве сооружения в Украине, построенные в советские времена, находятся ныне в большинстве своем в неудовлетворительном и, даже в аварийном техническом состоянии. Их реконструкция и строительство новых берегозащитных сооружений активного и пассивного типов, а также морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений будет происходить на незащищенных акваториях. Действия ветров с моря на сушу всегда сопровождается силовым воздействием ветровых волн на берега и на все типы сооружений, которые эксплуатируються в условиях открытого моря. В штормовые периоды темпы строительства морских сооружений существенно замедляются и даже временно останавливаются во избежание несчастных случаев. По этой причине разработка относительно не дорогих и эффективных методов защиты локальных акваторий от ветрового волнения представляется весьма актуальной научной задачей, как в Украине, так и во всем мире.

Анализ плавучих устройств для гашения энергии ветровых волн.

Сокращение сроков строительства любых сооружений, в том числе и морских представляется важной, с экономической точки зрения, проблемой. В ближайшем будущем в Украине предстоит востанавливать, разрушенные войной, морские гидротехнические объекты. Кроме этого, необходимо обустраивать перспективные на разработку месторождения углеводородов на участках черноморского шельфа, принадлежащего нашей стране.

Еще в довоенное время были разработаны проекты защиты берегов Азовского и Черного морей, а также лиманов и заток. Основными силовими факторами, которые интесивно разрушают берега являются ветровые волны и дрейфующие ровные ледяные поля.

Успешное строительство морских гидротехнических сооружений различного предназначения в условиях открытого моря требует разработки эффективных и не дорогих устройств для гашения волновой энергии, а соответственно и параметров, ветровых волн для временной защиты ограниченных по площади акваторий на которых будет осуществляться производство морских гидротехнических работ при неблагоприятных погодных условиях.

В мире запатентовано большое количество плавучих и гибких устройств для уменьшения параметров штормовых волн. Их основные конструктивные элементы расположены непосредственно на водной поверхности. Другой тип таких устройств основан на принципе действия водорослей, расположенных по всей глубине воды от дна и до водной поверхности.

 Благодаря действию ветров на водных акваториях формируются и распространяются ветровые волны [1]. В соответствии с теорией волн малой амплитуды частицы воды в волнах совершают, в зависимости от глубины воды, движения по круговым или эллиптическим орбитам возле свого среднего положения. Поэтому в процессе распространения волн по водной поверхности происходит только перенос энергии, а не масс воды. Это означает, что по водной поверхности распространяется только форма волн, поскольку частички воды в волнах не принимают участия в поступательном движении. На глубокой воде при отношении глубины воды, d к длине волны, ƛ (d/ƛ ˃ 0,5), частицы воды в волне движутся по круговым орбитам, перемещаясь с определенной скоростью в гребнях волн в сторону их движения, а во впадинах в противоположном направлении [2]. Войдя в мелководные зоны, при (d/ƛ ˂ 0,5), высота волн сначала несколько увеличивается, благодаря их асимметрии (при этом происходит увеличение гребней волн по сравнению с впадинами). Затем, по мере приближения к берегам, высота волн уменьшается, а формы орбит движения частиц воды в волнах меняются на эллиптические. Их размеры уменьшаются с глубиной воды, но они не угасают у дна, то есть процесс волнения охватывает всю толщу воды от ее поверхности и до самого дна.

 Все известные плавучие оградительные сооружения [3÷10] располагаются на водной поверхности, где проявляется основная часть энергии волнового движения и поэтому они совершают вынужденные колебания на взволнованной поверхности. В тех случаях, когда частота их собственных колебаний совпадает с частотой штормовых волн, наступает явление резонанса. При этом резко увеличивается амплитуда колебаний, что способствует частичному снижению энергии волн. В процессе этого явления плавучая часть устройства становится дополнительным генератором образования волн на водной поверхности. Образованные таким образом волны также способствуют гашению ветровых волн в тех случаях, когда период собственных колебаний плавучего волнолома будет превышать период штормовых волн. Учитывая тот факт, что ветровые волны нерегулярные, то этот эффект в процессе шторма будет незначительным. Таким образом, к недостаткам плавучих волноломов относятся не эффективное гашение параметров штормовых волн, а также трудности при их удержании в рабочем положении с помощью гибких связей и «мертвых» якорей в период действия жестких штормов. По этой причине они не могут конкурировать со стационарными оградительными сооружениями, тем более при защите портовых акваторий.

Так, например, в 60^е годы минувшого столетия на акватории одного из черноморских портов напротив ворот в мелководной зоне, был установлен на якорях плавучий волнолом, запатентований в бывшем СССР [11], представляюший собой экспериментальную секцию в виде жесткой рамной конструкции с коническими волногасящими элементами, соединенную с якорями гибкими связями (металлическими тросами). В период действия жесткого шторма это экспериментальное устройство, находясь на взволнованной поверхности, не оказывало существенного влияния на уменьшение параметров волн. В результате не продолжительного во времени силового воздействия ветровых волн, тросы были разорваны, а экспериментальная секция плавучего волнолома была выброшена на берег. Следует также отметить, что плавучие устройства оказались не эффективными, особенно при воздействии длиннопериодных волн.

Запатентованные конструкции гибких вертикальных волноломов, не пересекающих водную поверхность [12÷17], предусматривают их крепление также непосредственно ко дну. Под силовым воздействием ветровых волн они отклоняются от вертикального положения, подобно пресноводным водорослям по всей глубине воды. В результате происходит лишь частичное гашение волновой энергии и не значительное уменьшение параметров волн. Кроме этого, гибкие синтетические волокна способствуют некоторому уменьшению не только донных волновых скоростей, но и вдольбереговых течений. Тем не менее, к основным недостаткам таких устройств относится не эффективное гашение энергии волн и недолговечность. Поэтому они также не могут использоваться для защиты акваторий морских портов.

Обзор запатентованных конструкций плавучих и гибких устройств, а также анализ их работы, в том числе и в натурных условиях, показал, что они не способны эффективно гасить энергию ветровых волн. По этой причине исключается их использование на морях. Тем не менее, они могут успешно применяться на озерах, водохранилищах и лиманах, где параметры ветровых волн значительно менше, чем на море (из-за небольших длин разгона штормов и глубин воды).

Конструкция гибкого оградительного сооружения.

В настоящей работе представлена инновационная легко возводимая и не дорогая конструкция гибкого плавучего оградительного сооружения для эффективного гашения энергии ветровых волн. Она предназначена для временной защиты локальних площадей на акватории морей от ветровых волн, на период строительства морских гидротехнических сооружений различных типов (оградительных, ограждающих, берегозащитных и нефтегазопромысловых). Данная конструкция может также успешно применяться в качестве временных берегозащитных сооружений активного типа и для временной защиты от заносимости наносами морских каналов, в том числе и подходных [18]. Разработка гибкого волнолома производилась с учетом: процесса распространения ветровых волн на поверхности моря; глубины воды; траекторий движения частиц воды в волне в глубоководной и мелководной зонах; физико-механических характеристик синтетических нетканных материалов; способа крепления к морскому дну [19]. Конструкция плавучого гибкого гасителя энергии ветровых волн представлена на рис.1. Она защищена патентом Украины на полезную модель [20].

Рисунок 1. Конструкция плавучего гибкого гасителя энергии ветровых волн:

1 ‒ плавучий волногасящий элемент; 2 ‒ поплавки; 3 ‒ синтетические канаты с положительной плавучестью; 4 ‒ донное крепление плавучего волногасящего элемента; 5 ‒ синтетические канаты, плотность материала которых равна плотности морской воды; 6 ‒ дно моря; 7 ‒ взволнованная поверхность моря.

Плавучий волногасящий элемент 1 изготовляется в виде сплошного полотнища из нетканного материала с положительной плавучестью. Он состоит из вертикальной и горизонтальной частей. На основании анализа результатов методических опытов, проведеннях автором в гидроволновом лотке с регулярными волнами, высоту вертикальной части полотнища следует назначать исходя из глубины воды с учетом уровня воды 4% процентоной обеспеченности в месте установки гасителя, а длина горизонтальной части не может быть менше средней длины нерегулярних волн в системе расчетного шторма повторяемостью один раз в 25 лет. Трехмерная модель плавучего гибкого гасителя энергии волн представлена на рис. 2.

Рисунок 2. Трехмерная модель плавучего гибкого гасителя энергии ветровых волн.

 Вертикальная часть гасителя дополнительно снабжена поплавками 2 для уменьшения амплитуды ее колебаний. С помощью вшитих в полотнище синтетических канатов 3 и 5 увеличиваеться его прочность и долговечность (см. рис.3).

Рисунок 3. Фрагмент плана гибкого гасителя энергии волн:

1 ‒ волногасящий конструктивный элемент; 2 ‒ поплавки; 3 ‒ синтетические канаты с положительной плавучестью; 5 ‒ синтетические канаты из материала, плотность которого равна плотности морской воды.

Работа плавучего гибкого гасителя энергии волн представляется следующим образом (см.рис.4).

Рисунок 4 ‒ Схема работы плавучего гибкого волнолома при

1 ‒ плавучий гаситель; 2 ‒ поплавки; 4 ‒ крепление ко дну 6 ‒ дно; 7 ‒ взволнованная поверхность; 8 ‒ эллиптические орбиты движения частиц воды в волне; 9 ‒ статическая поверхность воды.

Ветровые волны на взволнованной поверхности моря 7 будут воздействовать на волногасящий конструктивный элемент 1. Как известно, частички воды в волнах при отношении глубины воды d к длине волны движутся по затухающим эллиптическим орбитам 8 по мере их удаления от взволнованной поверхности до дна 6. При этом вертикальная V_z и горизонтальная V_x проекции орбитальных скоростей соответственно уменшаються. На мелководье V_z стремится к 0, а у самого дна 6 частички воды будут совершать возвратно-поступательное движение, скорость которого описывается уравнением (1) [21]:

где: h – высота волны, м; d – глубина воды, м.

Вертикальная часть волногасящего элемента 1 будет воспринимать горизонтальное волновое давление, прогибаясь соответственно его изменению по глубине воды от поверхности до дна. Поплавки 2 будут обеспечивать удержание подводной части волногасящего элемента 1 в вертикальном положении, уменьшая амплитуду его колебаний при прохождении над ним гребней и впадин волн. В этом процессе также будет принимать участие и присоединенная масса воды с обеих сторон полотнища, способствуя диссипации волновой энергии, прерывая движение частиц воды по эллиптическим орбитам от взволнованной поверхности и до дна. Представленная конструкция гашения энергии волн может устанавливаться и переставляться в проектное (рабочее) положение с помощью плавучих кранов небольшой грузоподъемности.

В 2023 году, в учебной лаборатории Одесского национального морского университета автором были проведены методические опыты по исследованию эффективности работы гибкого гасителя энергии регулярних волн. На фото рис.5 представлена модель плавучего гибкого гасителя энергии ветровых волн, изготовленная из легкой синтетической ткани. Высота вертикальной части гасителя была равна глубине воды d = 0,3м, длина горизонтальной части полотнища равнялась примерно длине волны, а ширина полотнища b = 0,35м при ширине лотка равной 0,36м.

Как показали методические лабораторные опыты с исходными высотами волн перед гасителем 0.13, 0,1 и 0,08м, после прохождения через гаситель, их высоты уменшались примерно на 46%. Уточнение этих результатов необходимо призвести со значительно большими параметрами волн в гидроволновом басейне, а модели гасителей следует изготавливать из материалов, которые будут использоваться в натурных условиях. В будущих експериментах при оценке эффективности степени гашения волновой энергии целесообразно учитывать также физико-механические свойства нетканных материалов.

Выводы

1.Методические лабораторне опыты в гидроволновом лотке показали эффективность гашения регулярных волн, представленной в настоящей работе, моделью гибкого гасителя.

2.Более точную оценку эффективности работы данного устройства можно установить экспериментальным путем в натурных условиях при нерегулярном волнении. При этом представляется весьма целесообразным использовать нетканные материалы с различными физико-механическими характеристиками и толщинами. Автор настоящей работы готов участвовать в дальнейших исследованиях при наличии заинтересованных сторон, способных профинансировать такие опыты.

3. Гибкий гаситель энергии ветровых волн может использоваться в глубоководных, мелководных и прибойных зонах, при строительстве различных типов гидротехнических сооружений, в качестве временного быстровозводимого оградительного сооружения, в значительной мере поглощающего энергию волн, уменьшая их параметры.

4. Под временной защитой данного гасителя могут также находиться проблемные участки побережий морей, водохранилищ, лиманов и заток.

5. В качестве гибких ограждающих шпор гаситель можно временно использовать для защиты морских каналов от занесения донными наносами.

6. Под прикрытием такого гасителя могут работать суда технического флота при производстве дноуглубительных работ на незащищенных акваториях.

7. Уточнение эффективности работы гасителя энергии ветровых волн, с учетом топографии морского дна, его конкретного местоположения, способа крепления, материала полотнищ и характера морского волнения, необходимо осуществлять экспериментальным путем на трехмерной модели в процессе научного сопровождения такого проекта.

Контакты для связи:
Рогачко Станислав
+38 099 343 43 13
[email protected]
Александр Канифольский, доц., к.т.н.,и.о. директора учебно-научного инженерно-технического института, Одесский национальный морской университет, Одесса, Украина.
Тел.: +38 098 402 24 24
Email: [email protected]

Список использованных источников

1. Леонтьев О. К. Основы геоморфологии морских берегов. Москва: МГУ, 1961. 420 с.
2. Дорофеев В. С., Рогачко С. И. Воздействие ветровых волн на гидротехнические сооружения. Одесса: ОГАСА, 2012. 224 с.
3. Сквозные и плавучие волноломы. URL: https://studopedia.net/3_50054_skvoznie-i-plavuchie-volnolomi.html.
4. Сысоев С. В. Устройство и оборудование морских портов. Владивосток: ВМРК, 2013. 211 с.
5. Модульные волноломы. URL: http://www.monolit-kb.ru/ru/design/sudostroenie/237/? nid=110&a=entry.show.
6. Wave attenuating device and method of attenuating waves. URL: https://patents.google.com/patent/US3237414.
7. Гаситель енергії води. URL: http://uapatents.com/2-18665-gasitel-energi-vodi.html.
8. Characteristics of floating breakwater. URL: https://www.researchgate.net/figure/ Characteristics-of-floating-breakwater_fig3_23973 5096.
9. FDN Group-Brochure Dutch Floating Breakwaters & Floating Structure Technology. Issuu: веб-сайт. URL: https://issuu.com/marinemegastore.com/docs/fdn-group-brochure-dutch-floating-breakwaters—fl.
10. Eugene P Richey. Floating Breakwater Field Experience, West Coast (Classic Reprint). Ketchikan: Forgotten Books, 1982. 72 p.
11. Смирнов Г. Н. Порты и портовые сооружения. Москва: АСВ, 2003. 464 с.
12. Composite structure. URL: https://patents.google.com/patent/US3590585.
13. Artificial seaweed device. URL: https://patents.google.com/patent/US5961251.
14. Гибкий волнолом. URL: https://findpatent.ru/patent/256/2564864.html.
15. Искусственный субстрат для гашения волн. URL: http://www.freepatent.ru/patents /2406798.
16. Artificial seaweed and method of accreting waterfronts. URL: https://patents.google.com/ patent/US4490071.
17. Method and apparatus for building up beaches and protecting shorelines. URL: https://docs.google.com/viewer?url=patentimages.storage.googleapis.com /pdfs/US4710057.pdf.
18. Рогачко С.І. ЗАХИСТ МОРСЬКИХ КАНАЛІВ ВІД НАНОСІВ. СУЧАСНЕ БУДІВНИЦТВО ТА АРХІТЕКТУРА. ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ 01 Випуск №87 ОДЕСА Вересень 2022 ст.85÷93.
19. Rogachko S.I.,Pliasunova O.O. FLOATING FLEXIBLE PROTECTIVE STRUCTURE. BULLETIN OF ODESSA STATE ACADEMY OF CIVIL ENGINEERING AND ARCHITECTURE Issue #78 March 2020 ODESSA pp. 126÷134.
20. Рогачко С.І., Плясунова О.О. Плавучий гнучкий хвилелом : пат. 136459 Україна : МПК E 02 B 3/06 (2006.01). № u 2019 00441 ; заявл. 16.01.2019 ; опубл. 27.08.2019, Бюл. № 16.
21. Леонтьев И. О. Прибрежная динамика: волны, течения, потоки. М: ГЕОС, 2001. 272 с.
_____________________________________________________

📩Прислать статью [email protected]
📩Написать редактору [email protected]

✒️Читайте нас на Яндекс Дзен
📩У нас есть страница на Facebook и Вконтакте
📩Журнал «Гранит Науки» в Тeletype