1.7 Взаимодействие ВЭМУ со средой



Текст статьи
    Рассматривать влияние ВЭМУ на экологию мы будем в соответствующем разделе. Здесь же взаимодействие мы будем понимать буквально - механически и гидромеханическии. Итак, как конструкция реагирует на волны, течения и ветер, как она взаимодействует с берегом и дном, ледяными полями, морскими судами и пролетающими самолётами?

Волнообразование
ВЭМУ принципиально спроектирована таким образом, что минимально взаимодействует с естественными волновыми системами. Палуба и башня поднимаются на такую высоту, чтобы максимальные по статистике волны для данной акватории её не достигали. Погружной же понтон избегает контакта путём заглубления ниже или вровень с уровнем волновых впадин.

Поскольку ВЭМУ по признаку водоизмещения является прямым наследником судна, то можно предположить, что унаследуются и проблемы с образованием паразитных волновых систем. Однако это скорее всего не так! 
Подобно стреле из апории Зенона, корпус ВЭМУ остаётся неподвижным относительно самого себя. Не имея ни носа, ни кормы, торообразное тело без начала и конца не вытесняет новых объёмов жидкости, а стало быть не тратит энергии на её перемещение. Продольные и поперечные системы волн для ВЭМУ попросту не существуют. 
Погружной корпус понтона также предохраняет систему от флуктуаций пограничных слоёв жидкости, могущих вызвать нежелательную турбулентность. Подобно корпусу подводной лодки, развивающую значительно большую скорость в подводном положении, понтон ВЭМУ обеспечивает постоянство гидродинамических характеристик объекта.
Медленное понижение скорости жидкости по мере удаления от вращающегося корпуса гарантируют самый выгодный режим трения - ламинарный.

Можно предположить и оригинальный эффект волнообразования, характерный только для ВЭМУ. Поскольку продольные и поперечные размеры объекта равны, а связь с неподвижной частью установки гибкая, то можно ожидать возникновения резонансных явлений в системе. Своевременное их выявление и подавление на этапе проектирования конструкции или с помощью алгоритмов управления - одна из необходимых задач проектирования ВЭМУ. Элементы конструкции, которые могут пассивно и активно быть использованы для подавления резонансов следующие: наклонные палубы и мачты, дополнительная жесткость верхнего пояса, активное управление процессом поворота установки, оптимального с точки зрения минимизации резонансов и волнообразования.  

Водяной ринг
Какое бы малое трение ни обеспечивалось, часть энергии ротора передаётся окружающей массе воды. Есть два мнения насчет её участия в процессе. Одни говорят, что разогнанные водяные массы будут способствовать стабилизации вращения ротора, увеличению его инерционности, а значит  снизят влияние флуктуаций ветра и влияние течений. Другое мнение - на работу ВЭМУ влияет лишь незначительный слой прилежащей жидкости, а остальную массу воды можно не учитывать, а энергию потраченную на её раскручивание считать потерянной.
Представляется, что все же верна вторая точка зрения, поскольку жидкость подвергается также и центробежным силам, которые неминуемо разрушат такую "нежесткую" механическую систему. Но если бы водяной ринг был ограничен стенками, подобно чаю в стакане, то можно было практически не опасаться утечек энергии из такой системы!
Однако все эти вопросы скорее нуждаются в уточнении степени своего влияния на процесс работы ВЭМУ. В абсолютных же величинах оно пренебрежительно мало. 

Один из интересных вопросов, который ещё только нуждается в своём исследователе - поведение большого вращающегося объекта в разных широтах и полушариях. В школе учат, что в северном полушарии воронка закручивается в одну сторону, а в южном - в другую. Происходит это под влиянием кориолисовой силы. Очевидно, что учесть её, а может даже и использовать - желательно, выбрав правильное направление вращения ротора.

Влияние дна
Совершенно очевидно, что близко ко дну расположенный подвижный понтон может ободрать его до скального основания гидродинамическим действием струй и центробежным действием водяного ринга. Необходимо произвести моделирование этого процесса для разных типов грунтов и экосистем для того, чтобы дать рекомендации для безопасной для донных ландшафтов глубины использования ВЭМУ.

Течения
ВЭМУ может как подвергаться воздействию течений, но также их и создавать. Например, в режиме насоса, установка может создавать течения с локальными скоростями до 36 км/час. В целом вопрос относится к гидрологии, приложениям гидродинамики.

Взаимодействие ВЭМУ с ледяными полями, торосами и айсбергами
Для акваторий с температурой воды ниже точки замерзания (0С - для пресной и -4С для морской) актуален вопрос изменения агрегатного состояния среды. 
    Наименьшее беспокойство вызывает лёд в отсутствии течений. Постоянно вращающаяся установка намораживает между стойками ледяную ленту и поддерживает незамерзающую канавку. Эффект текущей воды предотвращает замерзание вплоть до температур -10С, а по некоторым данным и при более низких температурах.
    Для подвижных ледовых полей может рассматриваться вопрос тактического перебазирования установки. Если же это невозможно (например, в случае стационарной ВЭМУ), то существует два принципиально сильно отличающиеся способа разрушения ледяного поля. Первый состоит в использовании момента вращения установки для механического разрушения льда (для чего в зимнее время ротор оснащается режущими кромками и отбойниками, помогающие переносить раздробленный материал на подветренную сторону установки или загоне их под воду, где туже работу по переносу выполнит водяной ринг). Второй способ годится в основном для мелкой воды - вокруг установки намораживается островок,  который должен быть настолько массивным и прочно держаться за дно, что ледяное поле будет об него ломаться. Очевидно, что этот по сути айсберг должен, во-первых, на дне практически стоять, а во-вторых, иметь форму ледокола, чтобы ледяное поле разрезалось и направлялось в обход.
Как бы то ни было, просто вмораживание в ледяное поле чревато аварийными ситуациями и его следует избегать.
    Торосы примыкают по своему характеру опасности к ледяным полям, с той лишь разницей, что ножи для разрушения торосов могут иметь большую протяженность по высоте.
    Что касается айсбергов, то они опасны только на открытой воде, поскольку имеют очень большую осадку. Но там, где они есть, избежать взаимодействия можно только при помощи маневрирования с большим упреждением по времени, поскольку сама ВЭМУ тоже не маленькая.

Обледенение
Брызги и пары воды, намерзающие на надводных частях установки: палубе, лопастях, верхнем поясе и тягах создают дополнительную нагрузку на водоизмещающие части конструкции - понтоны и стойки. В целом можно порекомендовать такие же методы борьбы с обледенением, что и на судах - вибрационные, тепловые и т.д.. В случае лопастей следует изучить и учесть особенности обледенения и борьбы с ней для авиалайнеров на стоянке - они представляют собой ближайшую аналогию.

Обрастание
Одним из типичных факторов, оказывающих значительное воздействие на эксплуатационные характеристики морских судов, является обрастание корпуса. Растения и животные, поселяющиеся на подводных узлах и поверхностях существенно меняют режим обтекания, как правило, ухудшая его. Зачистка и покрытие корпуса специальной краской - чуть ли не главное мероприятие, заставляющее суда периодически становиться в ремонт.
В случае, если водяной ринг окажется полезным элементом системы ВЭМУ-среда, то очистка подводных поверхностей (понтона) скорее будет носить эстетический (если под водой есть, например, иллюминаторы) или технологический (облегчение замены секций) характер. Если окажется, что на потери энергии влияет пограничнвй слой, тогда можно предложить достаточно простые средства очистки понтона. Например, неподвижная относительно вращения ротора щетка, которая, двигаясь вдоль сечения понтона играет роль "резца", который за счет движения самого ротора "срезает" все зачатки живности с поверхности. Как вариант рассматриваем очистку струями воды высокого давления.

Существует большая разница в обрастании металлических и железобетонных конструкций, поэтому в некоторых случаях можно выбирать скорость обрастания варьируя материал понтонов.

Коррозия металла
Особенно это существенно для морских условий. Стандартные методы применяемые в судостроении будут работать и в случае ВЭМУ, однако низкая потребность в мобильности может допускать строительство погружных элементов из железобетона, а это снимает остроту проблемы.


Взаимодействие ВЭМУ с водным транспортом
Наличие водяного ринга с достаточно высокими линейными скоростями течения воды диктует строгое регламентирование движения судов в районе расположения ВЭМУ. Выставление вех, радио- и световые сигналы должны загодя предупреждать суда об опасности.
Для причаливания к самой установке необходимо убедиться, что судно имеет достаточную мощность и маневренность, чтобы преодолеть течение. Впрочем, всегда имеется возможность временной остановки ВЭМУ для швартовки судна.

Для установок в районах активного судоходства в т.ч. маломерного флота рекомендуется сеточное ограждение, механически препятствующее опасному сближению.

Аэродинамическое взаимодействие ВЭМУ с разными объектами
Согласно численным экспериментам, при работе большой ВЭМУ энергия "подсасывается" из слоёв несколько выше высоты установки. Поэтому кроме аэродинамической тени, необходимо учитывать и эту своеобразную аэродинамическую "шляпу". Очевидны особые правила полётов авиации в районе расположения ВЭМУ.