碎冰区船-冰-水耦合阻力及伴流场特性研究

发布时间：2020-07-16 00:56

【摘要】：目前极地研究问题面临着很大的机遇与挑战,世界很多国家都在扩充冰区船队。船舶在冰区航行时,其航行工况往往处于流、冰等多种物理场耦合作用形成的环境载荷条件中,此时,不仅要考虑船-冰-流作用,还要考虑冰-桨-流以及冰-船-桨-流的作用,在经过冰缘区时,还要考虑波浪的作用,其过程极其复杂。此复杂相互作用过程对船舶破冰和冰区航行阻力性能具有直接的影响,冰、流耦合作用对船舶尾部螺旋桨工作区域流场同样具有较大的影响。破冰航行状态中,平整冰破碎后沿船体表面下滑至船底,包裹船体并滑入螺旋桨前流场中。碎冰航道以及浮冰区航行时,大部分碎冰处于自由表面附近与船舶作用并滑行至船尾离开船舶,部分碎冰或浮冰受船首撞击以及下洗水流作用滑向船底或处于自由面以下一定深度滑行至螺旋桨前流场中。桨前流场中的附着滑行碎冰严重影响了船艉部的来流情况,进而影响螺旋桨附近的流场,恶化了其伴流,影响其水动力性能。本文针对以上冰区船舶航行问题,采用数值计算与模型试验相结合的方式对碎冰区船-冰-水耦合阻力及伴流场特性进行研究。首先对冰区船舶阻力和伴流场特性研究现状进行了分析,包括碎冰阻力研究现状,冰缘区研究现状,碎冰区冰流场研究现状,指出了目前研究的不足。本文对碎冰区船舶阻力计算数值模拟基于离散元法进行,模型采用76000吨冰区加强型散货船。对离散元方法进行了简单介绍,包括颗粒接触模型及冰粒子模型的选择。冰粒子类型选用不可破碎模型,形状分别选取四面体和多面体,并进行了单向耦合和双向耦合计算。然后介绍了汉堡冰水池碎冰航道模型试验,将两者结果进行对比分析,四面体形状冰粒子单向耦合总阻力计算计算误差为5.03%,多面体形状冰粒子单向耦合总阻力计算误差为7.23%,验证了数值方法的正确性。本文模型试验部分基于船模拖曳水池,采用非冻结石蜡模型冰,以76000吨冰区加强型散货船为研究对象,分别对船舶-碎冰和船舶-碎冰-波浪阻力作用进行试验研究。碎冰密集度分别为60%、70%、80%、90%,船模速度分别为0.383m/s、0.669m/s、0.997m/s及1.150m/s。碎冰分布规律及波浪参数选取与参考文献中实际海况下冰缘区碎冰及波浪参数一致。模型试验对不同工况下的阻力值和船模姿态变化进行了测量,结果表明,在碎冰航道无波浪工况下,船舶航速和冰密集度分布是影响船舶阻力及姿态变化的主要因素。对于冰缘区航行工况,考虑波浪参数的作用,影响冰缘区船舶阻力及航行姿态变化的因素主要有波长、波高、船舶航速、碎冰密集度。基于PIV流场测量技术分别进行了碎冰航道及船舶附冰状态下尾流场测量试验研究。对于碎冰航道尾流场测量,基于石蜡模型冰进行,碎冰密集度分别为60%、70%、80%、90%,航速分别为 0.383m/s、0.669m/s、0.997m/s 及 1.150m/s,对不同工况下的船尾伴流场及螺旋桨不同半径伴流分布进行了分析,测量结果表明:碎冰的存在,严重干扰了船尾伴流场分布特性,碎冰密集度及航速对船尾伴流场都有影响。对于船舶附冰状态下的尾流场测量,将泡沫模型冰聚丙烯块黏附在船舶底部及船舷侧,分别进行不同航速下附着冰不同大小、不同形状、不同分布密集度下的船舶尾流场测量,测量结果表明:船体附着冰工况除了其自身涡流对船体伴流场干扰,冰载荷的附着使船舶尾部区域产生了相当于附着冰厚度的“虚拟厚度”,“虚拟厚度”的存在使船舶平行中体段具有一定虚拟后移,且破坏了原有的优秀线型设计,使船舶表现为整体宽V型尾部,并形成了较为严重的螺旋桨来流阻塞区。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U661
【图文】：

资源储备,北极,矿产资源,南极

ｊ，逡逑图１．２北极资源储备逦图１．３南极矿产资源分布逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ａｒｃｔｉｃ邋ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ逦Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ａｎｔａｒｃｔｉｃ邋ｍｉｎｅｒａｌ邋ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ逡逑从政治层面来讲，随着在北极事务中的角色日益重要，中国在极地方面的权益空间逡逑也日益增加。２０１７年４月，习主席访问芬兰，提出“北极事务”，延伸“一带一路”，支逡逑持北极保护和开发。２０１７年７月，国家主席习近平在访问俄罗斯期间，指出要共同打造逡逑“冰上丝绸之路”。２０１８年１月２６日，我国发表了《中国的北极政策》白皮书，其中强逡逑调了技术装备对认知、利用和保护北极的重要性，提出鼓励冰区航行和监测以及新型冰逡逑级船舶建造等方面的技术创新［１６］。逡逑从军事方面来讲，北极地区连接亚、欧、美三大洲，是导弹、核潜艇进行作战的最逡逑短路径，北冰洋的冰层覆盖面积高达７３％，为核潜艇的航行提供了天然的保护，如果我逡逑国在核动力破冰船自主设计建造技术上有所突破

平整冰,作用过程,船舶,碎冰

哈尔滨工程大学博士学位论文逡逑人模拟了碎冰中船舶的操纵性能，验证了船舶在碎冰中的阻力对操纵性能的影响［４Ｇ］。逡逑Ｋｉｍ等人应用有限元软件ＬＳ－ＤＹＮＡ模拟了碎冰航道阻力，随将模拟结果与韩国冰池验结果进行了对比，两者结果满足误差要求［４１］。Ｚｈｏｕ邋Ｌｉ等人采用二位数值计算模型不同航向角下的冰破碎、堆积模型进行了一系列建模计算，将冰阻力与试验结果对比析，吻合度良好ｔ４２＂４４１。Ｂｉａｏ邋Ｓｕ等人应用数值模拟的方式对船舶在冰区的阻力、操纵进行了一系列研究Ｋ＇＾Ｖｒｏｅｇｒｉｊｋ利用ＳＴＡＲ－ＣＣＭ＋研究了船舶在碎冰航道中的航行逡逑Ｂｒｅａｋａｂｌｅ邋ｉｃｅ邋Ｈｏｃ逡逑

碎冰,作用过程,软件计算,船舶

ｔ：—媝逡逑ｘ邋㈣逡逑操纵性二维模拟逦三维离散元法模拟操纵性逡逑图１．７船－冰作用操纵性数值模拟逡逑Ｆｉｇｌ．７邋Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｍａｎｏｅｕｖｒｅａｂｉｌｉｔｙ邋ｄｕｒｉｎｇ邋ｓｈｉｐ－ｉｃｅ邋ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ逡逑哈尔滨工程大学郭春雨等人同样应用ＬＳ－ＤＹＮＡ软件对某冰级船舶碎冰阻力进行逡逑模拟，并分析了船－冰作用过程，作用现象及阻力值结果与韩国实验保持一致，误差在逡逑允许范围内［５１］。大连理工大学季顺迎等人发展了改进型ＤＥＭ模型用于研宄冰的运动变逡逑化过程，将离散元方法应用于寒区船－冰作用及海洋结构物－冰作用上，取得了一系列的逡逑研究成果［５２＿５４］。王帅霖等人采用ＤＥＭ－ＦＥＭ相结合的方式对海洋结构物平台冰激振动进逡逑行了研宄［５５］。孔帅等人基于离散元法对海洋平台在冰区的冰载荷进行了分析［５６］。蔡柯等逡逑人对船舶在平整冰区的航行过程进行了邋ＤＥＭ分析［５７］。２０１８年，龙雪等人应用离散元方逡逑法对寒冷地区海冰堆积现象进行了分析，研究了堆积过程中堆积高度的影响因素，将离逡逑散元方法在冰区安全性能评估方面的应用进一步加强［５８］。狄少丞等人也应用ＤＥＭ方法逡逑１０逡逑

【参考文献】