【摘要】：目前極地研究問(wèn)題面臨著很大的機(jī)遇與挑戰(zhàn),世界很多國(guó)家都在擴(kuò)充冰區(qū)船隊(duì)。船舶在冰區(qū)航行時(shí),其航行工況往往處于流、冰等多種物理場(chǎng)耦合作用形成的環(huán)境載荷條件中,此時(shí),不僅要考慮船-冰-流作用,還要考慮冰-槳-流以及冰-船-槳-流的作用,在經(jīng)過(guò)冰緣區(qū)時(shí),還要考慮波浪的作用,其過(guò)程極其復(fù)雜。此復(fù)雜相互作用過(guò)程對(duì)船舶破冰和冰區(qū)航行阻力性能具有直接的影響,冰、流耦合作用對(duì)船舶尾部螺旋槳工作區(qū)域流場(chǎng)同樣具有較大的影響。破冰航行狀態(tài)中,平整冰破碎后沿船體表面下滑至船底,包裹船體并滑入螺旋槳前流場(chǎng)中。碎冰航道以及浮冰區(qū)航行時(shí),大部分碎冰處于自由表面附近與船舶作用并滑行至船尾離開(kāi)船舶,部分碎冰或浮冰受船首撞擊以及下洗水流作用滑向船底或處于自由面以下一定深度滑行至螺旋槳前流場(chǎng)中。槳前流場(chǎng)中的附著滑行碎冰嚴(yán)重影響了船艉部的來(lái)流情況,進(jìn)而影響螺旋槳附近的流場(chǎng),惡化了其伴流,影響其水動(dòng)力性能。本文針對(duì)以上冰區(qū)船舶航行問(wèn)題,采用數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)碎冰區(qū)船-冰-水耦合阻力及伴流場(chǎng)特性進(jìn)行研究。首先對(duì)冰區(qū)船舶阻力和伴流場(chǎng)特性研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,包括碎冰阻力研究現(xiàn)狀,冰緣區(qū)研究現(xiàn)狀,碎冰區(qū)冰流場(chǎng)研究現(xiàn)狀,指出了目前研究的不足。本文對(duì)碎冰區(qū)船舶阻力計(jì)算數(shù)值模擬基于離散元法進(jìn)行,模型采用76000噸冰區(qū)加強(qiáng)型散貨船。對(duì)離散元方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹,包括顆粒接觸模型及冰粒子模型的選擇。冰粒子類型選用不可破碎模型,形狀分別選取四面體和多面體,并進(jìn)行了單向耦合和雙向耦合計(jì)算。然后介紹了漢堡冰水池碎冰航道模型試驗(yàn),將兩者結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,四面體形狀冰粒子單向耦合總阻力計(jì)算計(jì)算誤差為5.03%,多面體形狀冰粒子單向耦合總阻力計(jì)算誤差為7.23%,驗(yàn)證了數(shù)值方法的正確性。本文模型試驗(yàn)部分基于船模拖曳水池,采用非凍結(jié)石蠟?zāi)Ｐ捅?以76000噸冰區(qū)加強(qiáng)型散貨船為研究對(duì)象,分別對(duì)船舶-碎冰和船舶-碎冰-波浪阻力作用進(jìn)行試驗(yàn)研究。碎冰密集度分別為60%、70%、80%、90%,船模速度分別為0.383m/s、0.669m/s、0.997m/s及1.150m/s。碎冰分布規(guī)律及波浪參數(shù)選取與參考文獻(xiàn)中實(shí)際海況下冰緣區(qū)碎冰及波浪參數(shù)一致。模型試驗(yàn)對(duì)不同工況下的阻力值和船模姿態(tài)變化進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果表明,在碎冰航道無(wú)波浪工況下,船舶航速和冰密集度分布是影響船舶阻力及姿態(tài)變化的主要因素。對(duì)于冰緣區(qū)航行工況,考慮波浪參數(shù)的作用,影響冰緣區(qū)船舶阻力及航行姿態(tài)變化的因素主要有波長(zhǎng)、波高、船舶航速、碎冰密集度�；赑IV流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)分別進(jìn)行了碎冰航道及船舶附冰狀態(tài)下尾流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)研究。對(duì)于碎冰航道尾流場(chǎng)測(cè)量,基于石蠟?zāi)Ｐ捅M(jìn)行,碎冰密集度分別為60%、70%、80%、90%,航速分別為 0.383m/s、0.669m/s、0.997m/s 及 1.150m/s,對(duì)不同工況下的船尾伴流場(chǎng)及螺旋槳不同半徑伴流分布進(jìn)行了分析,測(cè)量結(jié)果表明:碎冰的存在,嚴(yán)重干擾了船尾伴流場(chǎng)分布特性,碎冰密集度及航速對(duì)船尾伴流場(chǎng)都有影響。對(duì)于船舶附冰狀態(tài)下的尾流場(chǎng)測(cè)量,將泡沫模型冰聚丙烯塊黏附在船舶底部及船舷側(cè),分別進(jìn)行不同航速下附著冰不同大小、不同形狀、不同分布密集度下的船舶尾流場(chǎng)測(cè)量,測(cè)量結(jié)果表明:船體附著冰工況除了其自身渦流對(duì)船體伴流場(chǎng)干擾,冰載荷的附著使船舶尾部區(qū)域產(chǎn)生了相當(dāng)于附著冰厚度的“虛擬厚度”,“虛擬厚度”的存在使船舶平行中體段具有一定虛擬后移,且破壞了原有的優(yōu)秀線型設(shè)計(jì),使船舶表現(xiàn)為整體寬V型尾部,并形成了較為嚴(yán)重的螺旋槳來(lái)流阻塞區(qū)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U661
【圖文】：

ｊ，逡逑圖１．２北極資源儲(chǔ)備邐圖１．３南極礦產(chǎn)資源分布逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ａｒｃｔｉｃ邋ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ邐Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ａｎｔａｒｃｔｉｃ邋ｍｉｎｅｒａｌ邋ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ逡逑從政治層面來(lái)講，隨著在北極事務(wù)中的角色日益重要，中國(guó)在極地方面的權(quán)益空間逡逑也日益增加。２０１７年４月，習(xí)主席訪問(wèn)芬蘭，提出“北極事務(wù)”，延伸“一帶一路”，支逡逑持北極保護(hù)和開(kāi)發(fā)。２０１７年７月，國(guó)家主席習(xí)近平在訪問(wèn)俄羅斯期間，指出要共同打造逡逑“冰上絲綢之路”。２０１８年１月２６日，我國(guó)發(fā)表了《中國(guó)的北極政策》白皮書，其中強(qiáng)逡逑調(diào)了技術(shù)裝備對(duì)認(rèn)知、利用和保護(hù)北極的重要性，提出鼓勵(lì)冰區(qū)航行和監(jiān)測(cè)以及新型冰逡逑級(jí)船舶建造等方面的技術(shù)創(chuàng)新［１６］。逡逑從軍事方面來(lái)講，北極地區(qū)連接亞、歐、美三大洲，是導(dǎo)彈、核潛艇進(jìn)行作戰(zhàn)的最逡逑短路徑，北冰洋的冰層覆蓋面積高達(dá)７３％，為核潛艇的航行提供了天然的保護(hù)，如果我逡逑國(guó)在核動(dòng)力破冰船自主設(shè)計(jì)建造技術(shù)上有所突破

哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文逡逑人模擬了碎冰中船舶的操縱性能，驗(yàn)證了船舶在碎冰中的阻力對(duì)操縱性能的影響［４Ｇ］。逡逑Ｋｉｍ等人應(yīng)用有限元軟件ＬＳ－ＤＹＮＡ模擬了碎冰航道阻力，隨將模擬結(jié)果與韓國(guó)冰池驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，兩者結(jié)果滿足誤差要求［４１］。Ｚｈｏｕ邋Ｌｉ等人采用二位數(shù)值計(jì)算模型不同航向角下的冰破碎、堆積模型進(jìn)行了一系列建模計(jì)算，將冰阻力與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比析，吻合度良好ｔ４２＂４４１。Ｂｉａｏ邋Ｓｕ等人應(yīng)用數(shù)值模擬的方式對(duì)船舶在冰區(qū)的阻力、操縱進(jìn)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

ｔ：—媝逡逑ｘ邋㈣逡逑操縱性二維模擬邐三維離散元法模擬操縱性逡逑圖１．７船－冰作用操縱性數(shù)值模擬逡逑Ｆｉｇｌ．７邋Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｍａｎｏｅｕｖｒｅａｂｉｌｉｔｙ邋ｄｕｒｉｎｇ邋ｓｈｉｐ－ｉｃｅ邋ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ逡逑哈爾濱工程大學(xué)郭春雨等人同樣應(yīng)用ＬＳ－ＤＹＮＡ軟件對(duì)某冰級(jí)船舶碎冰阻力進(jìn)行逡逑模擬，并分析了船－冰作用過(guò)程，作用現(xiàn)象及阻力值結(jié)果與韓國(guó)實(shí)驗(yàn)保持一致，誤差在逡逑允許范圍內(nèi)［５１］。大連理工大學(xué)季順迎等人發(fā)展了改進(jìn)型ＤＥＭ模型用于研宄冰的運(yùn)動(dòng)變逡逑化過(guò)程，將離散元方法應(yīng)用于寒區(qū)船－冰作用及海洋結(jié)構(gòu)物－冰作用上，取得了一系列的逡逑研究成果［５２＿５４］。王帥霖等人采用ＤＥＭ－ＦＥＭ相結(jié)合的方式對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物平臺(tái)冰激振動(dòng)進(jìn)逡逑行了研宄［５５］�？讕浀热嘶陔x散元法對(duì)海洋平臺(tái)在冰區(qū)的冰載荷進(jìn)行了分析［５６］。蔡柯等逡逑人對(duì)船舶在平整冰區(qū)的航行過(guò)程進(jìn)行了邋ＤＥＭ分析［５７］。２０１８年，龍雪等人應(yīng)用離散元方逡逑法對(duì)寒冷地區(qū)海冰堆積現(xiàn)象進(jìn)行了分析，研究了堆積過(guò)程中堆積高度的影響因素，將離逡逑散元方法在冰區(qū)安全性能評(píng)估方面的應(yīng)用進(jìn)一步加強(qiáng)［５８］。狄少丞等人也應(yīng)用ＤＥＭ方法逡逑１０逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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2 郭春雨;李夏炎;謝暢;趙大剛;;冰區(qū)航行船舶阻力預(yù)報(bào)方法[J];哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào);2015年07期

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本文編號(hào)：2757257