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气泡辅助破冰清冰系统减阻机理的试验及数值模拟研究
| 论文题名： | 气泡辅助破冰清冰系统减阻机理的试验及数值模拟研究 |
| 关键词： | 极地破冰船;数值模拟;气泡辅助系统;碎冰阻力;CFD-DEM耦合;船模试验 |
| 摘要： | 近年来，随着北极航道的开发，北极资源的潜在开采，两极地区科学考察和开发等各项事业的蓬勃发展，对船舶在恶劣冰况中的破冰能力和航行能力提出了迫切的需求。除了优化破冰船体线型，增加辅助破冰系统也是提升破冰船破冰能力的有效手段之一。气泡辅助破冰系统作为目前较为流行的辅助破冰系统之一，对于其工作机理的深入研究十分必要，然而尽管气泡辅助破冰系统已有应用，但鉴于各种原因，气泡辅助破冰的相关研究却十分少见，这使得气泡辅助破冰系统与海冰相互作用机理尚不完全明了。本文针对气泡辅助破冰系统减阻机理的问题，采用模型试验与数值计算相结合的方式对具备该气泡辅助系统的极地破冰船的气泡-船-碎冰相互作用现象以及阻力特性进行了研究。 本文模型试验部分采用了聚丙烯材料的非冻结模型冰在拖曳水池中进行气泡辅助破冰清冰系统阻力特性研究，以雪龙2号极地科考破冰船为船模原型，分别对气泡运动特性、气泡与碎冰作用现象，以及不同碎冰密集度、不同船模航速、不同通气量参数下的阻力特性变化规律展开研究，进行了一系列不同工况下的试验组次。结果表明，气泡辅助破冰系统所产生的气水混合流及气泡严重扰动了船体周围碎冰的运动，对碎冰航道的形成产生了有利影响;同时发现影响该系统减阻效果主要受通气量、碎冰密集度、船舶航速三方面因素共同影响，而且即使在相同的通气量条件下，碎冰密集度和航速对减阻率的影响依旧显著。 本文对具备气泡辅助破冰清冰系统的破冰船在碎冰区域航行过程进行了基于CFD-DEM耦合方法的数值计算，在流体动力学软件STAR-CCM+搭建了船舶-碎冰-水-气耦合框架。介绍了数值计算方法，包括控制方程、湍流模型、碎冰颗粒接触理论、颗粒模型及发射器的选择。然后将数值计算结果与船模试验结果进行了对比分析，在气泡运动特性、船体与碎冰相互作用的物理现象模拟上，数值计算与试验吻合良好，同时在船舶冰阻力上也与船模试验在阻力趋势及数值上均有着较好的一致性，无量纲化误差约为11％。进一步对有无气泡辅助破冰系统、不同气孔布置及通气量的破冰船在碎冰区航行时船体周围流场、碎冰的运动及分布情况、冰阻力特性进行对比分析。结果表明艏部位置气孔以及舷侧位置气孔对于降低整体碎冰阻力有着不同程度的贡献，其中船艏受到的碎冰阻力占总碎冰阻力的主要部分，船艏气孔的通气量对于减阻率的影响更大。 |
| 作者： | 郭鹏杰 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 倪宝玉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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