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原文传递冰缘区航行船舶在碎冰--波浪耦合作用下增阻机理研究

论文题名：	冰缘区航行船舶在碎冰--波浪耦合作用下增阻机理研究
关键词：	冰缘区;航行船舶;碎冰-波浪耦合作用;增阻机理
摘要：	极地冰缘区位于覆冰区域与开阔水域交界处，是极区航行船舶的必经之地，近几十年来，随着北极地区的气候变暖显著，冰缘区的范围也在扩大。冰缘区航行的船舶即使在破冰船引航下也会受到风-浪-流与海冰耦合作用的影响，其阻力性能与单纯在浮冰区航行多有不同。目前国内外学者对船舶航行于碎冰及平整冰航道时的航行性能开展了许多研究工作，但涉及到冰缘区船-碎冰-波浪耦合作用的研究较少，很多关键性作用机理及规律尚未得到揭示。本文针对上述冰缘区船舶航行问题，采用数值模拟结合模型试验手段，对冰缘区航行船舶在碎冰-波浪耦合作用下增阻机理开展研究。　　首先分析了船-冰相互作用冰阻力和冰缘区浮冰与波浪相互作用研究现状，总结了各个研究方法的优势和不足。通过楔形体入水及单块海冰静水漂浮算例验证结构化-任意拉格朗日欧拉(S-ALE)流固耦合方法的适用性。　　然后，开展了船-碎冰-水相互作用研究。采用S-ALE流固耦合方法和浸没式罚函数接触算法模拟了船-冰-水相互作用过程，提出了应用该数值模拟方法计算流体阻力的修正方法。观察到船-冰相互作用典型现象如碎冰翻转、堆叠、沿船舷的侧向滑移以及碎冰尾迹收拢等，通过对船-冰-水作用过程进行频域与时域分析，总结冰水混合总阻力及各阻力成分随航速及碎冰密集度变化的增阻特性规律如下:总阻力的各阻力成分随着模型航速及碎冰密集度变化导致阻力增量占比不同。冰水混合总阻力及碎冰阻力增速随船体航速增加表现出先快后慢再快的趋势。总阻力和碎冰阻力随碎冰密集度增加而增大。　　接着，开展了碎冰群-波浪相互作用研究。将动边界条件数值造波方法与船-冰-水相互作用数值模拟方法相结合以模拟碎冰群-波浪相互作用过程。分析了碎冰群在波浪作用下的纵向及纵荡运动响应，总结运动规律如下:碎冰群在波浪中的纵向运动表现出短波区间内不规则运动与长波区间内规则运动两种运动状态。不同尺寸碎冰的纵向运动响应参数未发现有规律性差异。浮冰群的纵向漂移平均速度随波长的增加先快速增大后逐渐减少并趋向于零。浮冰群的纵荡响应速度及位移幅值在短波区间振荡剧烈无法测量，在长波区间随波长的增加快速增大且位移幅值很快超过波高后缓慢减少，但持续大于波高。浮冰群的纵荡响应周期随波长的增加先略大于波浪周期后与波浪的周期近似重叠。　　最后，开展了船-碎冰-波浪耦合增阻机理研究。观察并描述了波浪作用下冰载荷发生卸载的完整过程，对冰缘区航行船舶所受耦合总阻力及各阻力成分开展定量分析，总结波浪增阻、碎冰增阻、船-冰-波浪耦合增阻规律如下:碎冰阻力变化与波浪阻力变化的叠加作用引起了碎冰-波浪耦合阻力变化，总阻力中的波浪阻力与碎冰阻力成分互冲。船-碎冰-波浪耦合总增阻随航速、波高以及碎冰密集度的增加而增大，随波长的变化没有明显的规律性。波高一定时，总阻力耦合增阻随波长变加近似表现为先下降后上升的趋势，在λ/L=1波长条件碎冰-波浪耦合作用起到减阻的影响;波长一定时，随着波高增加总阻力变化多为耦合减阻效果，耦合减阻值随波高的增加阻力降速越快;航速越快，耦合减阻效果越明显。
作者：	王嘉安
专业：	船舶与海洋工程
导师：	汪春辉;丁恩宝
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2022