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原文传递碎冰区船--冰--水耦合阻力及伴流场特性研究

论文题名：	碎冰区船--冰--水耦合阻力及伴流场特性研究
关键词：	船舶阻力;碎冰区;冰缘区;伴流场特性
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。
作者：	骆婉珍
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	苏玉民
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2019