梁云芳，王迎暉，廖又明，吳鴻程

(中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫214082)

0 引 言

近年來，極地海洋資源的開發(fā)和極地航運技術(shù)的不斷發(fā)展，推動了破冰船、極地科考船、冰區(qū)運輸船、冰區(qū)海洋工程船等冰區(qū)船舶及冰區(qū)海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計開發(fā)，與之相關(guān)的冰區(qū)船舶性能研究成為船舶工業(yè)界及航運界關(guān)注的熱點問題。與常規(guī)水域航行的普通船舶不同，冰區(qū)船舶及冰區(qū)海洋結(jié)構(gòu)物在設(shè)計時，需要針對特殊的極地海洋環(huán)境(尤其是海冰環(huán)境)開展船體結(jié)構(gòu)、航行性能、主要設(shè)備(諸如動力系統(tǒng)、推進系統(tǒng)等)的適應(yīng)性研究。

為驗證船舶在冰區(qū)海洋環(huán)境下的航行性能和主要設(shè)備的可靠性，需要結(jié)合船體設(shè)計開發(fā)的要求，有針對性地開展冰水池模型試驗。冰水池是一種服務(wù)于冰區(qū)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計、建造的模型試驗水池。通過模擬海洋水平面的凍結(jié)狀態(tài)，實現(xiàn)各種冰情環(huán)境條件的冰力學(xué)性質(zhì)相似，實現(xiàn)對試驗?zāi)Ｐ驮诒鶇^(qū)作業(yè)工況下主要參數(shù)的試驗測量。

1 冰水池發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外冰水池概述

世界上最早的冰水池是由俄羅斯南北極研究院(AARI)于1955年建成。自此以后，各主要涉冰國家開始探索室內(nèi)冰環(huán)境水池的建造方法，并建成了大量的小型冰水池(俗稱一代冰池)。冰區(qū)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物的性能研究從室外實踐型的單一模式轉(zhuǎn)向了以開展大量室內(nèi)冰環(huán)境條件下的性能參數(shù)測量與實尺度條件下的實船試驗相結(jié)合的科學(xué)研究模式。

20世紀70－80年代，世界范圍內(nèi)形成了一個冰水池的建造熱潮，加拿大、芬蘭、俄羅斯、德國、日本等陸續(xù)開始建造自己的冰水池，有資料可循并建造完成的冰水池達15 座。相較于上一代冰池，這一時期建造的冰水池功能上更加完善，基本滿足了同時期船舶性能試驗研究的需要，并逐步改變了冰區(qū)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計方式、建造方法。船舶設(shè)計者在方案完善前，便可以結(jié)合冰水池試驗結(jié)果，有計劃地開展設(shè)計方案的優(yōu)選比對工作，使得冰區(qū)船舶的性能分析從船舶建造后的實船性能檢驗轉(zhuǎn)向了在方案設(shè)計階段的冰水池試驗室性能測試驗證，并有效避免了重大設(shè)計缺陷的發(fā)生。

近年來，隨著北極航線的重要性日益凸顯以及冰水池試驗技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，俄羅斯、芬蘭等國開始有計劃地更新已有的冰水池。這些工作主要體現(xiàn)在水池尺度的擴建和試驗設(shè)備的升級換代。迄今為止，國外有據(jù)可查的冰水池主要有:加拿大4 座、芬蘭2 座、德國2 座、日本5 座、韓國1 座、美國4 座、俄羅斯2 座。日本雖然國土面積狹小、資源匱乏，但是十分重視海洋資源和船舶與海洋工程的開發(fā)，并一直保持相關(guān)技術(shù)的領(lǐng)先。尤其在冰區(qū)船舶與海洋工程領(lǐng)域，不僅國有的公立研究所擁有自身的冰水池，一些資金雄厚的大型公司在財團的支持下也紛紛建造冰水池，視為其保持在船舶與海洋工程領(lǐng)域優(yōu)勢的重要方面。

1.2 國內(nèi)外主要試驗設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀

1)德國漢堡水池——冰水池

德國漢堡水池［1］(HSVA)目前擁有2 座冰水池。1 座是冰拖曳水池，于1977年建成，長78 m，寬10 m，高2.5～5 m (水深可調(diào))。拖車速度0.1～3 m/s，結(jié)冰速率2 mm/h，可測試模型的最大長度為9 m，最大寬度為1.2 m (近海結(jié)構(gòu)物為2 m)?？赡M平面冰、冰脊、破碎冰、融冰等冰條件。建成以來，已進行的試驗項目包括冰中阻力和自航試驗、冰中螺旋槳敞水試驗、近海結(jié)構(gòu)物在冰中力和張力測量等(見圖1)。

圖1 漢堡水池的大型冰拖曳水池Fig.1 HSVA's large ice tank

圖2 漢堡水池極區(qū)環(huán)境試驗水池Fig.2 HSVA's arctic environmental test basin

另1 座是極區(qū)環(huán)境試驗水池(見圖2)，于1990年建成，長30 m，寬6 m，高1.2 m，可模擬的溫度范圍為－20℃～20℃，結(jié)冰速率2 mm/h，水池配有造冰機和冰油分離器，可制平面冰、冰脊、破碎冰、融冰、浮冰塊、多層冰以及荷葉冰等。水池建成以來，已進行的試驗項目包括在各種冰情下溢油的性能試驗;油和冰的分離試驗;防溢油設(shè)備的試驗;冰物理現(xiàn)象、冰力學(xué)以及極地海洋生物學(xué)研究;同時承接破冰船、數(shù)值冰技術(shù)、冰結(jié)構(gòu)、極地工程、實船試驗測量等任務(wù)。

2)俄羅斯克雷洛夫國家科學(xué)中心——冰水池

俄羅斯克雷洛夫國家科學(xué)中心最早的冰水池于1986年建成，水池長35 m，寬6 m，深1.75 m，可模擬的溫度范圍－32℃～30℃，拖車速度0.5～1.2 m/s，可模擬平冰和分層冰、碎冰、碎冰場、冰脊等冰條件。

隨著模型試驗要求的不斷提升，老的冰水池限于尺寸問題無法開展某些試驗，克雷洛夫國家科學(xué)中心于2014年12月啟用了新的冰水池［2］(見圖3)。新冰水池長80 m，寬10 m，深2 m (冰水池最后1/5 長度段為深度4 m的深水段)，可制作的冰厚范圍10～100 mm;模型拖車的運動速度0.001～1.5 m/s，且該拖車既可沿直線運動，也可縱向回轉(zhuǎn)，從而使模型沿任意軌跡運動。新冰水池可以模擬柱狀冰及顆粒冰，還可實現(xiàn)模型水下部分與冰相互作用過程的可視化。

圖3 克雷洛夫國家科學(xué)中心新冰水池Fig.3 Krylov's new ice model basin

新建的冰水池使得克雷洛夫國家科學(xué)中心能夠開展更高層次的試驗研究，包括研究船舶在冰區(qū)的機動性能，研究北極鉆井平臺，以及船舶在冰區(qū)條件下接近鉆井平臺等問題。

3)加拿大國家研究委員會海洋技術(shù)研究所——冰水池

加拿大國家研究委員會海洋技術(shù)研究所(NRCIOT)于1985年建成冰水池［3］，水池長90 m，寬12 m，深3 m，是目前世界上最長的冰水池，12 m的寬度使得進行大尺度模型試驗成為可能。拖車速度0.002～4.0 m/s，可模擬的溫度范圍－30℃～15℃，可制作的冰厚范圍10～150 mm，可試驗?zāi)Ｐ统叨?船模長度2～12 m，海洋結(jié)構(gòu)物直徑0.5～4 m。已進行的試驗項目包括船舶阻力和自航試驗、敞水試驗、系泊和固定結(jié)構(gòu)的冰力研究、海洋結(jié)構(gòu)物模擬等。

4)天津大學(xué)低溫冰池實驗室

20世紀80年代，天津大學(xué)海洋與船舶工程系在國內(nèi)率先開展了冰力學(xué)與冰工程學(xué)研究并著手籌建實驗室。1987年最初的小型冰工程實驗室［4］建成并投入運轉(zhuǎn)，冰水池長5.45 m，寬1.91 m，深0.76 m;1998年大型冰工程實驗室建成并平穩(wěn)運行，冰水池長20 m，寬5 m，深2 m，至此形成我國唯一的冰力學(xué)與冰工程學(xué)實驗基地。主要進行各類海工結(jié)構(gòu)物如樁、柱上的冰荷載預(yù)測及海冰荷載對海洋平臺的破壞影響、人工島冰載及結(jié)構(gòu)動力和靜力模型實驗等冰力學(xué)與冰工程學(xué)研究。

2 冰水池模型試驗關(guān)鍵技術(shù)

2.1 試驗冰環(huán)境模擬技術(shù)

冰水池試驗過程中，由于涉及到海冰與船體間的相互作用，需要對海冰進行模擬并保證模型冰符合相似性準則的要求。為了保證這樣的力學(xué)相似準則，在試驗冰環(huán)境模擬上，形成了2個重要的冰環(huán)境模擬技術(shù)。一是在冰水池的基礎(chǔ)上，參考海水真實凍結(jié)過程，形成凍結(jié)模型冰，并滿足力學(xué)相似準則。這一方向最早應(yīng)用的模型冰是鹽水冰，但是鹽水冰的使用受限于抗彎強度而無法滿足大多數(shù)冰池對于縮尺比的要求。1979年，Timco［5］提出了尿素模型冰的制備方法。作者在對多種摻和物進行研究、比較后提出了尿素的水溶液制成的凍結(jié)模型冰并被各地冰池廣泛采用。1986年，Timco［6］制作出了新型的EG/AD/S模型冰，它是用乙二醇(EG)、脂肪族洗滌劑(AD)和糖(S)以一定比例配制而成的稀釋溶液。作為模型冰有著顯著的優(yōu)點，可最大程度模擬真實海冰的力學(xué)特性，缺點是成本較高，大約為尿素的2 倍。

另一種思路是不考慮海水真實凍結(jié)過程，而是采用其他材料 (諸如聚丙烯、塑料、石蠟等)替代凍結(jié)模型冰，從力學(xué)性質(zhì)上滿足模型試驗要求下的自然冰相似準則。這類非凍結(jié)模型冰的優(yōu)點是模型試驗可在常溫下進行，避免了水作為介質(zhì)的結(jié)冰凍結(jié)過程，減少了復(fù)雜的室內(nèi)人為溫控操作和昂貴的制冷保溫設(shè)備投入。缺點是不能很好地模擬復(fù)雜模型冰況條件(如冰脊、碎冰、冰塞、覆雪冰等)以完成有效的冰區(qū)船舶綜合性能分析評估。

2.2 螺旋槳冰水池試驗技術(shù)

冰區(qū)螺旋槳的設(shè)計經(jīng)歷了幾個主要階段。最初船舶設(shè)計者在設(shè)計冰區(qū)螺旋槳時，通過改變船尾線型來盡可能避免螺旋槳與浮冰塊的碰撞，從而保證冰區(qū)螺旋槳的水動力性能，提高推進效率，并減少槳葉片、輪轂、槳軸等部件的磨損。但在實際使用時，這樣的考慮是徒勞的。盡管非常小心，船舶在冰區(qū)航行時，螺旋槳轉(zhuǎn)動還是會打到浮冰。尤其是在冰區(qū)船舶上安裝吊艙、全回轉(zhuǎn)推進器以及尾部破冰、雙推進的船舶冰區(qū)航行駕駛使用方式出現(xiàn)以后，冰區(qū)螺旋槳的設(shè)計從被動避讓冰塊的碰撞，轉(zhuǎn)向利用螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)的特性主動切削冰塊。這樣的使用要求，使得冰區(qū)槳的結(jié)構(gòu)強度大大加強。但僅考慮結(jié)構(gòu)的加強遠遠不夠。如何在冰水混合條件下，保證冰區(qū)螺旋槳推進效率更高非常重要，而傳統(tǒng)水池、水筒不能夠取代冰水池在冰區(qū)槳性能評估中的重要地位。

Shawn［7］進行了大側(cè)斜螺旋槳和四葉傳統(tǒng)冰級槳的冰水池試驗。試驗在加拿大國家研究委員會海洋技術(shù)研究所的冰水池中進行，目的是通過試驗結(jié)果來驗證理論預(yù)測從而提高理論和數(shù)值模擬的精度。使用客輪MV Caribou 號上的螺旋槳模型進行大側(cè)斜螺旋槳在不同冰情下的冰荷載試驗，使用R－級破冰船上的冰級槳模型進行不同冰情下的試驗?？傮w而言，大側(cè)斜螺旋槳與傳統(tǒng)螺旋槳在冰中的表現(xiàn)相似，但是大側(cè)斜螺旋槳更易受損害，如果要在冰海中應(yīng)用此類螺旋槳，需要限制側(cè)斜的角度或者重新設(shè)計葉梢。該試驗填補了螺旋槳－冰相互作用方面的研究空白。

2.3 船舶在冰水池中航行性能試驗技術(shù)

對船舶在冰區(qū)的航行性能進行測試，并準確預(yù)報其主機功率、破冰能力是世界各國建造冰水池的最主要目的。鑒于水池尺寸、模型冰制冰方法、冰力學(xué)特性受溫度擾動變化等諸多因素的影響，冰水池模型試驗較常規(guī)水池存在更多的不確定因素。這些不確定因素導(dǎo)致各主要冰水池的試驗方法、試驗規(guī)程很難統(tǒng)一。由于測量方法不同，也進一步導(dǎo)致各水池機構(gòu)在對試驗數(shù)據(jù)處理、外推、性能預(yù)報方法上的不一致。

Newbury［8］進行了加拿大R－級破冰船船模阻力試驗。試驗在加拿大國家委員會海洋技術(shù)研究所的冰水池中進行，船?？s尺比為1 ∶20，模型冰采用EG/AD/S (乙二醇/脂肪族洗滌劑/糖的配比溶液)。試驗?zāi)康氖茄芯看祟惸Ｐ驮囼炛锌赡艹霈F(xiàn)的試驗誤差，因此共凍結(jié)了9 次冰蓋，進行了67 次平冰中的阻力試驗。試驗表明在同一冰蓋下的阻力變動范圍約為3%，在不同但是類似冰蓋下的阻力變動范圍約為2%～4%。

2006年，Jens－Holger［9］等進行了LNG 船的冰水池船模試驗。試驗在德國漢堡水池的大型冰拖曳水池展開，模型冰采用0.7%的氯化鈉溶液凍結(jié)。為了得到冰和模型船體之間的摩擦系數(shù)，還對船體進行了特殊噴漆。鑒于在冰區(qū)航行時，LNG 船通常跟在破冰船后航行，因此試驗中由2個現(xiàn)有破冰船進行碎冰，以得到更為真實的冰海通道。LNG 船在破碎冰通道中通行，通道寬度為LNG 船橫梁的1.25～2 倍。試驗?zāi)康氖窃u估LNG 船寬闊冰通道中的破冰性能、螺旋槳－冰相互作用以及冰是如何被轉(zhuǎn)移到船體旁邊和船下部的。

2010年，Kenneth 等［10］在德國漢堡水池的冰拖曳水池中進行了冰山拖曳模型試驗。試驗?zāi)康氖鞘占弦份d荷和拖曳過程中冰山行為的數(shù)據(jù)。應(yīng)用了2個冰山模型，模型縮尺比為1∶40，每個模型都在4 種不同冰密度下進行拖曳試驗，所有試驗中的拖繩力、冰山位移和旋轉(zhuǎn)被記錄下來。試驗得出結(jié)論是冰密度50%以上的拖曳由于阻力太高不能完成，而在冰密度20%或敞水狀態(tài)下，冰載荷顯著降低，表明低密度冰下的拖曳可行。

2.4 結(jié)構(gòu)冰載荷試驗技術(shù)

為了使冰區(qū)船舶能夠適應(yīng)冰區(qū)航行，需要對各個系統(tǒng)采取強化措施以適應(yīng)冰區(qū)航行的需要。在開展冰水池試驗時，試驗者應(yīng)清楚目標對象與海冰相互作用下的動靜載荷問題。例如:靠近于寒區(qū)海岸近海水域冰凍時，陸岸冰由于陸地與海洋之間的熱傳導(dǎo)作用形成的緩慢蠕變過程，此時對相鄰水域的海洋平臺產(chǎn)生一定的冰載荷，該載荷被假定為靜載作用十分合理。而另一方面，當(dāng)冰面受洋流、風(fēng)的作用，以一定的運動速度持續(xù)對海洋結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生動載荷;破冰船在連續(xù)破冰狀態(tài)下，動載荷作用也十分明顯，海冰同時也表現(xiàn)出一定的脆性材料特性。

顯而易見，海洋結(jié)構(gòu)物動冰載荷的研究十分重要且非常困難。一方面根據(jù)幾何縮比后的海冰模型在試驗環(huán)境下測量得到的破壞冰載荷往往要高于實際自然環(huán)境下目標對象的測量結(jié)果。另一方面，當(dāng)目標對象發(fā)生動響應(yīng)時，如果按照幾何縮比設(shè)計試驗?zāi)Ｐ停Ｐ偷捻憫?yīng)頻率與原有結(jié)構(gòu)的響應(yīng)頻率將存在偏差，試驗測量結(jié)果的準確性將會被質(zhì)疑。結(jié)構(gòu)冰載荷試驗技術(shù)是目前冰水池試驗技術(shù)的研究熱點，也是其水池試驗?zāi)芰Φ闹匾w現(xiàn)。

2.5 虛擬冰水池試驗技術(shù)

傳統(tǒng)上船舶與海工結(jié)構(gòu)物水動力性能預(yù)報普遍采用模型試驗方法，并輔之以實船試驗，但兩者均耗時耗力且成本較高，也頗難進行優(yōu)化設(shè)計。隨著計算機技術(shù)和計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬正成為研究問題和解決問題的一種重要手段，其中冰載荷的模擬和冰阻力的預(yù)報是研究的重要方向。

目前，冰水池數(shù)值計算方法主要分為間接計算和直接計算2 種方法。其中，間接計算方法主要是依據(jù)水池試驗和實船試驗得到的冰載荷數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)回歸，得到相關(guān)的阻力預(yù)報計算公式。這一方法對與回歸數(shù)據(jù)溯源的母型船相似船型的內(nèi)插計算，其阻力數(shù)據(jù)較為準確，在其他條件得到的計算值僅可作為設(shè)計參考。盡管如此，這類方法對仿真計算和運動預(yù)報仍然是不可或缺的主要手段。Aksnes［11］提出了一種用于計算平整冰對系泊船只作用的半經(jīng)驗數(shù)值計算方法。該方法將冰的運動分為水線附近的冰層破壞、碎冰翻轉(zhuǎn)以及水線以下由于冰與船體摩擦產(chǎn)生的運動，船體則被離散為平板，且最終計算得到的結(jié)果與模型試驗數(shù)據(jù)比較后證明了該方法準確性較高。Tan［12］提出了一個描述冰與船體之間相互作用的六自由度模型，從而將船體的升沉、橫搖和縱搖運動加入了模型的考慮范圍。

直接計算方法是通過建立船冰相互作用的數(shù)學(xué)物理模型，來計算船舶所受到的冰載荷。這一類方法主要有:有限元法、離散元法、能量法、混合法等。在直接計算方法中，如何更為有效的建立海冰本構(gòu)模型，研究海冰在施載過程中的破壞形式非常重要。Xiang［13］結(jié)合有限元和離散元2 種方法的優(yōu)點，提出了FEM－DEM 方法?；谠摲椒?，可以運用有限元方法來模擬冰層的碎裂并使用離散元方法來模擬碎冰的堆積過程，這樣就可以結(jié)合2種方法的優(yōu)勢對破冰過程進行計算，得到更為準確的結(jié)果。Polojarvi和Tuhkuri［14］首先將該方法應(yīng)用于冰脊龍骨的沖撞模擬中。這一嘗試不但發(fā)展了FEM－DEM 方法在研究破冰過程方面的應(yīng)用，而且推進了數(shù)值模型在模擬冰脊等特殊條件下的應(yīng)用。

3 冰水池的發(fā)展趨勢

3.1 冰水池向大型化發(fā)展，試驗設(shè)備更為先進

從國外冰水池的發(fā)展路線可以看出，20世紀70～80年代建立起來的大部分冰水池長度在30～40 m左右，隨著模型試驗的需求不斷增加，國外先進研究機構(gòu)如克雷洛夫國家科學(xué)中心、芬蘭Aker 北極科技公司等已經(jīng)對老的冰水池進行了更新或重建。克雷洛夫國家科學(xué)中心2014年啟用的新冰水池尺度較之老冰水池有了很大的拓展，使其進行大尺度模型試驗成為可能;Aker 北極科技公司［15］2006年啟用的新冰水池尺度較之老冰水池沒有太大拓展，而是主要更新了試驗設(shè)備，如更為先進的拖車、制冷設(shè)備，采用更接近自然海冰力學(xué)性質(zhì)的模型冰(FGX)。兩者共同的更新點在于通過增加水池底部和側(cè)面的觀察窗，使得可以實現(xiàn)模型水下部分與冰的可視化。

3.2 數(shù)值水池技術(shù)不斷進步

船舶性能數(shù)值水池中進行的數(shù)值“試驗”，正在逐步或部分取代物理水池中的性能試驗。與物理模型試驗相比，數(shù)值模擬具有費用低、無觸點流場測量、無尺度效應(yīng)，可獲得較為詳細的流場信息等優(yōu)點而廣受關(guān)注。

3.3 模型試驗、數(shù)值模擬、實船試驗互為結(jié)合

從已有的研究來看，冰水池模型試驗、數(shù)值水池模擬、冰區(qū)船舶實船試驗等3 項技術(shù)各有利弊。模型試驗技術(shù)相比實船試驗有準備時間短、花費低的優(yōu)勢，隨著冰池試驗技術(shù)的提高，目前的冰池試驗結(jié)果已經(jīng)能夠滿足一般科研和設(shè)計工作的需要。但是，實船試驗獲得的數(shù)據(jù)是在自然海況下的珍貴的第一手資料，其準確性和可靠性更高，缺點是成本高、準備時間長。數(shù)值模擬作為一種輔助手段在近年來飛速發(fā)展，已成為船舶優(yōu)化設(shè)計的一項重要工具。將三者互為結(jié)合可以取長補短，更好地服務(wù)于冰區(qū)船舶設(shè)計。

4 結(jié) 語

北極航道的逐步“破冰”不光帶來了巨大的發(fā)展機遇，也意味著新一輪的技術(shù)競爭即將到來。目前環(huán)北極國家都在積極打造自己的冰區(qū)船隊，與此對應(yīng)的冰水池的相關(guān)配套設(shè)施建設(shè)和試驗技術(shù)的發(fā)展變得尤為迫切。我國目前還沒有用于開發(fā)極地航行船舶的真正意義上的冰水池，僅有的天津大學(xué)低溫冰池尺寸較小，主要服務(wù)于海洋平臺的冰載荷預(yù)測研究。從長遠來看，冰水池及其試驗技術(shù)已成為限制我國極地船舶自主設(shè)計的關(guān)鍵因素，建設(shè)用于冰區(qū)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物性能預(yù)報的模型試驗水池及配套設(shè)施，發(fā)展冰區(qū)船舶模型試驗技術(shù)，是我國打造自主設(shè)計的冰區(qū)船隊的必經(jīng)之路。

［1］HSVA Homepage:http://hsva.de.

［2］Krylov Homepage:http://krylov-center.ru/eng/.

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