北极海冰耦合传热及其对冰体结构强度影响的机理研究

China is a subarctic country. The opening of the North Pole Passage comes up with great business value and strategic significance. Sea ice is the main threat and barrier that affects the ship navigation in the North Pole Passage. The process of sea ice generating and vanishing and sea ice strength are influenced by the heat transfer process. Therefore, it is very meaningful to research the coupling heat transfer process and the heat transfer effect on the ice structural strength. In this project, the boundary conditions will be confirmed by the North Pole field investigation, then the heat transfer model of the sea ice will be optimized. The sea ice structural strength under different low temperature conditions will be studied cooperating with the coupling heat transfer process. Then the sea ice internal temperature and stress distribution will be simulated by computer simulation technology. The research method is the combination of the polar scientific investigation, experiments and computer simulation technology. The innovation points are followed. The sea ice has complex composition. Its heat transfer process is researched through coupling with the heat conduction, heat convection and heat radiation. It is also researched that the coupling heat transfer process influences the ice structural strength. This project provides new thought and new method for researches on sea ice heat transfer process and sea ice structural strength. Furthermore, this project is end at avoiding ice-ship crashing in the Arctic area. It also offers important reference to ship design and navigation safety.

中国是近北极国家，北极航道的开通对我国有重要的商业价值及战略安全意义。海冰是影响北极航道船舶航行的主要威胁与障碍。海冰的形成融化和强度受到其传热过程的影响，因此，研究海冰的耦合传热过程及其对冰体结构强度的影响具有重要的现实意义。具体研究内容包括：通过参加北极科学实地考察获取第一手资料，确定相关边界条件，完善海冰传热学系统模型；结合耦合传热过程研究不同低温下的海冰结构强度；利用计算机仿真技术模拟海冰内部温度与应力分布情况。本项目主要通过极地科学考察、试验研究与计算机仿真技术三者有机结合的方法开展研究。创新之处在于：将热传导、热对流与热辐射三种传热形式耦合起来，研究北极海冰这种具有复杂结构物质的传热过程及其对北极海冰结构强度的影响。本项目为研究海冰的传热及强度提供了新思路和新方法；进而为研究北极海冰和船舶的碰撞提供了理论基础，也为北极航道中船舶设计及安全通航提供了重要的参考依据。

本项目以北极海冰为对象开展研究，核心内容是研究北极海冰耦合传热及其对冰体结构强度影响机理的科学问题，围绕这个核心内容具体开展以下研究工作：1、通过完善自主研制的实验装置，研究实验室环境内测量海冰竖直方向与水平方向单轴压缩强度的方法。2、研究各种外界参数条件对初生冰结构强度的影响。3、建立符合实际的热—结构耦合模型，利用计算机仿真技术准确模拟海冰内部温度与应力分布情况。取得了一定的研究成果，主要包括：1、探索了初生冰单轴压缩强度与应变率的关系，揭示了初生冰在不同应变率下的力学行为和破坏特性，即在低应变率加载时冰表现为韧性，破坏形式为鼓胀破坏；高应变率下表现为脆性，破坏形式为劈裂破坏，总结了初生冰强度与应变率的关系。2、研究了初生冰抗压强度与生长温度的关系，随着生长温度逐渐降低，初生冰的抗压强度逐渐提高，-5℃到-10℃初生冰抗压强度有较为明显的上升，-10℃到-30℃强度整体趋于上升，但上升幅度不大，-30℃到-35℃区间内强度上升幅度较大。另外发现同比较低生长温度形成的初生冰，韧性范围内强度随温度降低而增大但脆性范围内强度随温度降低而减小，为后期研究提供了思路和方向。3、研究了传统材料的流固耦合换热特性，验证了数值模拟方法的可靠性，为进一步深入研究北极海冰与大气和海水的流固耦合传热奠定基础和指导思想。4、搭建了冰体结构试验台架，完善了试验装置，完成了初生冰生长过程温度监测装置的试制，为实验室内海冰物性参数的测定奠定了基础。5、对冰晶体进行了切片观测，测量晶体平均粒径，试验表明实验室环境下生长的初生冰为柱状冰，生长温度越低晶体粒径越小。在未来的研究中需继续探索冰体强度与应变率、温度及晶粒粒径的综合关系。