冰缘区航行船舶在碎冰-波浪耦合作用下增阻机理研究

The polar marginal ice zone is a necessary place for ships sailing in the polar region. It is located at the junction of sea ice and open water and is most affected by waves. In recent decades, the extent of the marginal ice zone has also expanded as the climate in the Arctic region has warmed significantly. At present, a lot of research work has been carried out on the navigation performance of ships in ice-breaking and ice-leveling channels at home and abroad. There are few studies on ship structures in the marginal ice zone, and many key mechanisms and laws have not been revealed yet. In this project, the peridynamic method (PD) and the smooth particle method (SPH) are used to self-programming, and the numerical simulation method of ship-wave-ice floe interaction is established and validated by model experiment. On this basis, the influence of the three coupling effects on the ship resistance variation, the superposition law of each resistance component and the variation law of coupling resistance enhancement, the change of ship motion attitude and ice trajectory as well as the principle of wave overflow and sea ice wave elimination at different wave and ice parameters are studied. The solution of the above problems will be helpful to understand the coupling mechanism of ship- ice floe - wave in detail, thus providing theoretical basis and technical support for the design and development of ships in ice areas in China.

极地冰缘区是极地航行船舶的必经之地，处于海冰与开阔水域交界的部分，受波浪影响最大，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。目前国内外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，冰缘区涉及到船舶结构物的研究较少，很多关键性作用机理及规律尚未得到揭示。本项目采用近场动力学（PD）方法与光滑粒子（SPH）法自主编程，并通过模型实验手段进行验证，建立船-碎冰-波浪耦合作用的数值模拟方法。在此基础上，研究碎冰-波浪耦合作用对船舶阻力变化的影响，以及在不同波浪参数及碎冰参数时，各个阻力成分的叠加规律和耦合增阻的变化规律，观察船-碎冰-波浪耦合作用下船舶姿态和碎冰运动轨迹变化以及波浪越流和海冰消波等现象，揭示三者之间的耦合作用关系。上述问题的解决，将有利于细致了解船-碎冰-波浪耦合作用机理，从而为我国冰区船舶的设计和研发提供一定的理论基础及技术支撑

极地冰缘区是极地航行船舶的必经之地，处于海冰与开阔水域交界的部分，受波浪影响最大，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。目前国内外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，冰缘区涉及到船舶结构物的研究较少，很多关键性作用机理及规律尚未得到揭示。当船舶航行于冰缘区时，受到波浪作用，其阻力性能与单纯碎冰区有很大不同，揭示冰缘区航行船舶在碎冰-波浪作用下的耦合增阻机理，对冰区船的设计和建造具有重要意义。.本项目考虑极地船舶航行于冰缘区的实际情况，采用理论推导、数值模拟与模型试验相结合的方法，对碎冰-波浪联合作用下的耦合增阻以及运动姿态等问题进行研究。具体完成的研究内容有：1）碎冰冰况极地船舶冰阻力数值预报方法研究；2）冰缘区碎冰-波浪作用的数值模拟方法研究；3）冰缘区船-碎冰-波浪耦合作用的数值模拟方法研究；4）冰缘区船-碎冰-波浪耦合作用的模型试验测试技术研究。.通过本项目的系统研究，建立了基于近场动力学PD方法的碎冰冰况极地船舶冰阻力数值预报方法，基于光滑粒子SPH无网格方法和结构化任意拉格朗日欧拉方法（S-ALE）方法的冰缘区碎冰-波浪作用的数值模拟方法以及基于PD-SPH的船-碎冰-波浪耦合作用的数值预报方法，并基于常温拖曳水池搭建了冰缘区船-碎冰-波浪耦合作用动力学特性测试平台，掌握了相应的试验测试和分析技术。项目研究发现，耦合增阻随着波长先减小后增加，随后又呈减小的趋势；耦合增阻随着冰密集度的增加逐渐减小，随着船舶航行速度的增加，耦合增阻总体呈现增长趋势；由于碎冰-波浪的相互耦合作用，耦合增阻会出现负值情况。本项目开展过程中也形成了丰硕的研究成果，发表高水平期刊论文15篇，授权发明专利5项、软件著作权6项。项目工作内容有较好的研究意义和应用前景，研究成果可为我国冰区船舶的设计和研发提供一定的理论基础及技术支撑，从而保障我国极地船舶在冰区航行安全。