层冰作用下直立圆柱结构冰载荷研究

层冰是冰区海工结构作业时遭遇的主要冰况之一,直立结构是海工结构的常见构型,因此,开展层冰作用下直立结构冰载荷研究对海工结构抗冰强化设计和安全评估具有重要意义。本文首先对层冰与直立结构作用过程进行概括分析。然后开展直立圆柱结构冰载荷的机理性试验,研究层冰的失效行为以及结构冰载荷的特征。最后基于黏聚单元模型和海冰软化本构开发层冰与结构作用模拟的数值仿真模型,对层冰的裂纹扩展和破碎过程进行模拟,同时利用试验数据对数值仿真模型的正确性进行验证。本研究工作可为结构冰载荷的数值和试验研究奠定重要基础,为冰区海工结构的设计建造提供技术参考。

基于DEM-SPH流固耦合的冰区船舶快速性预报

船舶在冰区海域中航行会受到冰水环境阻力的影响,是冰区船舶快速性研究中的重要影响因素。为合理分析冰区船舶的快速性能,该文采用基于离散元(discrete element method,DEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法的流固耦合模型模拟船舶冰区航行过程,获得不同航速下的船舶阻力和推进力,进一步计算出螺旋桨的推力、扭矩以及定速航行所需的螺旋桨转速等参数。为研究船体结构、海冰与海水之间的流固耦合作用,文中通过SPH粒子与固定粒子边界相对运动的拟合项直接计算固体与流体之间的相互作用力,建立船体结构、海冰与海水耦合的DEM-SPH模型,并基于该模型分别对船舶在冰区的航行阻力和推进力进行模拟,通过拟合的方式匹配航行阻力和推进力,并考虑尾部流场导致的船体阻力增额,从而预报船舶在特定航速下实现自航所需的螺旋桨转速。此外,文中还模拟了DTMB 5415船模在浮冰区和层冰区中航行的阻力和不同螺旋桨转速下的推力,对船模在不同工况下实现特定航速航行所需的螺旋桨转速进行了预报。计算结果表明:DEM-SPH耦合模型对船-冰、桨-冰作用中的流固耦合过程模拟效果出色,可完整描述船体及尾部伴流场对海冰的拖曳作用;通过文中所述阻力-推力模拟算例及强制力的拟合分析,所形成的基于数值模拟方法的船舶自航下螺旋桨转速预报,可为进一步的试验验证和工程应用推广奠定基础。

冰水池中海冰模拟技术现状与关键问题

冰水池模型试验对发展冰区船舶海洋工程和推进极地开发利用起到至关重要的支撑作用,其中完备的海冰模拟能力是进行冰区装备模型试验研究进而开展航行作业性能和安全性预报与评估的关键技术保障。本文总结了国内外冰水池海冰模拟技术现状,比较分析了两种类型制冰技术及其模型冰的物理力学特性,给出了冰水池海冰模拟能力发展趋势;同时,明确了冰水池中海冰模拟的关键问题,剖析了先进制冰技术研发面临的技术挑战,可为进一步开展相关基础研究、探索科学的模型冰制备方法提供引导。

采用圆环劈裂试验测定盐水柱状模型冰抗拉强度

抗拉强度是海冰最基本的力学参数之一,也是极地船舶和海工结构冰载荷研究的基本输入条件。鉴于抗拉强度的完整圆盘劈裂试验中部分圆盘裂纹明显偏离加载直径,且试样加载端易较早产生剪切裂纹,为此本文采用圆环劈裂试验开展盐水柱状模型冰抗拉强度测定研究。首先基于离散单元法开展圆环劈裂数值试验,分析圆环试样的断裂过程以及圆环试样的峰值载荷与孔径比的关系,发现采用Hobbs公式计算材料抗拉强度存在适用范围的限制。随后在中国船舶科学研究中心小型冰水池开展盐水柱状模型冰的圆环劈裂物理试验,以验证数值模拟得到的结论,并测定盐水柱状模型冰的抗拉强度。研究表明,圆环劈裂试验也是一种测量盐水柱状模型冰材料抗拉强度的有效方法。

典型冰况下极地船舶碎冰阻力模型试验研究

极地船舶航行于夏季冰缘区时,浮碎冰况是遭遇的最主要冰况之一,在此冰况下航行的船舶必须考虑浮碎冰与水的耦合作用对阻力性能的影响。为探索浮碎冰条件下极地船舶阻力性能的模型试验方法及浮碎冰对船舶阻力的影响规律,利用非冻结模型冰开展某型破冰船在不同速度、密集度下的极地船舶阻力试验,同时利用数字图像识别方法,观测不同密集度情况下的碎冰分布变化。试验结果表明:船舶的碎冰阻力随着速度与密集度增加逐渐增加,航行速度为主要的影响因素;船舶速度对碎冰的运动具有显著影响;船舶与碎冰的作用具有随机性,同一工况下的阻力在一定的范围内波动。在此基础上,利用IOT实船换算方法,对船舶在不同航速及密集度下的碎冰阻力进行了预报。

典型船用通导设备低温性能试验研究

目的建立有效的低温试验检测手段及评估方法,以保障冰区航行船舶在低温环境下的通讯导航能力。方法在国军标与船标的指导下,针对典型船用通导设备磁罗经与电子罗经,开展包括试前工作测试、–25℃低温贮存试验、–20℃低温工作试验以及附加防寒措施的系列考核试验。结果试验成功复现了低温环境下磁罗经与电子罗经的性能失效模式。磁罗经经历低温后,磁力指向稳定性大幅减弱,试验前后指向刻度最大偏差可达3.3°;电子罗经经历低温后,指向误差最大可达3.7°,电流最大增长32.8%。通过遮蔽防寒、伴热措施保温后,整个试验过程中温度趋于稳定,磁罗经与电子罗经的刻度示值变化幅度减小。结论磁罗经内部部件机械阻尼的增大以及自差校正磁棒磁力的改变是引起磁罗经定位精度率波动、定位误差变大的主要原因。电子罗经天线内部电气元件的性能改变是引起指向刻度变化的主要因素。通过采取一定的防寒保温措施,减小温度变化范围,将有利于提高磁罗经与电子罗经低温工作的稳定性。

挤压失效模式下冰压分布特征的试验研究

为探明宽大结构局部冰压特征,本文采用塔形框架加载装置和分布式压力传感器研究模型冰挤压失效模式下的冰压演化行为。结果表明,冰的非同时破坏进程可引起冰压显著的集中效应和随机效应,基于“事件-最大值”法提取冰压-加载面积特征点并对其进行指数分布包络拟合,统计典型超越概率下冰压-加载面积函数关系,形成对冰压分布及概率特征的数学表达。本文研究结果可为宽大结构冰压设计提供参考。

MEMS壁面剪应力传感器阵列水下标定实验研究

壁面剪应力的精确测量对于研究水下物体边界层流动、寻求有效的减阻增效措施至关重要。MEMS壁面剪应力传感器的标定首先是最基本的静态标定,其决定了其测量的精度和数据的可信度。本文在分析已有标定方法的基础上研发1种新型水下壁面剪应力给定装置,并采用数值方法计算分析不同流速下的壁面剪应力给定条件,进而设计壁面剪应力传感器静态标定方案,开展了一种MEMS热膜式壁面剪应力传感器阵列的水下静态标定实验,获得了各传感单元的标定系数。

水下平板壁面剪应力MEMS测量研究进展

围绕水下平板壁面剪应力测量进行了一系列的试验测试研究工作,包括MEMS壁面剪应力传感器标定、平板模型设计、微弱信号测量系统开发、平板边界层参数估计与CFD仿真分析以及近壁面速度剖面LDV测量等。对于速度为0.2~0.7m/s的来流,基于MEMS传感器阵列对水下壁面剪应力进行了测量,同时使用LDV进行速度剖面测量,并通过对速度剖面的拟合求解出平均壁面剪应力值。通过比较可知,MEMS测量结果、LDV速度剖面法拟合结果和经验公式计算结果三者一致性较好,相互之间差别在5%以内。

利用热线风速仪在风洞中研究舰艇尾部流动特性

本文介绍中国船舶科学研究中心引进的Streamline型热线风速仪的功能特点。对利用该仪器在风洞中研究舰艇尾部流动特性的一般方法及测试技术中的几个关键问题进行了较详细的分析讨论，并给出了应用实例。文中指出：a．Streamline型热线风速仪稳定性好、功能齐全且自动化程度高。b．该仪器所具有的高精度、高灵敏度、高频响特性使之用于尾部流场测试非常合适。C．在试验研究中有必要对测试技术方面的若干关键环节加以注意，以确保测试的准确性。

中国船舶科学研究中心小型冰水池柱状盐水模型冰单轴压缩强度分析

新建的中国船舶科学研究中心小型冰水池采用淡盐水溶液制成了柱状模型冰。为了评估该模型冰的物理力学性能,进行了一系列试验测量。其中,利用取自冰层的大量样本对模型冰单轴压缩强度特性进行了检测分析,观察了模型冰的破坏模式和断裂行为,研究了压缩强度对应变率的依赖性。在对试验结果进行综合分析和评价的基础上,提出了进一步改进模型冰单轴压缩强度研究的方向。

不同型线结构船艏表面压力特性对比实验研究

为优选船艏结构型线方案,在风洞中针对三个在结构型线上仅有细微差别的船艏方案进行表面压力特性对比测试。实验获得了各型线方案模型表面压力空间分布特性和压力脉动特性,并通过表面压力特性的综合对比进行了结构型线评估,为船艏的结构型线设计提供直接的技术依据。

水下航行体模型尾部壁面脉动压力与近壁湍动速度同步测试

为了研究水下航行体尾部厚边界层湍流非定常特征,利用轴对称的光体模型及2个尺度不同的大附体模型,在低速风洞中进行模型尾部壁面脉动压力与近壁湍动速度同步测试,并采取相关计算、小波分析等方法作数据处理分析.结果表明:航行体尾壁面脉动压力信号主频成分相对较少,且频率较为固定,反映航行体尾厚边界层流动大尺度相干结构影响;而近壁湍动速度信号反映多种不同尺度的涡作用,且低频信号占据主要的频率成分,同时,随着离壁面距离的增加,湍动速度与壁面脉动压力最大相关系数减小.测试同时考察了不同大附体方案和雷诺数变化对航行体尾湍流特性的影响.

水下航行体壁面脉动压力的大涡模拟研究

湍流壁面脉动压力是重要的水动力噪声源,开展相应的计算与试验研究十分必要。作者在大涡模拟的理论框架下,结合精细网格生成技术,对于水下航行体的壁面脉动压力进行了数值预报。首先,详细描述了所使用的大涡模拟方程与动态Smagorinsky亚格子模型,介绍了离散求解的数值方法。其次,利用大涡模拟计算了SUBOFF模型主体与附体上的表面压力分布,并利用试验结果进行了验证,分析了大涡模拟方法计算定常流动的可靠性。再次,计算了平板的湍流壁面脉动压力,并与CSSRC的消音风洞试验结果进行了对比,分析了大涡模拟方法计算非定常流动的可靠性。最后,对于水下航行体模型主体上三个位置与围壳上四个位置处的壁面脉动压力进行了大涡模拟,得到了脉动压力1/3OCT频谱,分析了频谱高频与低频特性以及衰减特性,并用试验结果进行了验证。研究表明,本文建立的水下航行体壁面脉动压力的数值预报方法是可靠的。

大型运输船极地平整冰区航行阻力的模型试验

针对一艘在极地海域内以船艏破冰方式航行的运输船,进行了平整冰条件下船舶航行阻力的模型试验。试验测试以拖曳船模在冰水池内行进的方式进行,试验观测针对多种船速展开,观测内容包括:平整冰排在船艏前的破坏模式、冰排沿船体舷侧的破坏模式、碎冰沿船体的运动状态以及船体航行总阻力。试验测试中包含两种主要的冰况条件,即船体独立在平整冰条件下的航行和在有破冰船开道的航道碎冰条件下航行。试验测试结果表明,船体在平整冰中航行时,由船肩处引发的大面积弯曲破坏将导致极值阻力的出现;船体在碎冰航道中航行时,部分大尺寸的碎冰块在漂移过程中将遭遇航道边缘的阻碍而发生重叠,并将导致航道边缘冰排的再次破坏。此外,两种冰况条件下船体航行阻力均值与极值均随航速的上升而增大,而平整冰条件下的航行阻力整体高出航道碎冰条件下的阻力两倍以上。

冰区运输船极地海域航行阻力的模型试验研究（英文）

为了考查冰区运输船在北极结冰海域航行时所受到的航行阻力,进行了一系列室内物理模型试验。试验中船体模型通过一个单向测力传感器与主拖车上的刚性拖曳臂相连。试验包含三种主要的冰条件,即船体独立航行的平整冰条件、在破冰船引导下航行的航道碎冰条件和独立航行的浮冰条件。平整冰及航道碎冰条件下对多种船体航行速度进行考察,而浮冰条件下则针对不同的冰覆盖率展开研究。试验中对冰-船相互作用模式、冰排在船体不同位置处的破坏进程以及碎冰沿船体的运动状态进行了详尽的观测,并对船体的航行阻力进行了有效的测量。此外,文中还对航行阻力均值与极值之间的差异进行了详尽的讨论与分析。结果表明,冰条件与船体航行速度是影响船体航行阻力的重要因素。

水下MEMS壁面剪应力传感器标定方案仿真分析与实验验证

壁面剪应力的精确测量对于研究水下物体边界层流动、寻求有效的减阻增效措施至关重要。MEMS壁面剪应力传感器的标定,首先是最基本的静态标定,决定了其测量的精度和数据的可信度。为辅助实现水下MEMS壁面剪应力传感器的精确标定,本文对采用槽道流法的精密标定装置流动条件进行数值仿真及激光多普勒测速仪测速实验,确定了标定试验段中流场从槽道入口处充分发展至稳定所需长度、压力分布情况及所能给定标定使用的壁面剪应力范围,进而设计标定方案;壁面剪应力的实验结果与数值计算和理论分析对比吻合较好,验证了标定方案的合理性,为下一步开展MEMS剪应力传感器阵列水下标定试验提供技术基础。

喷流舵水动力试验研究

本文介绍了喷流舵模型及试验装置的设计,给出了试验数据处理及表达方法.文中三种喷口位置对比试验结果表明,尾侧喷口具有更高的升力系数,在Cμ=0.20时,为常规舵的1.693～4.490倍,可望满足减纵摇高升系数的技术要求.

基于多介质、多尺度离散元方法的冰载荷数值冰水池

极地船舶与海洋工程结构冰载荷的确定是其结构抗冰设计、冰区安全运行和结构完整性管理的重要研究内容.当前快速发展的高性能计算技术和多介质、多尺度数值方法为准确、高效地计算结构冰载荷提供了有效的途径,其中以离散元方法为代表的数值方法取得了出色的研究成果.为此,本文针对目前极地船舶与海洋工程结构对冰载荷及力学响应的工程需求,同时考虑国内外对海冰、工程结构与流体相互耦合的多介质、多尺度数值方法研究现状,对极地船舶与海洋工程数值冰水池的概念、框架、开发技术以及基于离散元方法的软件实现与工程应用进行了论述.数值冰水池在船舶与海洋工程结构冰载荷确定方面具有可靠性、经济性、快速性、扩展性和情景化等显著优势.本文工作借鉴数值水池的研究思路,以典型船舶和海洋平台结构冰载荷及结构力学响应的离散元计算为例,探讨了数值冰水池研究的可行性和工程应用前景,阐述其与理论分析、现场测量和模型试验研究相结合的必要性.以上研究有益于中国在极地船舶与海洋工程领域形成具有独立知识产权的数值计算分析平台,对中国极地海洋强国的战略实施具有很好的启发和指导意义.

水下MEMS壁面剪应力传感器标定不确定度分析研究

针对MEMS壁面剪应力传感器进行了标定及其不确定度分析工作。标定基于压力梯度法,使用扁平校验水槽作为主要的试验装置。测量不同壁面剪应力下的MEMS输出电压信号,通过最小二乘拟合可获得标定系数。反复进行壁面剪应力及电压测量,同时查找相关产品说明书获得壁面剪应力及标定系数的不确定度。试验结果表明,剪应力测量的相对扩展不确定度小于7%,且外流速度越大,剪应力测量的不确定度越小,因此扁平校验水槽能够提供较高精度的剪应力输入;电压测量的相对扩展不确定度小于7%,且外流速度越大,电压测量的不确定度越小,因此传感器能够可靠地用于流体壁面剪应力的测量;标定曲线具有合理的形态且拟合相关性较高,因此标定公式具有较好的可靠性。