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。

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.

冰水池发展现状及趋势

冰水池是一种服务于冰区船舶与海洋工程结构物设计、建造的模型试验水池。其通过模拟寒冷海域水面自然冻结状态,结合各种冰情环境实现试验室条件下的模型冰力学性质相似。在冰水池内,试验人员以一定模型试验相似率为基本准则,分析目标试验对象在冰区作业工况下的主要性能,并开展相关参数测量、数据分析的研究工作。本文基于对国内外主要冰水池及其试验技术的研究,从试验设施发展现状、试验关键技术及未来的发展趋势几个方面来展开分析。

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。

冰水池结冰过程的数值模拟分析

[目的]为研究冰水池结冰的特征和影响因素,对冰池水结冰过程开展数值模拟分析。[方法]采用计算流体力学软件FLUENT中的流体体积法(VoF)两相流模型,建立冰水池数值模型,设定热力学边界条件,观察计算域内温度场和冰场的动态变化过程,分析冷气进口设置方案对结冰过程的影响。[结果]研究结果表明,随着冷气进口数量增加,冰水池结冰速率更快,更容易形成均匀的层冰。[结论]结冰过程数值模拟结果揭示了冷气进口数量与结冰之间的关系,可为冰水池控制结冰提供参考。

CSSRC小型冰水池中海冰模拟与测试研究

中国船舶科学研究中心(CSSRC)新近建成了一座小型冰水池(SIMB),用于冰相关的基础研究,诸如冰模拟、冰力学性能测试以及冰与结构相互作用研究等。该冰水池主尺度为8 m(长)×2 m(宽)×1 m(深)。模型冰为低浓度氯化钠水溶液冷冻制作而成的柱状盐冰。制冷系统可精确地控制室内降温、冷冻和回温过程,制冰过程伴有冰晶播撒和微气泡控制。对一系列模型冰物理和力学性能的测量及微观结构的观测,验证了小型冰水池设计满足功能要求,为冰相关的基础研究提供了一个有效的平台。

冰水池模型试验内容对比

针对国内外冰池的试验能力进行对比,并对冰区船冰水池模型试验中的阻力试验、自航试验和操纵性试验进行梳理总结,利用设计经验,对冰区船设计中需要进行的冰水池模型试验关键点进行分析,为相关冰区船设计的工程人员冰水池模型试验规划提供参考。

冰级桨水动力性能研究综述

针对桨-冰相互作用对冰级桨水动力性能的影响问题,整理归纳国外冰级桨水动力性能研究进展,根据冰级桨特殊工作条件,介绍并分析目前两种主要冰级桨模型试验方法及其特点;介绍数值模拟预报程序PROPELLA,展望未来冰级桨水动力性能的研究方向。

冰区船首部连续破冰模式下破冰阻力模型试验研究

在众多冰区航行船舶冰阻力预报的方法中,冰水池模型试验是最为准确和可靠的一种方法。论文依托中国船舶科学研究中心小型冰水池,设计了一条破冰船船首模型,开展了不同航速下的层冰试验和预切割冰试验,研究冰阻力与速度的相关性。通过船首模型总冰阻力和不同部位冰阻力的精细测量,提取冰阻力的不同成分,分析总冰阻力与各分量之间的关系。利用水下摄录像系统,观测冰层破坏过程和破坏模式,分析船首-冰相互作用与破冰阻力的形成机理。研究结果可为冰区船性能预报与船型优化提供参考。

基于冰区快速性预报的极地小型邮轮通航信息细化方法

极地邮轮航线规划是冰区航行安全性和经济性的重要保障。面向极地小型邮轮航线规划的需求,基于冰水池模型试验进行了冰区航行快速性预报,提出细化的冰区航行风险评估方法,并给出不同海冰条件下的可达航速建议。据此建立了精细化的通航信息地图,为航线规划打好基础。