CN102465512A - 气垫船运行形成波阻共振破冰方法 - Google Patents

Abstract

气垫船运行形成波阻共振破冰方法，包括以下工艺过程：气垫船由于气垫对一定水深的冰面的压力，使冰面产生一定的变形外，同时对不同厚度的冰面在有对水的排挤时会产生不同程度的挠曲变形。当气垫船以不同的速度在挠曲的冰面运行时，由于其波动阻力作用在挠曲变形的冰面上，该作用力可分解为沿运动方向（X轴方向）的

作用力和沿垂直于水面（Z轴方向）W的作用力。

Description

气垫船运行形成波阻共振破冰方法

技术领域

本发明涉及的是利用气垫船运行形成波阻共振破冰方法，主要解决我国北方江河湖海上形成的冰凌、凌汛所造成的自然灾害。 

背景技术

冰坝是北方河流最严重的冰凌事件。伴随着冰坝的形成、发展、消融 ,河渠中水力摩阻将发生很大改变,导致流量和水深发生很大变化 ,特别是在冰坝消融或突然崩溃时,河渠的水力阻力突然减小 ,将导致河渠中流量和水位的急剧增加,其大小可能超过夏季最大洪水流量和洪水水位,导致冰凌灾害的发生,对水利工程设施和两岸人民的生命财产带来严重威胁。根据破冰时机与冰凌现象的对应关系, 可将冰盖爆破分为预先破冰和应急破冰两种。预先破冰是在危害性冰凌现象还未发生前, 根据分析预报, 将会在某河段产生危害性冰情现象, 为工程或河道安全渡凌, 事先将这敏感性河段的冰盖采用爆破的方法破除, 称为预先破冰；应急破冰是在危害性冰凌现象(如冰块堵塞工程导流通道、天然河道或水库末端产生冰坝等)已经初步产生, 且预估危害程度会逐渐加剧的情况下, 采用爆破方法, 对危害性冰凌现象或控制其发生发展影响河段的冰盖采用爆破的方法破除, 称为应急破冰。按爆破方式, 可将冰凌爆破分为人工定点破冰、大炮轰击破冰、飞机轰炸破冰。各方法使用于不同的条件下, 具有不同的爆破效果。人工定点破冰一般使用于工程的防凌渡凌, 属小范围精确破冰, 是在指定位置安装炸药,爆破破除指定范围内冰盖的方法。 此方法不只破除冰盖, 对破碎的冰块还有大小尺寸要求, 并不能影响永久和临时性建筑物以及周围民用及工业建筑；飞机轰炸破冰一般使用于空旷大面积冰盖或大规模明显的危害性冰凌现象如冰坝等情况下的破冰, 此种情况下人员不便或不易进入预定地点。其目的是破碎冰块, 疏通河道, 避免冰块堵塞, 产生严重的危害性冰情；大炮轰击破冰在上述两种情况下都可采用。针对上述破冰方法存在的机动性差,受环境条件限制大，以及成本高的不足，提出利用全升式气垫船行进过程中产生的阻力对水面上的冰盖作用使其产生振动，从而使冰面破碎，解决冰凌所造成的灾害。该气垫船共振破冰方法具有破冰效率高，机动灵活，对水中和岸上的物体无损害，不受环境条件限制等一些列优点。 

发明内容

为解决上述问题，发明了一种气垫船运行形成波阻共振破冰方法。本发明的目的是提供一种用于主动解决冰凌、凌汛灾害。利用气垫船运行中形成的波动阻力对冰面产生的压力，使冰面发生弯曲振动实现振动破冰的方法。 

采用的技术方案是： 

气垫船运行形成波阻共振破冰方法，包括以下工艺过程：

气垫船由于气垫对一定水深的冰面的压力，使冰面产生一定的变形外，同时对不同厚度的冰面在有对水的排挤时会产生不同程度的挠曲变形。当气垫船以不同的速度在挠曲的冰面运行时，由于其波动阻力作用在挠曲变形的冰面上，该作用力可分解为沿运动方向（X轴方向）的 

作用力和沿垂直于水面（Z轴方向）W的作用力。

的作用力使冰面沿X向压缩，W的作用力使冰面沿Z向的挠曲变形增加。此时在一定水深和一定厚度冰面可以考虑为一弹性系统，气垫船是在挠曲变形的冰面运行，当以不同的速度行进时会产生的不同频率的冲击载荷，冰面本身是一弹性系统，当该载荷的作用频率与冰面系统的固有频率相同时，冰面产生共振状态，此时达到最佳的破冰效果，实现防凌除凌的目的。

本发明是一种安全、环保、机动、灵活、效率高、经济性好，不受环境条件限制，对水中建筑物和岸上周围民用及工业建筑物无损害的防灾减灾方法，对我国的经济发展和社会稳定具有重大的保障意义。 

具体实施方式

气垫船的垫升高度、气垫空气流量和气垫压力是气垫船稳定性的特性参数。气垫船在稳定航行时, 整个气囊内的压力分布大致均匀; 在一定的航速范围内, 气垫压力也分布均匀。由于气垫船气囊内的压力分布和气垫内的压力分气垫船水压场的形成机理与普通排水型舰船水压场是不同的。排水型舰船在水中航行时，由于船体对水的排挤，形成绕船体的流场，引起船体周围压力的变化，形成水压场。气垫船除了由于气垫对水面的压力。使水面有小的变形外，没有对水的排挤。因此可以在假设气垫压力均匀的情况下,使气垫船整体受力平衡。 

经简化处理后的气垫船气囊形状。其中A1和A2，B1和B2分别为四个进气口，上接四台高压风机。风机处的局部横剖面：空气由风机升压以后，先经过气囊上部的扩压段进入气囊，再通过气囊下壁面的排气孔排入气垫中。在实际情况中，气体从排气孔排出后，还要经过围裙，会增加一些损失，在计算模型中为了简化把围裙段删除了。数值模拟时，给定进气口流量为进口边界条件，气垫压力为出口边界条件。 

气囊壁上虽然气流只通过排气孔流出，但当作多孔介质处理时，应看作是在这个区域中整个面上出气。因各个多孔区域中排气孔数不同，它们的压力损失系数也不同。单位船长之断面，由流体动量定理得知 

${\mathrm{hp}}_c=\mathrm{\ρ}{\mathrm{av}}_i^{2}t(1+\cos \mathrm{\θ})={\mathrm{\ρ}}_a{v}_i^{2}x---\left(1\right)$

p_c-气垫压力，N/m²； 

ρ_a-空气密度，N·s²/m⁴； 

t-喷口宽度，m； 

h-净飞高，m； 

v_i-喷口出流的平均流速m/s； 

θ一喷口中线与船基线间的夹角.(°)； 

$x=\frac{t}{h}(1+\cos \mathrm{\θ})$

喷口总压则可由下式表示： 

$p_t=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_a{v}_j^2+{\mathrm{fp}}_a---\left(2\right)$

式中p_a-喷口总压，N/m²； 

f-取决于相对飞高h/t的系数。 

如略去船的三元流动问题和稳定喷口的流量，则船喷口射流的总空气流量可用下式表示： 

                   

                                   （3）

式中  

—船喷口射流的总空气流量，m³/s

      

—船喷口射流的周长，m。

    于是船的垫升功率可甩下式计算： 

                         （4）

式中  

—船的垫升功率；

      

—风扇效率;

      

—气道效率。

  考虑到气势压力是均匀的，因此垫升船重为 

                                                  （5）

式中  W—船重；

      —船的气垫面积，m²。

假设气垫船是在一个无限大的各项同性的冰层，厚度为h，密度为ρ₁，漂浮在密度为ρ的水面上。 

冰的上表面为z=0，水底为z=-H，冰层的厚度为h。

代表冰面垂直方向上的一个微小的弯曲。冰块变形的运动方程为： 

                 （6）

式中：  

——为泊松比；

E——扬氏弹性模量，Nm^-2；

       

——剪切弹性模量，Nm⁴；

——为竖直向下的外加的力，N；

——为冰下液体的速度势函数；

冰层表面波形传播的的波长远大于冰层的厚度，由于水运动深透到的深度与波长相当，薄冰层的惯性相比于运动的水层的惯性要小。因此，为了研究及计算方便，对研究对象做如下假设：

1.忽略冰的重力加速度所造成的影响，即式子(6)等式左边的第二项。

2. 在t=0的时候，假设有一个一维的线性力施加在冰层上，并且以速度V移动，因此力函数是以下这种形式： 

                     

                      （7）

H是Heaviside阶跃函数。

3．冰层的塑弹性各向同性，冰层之间的相互作用力忽略，冰层的尺寸与波长相比足够小。 

4．水是理想不可压缩的液体。 

通过分析g的单个的傅里叶成分，例如一个含有

的力函数形式，并且

和

展现了相似的x方向上的独立性： 

     

因为

满足拉普拉斯等式，并且满足动力学条件，即：

                           

而且                   

                       （8）

把（8）带入（6），得出：

                 

                  （9）

上式的通解为：

            

          （10）

A和B是常数。等式（10）右边的前两个式子表示以速度c（k）移动自由波，后面一个代表了强迫波。系数A，B可以从初始条件得到，初始条件为：

得到：

            

    （11）

这里，

是相函数，被定义为：

                   

                     (12)

通过傅里叶形式，（7）这个力函数的解决可通过以下形式：

                                   

是由（11）式给出，是

的傅里叶变换。

                     

特别的，对于集中的线性力，是狄拉克函数，而F是常数，代表在y方向上的单位长度上的力大小，在后面的计算中为了方便取F=1N。并且有。

                   

                       （13） 

   稳定状态的式子可以通过围线积分计算。当X>0时，积分线在上半平面内是有较大的半圆

构成闭合的。同时当R趋向与无穷大时，积分趋向于0。由残值定理给出：

两个极点出现在

，此时

，由这些残值的和得出：

    

变形位移主要包含了两个平面波，它们的相速度等于物体的速度，因此波峰出现稳定情况和物体有关。短波长的波（

）出现在物体的之前，因为它的群速度比物体的速度要大（

）,相反长波长的波出现在物体之后，因为它的群速度比物体的速度要小（）。当气垫船运行速度

时，积分路径必须围绕三重零点缩进。当时间t趋于无穷大时，冰的变形位移也将随之变大，即冰破裂。当气垫船运行速度

时， 的表达式可以通过简单的设置得到

    （14）。 

Claims (1)

1.气垫船运行形成波阻共振破冰方法，其特征包括以下工艺过程：

气垫船由于气垫对一定水深的冰面的压力，使冰面产生一定的变形外，同时对不同厚度的冰面在有对水的排挤时会产生不同程度的挠曲变形，当气垫船以不同的速度在挠曲的冰面运行时，由于其波动阻力作用在挠曲变形的冰面上，该作用力可分解为沿运动方向X轴方向的                                                

作用力和沿垂直于水面Z轴方向W的作用力，

的作用力使冰面沿X向压缩，W的作用力使冰面沿Z向的挠曲变形增加，此时在一定水深和一定厚度冰面可以考虑为一弹性系统，气垫船是在挠曲变形的冰面运行，当以不同的速度行进时会产生的不同频率的冲击载荷，冰面本身是一弹性系统，当该载荷的作用频率与冰面系统的固有频率相同时，冰面产生共振状态。