CN106394806A - 一种基于冰水池试验的冰区船破冰阻力预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于冰水池试验的冰区船破冰阻力预报方法，包括试验的基本原理，试验方法和试验数据处理方法。试验基本原理主要基于冰区船在破冰过程中冰的断裂方式和碎冰运动方式而将总阻力进行分类；试验方法主要说明在冰水池试验室模拟实船的破冰过程；试验数据处理方法主要介绍如何通过试验得到的数据进行实船阻力预报。至此，本发明所揭示的基于冰水池试验的冰区船破冰阻力试验预报方法，可以为冰区船开发过程中实船阻力预报提供借鉴。

Description

一种基于冰水池试验的冰区船破冰阻力预报方法

技术领域

本发明涉及船模尺度阻力换算到实船尺度阻力的方法，具体为一种基于冰水池试验的冰区船破冰阻力预报方法。

背景技术

伴随着北极冰盖的范围逐渐缩小，北极航线逐渐被航运界所关注；为了追求经济性，各大航运公司会选择北极航线作为海运的主要航道，这将需要大量的冰区运输船和破冰船，这对高技术船舶开发研究和船舶市场的需求都将产生重大影响；随着油气资源和矿产资源开采技术的提高，号称“第二个中东”的北极正逐渐成为人类索取资源的基地，这也需要大量的极地海工装备和海工辅助破冰船，目前正在开展的亚马尔油气田开发项目就是最好的明证；当今世界主要大国都集中在北半球，而北极是距离各大国最短的战略制高点，谁控制了北极，谁就将占据最有利的军事战略位置。也正基于这几点，除了环北极国家，非北极大国也都为北极资源的勘探开采和冰区船的研发做足准备。

冰区船阻力预报问题作为冰区船设计过程中的关键问题之一，对于冰区船的设计有着非常重要的影响。在连续冰层中航行的冰区船遭遇很大的阻力，因此，冰区船需要良好的型线以降低破冰阻力。基于这个事实，破冰航行的船舶必须能够将冰层破裂成小的冰块，然后将小的冰块从船舶航行路线中排开。在冰区船阻力研究领域，通常可以采用以下几种方法：半经验公式法、数值仿真法、各船级社及船级社协会公式法、理论分析法和冰水池试验法。半经验公式法是各冰水池或研究机构在船模试验以及实船航行数据的基础上回归分析得到的方法，这种公式方法是建立在一定船型的基础上的，因此，它的应用也受到船型的限制。数值仿真法预报冰区船舶阻力是今后的发展趋势，但是由于冰区船舶阻力不仅涉及到流体力学，还涉及到结构力学以及流固耦合问题，因此，当前还没有一款专门的软件能很好的解决这些问题。各船级社以及船级社协会的冰区船阻力和功率预报公式也是建立在船模试验数据和实船数据基础上的，目前受到广泛认可的是芬兰-瑞典冰级规范。理论分析法是指研究人员根据船-冰相互作用机理，对船-冰相互作用进行数学建模，然后编程计算。冰水池船模试验法是冰区船阻力预报一直以来最广泛采用和认可的方法。随着冰池试验技术的提高和试验设备的改进，目前的冰池试验结果已经能够满足一般科研和设计工作的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过预先开展破冰阻力成分的分类以及冰水池模型冰的制取，可以开展破冰条件下破冰阻力试验，最终实现对实船破冰总阻力的预报，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于冰水池试验的冰区船破冰阻力预报方法,其特征在于：包括以下步骤：

a. 在进行冰水池破冰条件下阻力试验之前，在拖曳水池中进行敞水条件阻力试验，以测量水阻力；水阻力表达式如下：

式中，为水阻力，为速度，

根据上式作曲线图，求出大小；

b.通过采用喷雾引晶技术，在水表面产生细小晶粒结构，再通过调节气温，经过冷却、引晶、凝固和回温四个过程，引起冰池内溶液以该细小晶粒为基础向下生长为柱状晶体，最终发展成冰层；

c.基于实船航行中和试验过程中冰断裂的方式和碎冰运动方式的现象，以及对这些现象分析，发现冰阻力可以分为速度无关阻力和速度相关阻力；

d. 开展预切割冰阻力试验，以一定的速度在预切割冰工况下测得船模预切割冰阻力，预切割冰阻力为：

由于水阻力通过步骤（a）已知，通过本步骤就可以分离出；

e. 以0.02m/s的极低的速度在预切割冰工况下测得船模阻力，浮冰阻力就通过极低速度的预切割冰工况中分离出来，即：

式中，为浮冰阻力系数，为水密度与冰密度的差，为重力加速度，为冰厚度，为船宽，为船吃水，

无量纲化可以得到：

从而求出 的大小；

f．当断裂的冰块沿着船体的表面滑过，产生排冰阻力，从预切割冰阻力中减掉浮冰阻力和水阻力，得到排冰阻力，排冰阻力可以表示为：

；

g．进行平整冰条件下破冰阻力试验，测量的到的阻力为破冰总阻力，总阻力减去预切割冰工况下的阻力可以分离出破冰阻力，破冰阻力成分被分离出来，即：

；

h．通过以上几步试验和数据处理，分别得到水阻力无量纲系数、浮冰阻力无量纲系数和排冰阻力无量纲系数，破冰阻力无量纲系数，因为船模和实船的无量纲系数都是无因次的，且船模试验过程中满足相似准则的要求，所以实船与船模总阻力估算公式中的相关无量纲系数是相等的，破冰条件下实船总阻力的预报公式可以表示为

式中的相关参数都是实船的主尺度，速度也为实船速度，冰的物理量也是实际冰参数。

优选的，步骤d~步骤g任意一项中的阻力试验中冰区船总阻力划分包括基于实船航行中和试验过程中冰断裂的方式和碎冰运动方式的现象。

优选的，步骤c中速度相关阻力包括冰断裂引起的破冰阻力和惯性引起的排冰阻力，速度无关阻力是指重力或浮力引起的浮冰阻力。因此，冰区船破冰总阻力包括四个部分：水阻力、浮冰阻力、排冰阻力和破冰阻力。

总阻力表达式为：

式中，为总阻力，为水阻力，为浮冰阻力，为排冰阻力，为破冰阻力。

优选的，步骤f中为排冰阻力系数，为冰傅汝德数（），为傅汝德数指数，为冰密度，为冰厚度，为船宽，为速度，

无量纲化可以得到：

得到与呈线性关系，作曲线图，通过曲线图的斜率和截距求出经验系数和的大小。

优选的，步骤g中为破冰阻力系数，为冰强度系数（），为冰密度，为冰厚度，为船宽，为速度，为冰弯曲强度；

无量纲化可以得到：

其中与呈线性关系，作曲线图，通过曲线图的斜率和截距求出经验系数和的大小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明主要适用于冰区船开发过程中破冰阻力试验预报，从而对冰区船破冰能力和型线的优劣进行分析。通过预先开展破冰阻力成分的分类以及冰水池模型冰的制取，可以开展破冰条件下破冰阻力试验，最终实现对实船破冰总阻力的预报。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：一种基于冰水池试验的冰区船破冰阻力预报方法，主要适用于冰区船开发过程中破冰阻力试验预报，从而对冰区船破冰能力和型线的优劣进行分析。具体步骤如下：

a．在进行冰水池破冰条件下阻力试验之前，首先在拖曳水池中进行敞水条件阻力试验，以测量水阻力。水阻力表达式如下：

式中，为水阻力，为速度。

根据上式作曲线图，至此，大小就可以求出。

b. 通过采用喷雾引晶技术，在水表面产生细小晶粒结构。再通过调节气温，经过冷却、引晶、凝固和回温四个过程，引起冰池内溶液以该细小晶粒为基础向下生长为柱状晶体，最终发展成冰层。

c. 基于实船航行中和试验过程中冰断裂的方式和碎冰运动方式的现象，以及对这些现象分析，发现冰阻力可以分为速度无关阻力和速度相关阻力。速度相关阻力包括冰断裂引起的破冰阻力和惯性引起的排冰阻力，速度无关阻力是指重力（浮力）引起的浮冰阻力。因此，冰区船破冰总阻力包括四个部分：水阻力、浮冰阻力、排冰阻力和破冰阻力。总阻力表达式为：

式中，为总阻力，为水阻力，为浮冰阻力，为排冰阻力，为破冰阻力。

d．单独的冰阻力成分一般很难通过实船试验来测量，然而，在冰水池中船模试验中可以通过改变试验条件，分离出单独的阻力成分。因此，首先需要开展预切割冰阻力试验，以一定的速度在预切割冰工况下测得船模预切割冰阻力，预切割冰阻力为：

由于水阻力通过步骤（a）已知，所以，通过本步骤就可以分离出。

e．浮冰阻力的产生是破碎的冰块由于浮力的作用挤压船舶底部。假设浮冰阻力跟速度无关，排冰阻力跟速度有关。因此，以极低的速度（0.02m/s）在预切割冰工况下测得船模阻力，由于排冰阻力与航速的平方有关，所以可以认为排冰阻力接近为零。同理，水阻力也接近为零。这样，浮冰阻力就可以通过极低速度的预切割冰工况中分离出来。即：

式中，为浮冰阻力系数，为水密度与冰密度的差，为重力加速度，为冰厚度，为船宽，为船吃水。

无量纲化可以得到：

从而求出 的大小。

f．当断裂的冰块沿着船体的表面滑过时，就产生了排冰阻力。从预切割冰阻力中减掉浮冰阻力和水阻力，就得到了排冰阻力。因此，排冰阻力可以表示为：

式中，为排冰阻力系数，为冰傅汝德数（），为傅汝德数指数，为冰密度，为冰厚度，为船宽，为速度。

无量纲化可以得到：

经分析，可以知道，与呈线性关系，作曲线图，然后，通过曲线图的斜率和截距求出经验系数和的大小。

g．最后，进行平整冰条件下破冰阻力试验，测量的到的阻力为破冰总阻力，总阻力减去预切割冰工况下的阻力可以分离出破冰阻力，于是，破冰阻力成分被分离出来。即：

式中，为破冰阻力系数，为冰强度系数（），为冰密度，为冰厚度，为船宽，为速度，为冰弯曲强度。

无量纲化可以得到：

经分析，可以知道，与呈线性关系，作曲线图，然后，通过曲线图的斜率和截距求出经验系数和的大小。

h．通过以上几步试验和数据处理，可以分别得到水阻力无量纲系数、浮冰阻力无量纲系数和排冰阻力无量纲系数，破冰阻力无量纲系数。因为船模和实船的无量纲系数都是无因次的，且船模试验过程中满足相似准则的要求，所以实船与船模总阻力估算公式中的相关无量纲系数是相等的。因此，破冰条件下实船总阻力的预报公式可以表示为

式中的相关参数都是实船的主尺度，速度也为实船速度，冰的物理量也是实际冰参数。

由于破冰条件下水阻力主要是粘性阻力，兴波阻力几乎可以忽略，因此，需要对水阻力部分进行修正，根据低速兴波阻力比例，水阻力修正系数a取0.92~0.96，低速取大值。浮冰阻力系数与模型冰摩擦阻力系数有关，根据实船数据分析得到修正系数b取0.86~1.18，模型冰摩擦阻力系数偏大时b取大值，偏小时取小值。排冰阻力系数也与模型冰摩擦阻力系数有关，根据实船数据分析得到修正系数c取0.8~1.26，模型冰摩擦阻力系数偏大时b取大值，偏小时取小值。破冰阻力系数与冰的断裂方式有关，实船航行时冰的压溃现象比试验中多，并且试验是预先假设冰的断裂方式而实船航行时冰的断裂方式是随机的（有周向断裂和径向断裂等），所以也需要进行修正，根据实船数据分析得到修正系数d取1.12。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于冰水池试验的冰区船破冰阻力预报方法,其特征在于：包括以下步骤：

a. 在进行冰水池破冰条件下阻力试验之前，在拖曳水池中进行敞水条件阻力试验，以测量水阻力；水阻力表达式如下：

式中，为水阻力，为速度，

根据上式作曲线图，求出大小；

b.通过采用喷雾引晶技术，在水表面产生细小晶粒结构，再通过调节气温，经过冷却、引晶、凝固和回温四个过程，引起冰池内溶液以该细小晶粒为基础向下生长为柱状晶体，最终发展成冰层；

c.基于实船航行中和试验过程中冰断裂的方式和碎冰运动方式的现象，以及对这些现象分析，发现冰阻力可以分为速度无关阻力和速度相关阻力；

d. 开展预切割冰阻力试验，以一定的速度在预切割冰工况下测得船模预切割冰阻力，预切割冰阻力为：

由于水阻力通过步骤（a）已知，通过本步骤就可以分离出；

e. 以0.02m/s的极低的速度在预切割冰工况下测得船模阻力，浮冰阻力就通过极低速度的预切割冰工况中分离出来，即：

式中，为浮冰阻力系数，为水密度与冰密度的差，为重力加速度，为冰厚度，为船宽，为船吃水，

无量纲化可以得到：

从而求出 的大小；

f．当断裂的冰块沿着船体的表面滑过，产生排冰阻力，从预切割冰阻力中减掉浮冰阻力和水阻力，得到排冰阻力，排冰阻力可以表示为：

；

g．进行平整冰条件下破冰阻力试验，测量的到的阻力为破冰总阻力，总阻力减去预切割冰工况下的阻力可以分离出破冰阻力，破冰阻力成分被分离出来，即：

；

h．通过以上几步试验和数据处理，分别得到水阻力无量纲系数、浮冰阻力无量纲系数和排冰阻力无量纲系数，破冰阻力无量纲系数，因为船模和实船的无量纲系数都是无因次的，且船模试验过程中满足相似准则的要求，所以实船与船模总阻力估算公式中的相关无量纲系数是相等的，破冰条件下实船总阻力的预报公式可以表示为

式中的相关参数都是实船的主尺度，速度也为实船速度，冰的物理量也是实际冰参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于冰水池试验的冰区船破冰阻力预报方法，其特征在于：所述步骤d~步骤g任意一项中的阻力试验中冰区船总阻力划分包括基于实船航行中和试验过程中冰断裂的方式和碎冰运动方式的现象。

3.根据权利要求1所述的一种基于冰水池试验的冰区船破冰阻力预报方法，其特征在于：所述步骤c中速度相关阻力包括冰断裂引起的破冰阻力和惯性引起的排冰阻力，速度无关阻力是指重力或浮力引起的浮冰阻力；

冰区船破冰总阻力包括四个部分：水阻力、浮冰阻力、排冰阻力和破冰阻力；

总阻力表达式为：

式中，为总阻力，为水阻力，为浮冰阻力，为排冰阻力，为破冰阻力。

4.根据权利要求1所述的一种基于冰水池试验的冰区船破冰阻力预报方法，其特征在于：所述步骤f中为排冰阻力系数，为冰傅汝德数（），为傅汝德数指数，为冰密度，为冰厚度，为船宽，为速度，

无量纲化可以得到：

得到与呈线性关系，作曲线图，通过曲线图的斜率和截距求出经验系数和的大小。

5.根据权利要求1所述的一种基于冰水池试验的冰区船破冰阻力预报方法，其特征在于：所述步骤g中为破冰阻力系数，为冰强度系数（），为冰密度，为冰厚度，为船宽，为速度，为冰弯曲强度；

无量纲化可以得到：

其中与呈线性关系，作曲线图，通过曲线图的斜率和截距求出经验系数和的大小。