氣泡輔助航行系統(tǒng)降低船模-碎冰相互碰撞的試驗研究

倪寶玉， 鐘 凱， 張東江， 薛彥卓

(1. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001； 2. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

近年來，全球變暖加劇，兩極冰川解凍，北極冰蓋的面積逐年減少，使極地航線的通行成為可能[1]，但極地區(qū)域浮冰數(shù)量會大大增加，航行船舶會與浮冰碰撞。一方面，隨機的船-冰碰撞會使航行于冰區(qū)的船舶遭受隨機的沖擊載荷，從而可能引起船體結構強烈振動、變形或破損，尤其當浮冰體積較大、密度較高或者在海流作用下具有較大初速度時，沖擊載荷大幅上升，給船體結構安全帶來較大威脅，防沖擊和減振降噪是極區(qū)船舶安全航行需考慮的重要因素[2]；另一方面，船體與碎冰之間的碰撞和摩擦會大幅增加船舶的航行阻力，碎冰阻力一直是破冰船航行的重要阻力成分之一[3-4]，對于極地航行的商船，碎冰阻力則幾乎占據(jù)了航行阻力的絕大部分[5]。所以，若能減少浮冰與船體碰撞的現(xiàn)象，會大幅降低航行阻力，同時降低船體的振動噪聲，對提高結構安全性和航行經(jīng)濟性具有重要意義。

欲減少船-浮冰碰撞的現(xiàn)象，對船-碎冰相互作用過程的研究便尤為重要。現(xiàn)今國內(nèi)外學者對此方面做了許多研究。黃焱等進行極地運輸船浮冰區(qū)航行船模阻力試驗，觀測到了浮冰受船體作用后的運動方式：一是浮冰與船體撞擊，向外漂移；二是浮冰受船體碾壓，發(fā)生破壞斷裂。謝暢[6]通過模擬波浪中碎冰航道航行船模試驗，進行了波浪-浮冰-船體相互作用分析，發(fā)現(xiàn)船體碰撞引起的浮冰翻轉、漂移、下沉等運動是增大船體阻力的主要因素。李紫麟等[7]利用離散元模型模擬航道碎冰，得到船體冰載荷呈現(xiàn)很強隨機波動，并且隨冰密集度、航速、冰塊尺寸的增大而增大。閆孟嬌等[8]利用試驗與LS-DYNA軟件仿真模擬，進行浮冰碰撞情況下船體板響應研究，得到板變形撓度幾乎隨碰撞速度增加而線性增大的結論。

船-冰碰撞產(chǎn)生的碎冰載荷對于船舶的局部結構安全性與航行阻力有較大影響，而氣泡輔助航行技術所具有的清冰功能是減少船-冰碰撞的有效途徑之一。氣泡輔助航行技術與常規(guī)氣泡減阻技術有所不同。減少船舶黏性阻力的常規(guī)氣泡減阻技術是減小船舶阻力的一種重要方法，包括氣幕減阻技術、微氣泡減阻技術、氣膜減阻技術，其中微氣泡減阻技術減阻原理為在船底設置微小噴孔排出微氣泡，產(chǎn)生一些滯留在船體表面的氣泡，即將微氣泡引入船體的邊界層之中，達到降低船體黏性阻力的目的[9-11]。氣泡輔助航行系統(tǒng)最早由Wartsila發(fā)明，將其命名為Wartsila Air Bubble System(WABS)，該系統(tǒng)在破冰渡輪Finn Carrier上進行了第一次實際應用，并且后來在許多破冰船上得到應用。該系統(tǒng)使空氣壓縮并在船側的水下開孔中噴出，開孔一般分布于船艏部到船舯部之間，上升氣泡在水面形成紊流，將碎冰推開以實現(xiàn)輔助破冰與清冰作用。另外，從船舶操縱性方面來說，適當調(diào)整船兩側噴氣速度，可以代替艏側推系統(tǒng)，減小船舶轉彎半徑，增強船舶操縱性，提高破冰船的靈活性[12]。

本文利用自行設計的適用于船模的氣泡輔助航行系統(tǒng)，采用非凍結模型冰模擬碎冰航道，開展船模試驗研究，對于開啟該系統(tǒng)前后船-碎冰發(fā)生碰撞現(xiàn)象的范圍差異進行比較分析，進而對該系統(tǒng)減少船-碎冰碰撞作用的機理，即對其輔助清冰機理進行分析，同時進行不同噴氣流量、碎冰密集度以及航速工況下的影響試驗，探究該系統(tǒng)在各工況下減少船-冰碰撞的效果。

1 試驗介紹

1.1 試驗設施條件

試驗依托哈爾濱工程大學室外冰水池進行。室外冰水池長20 m，寬2 m，水深1 m，如圖1所示。使用纜拖式拖曳設備，鋼纜轉動動力由電動機旋轉提供，可以實現(xiàn)拖航速度為0～2 m/s的無級調(diào)節(jié)。機理試驗采用石蠟制作非凍結碎冰模型，近似模擬碎冰航道中的碎冰。由于極地船舶實際航行過程中遭遇的海況極為復雜，很難對于冰場分布和冰體大小等給出明確依據(jù)。本文參照謝暢的研究，選取邊長為5 cm的正方形碎冰模型以及冰密集度為70%與90%作為尺寸和碎冰航道冰場分布選取依據(jù)。經(jīng)過縮尺比計算，碎冰模型大致為邊長4 cm的正方形。模擬碎冰航道效果圖如圖1所示。

圖1 石蠟冰模擬碎冰航道效果圖Fig.1 The photo of the crushing ice channel with wax ice

1.2 試驗模型

機理試驗使用“雪龍2”號破冰船船型為試驗的船模原型。參考雪龍?zhí)柎透鶕?jù)幾何相似原理利用3D打印制作縮尺船模進行試驗，依據(jù)1.00∶61.25的幾何比尺，船體與船模主要尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 “雪龍2”破冰船原型和模型的主要幾何參數(shù)Tab.1 The main geometric parameters of the prototype and model of the “XUE LONG 2” icebreaker

船模內(nèi)部安裝氣泡輔助航行系統(tǒng)。本試驗中該系統(tǒng)主要組成部分為電源、供電線路、氣泵、輸氣管路、船體開孔。根據(jù)船模尺度，噴孔設計為自船艏至船舯水平距離相等分布，每側8個(艏部2個，平行中體部分6個)平行中體部分的噴孔順應船體外形垂向距船底高度有所提升，氣孔分布示意圖，如圖2所示。根據(jù)船模內(nèi)部空閑空間分布情況，選擇多個氣泵安裝在各氣孔周圍，通過輸氣管路與噴氣孔直連進行輸氣，安裝與工作圖如圖3～圖4所示。并可以調(diào)節(jié)氣泵數(shù)目與輸氣管路進行氣孔噴氣流量變化。

圖2 船模開孔示意圖Fig.2 The opening on the ship model

圖3 氣泡輔助航行系統(tǒng)安裝圖Fig.3 Installation diagram of air bubbling system

圖4 氣泡輔助航行系統(tǒng)工作效果圖Fig.4 Effects of air bubbling system

氣體流量的相似關系一直是流體力學領域的一大難題，至今仍沒有統(tǒng)一結論。在水下彈體通氣超空泡問題領域，人們曾做過一定的研究，可參見文獻[13-15]。本文為機理試驗，旨在探討不同噴氣流量下降低船模與碎冰接觸和碰撞的規(guī)律，故暫不討論氣體流量的相似關系。

1.3 試驗工況

試驗分為氣泡輔助航行系統(tǒng)是否開啟2種情況，在此基礎上進行不同航速、碎冰密集度、氣體流量等工況的試驗，從而進行各工況有無氣泡的對比。其中航速v分別為0.25 m/s，0.50 m/s，0.70 m/s；碎冰密集度分別為70%和90%；氣體流量Q分別為0，3.75 L/min，7.50 L/min；共計試驗18個組次，各組次下的試驗工況及參數(shù)如表2所示。

表2 試驗工況Tab.2 Text conditions and parameters

1.4 試驗準備與過程介紹

試驗前首先要進行船模準備與拖航裝置的安裝：船模使用3D打印制作；拖航裝置包括拖航架、拖桿、滑塊與滑軌。由于拖航方式為纜拖，遂使用拖航架與拖桿作為鋼纜與船模之間的連接裝置，將拖航架一端用U型扣固定在鋼纜上，拖航架上伸出的3根拖桿分別對應船模的前中后3個部位，不限制拖桿垂向位移，避免鋼纜中部下垂部分改變船模吃水，再將3根拖桿末端連接滑塊，匹配到沿船縱剖線布置的3段滑軌之上，前后部兩滑塊可縱向移動，中部滑塊固定，如圖5所示。

圖5 試驗裝置示意圖Fig.5 Schematic of text device

拖航架安裝完成后進行船模浮態(tài)調(diào)節(jié)，適當放置壓載使船模達到設計吃水線且正浮。浮冰段的設置與設定的速度點大小有關，拖曳水池長度為20 m，設定船模航向為正方向，在0.25 m/s與0.50 m/s速度下，船模均可在水池6 m前完成加速，遂在這2個速度之下，設置6～16 m為浮冰段；在0.70 m/s速度下，船?？稍? m前完成加速，遂設置8～16 m為浮冰段。

試驗準備完成后，便可按照設置工況進行試驗，使用攝像機進行試驗過程記錄，每組工況試驗完成后進行浮冰段重新設置，以便進行下一工況試驗。

2 典型工況結果分析

本節(jié)對試驗典型工況結果進行分析，首先選擇航速v=0.25 m/s時氣泡輔助航行系統(tǒng)開啟前后的工況，對比分析開啟和未開啟氣泡輔助系統(tǒng)的試驗現(xiàn)象。其中開啟氣泡輔助航行系統(tǒng)時噴氣孔氣體流量Q=3.75 L/min(未開啟時Q=0)，冰況選擇碎冰密集度為70%和90%(即試驗組次1～4)。由此探究在是否開啟氣泡輔助系統(tǒng)2種工況下，船-冰相互碰撞模式的異同，對該系統(tǒng)減少碎冰沖擊、降低冰阻力的機理進行初步分析，并進行浮冰密集度對該系統(tǒng)工作效果影響的初步探究。

2.1 未開啟氣泡輔助系統(tǒng)試驗

根據(jù)攝影儀錄制的試驗現(xiàn)象，可觀察碎冰與船艏及船側相互作用過程，在船模拖航試驗中典型時刻時，觀察碎冰碰撞船體前后過程中的船-冰相互作用以及船體周圍碎冰-碎冰作用現(xiàn)象，對船體所受碎冰沖擊進行初步評估。

2.1.1 船艏區(qū)域

在浮冰密集度為70%、氣泡輔助航行系統(tǒng)未工作時，船體艏部至肩部區(qū)域的船體型線曲度變化較大，同時由于該密集度下碎冰間隙較大，遂碎冰與艏部碰撞后，碎冰立即獲得動能，產(chǎn)生漂移，遠離船體，但由于水阻尼與外側浮冰對其產(chǎn)生位移限制而停止運動，此過程中船-冰接觸時間短暫，冰載荷快速加載、卸載，試驗現(xiàn)象如圖6(a)所示。冰密集度增大至90%后，碎冰間隙較小，碎冰與艏部接觸過程中出現(xiàn)多層浮冰疊壓與翻轉的情況，船體繼續(xù)向前航行與碎冰翻轉同樣引起冰載荷快速加載與卸載，試驗現(xiàn)象如圖6(b)所示。

圖6 v=0.25 m/s，Q=0 2種冰密集度下的試驗現(xiàn)象Fig.6 Comparison of text phenomena between two ice concentrations when v=0.25 m/s，Q=0

2.1.2 舷側區(qū)域

在碎冰密集度為70%時，由于浮冰之間空隙較大，被壓下船底的模型冰大部分滑至船肩部之前便向船體外側運動，只有一小部分浮冰到達船肩后從側面翻轉滑出船底，與船側浮冰匯合向船尾滑動，原本位于船側的浮冰與船體接觸碰撞后便遠離船體。浮冰密集度增大至90%后，艏部區(qū)域被壓至船底的浮冰經(jīng)船艏滑移至船肩處翻轉而出與船側浮冰匯合，由于船周圍密集浮冰的擠壓翻轉，船側緊貼船體向后滑動浮冰大大增多。

2.2 開啟氣泡輔助系統(tǒng)試驗

2.2.1 船艏區(qū)域

船艏區(qū)域在冰密集度為70%的工況下，保持噴氣量Q=3.75 L/min，在船艏部分，仍有浮冰被壓在船底，船前有浮冰積壓，但由于冰密集度不高，浮冰間空隙大，船底浮冰可較快被氣液混合流吹出，較未開啟該系統(tǒng)，減輕了船艏-浮冰碰撞情況，試驗現(xiàn)象如圖7(a)所示。在冰密集度提升至90%后，船艏浮冰積壓情況更加嚴重，有大量浮冰從船肩處翻轉至船側，而造成船肩區(qū)域局部冰密集度增大，氣液紊流不能有效將船底碎冰吹出，浮冰對船艏沖擊程度更嚴重，試驗現(xiàn)象如圖7(b)所示。

圖7 v=0.25 m/s，Q=3.75 L/min 2種冰密集度下試驗現(xiàn)象Fig.7 Comparison of text phenomena between two ice intensity, v=0.25 m/s，Q=3.75 L/min

2.2.2 船側區(qū)域

船側區(qū)域，在冰密集度為70%的工況下，船側產(chǎn)生紊流作用，浮冰于船艏之后開始漸漸漂離船體，氣液紊流充分發(fā)展后形成一條較寬的無冰帶，在此工況下，船側區(qū)域船體與浮冰并不接觸。碎冰密集度提升至90%后，船側周圍大部分浮冰在紊流的作用下未與船體碰撞，但由于冰密集度較大，船側外部浮冰出現(xiàn)積壓，氣液紊流在船體與浮冰之間形成了一條窄窄的潤滑帶，同時由于船體周圍流場的不穩(wěn)定性，出現(xiàn)有少數(shù)浮冰與船體往復碰撞的現(xiàn)象。相比較來說，此噴氣量下，氣泡輔助航行系統(tǒng)對船側區(qū)域船-冰碰撞現(xiàn)象亦有明顯改善。

2.3 氣泡輔助航行系統(tǒng)降低船-冰碰撞機理

根據(jù)2.1節(jié)和2.2節(jié)中觀測到的開啟氣泡輔助破冰系統(tǒng)后船模于碎冰航道航行的情況，可以得到本文設計的氣泡輔助航行系統(tǒng)對于減少船-冰碰撞現(xiàn)象的具體方式有2個：一是通過船艏底部與肩部兩噴氣孔噴氣，將船體艏部積壓碎冰吹向兩側，減少船艏區(qū)域浮冰擠壓翻轉現(xiàn)象；二是通過船體兩側開孔噴氣，由氣液紊流在水面形成興波，其使浮冰漸漸漂離船體，充分發(fā)展后在船體與浮冰之間形成一條紊流潤滑帶，浮冰在紊流帶作用區(qū)域無法與船體發(fā)生接觸碰撞，大大減輕浮冰對船體碰撞。

3 參數(shù)變化影響研究

3.1 試驗量化規(guī)則

在第2章典型工況和機理分析的基礎上，本節(jié)將試驗現(xiàn)象量化，對不同冰密集度、船模拖航航速以及氣體流量的工況下，氣泡輔助航行系統(tǒng)對船體-浮冰碰撞現(xiàn)象的減少程度量化，使該系統(tǒng)工作效果受各因素的影響直觀地表示。

在船模船艏與船舯分別考慮的情況下，船艏與平行中體劃分，如圖8所示。再根據(jù)試驗現(xiàn)象得到應用氣泡輔助航行系統(tǒng)前后船模在各工況下船-冰接觸線長度，可以粗略度量該系統(tǒng)對于船-冰碰撞現(xiàn)象的減輕效果。經(jīng)測量，水線處艏部船體曲線長度Lb=41 cm，平行中體長度Ls=126 cm。

圖8 船體各部分區(qū)域劃分Fig.8 Sub-regional division of the hull

3.2 量化結果

在對船模進行3個航速點(v=0.25 m/s，v=0.50 m/s，v=0.70 m/s)，2個浮冰密集度(70%，90%)以及3個噴氣流量(Q=0，Q=3.75 L/min，Q=7.50 L/min)工況下的拖航試驗后，測量得到每個工況下艏部與平行中體船-冰接觸長度，量化表示結果如圖9～圖10所示。

圖9 船艏與碎冰接觸比例Fig.9 Proportion of contact between the bow and the crushed ice

圖10 平行中體與碎冰接觸比例Fig.10 Proportion of contact between the parallel midbody and crushed ice

3.2.1 船艏部區(qū)域

在70%和90%的冰密集度下，艏部與碎冰接觸占比均很高。在冰密集度為70%、航速v=0.25 m/s時開啟氣泡輔助航行系統(tǒng)，兩噴氣流量下均可減少約10%的船艏-碎冰接觸長度比例；當航速提升至v=0.50 m/s時，噴氣量Q=3.75 L/min的工況并未對艏部浮冰清除起到作用，噴氣量Q=7.50 L/min的工況，可減少7%的船艏-碎冰接觸長度比例；當航速進一步提升至v=0.70 m/s時，開啟氣泡輔助航行系統(tǒng)對于艏部浮冰清除并未起到作用。將冰密集度提升至90%后，氣泡輔助航行系統(tǒng)對艏部浮冰無清除作用。

3.2.2 船平行中體部分

在2種冰密集度下，氣泡輔助航行系統(tǒng)對于平行中體范圍內(nèi)碎冰清除起到較大作用。在70%冰密集度下，當航速v=0.25 m/s與v=0.50 m/s時，未開啟氣泡輔助航行系統(tǒng)平行中體與碎冰接觸長度比例為100%，開啟該系統(tǒng)后，碎冰與平行中體接觸長度比例降至0，航速提升至v=0.70 m/s后，兩噴氣流量情況下船-冰接觸長度均在20%以下；在冰密集度提升至90%后，平行中體與碎冰接觸長度比例維持在10%左右；航速提升至v=0.70 m/s后，清冰效果有所降低，平行中體-碎冰接觸長度比例較噴氣前減少55%(Q=3.75 L/min時)與90%(Q=7.50 L/min時)。

3.2.3 無量綱接觸長度變化

考慮到碎冰沖擊載荷和碎冰阻力來源于碎冰對船體的碰撞和摩擦，而碰撞和摩擦又與船體和碎冰的接觸面積直接相關。為此，根據(jù)船體左右兩側沿中線面對稱，本文定義船體單側與碎冰接觸長度lc占船體單側水線長度L的比值為無量綱接觸長度

(1)

根據(jù)測量，本文的L為1.855 m。

表3 無量綱接觸長度變化Tab.3 Variation of non-dimensional contact length

3.3 影響因素分析

3.3.1 噴氣流量Q

根據(jù)量化結果以及所得試驗現(xiàn)象，對于船艏區(qū)域，在航速較低時，增大噴氣流量，對于船體艏部浮冰清除效果有所加強；對于船側區(qū)域，航速低時船側紊流可得到充分發(fā)展，在船體兩側形成明顯潤滑帶，潤滑帶縱向作用范圍受流量大小影響不明顯，但所形成潤滑帶更寬，如圖11所示?？傊?，噴氣流量增大對船體平行中體部分清冰效果增強更明顯。

圖11 冰密集度為90%，v=0.25 m/s 2種噴氣流量下試驗現(xiàn)象對比Fig.11 Comparison of text phenomena between two jet flow at 90% ice concentration, v=0.25 m/s

3.3.2 拖航航速v

量化結果與試驗現(xiàn)象，如圖12所示。從圖12可知不同航速對其工作效果影響：在較低航速情況下，噴出氣泡所形成的紊流有充足的時間發(fā)展，在船側形成的潤滑帶起始作用范圍更加靠前、寬度更大，對船艏積壓的浮冰有更好的清除作用，對船-冰碰撞現(xiàn)象的改善更加明顯；航速增大后，噴出的氣泡流會相對于船體運動有滯后效應，船側形成的潤滑帶起始位置會相應后移，并且氣液紊流來不及充分發(fā)展，形成的潤滑帶寬度也較窄。航速的提升會使清冰效果有所下降。

圖12 冰密集度為70%，Q=3.75 L/min不同航速試驗現(xiàn)象Fig.12 Comparison of text phenomena between different velocity at 70% ice intensity, Q=3.75 L/min

4 結 論

氣泡輔助航行系統(tǒng)減少船-冰碰撞，可有效降低冰阻力，本文自主設計并制作了匹配“雪龍2”號船模的氣泡輔助航行系統(tǒng)，在此基礎上進行了一系列機理試驗。對比船體-浮冰碰撞現(xiàn)象減輕效果，得出了以下主要結論：

(1) 通過機理試驗現(xiàn)象分析可以得到氣泡輔助航行系統(tǒng)輔助清冰機理——開啟氣泡輔助航行系統(tǒng)后，噴氣孔噴出的氣流可在船側水面形成興波，進而在船側產(chǎn)生一條潤滑帶，使浮冰遠離船體，可有效減少浮冰-船體碰撞現(xiàn)象，進而降低冰阻力。

(2) 通過機理試驗觀測得到氣泡輔助航行系統(tǒng)在不同冰密集度工況下清冰效果的差別——在小密集度工況下，該系統(tǒng)可有效減輕船艏以及船舯部位與浮冰碰撞現(xiàn)象；提升密集度后，船艏區(qū)域清冰效果大大降低，船舯部潤滑帶寬度明顯減小，但仍能有效減少船側與大部分浮冰碰撞。

(3) 通過機理試驗觀測，得到噴氣量對于氣泡輔助航行系統(tǒng)的清冰效果影響——增大噴氣量，一方面使船艏底部積壓浮冰更快吹出，有效減輕與船艏部接觸浮冰所發(fā)生的積壓翻轉現(xiàn)象；另一方面使船體舯部潤滑帶寬度明顯增大，同時潤滑帶起始作用點稍有前移。

(4) 通過機理試驗觀測，得到不同航速對氣泡輔助航行系統(tǒng)的清冰效果的影響——在航速增大后，該系統(tǒng)清冰效果明顯下降，主要體現(xiàn)在氣液紊流明顯滯后，潤滑帶起始作用點后移，浮冰-船體碰撞區(qū)域增大。