极地海冰环境分析

随着新极地科考破冰船的设计建造以及人们对北极航道的关注不断升温,极地海冰环境分析与跟踪显得非常必要。文章对该类船舶营运区域的海冰环境、船级社冰级定义以及风险评论进行分析,指出其中的关键要素,可为极地船舶设计提供参考。     

基于海冰JH-2模型的极地邮轮冰-船碰撞性能模拟分析

[目的]极地邮轮在极地航行中与海面浮冰发生碰撞时,会影响船上旅客的舒适性和船舶的安全性。[方法]基于JH-2模型建立海冰的力学模型,通过平滑粒子伽辽金-有限元耦合方法(SPG-FEM)研究极地邮轮与海冰的碰撞性能,结合海冰的等效应力和等效塑性应变研究碰撞过程中海冰的破坏模式。[结果]结果表明:对于厚度为1.6 m的海冰冰层,极地邮轮与冰层撞击过程中海冰不会出现大的裂纹扩展现象,而只在与船艏直接接触的小范围内发生破坏;在靠近极地邮轮船艏两侧的非直接碰撞区域的海冰出现了局部应变。[结论]研究结果可为极地邮轮乘客的舒适性和船舶的安全性设计提供技术支撑。     

北极航线的海冰风险计算与航段安全评估

为保障船舶在北极航线的航行安全，研究基于多源冰情数据的海冰风险评估流程。根据海冰密集度、海冰厚度、海冰类型等遥感冰情数据，基于极地操作限制评估风险指数系统(Polar Operational Limit Assessment Risk Indexing System, POLARIS)改进不同冰级船舶的海冰风险指数计算方法，建立北极航线的航段安全评估模型，以呈现北极海冰对不同冰级船舶和不同航段的危险程度。结果表明：该流程能够融合多源冰情数据，反映不同冰级船舶在某一位置点的海冰风险数值，全面显示北极航线上各航段的海冰风险程度。研究成果可为北极航行的船舶操作与航线优化提供参考。     

极地航行船舶轮机管理要点探析

随着全球变暖和北极海冰快速减少,国际航运界正在积极开发北极航线。但同时,极地航行的环境、航道条件非常恶劣,船舶轮机管理者面临着极大的困难和挑战。通过分析极地航行的特点以及因此导致的极地船舶动力装置的特殊设计,归纳总结极地航行船舶动力装置的管理要点,以期为极地航行船舶的轮机管理提供参考,并最终实现船舶在极地水域的安全航行。     

极地双向破冰船艉部线型适应性分析北大核心CSCD

[目的]为保证极地双向破冰船的破冰航行能力,需重点开展该类船舶的艉部线型设计。[方法]通过调研大量现役极地船舶和梳理现行规范,研究吊舱推进单元的冰载荷作用模式以及冰在船舶作用下的破坏过程,进而开展吊舱推进式极地船舶艉部线型的关键设计特征参数分析与适应性分析。[结果]研究结果表明,艉封板倾角将直接影响破冰时船体作用于海冰的水平分力和垂直分力,可适当增加该倾角以有效引导海冰的弯曲断裂;W型艉封板横剖线型可以调和流场优化与碎冰外排效率之间的矛盾;吊舱安装底座可以发挥一定的破冰作用,但将影响吊舱流场;艉鳍对船尾流场和碎冰外排也存在较大影响。[结论]研究成果可为吊舱推进式极地船舶艉部线型的适应性优化设计提供参考。     

极地船舶技术最新动向

随着全球气候变暖、海冰加速融化,极地蕴藏的丰富资源和极具价值的北极航道已将极地潜在价值推到现实的高度。然而,要想实施极地战略,必先发展适应本国的极地船舶装备。极地船型的发展需求以南北两极的极地船舶为例,总体上可分为三类:第一类是以北极为目的地的开发和运输;第二类是跨北极的过境航行;第三类是在南北两极开展的科考调查和研究。这三类代表了不同国家、不同阶段     

船-冰碰撞中考虑温度影响的冰体材料本构模型研究

近年来随着全球气候变暖加剧，海冰消融速度加快，北极航道的全面开通成为可能。北极地区环境恶劣，即使在夏季浮冰和冰山也广泛存在，对极地船舶结构安全性产生了严重的威胁，船-冰碰撞问题也越来越受到国内外学者的关注。但是，由于海冰材料复杂的物理和力学特性，目前对海冰以及冰载荷的研究仍然面临诸多困难，其中对其本构关系的合理准确描述一直是影响相关问题计算分析的关键因素。本文结合国内外海冰实验数据，考虑温度的影响，建立了基于多曲面屈服准则的海冰材料本构模型，通过二次开发编写材料本构子程序并嵌入有限元软件LS-DYNA材料模型中。以此为基础，建立典型工况船-冰碰撞场景，分析了船体结构与冰体结构的损伤变形特点。本文研究成果可为极地船舶的结构设计制造与安全性评估提供参考。     

国内外极地海冰业务化预报系统概述

在全球气候变暖和北极海冰快速减少背景下，极地海冰预报发挥着越来越重要的作用。提高极地海冰预报能力是极区船只航行以及极区能源开发与保护等许多领域和方面的重要保障。近年来，各国发展并建立极地海冰预报系统，极地海冰业务化预报取得了显著进展。通过对海冰数值动力模拟进行模型开发、检验和验证，使模式结果不断向观测值靠拢，以实现灵活、强大的海冰模拟的目标，提高对极地海冰演化的预测。我国的极地海冰业务化预报系统在准实时同化海冰密集度和海冰厚度的基础上，实现了卫星观测海洋表面温度数据的融合，解决了极区观测变量数据同化技术中海冰-海洋界面物质和能量的协同调整的难题，为极地科考和商业航行提供更精细化、更准确的海冰预报服务能力。文中简要介绍国内外极地海冰业务化预报系统的现状，并展望了未来发展的难点与问题。     

冰缘区船舶与波浪及海冰耦合作用研究与进展

随着北极地区政治、军事、经济意义的日益上升,途经北极航线的必经之地极地冰缘区的研究得到重视。论文针对冰缘区船舶、波浪、海冰相互作用问题,总结归纳了国内外对船舶与海冰、波浪与海冰及船舶-波浪-海冰理论数值模拟和试验研究现状,强调了冰缘区相关研究的重要性,并介绍了本团队在国内首次开展的船舶-波浪-碎冰作用船模试验,很好地观测到碎冰在波浪及船舶共同作用下的翻转、堆积和重叠等一系列现象,为冰缘区相关试验研究奠定了基础,并展望了今后冰缘区研究方向。     

基于抗冰性能的极地船舶首部优化设计研究

船舶的参数化建模理论在船舶性能优化中起主要作用.为使破冰船的抗冰性能达到最优,本文对海冰的特性进行研究,选取合适的海冰物性参数,参数化构建破冰船首部形式,基于结构规范完成目标函数评估,通过智能优化算法建立优化模型.利用参数化建模方法,可以在保证首部光顺的前提下进行自由变形,提高破冰船的抗冰性能,最终得到极地船舶首部的最优设计方案.本文将船舶抗冰性能评估与最优化理论有效地耦合到船舶型线优化设计之中,建立以性能驱动设计的船型逆向设计新模式,为极地船舶型线优化设计研究提供了一定的理论指导与参考价值.     

极地物探船冰载荷有限元计算方法

采用LS-DYNA有限元软件建立极地物探船的船-水域-海冰有限元模型，计算得到该型船在设计破冰厚度和设计航速下的冰载荷量和冰载荷时程曲线，并进一步研究冰体单元尺寸对冰载荷计算结果的影响。研究表明，冰载荷最大值随冰体有限元单元尺寸减小而减小。对比相关冰载荷经验公式计算结果，最终确定合理的冰体单元尺寸。研究结果对极地物探船的结构设计和结构安全性评估具有重要意义。     

极地航行法规与准则现状

受全球气候变暖的影响,两极冰融现象日益加剧.北极冰层的大面积融化促进了北极航线的开发,南极的冰雪美景也吸引了越来越多的游客乘船观光.本文针对极地航行的特殊性和挑战性,从极地安全航行和环境保护的角度出发,阐述了现行的极地水域国家相关的法律法规、国际公约、IMO和IACS等国际性组织出台的一系列规则和要求,并分析了IMO强制性《极地水域船舶作业国际规则》对船舶及海上人命安全和极地海洋环境保护的要求.     

不同敏感性参数下船舶-碎冰碰撞的船体结构响应

基于我国第七次北极科学考察获得的夏季北极海冰空间分布情况,模拟真实碎冰分布,采用LS-DYNA软件中的流固耦合方法,研究在船舶航速、碎冰尺度、碎冰厚度及碎冰密集度等因素影响下船舶-碎冰碰撞的船体结构响应。结合试验数据得到船体结构的应力、吸能和碰撞力。结果表明：船舶-碎冰的主要碰撞区域为艏部及舷侧的水线附近;在船舶航行于碎冰域时,船体结构的应力、吸能和碰撞力的峰值随碎冰域的船舶航速、碎冰尺度、碎冰厚度及碎冰密集度的增加而增加,但分布情况不同。研究结果为船舶在极地冰区航行提供一定的安全性参考。     

冰晶颗粒在极地船壳管式换热器海水管内的分布和融化特性的数值模拟研究

利用计算流体力学(CFD)方法,采用欧拉-欧拉模型和相间传热传质模型相耦合的数学模型,对冰晶颗粒在船舶壳管式换热器的单根海水管内的分布和融化情况进行研究。通过数值模拟分析冰晶在直管和U形管内的分布及融化情况。结果发现:冰晶颗粒主要集中于主流区,且主流区近壁面处比中心处多;相间传质率从壁面到主流区先增大后减小,沿流动方向逐渐增大,而对于U形管,在转弯的地方出现局部相间传质率增大。     

水介质对船冰碰撞结构响应的影响

以极地运输船舶艏部作为研究对象,建立基于流固耦合算法的船-水-冰耦合技术对三维船艏与冰体碰撞的结构响应问题进行了研究,结合非线性有限元软件LS-DYNA对比分析了考虑流固耦合(即有水介质)的船-水-冰碰撞模型和不考虑流固耦合(即无水介质)的船-冰碰撞模型与同质量不同速度的冰体发生碰撞下的结构响应问题,揭示了不同碰撞工况下船舶在损伤变形、碰撞力、速度等方面的变化特征及差异,同时阐述了水介质在船冰碰撞中的作用,可以为极地运输船舶的抗冲击结构设计提供参考。     

极地航行船舶电气设计和设备配置特殊性研究

从极地航行船舶所在的环境状况入手,分析了低温、冰况、船上结冰、高纬度、极昼极夜对船舶航行安全和使用造成的影响,提出相应的应对方案和措施来减少和消除由此带来的影响,研究极地船舶在电气设计和设备配置的特殊性,对极地航行船舶电气设计具有一定的指导作用.     

艏艉破冰模式极地船冰区划分及冰载荷弯矩剪力对总纵强度的影响

对于首尾破冰模式的极地船舶，规范中并没有详细给出其冰带划分的方法，仅仅提到尾部破冰参考艏部破冰区域划分，但由于船体尾部线型和艏部线型差距较大，故并不能很好的适用，本论文以一艘PC4级110kt极地原油船为例，就此针对尾破冰模式进行冰区带划分。 另外冰载荷产生的弯矩剪力对船体总体强度的影响也在本文中论述。     

极地船舶冰载荷直接计算及结构强度评估

关于设计冰载荷的计算，目前各大船级社略有所不同，存在着几个独立计算体系，而对于船舶在冰载荷作用下的有限元直接计算，各大船级规范中没有给出说明，也几乎都没给出相关指导文件，本论文根据一艘极地原油船项目，送审DNV-GL船级社，与其交流沟通送审过程中，整理出一条关于极地船舶冰载荷直接计算的方法，并得到船级社的认可。     

Ship resistance when operating in floating ice floes: A combined CFD&DEM approach

Whilst climate change is transforming the Arctic into a navigable ocean where small ice floes are floating on the sea surface, the effect of such ice conditions on ship performance has yet to be understood. The present work combines a set of numerical methods to simulate the ship-wave-ice interaction in such ice conditions. Particularly, Computational Fluid Dynamics is applied to provide fluid solutions for the floes and it is incorporated with the Discrete Element Method to govern ice motions and account for ship-ice/ice-ice collisions, by which, the proposed approach innovatively includes ship-generated waves in the interaction. In addition, this work provides two algorithms that can implement computational models with natural ice-floe fields, which takes floe size distribution and randomness into consideration thus achieving high-fidelity modelling of the problem. Following validation against experiments, the model is shown accurate in predicting the ice-floe resistance of a ship, and then a series of simulations are performed to investigate how the resistance is influenced by ship speed, ice concentration, ice thickness and floe diameter. This paper presents a useful approach that can provide power estimates for Arctic shipping and has the potential to facilitate other polar engineering purposes.     

中国新型极地考察船冰载荷预估研究

本文针对中国新型极地考察船所受冰载荷进行了研究,其中包含了平整冰阻力和浮冰碰撞力.对于船舶设计者和建造者来说,船舶冰载荷的预估非常重要.本文采用经验公式方法计算了该船在平整冰中航行的冰阻力,并且与模型试验结果进行了对比.结果显示,计算和试验结果中的冰阻力都随船舶航行速度的增大而增大,经验公式方法可以预测出合理的平整冰阻力.通过计算得到了该船的性能曲线,即该船在不同厚度平整冰中航行所能达到的速度.此外,本文还考虑了该船与圆形浮冰之间的三维斜向碰撞问题,采用解析方法评估了浮冰对船舶的撞击力,研究了撞击位置、法向框架角度以及浮冰尺寸对碰撞力的影响.基于计算结果,本文就冰载荷的预测进行了讨论并提出了一些建议.