极地破冰船层冰阻力计算方法研究.docx

极地破冰船层冰阻力计算方法研究
极地破冰船层冰阻力计算方法研究
摘要：随着北极航道逐渐开放，极地破冰船的需求逐渐增加。破冰船的层冰阻力计算是关键技术之一，对于破冰船的设计和效能具有重要的影响。本研究旨在对极地破冰船层冰阻力计算方法进行研究，以提高其在极地环境中的性能和安全性。
1.引言
极地破冰船是一种专门用于破冰作业的船舶，其主要任务是开辟航道并保障航行安全。层冰阻力是破冰船在破冰过程中克服的主要阻力之一，因此准确计算层冰阻力对于破冰船的设计和性能优化至关重要。
2.极地破冰船层冰阻力的影响因素
极地破冰船在破冰过程中所受到的层冰阻力受多种因素影响。其中，最主要的因素包括冰层特性、船体特性和船与冰的相互作用力。
2.1冰层特性
冰层的特性包括冰厚、冰密度、冰温度和冰形状等。冰厚度直接影响层冰阻力的大小，冰密度和冰温度则影响冰的强度和变形特性。冰形状也会对层冰阻力产生影响，例如，均匀的平底冰层与不规则的冰形状相比，前者具有较小的阻力。
2.2船体特性
船体特性包括船舶的尺寸、形状、水线长、船体光滑度等。船体尺寸和形状对层冰阻力的大小起着重要作用，例如，较大的船舶在相同冰厚下具有较大的层冰阻力。船体的水线长和光滑度则会影响层冰阻力的分布，从而对破冰船的操作性和效能产生影响。
2.3船与冰的相互作用力
船与冰的相互作用力包括冰压力、冰粘附力和冰切力等。船体在破冰过程中需要克服的层冰阻力是由冰压力和冰切力共同作用产生的。冰粘附力则使冰层紧密地贴附在船体表面，增加了层冰阻力的大小。
3.极地破冰船层冰阻力计算方法
极地破冰船层冰阻力的计算可以采用多种方法。常用的方法有解析法、半经验法和数值模拟法等。
3.1解析法
解析法是一种基于解析解计算层冰阻力的方法。其中，波尔北京是最经典的解析解之一，其基于冰的塑性变形和冰与船体的相互作用力的平衡关系。解析法的优点是计算速度较快，适用于初步设计阶段。然而，由于解析解的限制条件，解析法对于复杂情况或非线性问题的计算精度有限。
3.2半经验法
半经验法是一种基于试验数据和经验公式计算层冰阻力的方法。该方法常用于实际工程设计中，通过大量的试验数据建立经验公式，然后根据船舶和冰层的特性输入到公式中进行计算。半经验法的优点是计算精度较高，适用于不同类型的破冰船和冰层条件。然而，半经验法仍然需要大量的试验数据进行验证，并且无法对新型船舶和特殊冰层进行准确计算。
3.3数值模拟法
数值模拟法是一种通过数值计算方法模拟破冰过程，并计算层冰阻力的方法。该方法使用计算流体力学（CFD）模型和冰力学模型对船舶与冰的相互作用进行模拟，从而计算出层冰阻力的大小和分布。数值模拟法的优点是计算精度高，适用于复杂情况和非线性问题。然而，数值模拟法的计算复杂度较高，需要考虑多个影响因素的相互作用，并且对计算模型和参数的选择要求较高。
4.结论
本研究对极地破冰船层冰阻力计算方法进行了详细的研究。根据破冰船、冰层和相互作用力的特性，解析法、半经验法和数值模拟法都具有不同的优势和适用范围。在实际应用中，可以根据具体情况选择合适的计算方法，并结合试验数据和实验验证进行计算和优化设计，以提高极地破冰船的破冰效能和安全性。
参考文献：
[1]Zheng,B.,&Ji,G.(2011).Numericalandexperimentalinvestigationonresistancecharacteristicsofice-breakingship.JournalofHydrodynamics,Ser.B,23(4),523-529.
[2]Khodabandeh,H.,Wu,X.,Liao,J.,&Deng,H.(2018).Reviewoficebreakingpredictionmodels.OceanEngineering,160,34-47.
[3]Evers,K.U.,Suzuki,T.,&Wang,X.(2017).Evaluationoftheresistancecomponentsofanicebreakingbargeusingcomputationalfluiddynamics.ColdRegionsScienceandTechnology,144,67-78.