氣泡輔助航行系統降低船模-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]，但極地區域浮冰數量會大大增加，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濟性具有重要意義。

欲減少船-浮冰碰撞的現象，對船-碎冰相互作用過程的研究便尤為重要。現今國內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，發現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氣泡減阻技術有所不同。減少船舶黏性阻力的常規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]。氣泡輔助航行系統最早由Wartsila發明，將其命名為Wartsila Air Bubble System(WABS)，該系統在破冰渡輪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，將碎冰推開以實現輔助破冰與清冰作用。另外，從船舶操縱性方面來說，適當調整船兩側噴氣速度，可以代替艏側推系統，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，采用非凍結模型冰模擬碎冰航道，開展船模試驗研究，對于開啟該系統前后船-碎冰發生碰撞現象的范圍差異進行比較分析，進而對該系統減少船-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，可以實現拖航速度為0～2 m/s的無級調節。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。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。經過縮尺比計算，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。參考雪龍號船型根據幾何相似原理利用3D打印制作縮尺船模進行試驗，依據1.00∶61.25的幾何比尺，船體與船模主要尺寸參數如表1所示。

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

船模內部安裝氣泡輔助航行系統。本試驗中該系統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。根據船模內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。并可以調節氣泵數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 氣泡輔助航行系統安裝圖Fig.3 Installation diagram of air bubbling system

圖4 氣泡輔助航行系統工作效果圖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調節，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，船模可在8 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開啟前后的工況，對比分析開啟和未開啟氣泡輔助系統的試驗現象。其中開啟氣泡輔助航行系統時噴氣孔氣體流量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2種工況下，船-冰相互碰撞模式的異同，對該系統減少碎冰沖擊、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工作效果影響的初步探究。

2.1 未開啟氣泡輔助系統試驗

根據攝影儀錄制的試驗現象，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-碎冰作用現象，對船體所受碎冰沖擊進行初步評估。

2.1.1 船艏區域

在浮冰密集度為70%、氣泡輔助航行系統未工作時，船體艏部至肩部區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，產生漂移，遠離船體，但由于水阻尼與外側浮冰對其產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多層浮冰疊壓與翻轉的情況，船體繼續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，艏部區域被壓至船底的浮冰經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 開啟氣泡輔助系統試驗

2.2.1 船艏區域

船艏區域在冰密集度為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，減輕了船艏-浮冰碰撞情況，試驗現象如圖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 船側區域

船側區域，在冰密集度為70%的工況下，船側產生紊流作用，浮冰于船艏之后開始漸漸漂離船體，氣液紊流充分發展后形成一條較寬的無冰帶，在此工況下，船側區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定性，出現有少數浮冰與船體往復碰撞的現象。相比較來說，此噴氣量下，氣泡輔助航行系統對船側區域船-冰碰撞現象亦有明顯改善。

2.3 氣泡輔助航行系統降低船-冰碰撞機理

根據2.1節和2.2節中觀測到的開啟氣泡輔助破冰系統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對于減少船-冰碰撞現象的具體方式有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，減少船艏區域浮冰擠壓翻轉現象；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域無法與船體發生接觸碰撞，大大減輕浮冰對船體碰撞。

3 參數變化影響研究

3.1 試驗量化規則

在第2章典型工況和機理分析的基礎上，本節將試驗現象量化，對不同冰密集度、船模拖航航速以及氣體流量的工況下，氣泡輔助航行系統對船體-浮冰碰撞現象的減少程度量化，使該系統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。再根據試驗現象得到應用氣泡輔助航行系統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對于船-冰碰撞現象的減輕效果。經測量，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，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，氣泡輔助航行系統對于平行中體范圍內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平行中體與碎冰接觸長度比例為100%，開啟該系統后，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

根據量化結果以及所得試驗現象，對于船艏區域，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；對于船側區域，航速低時船側紊流可得到充分發展，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。總之，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，在此基礎上進行了一系列機理試驗。對比船體-浮冰碰撞現象減輕效果，得出了以下主要結論：

(1) 通過機理試驗現象分析可以得到氣泡輔助航行系統輔助清冰機理——開啟氣泡輔助航行系統后，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，該系統可有效減輕船艏以及船舯部位與浮冰碰撞現象；提升密集度后，船艏區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生的積壓翻轉現象；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的清冰效果的影響——在航速增大后，該系統清冰效果明顯下降，主要體現在氣液紊流明顯滯后，潤滑帶起始作用點后移，浮冰-船體碰撞區域增大。