气泡辅助航行系统降低船模-碎冰相互碰撞的试验研究

倪宝玉， 钟 凯， 张东江， 薛彦卓

(1. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001； 2. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

近年来，全球变暖加剧，两极冰川解冻，北极冰盖的面积逐年减少，使极地航线的通行成为可能[1]，但极地区域浮冰数量会大大增加，航行船舶会与浮冰碰撞。一方面，随机的船-冰碰撞会使航行于冰区的船舶遭受随机的冲击载荷，从而可能引起船体结构强烈振动、变形或破损，尤其当浮冰体积较大、密度较高或者在海流作用下具有较大初速度时，冲击载荷大幅上升，给船体结构安全带来较大威胁，防冲击和减振降噪是极区船舶安全航行需考虑的重要因素[2]；另一方面，船体与碎冰之间的碰撞和摩擦会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]，对于极地航行的商船，碎冰阻力则几乎占据了航行阻力的绝大部分[5]。所以，若能减少浮冰与船体碰撞的现象，会大幅降低航行阻力，同时降低船体的振动噪声，对提高结构安全性和航行经济性具有重要意义。

欲减少船-浮冰碰撞的现象，对船-碎冰相互作用过程的研究便尤为重要。现今国内外学者对此方面做了许多研究。黄焱等进行极地运输船浮冰区航行船模阻力试验，观测到了浮冰受船体作用后的运动方式：一是浮冰与船体撞击，向外漂移；二是浮冰受船体碾压，发生破坏断裂。谢畅[6]通过模拟波浪中碎冰航道航行船模试验，进行了波浪-浮冰-船体相互作用分析，发现船体碰撞引起的浮冰翻转、漂移、下沉等运动是增大船体阻力的主要因素。李紫麟等[7]利用离散元模型模拟航道碎冰，得到船体冰载荷呈现很强随机波动，并且随冰密集度、航速、冰块尺寸的增大而增大。闫孟娇等[8]利用试验与LS-DYNA软件仿真模拟，进行浮冰碰撞情况下船体板响应研究，得到板变形挠度几乎随碰撞速度增加而线性增大的结论。

船-冰碰撞产生的碎冰载荷对于船舶的局部结构安全性与航行阻力有较大影响，而气泡辅助航行技术所具有的清冰功能是减少船-冰碰撞的有效途径之一。气泡辅助航行技术与常规气泡减阻技术有所不同。减少船舶黏性阻力的常规气泡减阻技术是减小船舶阻力的一种重要方法，包括气幕减阻技术、微气泡减阻技术、气膜减阻技术，其中微气泡减阻技术减阻原理为在船底设置微小喷孔排出微气泡，产生一些滞留在船体表面的气泡，即将微气泡引入船体的边界层之中，达到降低船体黏性阻力的目的[9-11]。气泡辅助航行系统最早由Wartsila发明，将其命名为Wartsila Air Bubble System(WABS)，该系统在破冰渡轮Finn Carrier上进行了第一次实际应用，并且后来在许多破冰船上得到应用。该系统使空气压缩并在船侧的水下开孔中喷出，开孔一般分布于船艏部到船舯部之间，上升气泡在水面形成紊流，将碎冰推开以实现辅助破冰与清冰作用。另外，从船舶操纵性方面来说，适当调整船两侧喷气速度，可以代替艏侧推系统，减小船舶转弯半径，增强船舶操纵性，提高破冰船的灵活性[12]。

本文利用自行设计的适用于船模的气泡辅助航行系统，采用非冻结模型冰模拟碎冰航道，开展船模试验研究，对于开启该系统前后船-碎冰发生碰撞现象的范围差异进行比较分析，进而对该系统减少船-碎冰碰撞作用的机理，即对其辅助清冰机理进行分析，同时进行不同喷气流量、碎冰密集度以及航速工况下的影响试验，探究该系统在各工况下减少船-冰碰撞的效果。

1 试验介绍

1.1 试验设施条件

试验依托哈尔滨工程大学室外冰水池进行。室外冰水池长20 m，宽2 m，水深1 m，如图1所示。使用缆拖式拖曳设备，钢缆转动动力由电动机旋转提供，可以实现拖航速度为0～2 m/s的无级调节。机理试验采用石蜡制作非冻结碎冰模型，近似模拟碎冰航道中的碎冰。由于极地船舶实际航行过程中遭遇的海况极为复杂，很难对于冰场分布和冰体大小等给出明确依据。本文参照谢畅的研究，选取边长为5 cm的正方形碎冰模型以及冰密集度为70%与90%作为尺寸和碎冰航道冰场分布选取依据。经过缩尺比计算，碎冰模型大致为边长4 cm的正方形。模拟碎冰航道效果图如图1所示。

图1 石蜡冰模拟碎冰航道效果图Fig.1 The photo of the crushing ice channel with wax ice

1.2 试验模型

机理试验使用“雪龙2”号破冰船船型为试验的船模原型。参考雪龙号船型根据几何相似原理利用3D打印制作缩尺船模进行试验，依据1.00∶61.25的几何比尺，船体与船模主要尺寸参数如表1所示。

表1 “雪龙2”破冰船原型和模型的主要几何参数Tab.1 The main geometric parameters of the prototype and model of the “XUE LONG 2” icebreaker

船模内部安装气泡辅助航行系统。本试验中该系统主要组成部分为电源、供电线路、气泵、输气管路、船体开孔。根据船模尺度，喷孔设计为自船艏至船舯水平距离相等分布，每侧8个(艏部2个，平行中体部分6个)平行中体部分的喷孔顺应船体外形垂向距船底高度有所提升，气孔分布示意图，如图2所示。根据船模内部空闲空间分布情况，选择多个气泵安装在各气孔周围，通过输气管路与喷气孔直连进行输气，安装与工作图如图3～图4所示。并可以调节气泵数目与输气管路进行气孔喷气流量变化。

图2 船模开孔示意图Fig.2 The opening on the ship model

图3 气泡辅助航行系统安装图Fig.3 Installation diagram of air bubbling system

图4 气泡辅助航行系统工作效果图Fig.4 Effects of air bubbling system

气体流量的相似关系一直是流体力学领域的一大难题，至今仍没有统一结论。在水下弹体通气超空泡问题领域，人们曾做过一定的研究，可参见文献[13-15]。本文为机理试验，旨在探讨不同喷气流量下降低船模与碎冰接触和碰撞的规律，故暂不讨论气体流量的相似关系。

1.3 试验工况

试验分为气泡辅助航行系统是否开启2种情况，在此基础上进行不同航速、碎冰密集度、气体流量等工况的试验，从而进行各工况有无气泡的对比。其中航速v分别为0.25 m/s，0.50 m/s，0.70 m/s；碎冰密集度分别为70%和90%；气体流量Q分别为0，3.75 L/min，7.50 L/min；共计试验18个组次，各组次下的试验工况及参数如表2所示。

表2 试验工况Tab.2 Text conditions and parameters

1.4 试验准备与过程介绍

试验前首先要进行船模准备与拖航装置的安装：船模使用3D打印制作；拖航装置包括拖航架、拖杆、滑块与滑轨。由于拖航方式为缆拖，遂使用拖航架与拖杆作为钢缆与船模之间的连接装置，将拖航架一端用U型扣固定在钢缆上，拖航架上伸出的3根拖杆分别对应船模的前中后3个部位，不限制拖杆垂向位移，避免钢缆中部下垂部分改变船模吃水，再将3根拖杆末端连接滑块，匹配到沿船纵剖线布置的3段滑轨之上，前后部两滑块可纵向移动，中部滑块固定，如图5所示。

图5 试验装置示意图Fig.5 Schematic of text device

拖航架安装完成后进行船模浮态调节，适当放置压载使船模达到设计吃水线且正浮。浮冰段的设置与设定的速度点大小有关，拖曳水池长度为20 m，设定船模航向为正方向，在0.25 m/s与0.50 m/s速度下，船模均可在水池6 m前完成加速，遂在这2个速度之下，设置6～16 m为浮冰段；在0.70 m/s速度下，船模可在8 m前完成加速，遂设置8～16 m为浮冰段。

试验准备完成后，便可按照设置工况进行试验，使用摄像机进行试验过程记录，每组工况试验完成后进行浮冰段重新设置，以便进行下一工况试验。

2 典型工况结果分析

本节对试验典型工况结果进行分析，首先选择航速v=0.25 m/s时气泡辅助航行系统开启前后的工况，对比分析开启和未开启气泡辅助系统的试验现象。其中开启气泡辅助航行系统时喷气孔气体流量Q=3.75 L/min(未开启时Q=0)，冰况选择碎冰密集度为70%和90%(即试验组次1～4)。由此探究在是否开启气泡辅助系统2种工况下，船-冰相互碰撞模式的异同，对该系统减少碎冰冲击、降低冰阻力的机理进行初步分析，并进行浮冰密集度对该系统工作效果影响的初步探究。

2.1 未开启气泡辅助系统试验

根据摄影仪录制的试验现象，可观察碎冰与船艏及船侧相互作用过程，在船模拖航试验中典型时刻时，观察碎冰碰撞船体前后过程中的船-冰相互作用以及船体周围碎冰-碎冰作用现象，对船体所受碎冰冲击进行初步评估。

2.1.1 船艏区域

在浮冰密集度为70%、气泡辅助航行系统未工作时，船体艏部至肩部区域的船体型线曲度变化较大，同时由于该密集度下碎冰间隙较大，遂碎冰与艏部碰撞后，碎冰立即获得动能，产生漂移，远离船体，但由于水阻尼与外侧浮冰对其产生位移限制而停止运动，此过程中船-冰接触时间短暂，冰载荷快速加载、卸载，试验现象如图6(a)所示。冰密集度增大至90%后，碎冰间隙较小，碎冰与艏部接触过程中出现多层浮冰叠压与翻转的情况，船体继续向前航行与碎冰翻转同样引起冰载荷快速加载与卸载，试验现象如图6(b)所示。

图6 v=0.25 m/s，Q=0 2种冰密集度下的试验现象Fig.6 Comparison of text phenomena between two ice concentrations when v=0.25 m/s，Q=0

2.1.2 舷侧区域

在碎冰密集度为70%时，由于浮冰之间空隙较大，被压下船底的模型冰大部分滑至船肩部之前便向船体外侧运动，只有一小部分浮冰到达船肩后从侧面翻转滑出船底，与船侧浮冰汇合向船尾滑动，原本位于船侧的浮冰与船体接触碰撞后便远离船体。浮冰密集度增大至90%后，艏部区域被压至船底的浮冰经船艏滑移至船肩处翻转而出与船侧浮冰汇合，由于船周围密集浮冰的挤压翻转，船侧紧贴船体向后滑动浮冰大大增多。

2.2 开启气泡辅助系统试验

2.2.1 船艏区域

船艏区域在冰密集度为70%的工况下，保持喷气量Q=3.75 L/min，在船艏部分，仍有浮冰被压在船底，船前有浮冰积压，但由于冰密集度不高，浮冰间空隙大，船底浮冰可较快被气液混合流吹出，较未开启该系统，减轻了船艏-浮冰碰撞情况，试验现象如图7(a)所示。在冰密集度提升至90%后，船艏浮冰积压情况更加严重，有大量浮冰从船肩处翻转至船侧，而造成船肩区域局部冰密集度增大，气液紊流不能有效将船底碎冰吹出，浮冰对船艏冲击程度更严重，试验现象如图7(b)所示。

图7 v=0.25 m/s，Q=3.75 L/min 2种冰密集度下试验现象Fig.7 Comparison of text phenomena between two ice intensity, v=0.25 m/s，Q=3.75 L/min

2.2.2 船侧区域

船侧区域，在冰密集度为70%的工况下，船侧产生紊流作用，浮冰于船艏之后开始渐渐漂离船体，气液紊流充分发展后形成一条较宽的无冰带，在此工况下，船侧区域船体与浮冰并不接触。碎冰密集度提升至90%后，船侧周围大部分浮冰在紊流的作用下未与船体碰撞，但由于冰密集度较大，船侧外部浮冰出现积压，气液紊流在船体与浮冰之间形成了一条窄窄的润滑带，同时由于船体周围流场的不稳定性，出现有少数浮冰与船体往复碰撞的现象。相比较来说，此喷气量下，气泡辅助航行系统对船侧区域船-冰碰撞现象亦有明显改善。

2.3 气泡辅助航行系统降低船-冰碰撞机理

根据2.1节和2.2节中观测到的开启气泡辅助破冰系统后船模于碎冰航道航行的情况，可以得到本文设计的气泡辅助航行系统对于减少船-冰碰撞现象的具体方式有2个：一是通过船艏底部与肩部两喷气孔喷气，将船体艏部积压碎冰吹向两侧，减少船艏区域浮冰挤压翻转现象；二是通过船体两侧开孔喷气，由气液紊流在水面形成兴波，其使浮冰渐渐漂离船体，充分发展后在船体与浮冰之间形成一条紊流润滑带，浮冰在紊流带作用区域无法与船体发生接触碰撞，大大减轻浮冰对船体碰撞。

3 参数变化影响研究

3.1 试验量化规则

在第2章典型工况和机理分析的基础上，本节将试验现象量化，对不同冰密集度、船模拖航航速以及气体流量的工况下，气泡辅助航行系统对船体-浮冰碰撞现象的减少程度量化，使该系统工作效果受各因素的影响直观地表示。

在船模船艏与船舯分别考虑的情况下，船艏与平行中体划分，如图8所示。再根据试验现象得到应用气泡辅助航行系统前后船模在各工况下船-冰接触线长度，可以粗略度量该系统对于船-冰碰撞现象的减轻效果。经测量，水线处艏部船体曲线长度Lb=41 cm，平行中体长度Ls=126 cm。

图8 船体各部分区域划分Fig.8 Sub-regional division of the hull

3.2 量化结果

在对船模进行3个航速点(v=0.25 m/s，v=0.50 m/s，v=0.70 m/s)，2个浮冰密集度(70%，90%)以及3个喷气流量(Q=0，Q=3.75 L/min，Q=7.50 L/min)工况下的拖航试验后，测量得到每个工况下艏部与平行中体船-冰接触长度，量化表示结果如图9～图10所示。

图9 船艏与碎冰接触比例Fig.9 Proportion of contact between the bow and the crushed ice

图10 平行中体与碎冰接触比例Fig.10 Proportion of contact between the parallel midbody and crushed ice

3.2.1 船艏部区域

在70%和90%的冰密集度下，艏部与碎冰接触占比均很高。在冰密集度为70%、航速v=0.25 m/s时开启气泡辅助航行系统，两喷气流量下均可减少约10%的船艏-碎冰接触长度比例；当航速提升至v=0.50 m/s时，喷气量Q=3.75 L/min的工况并未对艏部浮冰清除起到作用，喷气量Q=7.50 L/min的工况，可减少7%的船艏-碎冰接触长度比例；当航速进一步提升至v=0.70 m/s时，开启气泡辅助航行系统对于艏部浮冰清除并未起到作用。将冰密集度提升至90%后，气泡辅助航行系统对艏部浮冰无清除作用。

3.2.2 船平行中体部分

在2种冰密集度下，气泡辅助航行系统对于平行中体范围内碎冰清除起到较大作用。在70%冰密集度下，当航速v=0.25 m/s与v=0.50 m/s时，未开启气泡辅助航行系统平行中体与碎冰接触长度比例为100%，开启该系统后，碎冰与平行中体接触长度比例降至0，航速提升至v=0.70 m/s后，两喷气流量情况下船-冰接触长度均在20%以下；在冰密集度提升至90%后，平行中体与碎冰接触长度比例维持在10%左右；航速提升至v=0.70 m/s后，清冰效果有所降低，平行中体-碎冰接触长度比例较喷气前减少55%(Q=3.75 L/min时)与90%(Q=7.50 L/min时)。

3.2.3 无量纲接触长度变化

考虑到碎冰冲击载荷和碎冰阻力来源于碎冰对船体的碰撞和摩擦，而碰撞和摩擦又与船体和碎冰的接触面积直接相关。为此，根据船体左右两侧沿中线面对称，本文定义船体单侧与碎冰接触长度lc占船体单侧水线长度L的比值为无量纲接触长度

(1)

根据测量，本文的L为1.855 m。

表3 无量纲接触长度变化Tab.3 Variation of non-dimensional contact length

3.3 影响因素分析

3.3.1 喷气流量Q

根据量化结果以及所得试验现象，对于船艏区域，在航速较低时，增大喷气流量，对于船体艏部浮冰清除效果有所加强；对于船侧区域，航速低时船侧紊流可得到充分发展，在船体两侧形成明显润滑带，润滑带纵向作用范围受流量大小影响不明显，但所形成润滑带更宽，如图11所示。总之，喷气流量增大对船体平行中体部分清冰效果增强更明显。

图11 冰密集度为90%，v=0.25 m/s 2种喷气流量下试验现象对比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

量化结果与试验现象，如图12所示。从图12可知不同航速对其工作效果影响：在较低航速情况下，喷出气泡所形成的紊流有充足的时间发展，在船侧形成的润滑带起始作用范围更加靠前、宽度更大，对船艏积压的浮冰有更好的清除作用，对船-冰碰撞现象的改善更加明显；航速增大后，喷出的气泡流会相对于船体运动有滞后效应，船侧形成的润滑带起始位置会相应后移，并且气液紊流来不及充分发展，形成的润滑带宽度也较窄。航速的提升会使清冰效果有所下降。

图12 冰密集度为70%，Q=3.75 L/min不同航速试验现象Fig.12 Comparison of text phenomena between different velocity at 70% ice intensity, Q=3.75 L/min

4 结 论

气泡辅助航行系统减少船-冰碰撞，可有效降低冰阻力，本文自主设计并制作了匹配“雪龙2”号船模的气泡辅助航行系统，在此基础上进行了一系列机理试验。对比船体-浮冰碰撞现象减轻效果，得出了以下主要结论：

(1) 通过机理试验现象分析可以得到气泡辅助航行系统辅助清冰机理——开启气泡辅助航行系统后，喷气孔喷出的气流可在船侧水面形成兴波，进而在船侧产生一条润滑带，使浮冰远离船体，可有效减少浮冰-船体碰撞现象，进而降低冰阻力。

(2) 通过机理试验观测得到气泡辅助航行系统在不同冰密集度工况下清冰效果的差别——在小密集度工况下，该系统可有效减轻船艏以及船舯部位与浮冰碰撞现象；提升密集度后，船艏区域清冰效果大大降低，船舯部润滑带宽度明显减小，但仍能有效减少船侧与大部分浮冰碰撞。

(3) 通过机理试验观测，得到喷气量对于气泡辅助航行系统的清冰效果影响——增大喷气量，一方面使船艏底部积压浮冰更快吹出，有效减轻与船艏部接触浮冰所发生的积压翻转现象；另一方面使船体舯部润滑带宽度明显增大，同时润滑带起始作用点稍有前移。

(4) 通过机理试验观测，得到不同航速对气泡辅助航行系统的清冰效果的影响——在航速增大后，该系统清冰效果明显下降，主要体现在气液紊流明显滞后，润滑带起始作用点后移，浮冰-船体碰撞区域增大。