冰区船艏部连续破冰模式下破冰阻力研究

作     者：刚旭皓 

作者单位：中国舰船研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：田于逵

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：冰区航行船舶 破冰船艏 模型试验 冰阻力 离散元方法 

摘      要：冰阻力预报一直是冰区船航行性能研究中的一个热点,它关系到破冰能力与快速性评估、船型设计与优化、装机功率与推进系统配置等关键问题。而国内对冰阻力的研究尚处于初步阶段,无论是冰水池模型试验还是数值仿真都有很多核心技术亟待突破。本文以冰区船艏部连续破冰模式下的破冰阻力为切入点,开展冰水池模型试验和数值仿真研究,建立相关预报方法,为冰区航行船舶冰阻力优化、设计和评估提供技术支撑。首先针对典型船艏模型开展破冰阻力冰水池试验研究。以Waas艏为母型设计一型船艏模型,分别开展层冰试验、预切割（Pre-sawn）冰试验和敞水实验,同时测量船艏总冰阻力和各分块冰阻力,分析总冰阻力与分块冰阻力之间的关系,研究航速对破冰阻力的影响;采用水面和水下摄录像技术,捕捉冰的断裂模式和运动轨迹,研究船艏连续破冰的周期性运动过程,分析船艏与冰相互作用机理。其次基于离散元方法开展船艏破冰阻力数值计算研究。根据离散元方法的基本原理,引入元胞数组开发力传递模型,采用欧拉角法分析单元运动,结合MATALAB建立数值计算模型,自编程Bri-DEM程序。利用该程序对二维斜板破冰进行数值仿真,验证计算模型的合理性,同时研究不同冰单元形式的影响;在此基础上,利用冰力学试验提供模型冰参数,输入三维船艏数值计算模型,对船艏模型的破冰阻力进行计算并与冰水池模型试验结果作比较分析,验证数值模型的可靠性。最后选取破冰阻力的典型影响因素——船艏倾角和冰厚,采用经验证的Bri-DEM程序进行多方案的冰阻力预报和分析,获得船艏倾角和冰厚变化对破冰阻力的影响规律。总体而言,本文依托中国船舶科学研究中心（CSSRC）小型冰水池（SIMB）,通过物理模型试验与数值仿真计算两方面相结合,开展了冰区船艏部连续破冰模式下的破冰阻力相关基础性探索研究,研究成果可为冰区船舶冰阻力预报、航行性能评估和船型设计优化等提供有益的技术参考。