碎冰条件下冰区船阻力性能试验研究

郭春雨, 谢畅,2， 王帅， 李夏炎， 骆婉珍

(1.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.南通中远川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)



碎冰条件下冰区船阻力性能试验研究

郭春雨1, 谢畅1,2， 王帅1， 李夏炎1， 骆婉珍1

(1.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.南通中远川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

摘要：为了探究碎冰条件下冰区船试验方法和实船阻力预报方法 ，研究碎冰条件下冰区船舶阻力随速度变化规律，以及阻力随密集度变化规律，采用非冻结模型冰在拖曳水池中开展了4种密集度(60%、70%、80%、90%)工况下阻力试验。试验结果表明：随着碎冰密集度的增加，船模与碎冰的遭遇频率向更高速度点转移；碎冰密集度不同，船模总阻力不稳定区也不同；船模总阻力随着碎冰密集度的增加而增加；根据加拿大海洋技术研究所的Colbourne实船转换方法，预报了实船在1.05 m和2.0 m冰厚时的总阻力。

关键词：碎冰；冰区船；阻力试验；密集度；非冻结模型冰；实船阻力

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160127.1137.026.html

随着北极冰盖的范围逐渐缩小，北极航线逐渐被航运界所关注，相对于绕行苏伊士运河或巴拿马运河航线，北极航线至少缩短40%的航行距离，并且降低运输成本和风险[1]。随着油气资源和矿产资源开采技术的提高，号称“第二个中东”的北极正逐渐成为人类索取资源的基地[2]。在不久的将来，俄罗斯和北美环北极地区生产的大量石油和天然气将会被供应到东北亚地区。这给建造破冰船、冰区运输船以及极地海工装备的造船业提供了商机。随着北极航线的开通，以及北极油气资源的开采，研发出高效性能的冰区运输船舶越来越受到关注。一直以来，冰区船舶研究的方向主要集中在破冰条件下的性能预报。但是在碎冰条件下冰区船舶性能预报方面，开展的研究并不多见。对冰区运输船舶设计者和经营者而言，因为冰区运输船舶通常在专业破冰船已经开辟的碎冰航道中航行，或者是在夏季碎冰航道中航行，碎冰条件下冰区船舶性能问题是非常重要的问题。

国外在冰区船舶研发建造方面已经积累了几十年甚至上百年的经验。自从Runeberg发表关于波罗的海破冰船第一篇文章以来，冰区船阻力性能研究一直都是科研人员关注的焦点。Derradji-Aouat等[3-5]受ITTC冰委员会委托，以加拿大海岸警卫队(CCGS)“Terry Fox”号船模为标准船型，采用Spencer法对阻力试验进行不确定性分析。Jones[6]采用加拿大海岸警卫队(CCGS)“Healy”号破冰船船模进行破冰条件下阻力试验、自航试验和操纵性试验。将试验结果转换到实船，并与实船适航数据进行对比。Wang等[7]分析了 “Terry Fox”号破冰船船模在破冰条件下阻力和自航试验结果，并与早期的实船适航资料进行对比。Kim等[8]应用LS-DYNA软件数值模拟了自破冰型货船在碎冰条件下阻力性能，并与韩国釜山国立大学拖曳水池进行的非冻结模型冰试验结果和加拿大海洋技术研究所进行的冻结模型冰试验结果进行了对比。Tan等[9]应用编程的方法评估双向作用冰区船在平整冰的性能，通过将模型试验中获得的数据编写到程序中，分析双向作用冰区船尾向破冰时船体-桨-冰相互作用对船机桨匹配的影响。编写的程序又反过来作为一种性能预报工具应用到模型试验中以分析冰区船舶推力减额等。

我国在冰区船舶研究方面处于刚起步阶段，特别是冰区船舶的试验技术，国内还曾未开展过试验研究。本文采用非冻结模型冰，在哈尔滨工程大学船模拖曳水池中进行碎冰条件下船模阻力试验，探究碎冰条件下船模试验方法和数据处理方法，以及实船转换方法。

1试验模型及方案设计

碎冰条件下船模试验依托哈尔滨工程大学船模拖曳水池。

1.1试验模型

本试验采用的船模以某集装箱船为模型，是常规船型，见图1，船模参数见表1。假设该船型满足在真实冰厚为1.05 m的碎冰条件下航行，或在前方有破冰船破冰开道的真实冰厚为1.05 m的碎冰航道中航行，是一种冰区加强型集装箱船。可航行于东亚至西欧航行的北极航线或北欧波罗的海航线。

图1　某集装箱船模型Fig.1　The model of a standard container ship

主尺度实船船模线间长Lpp/m230.04.3671型宽B/m32.20.6114吃水T/m10.80.2051湿表面积(无舵)S/m295303.4357缩尺比λ--52.6670

1.2试验方案设计

由于和敞水条件下船模试验技术不同，需要对碎冰条件下船模试验方案进行重新设计。

1.2.1非冻结模型冰

非冻结模型冰是碎冰条件下船模试验成败的关键，也是试验前期准备最耗时耗力的工作。综合分析不同的非冻结模型冰后，本试验决定采用58#半精炼颗粒状石蜡为原材料加工制作成非冻结模型冰。由于石蜡是颗粒状的，所以需要加工工具将颗粒状石蜡加工成所需要的板状石蜡，真实冰厚度为1.05 m，按照缩尺比λ=52.667，非冻结模型冰的厚度为2 cm。

根据北极碎冰尺寸统计数据，发现碎冰尺寸的数量服从对数正态分布函数，见图2。计算得到了七种不同尺寸模型冰的数量，见表2。加工制作了七种不同尺寸的方形非冻结模型冰，见图3。

图2　不同尺寸模型冰对数正态分布图Fig.2　Lognormal distribution with seven different model ice

图3　七种不同尺寸的模型冰Fig.3　Seven different sizes of model ice

模型冰尺寸/cm2模型冰面积/m2数量/块概率5×50.00251440.062210×100.011590.168115×150.02252390.265320×200.043670.203725×250.06254780.132630×300.093030.088235×350.12251120.0799

1.2.2浮筒围栏装置

船模拖曳水池的尺寸：长×宽×深为108 m×7 m×3.5 m。为了减少池壁效应，围栏的宽度取船模宽度的近5倍，即3 m。根据试验船模的主尺度和航速需要，为了满足船模试验的数据采集需要，在水池中围成一个长28 m、宽3 m的碎冰区。为了考虑到给拖车一个缓冲区域，并且尽可能的充分利用碎冰区，在碎冰区的尽头加装了一个长8 m、宽3 m的缓冲区，在缓冲区和碎冰区之间用一个支撑浮筒。支撑浮筒可以防止碎冰区的模型冰滑进缓冲区，也可以起到围栏两侧的支撑作用，防止围栏两侧的浮筒向中间飘动，见图4。

图4　围栏的实际效果Fig.4　The actual rendering of fence

1.2.3试验工况

敞水条件下进行每个速度点的阻力试验时，由于每次试验时水面是平静的，所以重复做同一个速度点的阻力试验时测得的阻力值偏差是在允许范围之内的。但是，对于碎冰条件下同一个速度点的阻力试验，由于航道内的碎冰块的分布是不断变化的，所以进行阻力重复性试验。碎冰条件下船模阻力试验船模速度点相应有：0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 m/s，试验图像见图5。

图5　船首和碎冰碰撞(1.2 m/s)Fig.5　The collisions between the bow and pack ice (1.2 m/s)

2试验结果及分析

在拖曳水池中安装浮筒围栏后，在浮筒围栏的碎冰区布置模型冰，布置四种碎冰密集度，依次是60%、70%、80%和90%密集度。

2.1阻力随速度变化情况对比

敞水和不同密集度工况下平均总阻力随速度变化曲线见图6，碎冰阻力随速度变化曲线见图7。

图6　不同工况下总阻力随速度变化曲线Fig.6　The total resistance versus velocity for different conditions

图7　不同工况下碎冰阻力随速度变化曲线Fig.7　The pack ice resistance versus velocity for different conditions

图6所示，4种不同密集度工况下总阻力的总体趋势是随着速度的增大而增加的，但是在0.6 m/s和1.0 m/s处却有特殊情况出现，特别是0.6 m/s这个速度点。70%密集度工况下0.6 m/s速度点具有明显的阻力激增现象，已经比80%密集度和90%密集度工况下在该速度点的总阻力要大的多，这就说明了在70%密集度时，该速度点特别容易出现遭遇频率。在80%密集度工况下的1.0 m/s速度点，也出现了遭遇频率，导致80%密集度工况下在该点的阻力值比90%密集度工况下更大。在90%密集度工况下的1.2 m/s速度点，也出现了阻力激增现象，该点附近可能也出现了遭遇频率。总之，根据图6可以得出，随着碎冰密集度的增加，遭遇频率向更高速度点转移。

图7表示四种不同碎冰密集度工况下碎冰阻力随着速度的变化曲线，和图6类似，也可以得出类似的结论。为了比较四种不同密集度工况下碎冰阻力和水阻力占总阻力的比例，计算了碎冰阻力与水阻力的比值，见表3。从表3可以看出，同一速度点时，随着碎冰密集度的增加，碎冰阻力和水阻力的比值在不断增加；同一密集度时，随着速度的增加，出现了比值减小的趋势，这是由于低速时船模的水阻力很小而碎冰阻力相对增加比较大，导致比值在低速时比高速时偏大。

表3　4种不同密集度工况下碎冰阻力与水阻力比值

2.2阻力随密集度变化情况对比

航速为0.2～1.2 m/s时，总阻力随密集度变化曲线和碎冰阻力随密集度变化曲线分别见图8和图9。

图8　总阻力随密集度变化曲线Fig.8　The total resistance versus concentration

图9　碎冰阻力随密集度变化曲线Fig.9　The pack ice resistance versus concentration

图8所示，在0.2、0.4和0.8 m/s速度点时，总阻力随密集度变化的趋势基本趋于平缓，接近线性关系。但在0.6 m/s速度点时，总阻力随密集度变化的趋势却起伏不定，特别在70%密集度时，0.6 m/s时总阻力比0.8 m/s时的总阻力都要大；而在80%和90%密集度时的总阻力和60%密集度时总阻力相近，且比70%密集度时总阻力要小得多；这再一次说明了0.6 m/s速度点的特殊性，在0.6 m/s速度点附近总阻力起伏不定，出现阻力不稳定区。在1.0 m/s速度点时，曲线在80%密集度时出现了一个峰值，说明这个速度点在80%密集度时是一个特殊点，出现阻力不稳定区。在1.2 m/s时，曲线在80%密集度时有个拐点，而在90%密集度时阻力值突然增加。这说明船模和碎冰在1.2 m/s时出现遭遇频率，使得在80%密集度到90%密集度附近出现了阻力不稳定区，有的地方发生阻力突降，有的地方发生突增的现象。

图9是碎冰阻力随密集度变化曲线，出现阻力不稳定区的现象比图7中显示的现象更为明显。

3实船总阻力预报

目前，在冰区船舶阻力试验研究领域中，加拿大国家研究委员会海洋技术研究所(NRC/IOT)技术相对成熟，且受国际拖曳水池委员会(ITTC)冰委员会的委托研究冰区船模阻力试验的不确定性分析。所以，本文以加拿大海洋技术研究所(IOT)冰区船舶阻力试验数据分析方法为基础[10]。Colbourne针对碎冰条件下船模阻力试验，计及不同密集度的碎冰条件，专门开发出一种分析方法，用于分析碎冰条件下船模阻力试验，以及进行实船换算。Colbourne将浮冰阻力和清冰阻力看成一个整体，也就是将碎冰条件下冰区船舶总阻力分为敞水阻力和碎冰阻力，且碎冰阻力与速度有平方的关系，碎冰阻力和碎冰密集度有n次幂的关系，针对不同船型，n的取值不同[11]。

在碎冰条件下，假设碎冰的尺寸相对于船舶的尺寸是小的，在冰区船舶通过碎冰水域时，发生碎冰断裂的情况非常少，以至于这种碎冰断裂引起的阻力可以忽略不计。那么，碎冰条件下的总阻力可以分为两个成分，一个是敞水阻力，另一个是由于碎冰在船体周围发生各种运动(包括碎冰下沉、碎冰翻转、碎冰滑动等)所引起的阻力，称之为碎冰阻力。其中，敞水阻力可以通过船模拖曳水池的阻力拖曳试验测得，而碎冰条件下船模阻力试验所测得的总阻力减掉敞水阻力，就得到了碎冰运动所引起的碎冰阻力。碎冰条件下总阻力可以表示为

(1)

式中:ROW为敞水阻力，Rp为碎冰阻力。根据Colbourne法基本原理，敞水阻力与速度成平方的关系。Colbourne认为碎冰阻力与冰密度、船宽、冰厚度、速度和碎冰密集度有关，并且进行无量纲化。基于无量纲理论，Colbourne对速度进行了无量纲化，定义了冰傅汝德数Frp，并且该傅汝德数与碎冰密集度也有关。无量纲系数分别为

(2)

(3)

(4)

式中:COW为敞水阻力，Cp为碎冰阻力系数，Frp为冰傅汝德数，ρi为冰密度，g为重力加速度，hi为冰厚度，B为船宽，V为速度，C为碎冰密集度，n为碎冰密集度的次幂[12]。

3.1敞水阻力系数的确定

绘制ROW-V2曲线图，如图10。从图中可以得到，COW=6.917 1。因此，可以得到敞水阻力公式:

ROW=6.917 1V2

(5)

图10　敞水阻力随速度平方变化曲线Fig.10　The open water resistance versus the square of velocity

3.2浮冰阻力系数的确定

根据加拿大海洋技术研究所(IOT)多年的试验验证，可以知道，lnCp与lnFrp呈线性关系。分别计算lnCp和lnFrp，结果见表4。作lnCp-lnFrp图，见图11。根据lnCp-lnFrp图可以得出碎冰阻力系数Cp与冰傅汝德数Frp之间的关系：

(6)

式(6)不仅适合60%密集度、70%密集度、80%密集度和90%密集度工况，还适合其他密集度工况。

图11　碎冰阻力系数与冰傅汝德数关系图Fig.11　Plot of pack ice resistance coefficient against Froude number

速度/(m·s-1)lnCp60%密集度70%密集度80%密集度90%密集度lnFrp60%密集度70%密集度80%密集度90%密集度0.21.52202.19602.07771.9572-0.5392-0.6163-0.6831-0.74190.41.49321.77581.69741.55190.15390.07690.0101-0.04880.61.11761.66010.92250.82870.55940.48230.41560.35670.80.57760.76040.91150.75610.84710.77000.70320.644310.51380.77240.85600.53651.07020.99320.92640.86751.20.59300.61920.41660.56211.25251.17551.10871.0498

3.3实船总阻力预报公式

通过以上两步的数据处理，可以分别得到敞水阻力系数COW、碎冰阻力系数Cp。于是，碎冰条件下实船总阻力的估算公式可以表示为

(7)

式(7)中的相关参数都是实船的主尺度，速度也为实船速度，冰的物理量也是实际冰参数。对于碎冰密集度的次幂n，Colbourne最初基于FPSO和海工船的试验数据，建议n取3。后来发现，对于分析其他冰区船舶的碎冰阻力时，n=2能与实际情况更为吻合，误差也最小，所以这里n取为2。

根据实船总阻力估算公式，预报本次试验所采用的实际碎冰厚度hi=1.05m，60%密集度和90%密集度工况下实船总阻力，见图12。然后，预报另一种实际冰厚hi=2m，60%密集度和90%密集度工况下实船总阻力，见图13。

图12　碎冰厚度为1.05 m时实船总阻力曲线Fig.12　Total resistance curve of full-scale for 1.05 m thick ice

图13　碎冰厚度为2.0 m时实船总阻力曲线Fig.13　Total resistance curve of full-scale for 2.0 m thick ice

4结论

本文主要针对目前我国冰区船舶试验研究空白做一些探索性研究，其中包括碎冰条件下船模试验原理、试验现象以及实船性能预估等。主要结论如下：

1)船模低速航行时，撞角形球鼻艏和艏柱连接处很容易堆积碎冰块，引起比较大的阻力增值；船模高速航行时，由于撞角形球鼻艏上面是水平的，碎冰容易沿着球鼻艏上面滑动撞击艏柱，这对船艏的结构强度构成较大威胁。

2)和敞水条件下阻力试验不同，碎冰阻力试验时航道碎冰的分布情况是不断发生变化的。所以，对于同一个速度，每次试验测得阻力值的重复性不好。因此，每一个速度的阻力值不是一个固定值，而是一个范围，只要阻力在该范围内，都是合理的。

3)随着碎冰密集度的变化，船模和碎冰的遭遇频率也发生向航速高的方向转移的趋势。出现遭遇频率时，该速度点附近的阻力值震荡非常厉害，是一个阻力不稳定区。

参考文献：

[1]LEE S W, SONG J M. Economic possibilities of shipping though Northern Sea Route[J]. The Asian journal of shipping and logistics, 2014, 30(3): 415-430.

[2]聂凤军, 张伟波, 曹毅, 等. 北极圈及邻区重要矿产资源找矿勘查新进展[J]. 地质科技情报, 2013, 32(5): 1-8.

NIE Fengjun, ZHANG Weibo, CAO Yi, et al. New progress on the exploration of the important mineral resources of the arctic circle and its adjacent region[J]. Geological science and technology information, 2013, 32(5): 1-8.

[3]DERRADJI-AOUAT A. Experimental uncertainty analysis for ice tank ship resistance experiments. IMD/NRC Report # TR-2002-04[R]. Newfoundland: Institute for Ocean Technology, St. John′s, 2002.

[4]DERRADJI-AOUAT A. Phase II Experimental uncertainty analysis for ice tank ship resistance experiments.IMD/NRC Report # TR-2003-09[R]. Newfoundland: Institute for Ocean Technology, St. John′s, 2003.

[5]DERRADJI-AOUAT A, THIEL A. Terry fox resistance tests-phase III (PMM Testing). The ITTC experimental uncertainty analysis initiative.IOT/NRC Report # TR-2004-05[R]. Newfoundland: Institute for Ocean Technology, St. John′s, 2004.

[6]JONES S J, LAU M. Propulsion and maneuvering tests of the USCGC Healy in ice and correlation with full-scale[C]//SNAME. Banff, Alberta, 2006.

[7]WANG J, JONES S J. Resistance and propulsion of CCGS terry fox in ice from model tests to full scale correlation[C]//8th International Conference and Exhibition on Performance of Ships and Structures in Ice. Banff, 2008.

[8]KIM M C, LEE S K, LEE W J, et al. Numerical and experimental investigation of the resistance performance of an icebreaking cargo vessel in pack ice conditions[J]. International journal of naval architecture and ocean engineering, 2013, 5(1): 116-131.

[9]TAN Xiang, RISKA K, MOAN T. Performance simulation of a dual-direction ship in level ice[J]. Journal of ship research, 2014, 58(3): 168-181.

[10]郭春雨, 谢畅, 赵大刚. 冰级桨水动力性能研究综述[J]. 船海工程, 2014, 43(4): 1-8.

GUO Chunyu, XIE Chang, ZHAO Dagang. An overview of hydrodynamic performance research for ice-class propeller[J]. Ship & ocean engineering, 2014, 43(4): 1-8.

[11]COLBOURNE D B. Scaling pack ice and iceberg loads on moored ship shapes[J]. Oceanic engineering international, 2000, 4(1): 39-45.

[12]KIM H S H, AHN D, MOLYNEUX D. Hull form designs for icebreaking tankers[C]//SNAME. Banff, Alberta, 2006.

收稿日期：2015-04-10.

基金项目：国家自然科学基金项目(41176074,51209048); 教育部博士点基金项目(20102304120026);工信部高技术船舶科研项目(G014613002);哈尔滨工程大学青年骨干教师支持计划(HEUCFQ1408).

作者简介：郭春雨(1981-)，男，教授，博士生副导师. 通信作者：郭春雨, E-mail: guochunyu@hrbeu.edu.cn.

doi:10.11990/jheu.201504022

中图分类号：U674.21

文献标志码：A

文章编号：1006-7043(2016)04-0481-06

Resistance of ships in pack ice conditions

GUO Chunyu1, XIE Chang1,2, WANG Shuai1, LI Xiayan1, LUO Wanzhen1

(1.College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China； 2.Nantong COSCO KHI Ship Engineering Co., Ltd., Nantong 226005, China)

Abstract：To explore test methods and the prediction methods of full-scale ship resistance for ships in the pack ice conditions and to research the laws of change in resistance versus velocity and resistance versus concentration, we carried out a resistance test using a model ship for four pack ice concentrations (60%, 70%, 80% and 90%) in a towing tank. The results show that the frequency of collisions between the model ship and the pack ice, and velocity increased with increasing pack ice concentration; different concentrations had different unstable regions of total resistance. The total resistance of the model ship increased with an increase in pack ice concentration. Finally, according to Colbourne′s model-ship correlation at Institute of Ocean Technology, Canada, we forecast total resistance for ice thicknesses of 1.05 m and 2.0 m.

Keywords：pack ice; ship in ice; resistance test; concentration; synthetic ice model; full-scale ship resistance

网络出版日期：2016-01-27.