冰水槽内气泡辅助破冰系统的机理实验研s究

2020-07-27倪宝玉郭鹏杰薛彦卓

哈尔滨工程大学学报 2020年6期

倪宝玉，郭鹏杰，薛彦卓

(哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001)

随着气候变暖，极地冰盖逐渐融化，极地和冰区的活动越来越引起人们的关注。极地破冰船在北极航道引航、极地资源开发、两极科考等方面都承担着难以替代的重要作用。为此，研究人员一直致力于提升破冰船在恶劣冰况中的破冰能力和运动性能[1]。除了优化破冰船体线型，增加辅助破冰系统也是提升破冰船破冰能力的有效手段之一。目前极地破冰船较为流行的辅助破冰系统包括快速倾斜系统、冲水系统、气泡辅助破冰系统等[2]，其中气泡辅助破冰系统是目前成功应用于美、俄、加等国包含核动力破冰船的技术之一[3]。

气泡最早应用于船舶方面当属气泡减阻系统，McCormick等[4]进行了回转体的气泡减阻实验。此后，越来越多的研究者对此进行了大量理论和实验研究[5-6]。气泡减阻系统又可细分为微气泡减阻系统和气层减阻系统[7]。但从本质上讲，都是借助气体密度低于水，从而通过喷射气体降低物体与水之间的摩擦阻力。气泡辅助破冰系统最早由芬兰瓦锡兰集团于1967年设计[2]，尽管也旨在通过气水混合流减少船体与冰块或积雪之间的摩擦，但与气泡减阻系统需要相对稳定的水气接口不同，气泡辅助破冰系统强迫压缩空气，通过一系列靠近船底间隔排列着的喷嘴喷出，当空气以气泡的形式沿船体上浮时，会产生一股强烈的水气混合激流，形成船体与冰块之间的润滑层。

尽管气泡辅助破冰系统已有应用，但是鉴于各种原因，关于气泡辅助破冰的相关研究却十分少见，我国尚未开展相关研究。目前公开发表的文献几乎没有关于气泡辅助破冰的机理研究和实验研究，这使得气泡辅助破冰系统与海冰相互作用机理尚不完全明了。例如，尽管气水混合物可以减少船体与冰块或积雪的摩擦，但气泡如何从船艏及船舷喷出上浮，气泡、水、海冰如何相互作用而导致海冰加速碎裂等机理问题仍有待进一步揭示。为此，本文通过设计船模和气泡辅助破冰系统模型在小型冰水槽中进行一系列机理实验，观测气泡辅助破冰系统开启前后船模破冰模式和航行阻力的变化，并基于实验测试结果，分析气泡辅助破冰系统与海冰相互作用机理。这里需要说明的是，尽管本文实验所采用的小尺度船模由原型船缩尺得到，但气泡辅助系统并不是缩比得到的，所以本文的实验研究是机理实验而非缩比实验。这一方面是由于气泡辅助破冰系统我国并无原型数据可参照，另一方面我国在此方面尚无技术储备，此阶段进行机理实验掌握气泡辅助破冰机理更重要。故本文旨在机理探讨，关注气泡与冰层破坏的耦合关系，暂不考虑尺度效应等问题。

1 机理实验概况

1.1 实验设施

此次实验是依托哈尔滨工程大学低温实验室完成的。实验室低温区域面积 22 m2，用于进行机理实验的小型冰水槽长3 m、宽 1.5 m、深0.9 m，如图1所示。实验室制冷系统主要设备包括压缩机组、冷风机，并通过特别设计的均压送风顶棚对低温冰池室内的空气降温，可控制制冷量、温降速度和室内风速，从而可对实验中的制冷温度在0 ℃～-25 ℃范围内进行调节控制。实验冰层在冰水槽内直接制备，厚度通过调节低温实验室温度控制。机理实验所采用淡水冰杨氏模量约为5.83 GPa、泊松比为0.33、密度为900 kg/m3，物理性质略不同于海水冰，但仍然可以在冰层的破坏模式、冰载荷特征等关键性问题的模拟上与海冰保持一定的相似性。

图1 步入式低温实验室和小型冰水槽照片Fig.1 Photos of walk-in cold room and ice water tank

1.2 实验模型

尽管本文为机理实验，为更接近真实情况，仍选定“雪龙号”破冰船船型为本机理实验的船模原型。对雪龙号船型根据几何相似建立船模，几何缩比选为1∶200，模型的主要尺寸为总长83.5 cm、垂线间长73.6 cm、型宽11.3 cm、型深6.8 cm、设计吃水4.1 cm。

船模内部安装气泡辅助破冰系统，如前所述，此系统为本文自主设计，并无原型数据可参考，故不是缩比实验。从船艉至船艏依次装配为电源、导线、气泵、控制气阀、稳压分流气瓶、导气管、单向阀门、气体发生头。在船体舷侧底部开有与导气管衔接的气孔，气孔分布示意图如图2所示。气体离开喷气孔沿船体向上运动，与此同时气泡膨胀，遂在其流动方向上形成一股强烈的气水混合流。

注：1.船体外壳；2.水面或是冰面；3.喷气孔，等距离布置在舷侧及船艏靠近船底位置，即舭部附近；4.气泡。图2 喷口布置示意Fig.2 Sketch of the arrangement of nozzles

整个模型设计效果图和实际制作图如图3所示，船模由树脂材质经3D打印制作，实际制作达到了预期设计效果。

图3 模型设计效果及实际制作Fig.3 Design visualiser and photo of real product

1.3 实验步骤

图4给出了实验装置原理图，可见实验装置由船模、实验冰水槽、2只定滑轮、钢缆、砝码和摄影机等组成。在小型冰水槽的一侧安装有定滑轮，可实现由砝码拖曳船模破冰航行，船模驱动力由砝码重量承担，本文称之为重力拖曳式驱动装置。船模、定滑轮与钢缆均沿水槽宽度中线布置，摄影机需利用三脚架固定在钢缆垂向上方，保证高度可以拍摄到左侧起点船艏至右侧池壁完整画面，并且镜头稍向左侧倾斜便于观察船艏柱位置冰层破坏情况。

图4 实验装置示意Fig.4 Schematics of experimental device

具体实验步骤如下：

1)将低温箱由制冷模式调节为实验模式，进入低温箱，用充电式手钻在冰面选取3～4个测点钻洞测量冰层厚度是否达到实验要求。如未达到，退出低温箱调至制冷模式继续等待冰层结冰，之后重复此操作直至冰层厚度满足该次实验要求；

2)冰层厚度满足要求后，利用电钻及手锯在冰水槽左侧切割出船模大小的冰层取出，若是碎冰工况，还需人工将实验区域冰层预切割；将本次实验所用的模型放入相应的开口位置，调节压载令船模至所需吃水；将船模穿过钢缆并固定，调试钢缆与砝码位置令钢缆处于紧绷状态；

3)启动摄影机开始录制，之后释放砝码，船模开始运动，本次实验开始。模型在砝码重力驱动下根据预定工况运动，摄影机快速记录整个破冰过程中船体运动及冰面变化情况；

4)当船模停止运动或者完成预定航段后，将砝码取下，关闭摄影机，完成此次实验；

5)在完成该模型在实验所设计工况下的破冰运动后，将其从驱动装置钢缆的连接上取下，清除水渍并保存到实验室预定位置。利用打捞网捞出水槽内所有浮冰，并加入等量预先经过降温的冰水，保证水槽内水位基本不变。离开低温箱，并将低温箱由实验模式调至制冷模式为下一次实验做准备。

1.4 实验工况

从是否有气泡输入角度而言，本机理实验分为开启和不开启气泡辅助破冰系统2大类，其中前者气体输入流量Q依次改变为5、15 L/min，后者即Q=0；从冰情角度而言，可分为平整冰层与碎冰区域2大类，其中前者冰厚h依次改变为2、2.5、3 mm，后者冰厚仅选取h=3 mm；所有组次砝码重量均选取350 g。共计实验12个组次，各组次下的实验工况及参数在表1中列出。

表1 实验条件及参数Table 1 Experimental conditions and parameters

2 典型工况结果分析

本节对实验典型工况结果进行分析，首先分别选择关闭和开启气泡辅助系统的工况，对比分析是否开启气泡辅助系统的实验结果，其中开启气泡辅助系统选择Q=15 L/min为例，冰况选择平整冰层，冰厚统一选取为h=2 mm(即实验组次1、7)。在此基础上，探究冰层在有无气泡2种类型下破坏模式的异同，对气泡辅助破冰机理进行分析。

2.1 关闭气泡辅助系统实验

对于未开启气泡辅助系统的情况，采用摄影仪获得的图像，可观察冰层的破坏轨迹及裂纹扩展情况。现在根据船模典型位置，逐次分析冰层的破坏情况和破坏模式。

1)船艏区域。

图5给出了船艏附近区域冰层的破坏情况。一方面，可观测到船艏附近出现了尺寸较大的环向裂纹，如图5中白色环状曲线所示。环状裂纹最远可出现在1/4左右船长处，环状裂纹主要是由于倾斜船艏导致海冰发生弯曲破坏；另一方面，在船头会发现许多尺寸极小的碎冰块，如图5中圆圈标注所示。这些碎冰块在船艏柱附近形成了一定程度的堆积，这些极小的浮冰碎块主要是冰层与船体作用发生挤压破坏和屈曲破坏的主要特征。由此可见，冰层在船艏区域破坏的主要模式是弯曲破坏、挤压破坏和屈曲破坏等多种模式混合[8]。

图5 船艏区域碎冰情况Fig.5 Broken ice around the bow

2)船肩区域。

当船模继续向前移动时，从动态影像中，可以观测到海冰从船艏区域到船肩区域的典型变化如下：一方面，上述的环状裂纹会大面积拓展，船艏区域向船舷过渡的船肩部位存在明显的二阶裂纹轨迹[9]，该裂纹出现位置恰好与上一时刻船艏附近冰层发生挤压-屈曲破坏的区域边界相对应。表明围绕船体艏柱所产生的环向裂纹在船体运动过程中发生了二次弯曲破坏；另一方面，上一时刻因船艏挤压-屈曲破坏所产生的碎冰块随着船体的前进，在船体肩部附近发生滑移、翻转运动被压入水下，进而漂移向船体两侧未被破坏的冰盖下方。

3)舷侧区域。

图6给出了运动过程中某2个时刻舷侧附近区域冰层的破坏情况。一方面，舷侧附近会形成紧贴舷侧较窄的环状裂纹，如图6中白色环状曲线所示，该裂纹逐渐变小，通常到船舯位置就不再明显；另一方面，航道中的碎冰随着船体前进发生“滑移-碰撞-翻转等过程”[10]，最终碎冰会被船体压入水下漂移至冰层下方或者船体后方的敞水区域，也有一部分尺寸较大的碎冰块会在航道2侧发生重叠堆积。

图6 舷侧区域冰层破坏情况Fig.6 Broken ice around the side shell

2.2 开启气泡辅助系统实验

图7(a)给出了开启气泡辅助破冰系统的情况下冰层破坏情况，观测发现在有气泡辅助的情况下平整冰层的破坏模式与无气泡的船模实验破坏模式相似，同样是多种破坏模式混合的复杂进程：船艏处出现极小碎冰块的堆积以及围绕船体艏柱的环状裂纹，船肩部位2次弯曲破坏引起的环向裂纹，舷侧的圆环状裂纹以及翻转堆栈的碎冰等。

图7 有无气泡辅助破冰情况下冰层破坏情况Fig.7 The destruction of level ice with and without the air bubbles

为了对比有无气泡辅助情况下，图7(b)给出了相同情况不开启气泡辅助破冰系统的情况下冰层破坏情况。对比可见，开启气泡辅助破冰系统后，有以下4点典型变化：1)在冰层底部，会捕获大量上升气泡形成的气泡腔，如图7(a)中圆圈标注所示；2)环向裂纹半径明显大于未开启气泡辅助系统的实验值；3)水面兴波较未开启气泡辅助系统的情况更明显，从船体的侧面流动，可以观察到在靠近船体的位置，会形成一个脊状水面继而向远离船体方向扩散，即由气泡兴起的波浪；4)小块碎冰被水流带动发生漂移，远离船体至2侧冰层下方。此外，根据整个航道运动时间计算，可粗略获得船模的平均速度，计算表明在图7(b)工况中船模平均速度为0.538 m/s，而图7(a)工况中船模平均速度为0.551 m/s。可见开启气泡辅助破冰系统后，整体运动时间略有缩短，船模平均运动速度略有增大，整体阻力有所减低。

2.3 气泡辅助破冰机理分析

考虑到冰-水-气泡-船模多介质相互作用耦合问题的复杂性，本文将根据机理实验结果，从结构力学和流体力学2个方面分析。

从结构力学角度，如图8所示，气泡辅助破冰系统会产生大量上浮气泡，一部分气泡会漂浮到冰层下方而形成大量气泡腔。根据结构力学[11]知识，如图9所示，当没有气泡存在时，水对冰层的浮力支撑相当于弹性基础，此时船侧对于海冰的挤压相当于作用在弹性基础梁(板)上。对于具有水的支撑的三维板，根据模型的平衡条件建立平衡方程：

图8 气泡腔形成与分布Fig.8 Bubble cavities formation and distribution

图9 悬臂梁结构示意Fig.9 Cantilever beam structure diagram

式中：D为冰面的弯曲刚度；w为冰面挠度；ρ为水的密度；g为重力加速度；q为横向外载荷。

而当气泡在冰层底部形成了空气腔后，冰层的部分区域失去弹性支撑(水的支撑)，处于只有冰的重力和气体压力的作用，此时船侧对于海冰的挤压相当于作用在悬臂梁(板)上。对于无水的支撑的三维板，其平衡方程则变为：

通过求解平衡方程即能求得冰面的变形，从而计算冰面在不同外力作用下的承载能力。在相同轴向挤压载荷下，悬臂梁(板)破坏区域较之弹性基础梁大；或者达到相同的破坏区域，悬臂梁(板)模型所需要的轴向挤压载荷更小。这也给出了图7中有气泡时船舯前侧海冰环向裂纹半径明显大于没有气泡时的原因。

从流体力学角度，气体通过舭部气孔排入水中，沿舷侧形成一股强烈向上的气水混合流，会在船体附近形成较大兴波，如图10所示。气水混合流及其兴波将主要起到2方面作用：1)高速气水混合流和兴波将带走尺寸小的碎冰，令其漂移并远离船体至2侧冰层下方，减少小尺寸碎冰对于船体的摩擦阻力；2)尺寸较大的碎冰会在水流作用下“漂移-翻转-碰撞”，一些碎冰会沿舷侧向下滑移，但是此时船体和碎冰块之间存在气水混合流形成的润滑层，有效地降低大尺寸碎冰对船体的摩擦阻力，如图11所示。

图10 气泡兴波形态Fig.10 The shape of wave making by bubble flow

图11 气泡兴波减阻示意Fig.11 Drag reduction diagram of wave making induced by bubble flow

流体与结构2方面机理是同时存在并相辅相成的。相对而言，结构机理在船舯之前层冰区域起到更大作用，流体机理在船舯之后碎冰区域起到更大作用。这将对后期喷口位置的布置和设计起到很大的指导作用。

3 参数变化影响研究

本节对参数变化如冰厚、气体流量、平整冰层及浮冰区域等进行观测分析。分析的原则是采用控制变量法，即讨论某一变量时，保持其他变量不变。

3.1 冰厚h

选择Q=5 L/min，平整冰区域，依次改变冰厚h为2、2.5和3 mm(即实验组次4、5、6)。众所周知，船舶航行冰阻力随冰厚的增大急剧增加[12-13]，当冰厚过大时，船舶的破冰模式将从连续式破冰转变为冲撞式破冰[14]。在本机理实验中，也观察到类似的现象。当冰厚不超过2.5 mm时，船模可连续破冰，同等气体流量下，冰厚越小，平均航行速度越快。而当冰厚取3 mm时，船模则难以通过连续式破冰法破坏冰层，而是需要采用冲撞式破冰，即拉开船模后退一定距离对冰层进行冲撞，一次未能成功的情况下，再次倒退一段距离继续发起冲撞，直至冰层破裂，航道开辟。该模式下船头会翘起，船舶前半部分驶上冰面，然后利用自身重力压碎冰面，如图12所示。此时船艏至船肩位置会产生半径较连续破冰模式下更大的环向裂纹，因为此时海冰以弯曲破坏模式为主。冲撞破冰模式下，除了上述的减阻机理外，上浮的气泡还会带大量的水漫过破碎的冰层表面，在冰层与船体之间形成流体润滑层，起到额外减阻作用，如图12所示。

图12 冲撞式破冰船艏冲上冰面瞬间Fig.12 The moment of the bow rushing onto the ice

3.2 气体流量Q

选择h=2 mm，平整冰区域，依次改变Q为5和15 L/min(即实验组次4、7)。通过观察对比发现不同的气体流量对于实验的影响主要存在以下3个方面：1)气体流量大实验组水面波纹的运动也比较剧烈，更好的兴波能力意味着能更好地冲开浮冰，取得更优的清冰效果；2)气体流量大时可以显著观测到更多的气泡滞留在冰层以下并逐渐扩散开，在船体周围形成的气体空腔体积也更大；3)通过冰层的破坏轨迹可以发现，气体流量大的实验组冰层破坏时所形成的环向裂纹半径明显大于气体流量较小实验组，这与第2点是直接关联的。

3.3 平整冰层与碎冰区域

选择h=3 mm，Q=5 L/min，冰面依次选为平整冰层和碎冰区域(即实验组次6、11)，如图13所示，碎冰航道已由人工对海冰进行了预切割。通过观测发现，船模在碎冰航道行驶时，舷侧船舯以后碎冰块的运动模式与平整冰面较为接近，而船艏和肩部区域浮冰所发生的运动则与平整冰层完全不同。碎冰航道中，船艏和船肩区域的浮冰大致发生3种运动：1)比较碎小的冰块，受到船体的撞击获得动能向远处漂移或者直接沿着船身滑走；2)中等体积的碎冰，和船头撞了一下后，被船头推着走一段距离，直到遇到其他冰块的干扰或者堆积过高，则会偏向某一舷侧；上述2个过程中冰块未发生再一次破碎；3)较大的冰块，会与船体的碰撞发生劈裂，再次破碎成更小尺寸的碎冰，一般这样的冰块后面还有其他冰块的挤压，导致它自身无处可躲，只能硬生生被船头撞裂。在本文的实验中发现，上述3种情况都会出现，而出现的概率与碎冰的密集度和冰块大小等都有关系，不在本文讨论范畴。