冰水槽內氣泡輔助破冰系統的機理實驗研s究

倪寶玉， 郭鵬杰， 薛彥卓

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著氣候變暖，極地冰蓋逐漸融化，極地和冰區(qū)的活動越來越引起人們的關注。極地破冰船在北極航道引航、極地資源開發(fā)、兩極科考等方面都承擔著難以替代的重要作用。為此，研究人員一直致力于提升破冰船在惡劣冰況中的破冰能力和運動性能[1]。除了優(yōu)化破冰船體線型，增加輔助破冰系統也是提升破冰船破冰能力的有效手段之一。目前極地破冰船較為流行的輔助破冰系統包括快速傾斜系統、沖水系統、氣泡輔助破冰系統等[2]，其中氣泡輔助破冰系統是目前成功應用于美、俄、加等國包含核動力破冰船的技術之一[3]。

氣泡最早應用于船舶方面當屬氣泡減阻系統，McCormick等[4]進行了回轉體的氣泡減阻實驗。此后，越來越多的研究者對此進行了大量理論和實驗研究[5-6]。氣泡減阻系統又可細分為微氣泡減阻系統和氣層減阻系統[7]。但從本質上講，都是借助氣體密度低于水，從而通過噴射氣體降低物體與水之間的摩擦阻力。氣泡輔助破冰系統最早由芬蘭瓦錫蘭集團于1967年設計[2]，盡管也旨在通過氣水混合流減少船體與冰塊或積雪之間的摩擦，但與氣泡減阻系統需要相對穩(wěn)定的水氣接口不同，氣泡輔助破冰系統強迫壓縮空氣，通過一系列靠近船底間隔排列著的噴嘴噴出，當空氣以氣泡的形式沿船體上浮時，會產生一股強烈的水氣混合激流，形成船體與冰塊之間的潤滑層。

盡管氣泡輔助破冰系統已有應用，但是鑒于各種原因，關于氣泡輔助破冰的相關研究卻十分少見，我國尚未開展相關研究。目前公開發(fā)表的文獻幾乎沒有關于氣泡輔助破冰的機理研究和實驗研究，這使得氣泡輔助破冰系統與海冰相互作用機理尚不完全明了。例如，盡管氣水混合物可以減少船體與冰塊或積雪的摩擦，但氣泡如何從船艏及船舷噴出上浮，氣泡、水、海冰如何相互作用而導致海冰加速碎裂等機理問題仍有待進一步揭示。為此，本文通過設計船模和氣泡輔助破冰系統模型在小型冰水槽中進行一系列機理實驗，觀測氣泡輔助破冰系統開啟前后船模破冰模式和航行阻力的變化，并基于實驗測試結果，分析氣泡輔助破冰系統與海冰相互作用機理。這里需要說明的是，盡管本文實驗所采用的小尺度船模由原型船縮尺得到，但氣泡輔助系統并不是縮比得到的，所以本文的實驗研究是機理實驗而非縮比實驗。這一方面是由于氣泡輔助破冰系統我國并無原型數據可參照，另一方面我國在此方面尚無技術儲備，此階段進行機理實驗掌握氣泡輔助破冰機理更重要。故本文旨在機理探討，關注氣泡與冰層破壞的耦合關系，暫不考慮尺度效應等問題。

1 機理實驗概況

1.1 實驗設施

此次實驗是依托哈爾濱工程大學低溫實驗室完成的。實驗室低溫區(qū)域面積 22 m2，用于進行機理實驗的小型冰水槽長3 m、寬 1.5 m、深0.9 m，如圖1所示。實驗室制冷系統主要設備包括壓縮機組、冷風機，并通過特別設計的均壓送風頂棚對低溫冰池室內的空氣降溫，可控制制冷量、溫降速度和室內風速，從而可對實驗中的制冷溫度在0 ℃～-25 ℃范圍內進行調節(jié)控制。實驗冰層在冰水槽內直接制備，厚度通過調節(jié)低溫實驗室溫度控制。機理實驗所采用淡水冰楊氏模量約為5.83 GPa、泊松比為0.33、密度為900 kg/m3，物理性質略不同于海水冰，但仍然可以在冰層的破壞模式、冰載荷特征等關鍵性問題的模擬上與海冰保持一定的相似性。

圖1 步入式低溫實驗室和小型冰水槽照片Fig.1 Photos of walk-in cold room and ice water tank

1.2 實驗模型

盡管本文為機理實驗，為更接近真實情況，仍選定“雪龍?zhí)枴逼票蜑楸緳C理實驗的船模原型。對雪龍?zhí)柎透鶕缀蜗嗨平⒋?，幾何縮比選為1∶200，模型的主要尺寸為總長83.5 cm、垂線間長73.6 cm、型寬11.3 cm、型深6.8 cm、設計吃水4.1 cm。

船模內部安裝氣泡輔助破冰系統，如前所述，此系統為本文自主設計，并無原型數據可參考，故不是縮比實驗。從船艉至船艏依次裝配為電源、導線、氣泵、控制氣閥、穩(wěn)壓分流氣瓶、導氣管、單向閥門、氣體發(fā)生頭。在船體舷側底部開有與導氣管銜接的氣孔，氣孔分布示意圖如圖2所示。氣體離開噴氣孔沿船體向上運動，與此同時氣泡膨脹，遂在其流動方向上形成一股強烈的氣水混合流。

注：1.船體外殼；2.水面或是冰面；3.噴氣孔，等距離布置在舷側及船艏靠近船底位置，即舭部附近；4.氣泡。圖2 噴口布置示意Fig.2 Sketch of the arrangement of nozzles

整個模型設計效果圖和實際制作圖如圖3所示，船模由樹脂材質經3D打印制作，實際制作達到了預期設計效果。

圖3 模型設計效果及實際制作Fig.3 Design visualiser and photo of real product

1.3 實驗步驟

圖4給出了實驗裝置原理圖，可見實驗裝置由船模、實驗冰水槽、2只定滑輪、鋼纜、砝碼和攝影機等組成。在小型冰水槽的一側安裝有定滑輪，可實現由砝碼拖曳船模破冰航行，船模驅動力由砝碼重量承擔，本文稱之為重力拖曳式驅動裝置。船模、定滑輪與鋼纜均沿水槽寬度中線布置，攝影機需利用三腳架固定在鋼纜垂向上方，保證高度可以拍攝到左側起點船艏至右側池壁完整畫面，并且鏡頭稍向左側傾斜便于觀察船艏柱位置冰層破壞情況。

圖4 實驗裝置示意Fig.4 Schematics of experimental device

具體實驗步驟如下：

1)將低溫箱由制冷模式調節(jié)為實驗模式，進入低溫箱，用充電式手鉆在冰面選取3～4個測點鉆洞測量冰層厚度是否達到實驗要求。如未達到，退出低溫箱調至制冷模式繼續(xù)等待冰層結冰，之后重復此操作直至冰層厚度滿足該次實驗要求；

2)冰層厚度滿足要求后，利用電鉆及手鋸在冰水槽左側切割出船模大小的冰層取出，若是碎冰工況，還需人工將實驗區(qū)域冰層預切割；將本次實驗所用的模型放入相應的開口位置，調節(jié)壓載令船模至所需吃水；將船模穿過鋼纜并固定，調試鋼纜與砝碼位置令鋼纜處于緊繃狀態(tài)；

3)啟動攝影機開始錄制，之后釋放砝碼，船模開始運動，本次實驗開始。模型在砝碼重力驅動下根據預定工況運動，攝影機快速記錄整個破冰過程中船體運動及冰面變化情況；

4)當船模停止運動或者完成預定航段后，將砝碼取下，關閉攝影機，完成此次實驗；

5)在完成該模型在實驗所設計工況下的破冰運動后，將其從驅動裝置鋼纜的連接上取下，清除水漬并保存到實驗室預定位置。利用打撈網撈出水槽內所有浮冰，并加入等量預先經過降溫的冰水，保證水槽內水位基本不變。離開低溫箱，并將低溫箱由實驗模式調至制冷模式為下一次實驗做準備。

1.4 實驗工況

從是否有氣泡輸入角度而言，本機理實驗分為開啟和不開啟氣泡輔助破冰系統2大類，其中前者氣體輸入流量Q依次改變?yōu)?、15 L/min，后者即Q=0；從冰情角度而言，可分為平整冰層與碎冰區(qū)域2大類，其中前者冰厚h依次改變?yōu)?、2.5、3 mm，后者冰厚僅選取h=3 mm；所有組次砝碼重量均選取350 g。共計實驗12個組次，各組次下的實驗工況及參數在表1中列出。

表1 實驗條件及參數Table 1 Experimental conditions and parameters

2 典型工況結果分析

本節(jié)對實驗典型工況結果進行分析，首先分別選擇關閉和開啟氣泡輔助系統的工況，對比分析是否開啟氣泡輔助系統的實驗結果，其中開啟氣泡輔助系統選擇Q=15 L/min為例，冰況選擇平整冰層，冰厚統一選取為h=2 mm(即實驗組次1、7)。在此基礎上，探究冰層在有無氣泡2種類型下破壞模式的異同，對氣泡輔助破冰機理進行分析。

2.1 關閉氣泡輔助系統實驗

對于未開啟氣泡輔助系統的情況，采用攝影儀獲得的圖像，可觀察冰層的破壞軌跡及裂紋擴展情況?，F在根據船模典型位置，逐次分析冰層的破壞情況和破壞模式。

1)船艏區(qū)域。

圖5給出了船艏附近區(qū)域冰層的破壞情況。一方面，可觀測到船艏附近出現了尺寸較大的環(huán)向裂紋，如圖5中白色環(huán)狀曲線所示。環(huán)狀裂紋最遠可出現在1/4左右船長處，環(huán)狀裂紋主要是由于傾斜船艏導致海冰發(fā)生彎曲破壞；另一方面，在船頭會發(fā)現許多尺寸極小的碎冰塊，如圖5中圓圈標注所示。這些碎冰塊在船艏柱附近形成了一定程度的堆積，這些極小的浮冰碎塊主要是冰層與船體作用發(fā)生擠壓破壞和屈曲破壞的主要特征。由此可見，冰層在船艏區(qū)域破壞的主要模式是彎曲破壞、擠壓破壞和屈曲破壞等多種模式混合[8]。

圖5 船艏區(qū)域碎冰情況Fig.5 Broken ice around the bow

2)船肩區(qū)域。

當船模繼續(xù)向前移動時，從動態(tài)影像中，可以觀測到海冰從船艏區(qū)域到船肩區(qū)域的典型變化如下：一方面，上述的環(huán)狀裂紋會大面積拓展，船艏區(qū)域向船舷過渡的船肩部位存在明顯的二階裂紋軌跡[9]，該裂紋出現位置恰好與上一時刻船艏附近冰層發(fā)生擠壓-屈曲破壞的區(qū)域邊界相對應。表明圍繞船體艏柱所產生的環(huán)向裂紋在船體運動過程中發(fā)生了二次彎曲破壞；另一方面，上一時刻因船艏擠壓-屈曲破壞所產生的碎冰塊隨著船體的前進，在船體肩部附近發(fā)生滑移、翻轉運動被壓入水下，進而漂移向船體兩側未被破壞的冰蓋下方。

3)舷側區(qū)域。

圖6給出了運動過程中某2個時刻舷側附近區(qū)域冰層的破壞情況。一方面，舷側附近會形成緊貼舷側較窄的環(huán)狀裂紋，如圖6中白色環(huán)狀曲線所示，該裂紋逐漸變小，通常到船舯位置就不再明顯；另一方面，航道中的碎冰隨著船體前進發(fā)生“滑移-碰撞-翻轉等過程”[10]，最終碎冰會被船體壓入水下漂移至冰層下方或者船體后方的敞水區(qū)域，也有一部分尺寸較大的碎冰塊會在航道2側發(fā)生重疊堆積。

圖6 舷側區(qū)域冰層破壞情況Fig.6 Broken ice around the side shell

2.2 開啟氣泡輔助系統實驗

圖7(a)給出了開啟氣泡輔助破冰系統的情況下冰層破壞情況，觀測發(fā)現在有氣泡輔助的情況下平整冰層的破壞模式與無氣泡的船模實驗破壞模式相似，同樣是多種破壞模式混合的復雜進程：船艏處出現極小碎冰塊的堆積以及圍繞船體艏柱的環(huán)狀裂紋，船肩部位2次彎曲破壞引起的環(huán)向裂紋，舷側的圓環(huán)狀裂紋以及翻轉堆棧的碎冰等。

圖7 有無氣泡輔助破冰情況下冰層破壞情況Fig.7 The destruction of level ice with and without the air bubbles

為了對比有無氣泡輔助情況下，圖7(b)給出了相同情況不開啟氣泡輔助破冰系統的情況下冰層破壞情況。對比可見，開啟氣泡輔助破冰系統后，有以下4點典型變化：1)在冰層底部，會捕獲大量上升氣泡形成的氣泡腔，如圖7(a)中圓圈標注所示；2)環(huán)向裂紋半徑明顯大于未開啟氣泡輔助系統的實驗值；3)水面興波較未開啟氣泡輔助系統的情況更明顯，從船體的側面流動，可以觀察到在靠近船體的位置，會形成一個脊狀水面繼而向遠離船體方向擴散，即由氣泡興起的波浪；4)小塊碎冰被水流帶動發(fā)生漂移，遠離船體至2側冰層下方。此外，根據整個航道運動時間計算，可粗略獲得船模的平均速度，計算表明在圖7(b)工況中船模平均速度為0.538 m/s，而圖7(a)工況中船模平均速度為0.551 m/s?？梢婇_啟氣泡輔助破冰系統后，整體運動時間略有縮短，船模平均運動速度略有增大，整體阻力有所減低。

2.3 氣泡輔助破冰機理分析

考慮到冰-水-氣泡-船模多介質相互作用耦合問題的復雜性，本文將根據機理實驗結果，從結構力學和流體力學2個方面分析。

從結構力學角度，如圖8所示，氣泡輔助破冰系統會產生大量上浮氣泡，一部分氣泡會漂浮到冰層下方而形成大量氣泡腔。根據結構力學[11]知識，如圖9所示，當沒有氣泡存在時，水對冰層的浮力支撐相當于彈性基礎，此時船側對于海冰的擠壓相當于作用在彈性基礎梁(板)上。對于具有水的支撐的三維板，根據模型的平衡條件建立平衡方程：

圖8 氣泡腔形成與分布Fig.8 Bubble cavities formation and distribution

圖9 懸臂梁結構示意Fig.9 Cantilever beam structure diagram

式中：D為冰面的彎曲剛度；w為冰面撓度；ρ為水的密度；g為重力加速度；q為橫向外載荷。

而當氣泡在冰層底部形成了空氣腔后，冰層的部分區(qū)域失去彈性支撐(水的支撐)，處于只有冰的重力和氣體壓力的作用，此時船側對于海冰的擠壓相當于作用在懸臂梁(板)上。對于無水的支撐的三維板，其平衡方程則變?yōu)椋?/p>

通過求解平衡方程即能求得冰面的變形，從而計算冰面在不同外力作用下的承載能力。在相同軸向擠壓載荷下，懸臂梁(板)破壞區(qū)域較之彈性基礎梁大；或者達到相同的破壞區(qū)域，懸臂梁(板)模型所需要的軸向擠壓載荷更小。這也給出了圖7中有氣泡時船舯前側海冰環(huán)向裂紋半徑明顯大于沒有氣泡時的原因。

從流體力學角度，氣體通過舭部氣孔排入水中，沿舷側形成一股強烈向上的氣水混合流，會在船體附近形成較大興波，如圖10所示。氣水混合流及其興波將主要起到2方面作用：1)高速氣水混合流和興波將帶走尺寸小的碎冰，令其漂移并遠離船體至2側冰層下方，減少小尺寸碎冰對于船體的摩擦阻力；2)尺寸較大的碎冰會在水流作用下“漂移-翻轉-碰撞”，一些碎冰會沿舷側向下滑移，但是此時船體和碎冰塊之間存在氣水混合流形成的潤滑層，有效地降低大尺寸碎冰對船體的摩擦阻力，如圖11所示。

圖10 氣泡興波形態(tài)Fig.10 The shape of wave making by bubble flow

圖11 氣泡興波減阻示意Fig.11 Drag reduction diagram of wave making induced by bubble flow

流體與結構2方面機理是同時存在并相輔相成的。相對而言，結構機理在船舯之前層冰區(qū)域起到更大作用，流體機理在船舯之后碎冰區(qū)域起到更大作用。這將對后期噴口位置的布置和設計起到很大的指導作用。

3 參數變化影響研究

本節(jié)對參數變化如冰厚、氣體流量、平整冰層及浮冰區(qū)域等進行觀測分析。分析的原則是采用控制變量法，即討論某一變量時，保持其他變量不變。

3.1 冰厚h

選擇Q=5 L/min，平整冰區(qū)域，依次改變冰厚h為2、2.5和3 mm(即實驗組次4、5、6)。眾所周知，船舶航行冰阻力隨冰厚的增大急劇增加[12-13]，當冰厚過大時，船舶的破冰模式將從連續(xù)式破冰轉變?yōu)闆_撞式破冰[14]。在本機理實驗中，也觀察到類似的現象。當冰厚不超過2.5 mm時，船?？蛇B續(xù)破冰，同等氣體流量下，冰厚越小，平均航行速度越快。而當冰厚取3 mm時，船模則難以通過連續(xù)式破冰法破壞冰層，而是需要采用沖撞式破冰，即拉開船模后退一定距離對冰層進行沖撞，一次未能成功的情況下，再次倒退一段距離繼續(xù)發(fā)起沖撞，直至冰層破裂，航道開辟。該模式下船頭會翹起，船舶前半部分駛上冰面，然后利用自身重力壓碎冰面，如圖12所示。此時船艏至船肩位置會產生半徑較連續(xù)破冰模式下更大的環(huán)向裂紋，因為此時海冰以彎曲破壞模式為主。沖撞破冰模式下，除了上述的減阻機理外，上浮的氣泡還會帶大量的水漫過破碎的冰層表面，在冰層與船體之間形成流體潤滑層，起到額外減阻作用，如圖12所示。

圖12 沖撞式破冰船艏沖上冰面瞬間Fig.12 The moment of the bow rushing onto the ice

3.2 氣體流量Q

選擇h=2 mm，平整冰區(qū)域，依次改變Q為5和15 L/min(即實驗組次4、7)。通過觀察對比發(fā)現不同的氣體流量對于實驗的影響主要存在以下3個方面：1)氣體流量大實驗組水面波紋的運動也比較劇烈，更好的興波能力意味著能更好地沖開浮冰，取得更優(yōu)的清冰效果；2)氣體流量大時可以顯著觀測到更多的氣泡滯留在冰層以下并逐漸擴散開，在船體周圍形成的氣體空腔體積也更大；3)通過冰層的破壞軌跡可以發(fā)現，氣體流量大的實驗組冰層破壞時所形成的環(huán)向裂紋半徑明顯大于氣體流量較小實驗組，這與第2點是直接關聯的。

3.3 平整冰層與碎冰區(qū)域

選擇h=3 mm，Q=5 L/min，冰面依次選為平整冰層和碎冰區(qū)域(即實驗組次6、11)，如圖13所示，碎冰航道已由人工對海冰進行了預切割。通過觀測發(fā)現，船模在碎冰航道行駛時，舷側船舯以后碎冰塊的運動模式與平整冰面較為接近，而船艏和肩部區(qū)域浮冰所發(fā)生的運動則與平整冰層完全不同。碎冰航道中，船艏和船肩區(qū)域的浮冰大致發(fā)生3種運動：1)比較碎小的冰塊，受到船體的撞擊獲得動能向遠處漂移或者直接沿著船身滑走；2)中等體積的碎冰，和船頭撞了一下后，被船頭推著走一段距離，直到遇到其他冰塊的干擾或者堆積過高，則會偏向某一舷側；上述2個過程中冰塊未發(fā)生再一次破碎；3)較大的冰塊，會與船體的碰撞發(fā)生劈裂，再次破碎成更小尺寸的碎冰，一般這樣的冰塊后面還有其他冰塊的擠壓，導致它自身無處可躲，只能硬生生被船頭撞裂。在本文的實驗中發(fā)現，上述3種情況都會出現，而出現的概率與碎冰的密集度和冰塊大小等都有關系，不在本文討論范疇。

圖13 碎冰區(qū)域實驗Fig.13 Experiments in broken ice area

此時，氣泡輔助破冰系統的主要工作機理是流體角度，即氣水混合流一方面將部分碎冰吹走，同時在船體和碎冰塊之間形成一層潤滑層，從而有效地降低碎冰對船體的摩擦阻力。

4 結論

1)通過機理實驗觀測到了開啟氣泡輔助破冰系統后冰層下氣泡腔的形成和海冰環(huán)狀裂紋的擴張，從結構力學角度闡述了氣泡輔助破冰機理之一：氣泡腔破壞了海水對于海冰的彈性支撐，形成了懸臂梁(板)模型，從而可減小破冰阻力；

2)通過機理實驗觀測到了開啟氣泡輔助破冰系統后氣水混合流和氣泡興波現象，從流體力學角度闡述了氣泡輔助破冰機理之一：氣水混合流和興波吹走了部分小體積碎冰，同時在船體和碎冰塊之間形成一層潤滑層，從而可減小摩擦阻力即清冰阻力；

3)初步研究了冰層厚度、氣體流量參數、冰況變化(平整冰和碎冰)等參數變化對于船模破冰模式和氣泡輔助破冰的影響。重點分析了冰層厚度較大時的沖撞式破冰模式以及碎冰區(qū)域中海冰與船體的相互作用過程，以及這2種情況下氣泡輔助破冰系統的主要工作機理。

在機理研究的基礎上，下一步一方面將研究氣泡內壓、尺寸、噴射速度、水深、流速等具體參數對破冰機理的影響，另一方面有望在室外冰水池進行縮比實驗，深入探討相似準則和比尺效應等問題。