冰区船舶在层冰与碎冰区航行数值模拟方法研究

发布时间：2020-06-14 13:22

【摘要】：近年来,随着全球气候的变暖,南北两极的冰川日益消融,一条“传说中的航道”——北极航道的开通逐渐由梦想变为现实。冰区船舶迎来了前所未有的发展机遇。冰区船舶的破冰原理、航行特点、冰载荷等方面已成为研究热点。而冰区船舶与层冰和碎冰的相互作用是航行过程中的常见情形,也是本文的研究重点。本文的工作主要包括如下五方面:(1)研究冰区船舶的航行特点。基于MMG分离建模思想,建立包含冰载荷、惯性类流体动力、粘性类流体动力、螺旋桨推力、舵力的MMG破冰运动方程组。(2)研究海冰的破坏形式。分析船-冰接触面倾角对海冰破坏形式的影响,建立海冰的动态弯曲破坏模型与挤压破坏模型,确定两种破坏形式在船-冰接触过程中发生的时机、部位、转换关系,提出更加真实的船-冰作用模型。(3)研究海冰的断裂过程。分析海冰的弹性弯曲与二次断裂对破冰力的影响,引入动态弯曲破坏准则与挤压破坏准则,分析加载速率对海冰极限弯曲载荷的影响,提出更加完善的冰载荷数值预报方法。(4)模拟冰区船舶在层冰区航行。使用MATLAB对冰区船舶在层冰区的自由直航与自由回转运动进行数值模拟,并验证数值模拟方法的准确性。在此基础上,研究层冰的破坏准则与二次断裂对数值模拟结果的影响,分析艏部参数对破冰能力的影响。(5)模拟冰区船舶在碎冰区航行。基于离散元思想,使用PFC和MAXSURF对冰区船舶在碎冰区的匀速直航运动进行数值模拟,并结合现有的碎冰阻力模型试验,验证数值模拟方法的准确性。在此基础上,研究航速与冰况对碎冰阻力的影响。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U675.57
【图文】：

航道,北极

第１章绪论逡逑１．１课题背景与研究意义逡逑近年来，随着全球气候的变暖，南北两极的冰川日益消融。如图１．１所示，２０１２年逡逑的北极海冰面积相比１９８０年锐减了近５０％，预计未来２０年内将出现夏季无冰的现象。逡逑（ａ）邋１９８０邋年逦（ｂ）邋２０１２邋年逡逑图１．１北极海冰卫星图逡逑一条“传说中的航道”邋一一北极航道的开通逐渐由梦想变为现实。截至２０１８年，逡逑北极航道由两条航道组成，分别是大部分航段位于俄罗斯北部沿海的“东北航道”，以及逡逑大部分航段位于加拿大北极群岛水域的“西北航道”。如图１．２所示，北极航道是联系亚、逡逑欧、美三大洲的最短航道，相比传统的亚欧航道缩短了邋５０００？６０００ｋｍ，大幅降低了运逡逑营成本与潜在风险，必将对世界海运贸易格局产生深远影响，可谓新兴的“黄金航道”。逡逑中国己于２０１３年成为北极理事会正式观察员，正持续地在科研、环保等领域为北极事逡逑务贡献中国智慧与中国力量。逡逑＼＿美国西海库逡逑到白令海蚨逡逑ｉ逦／逡逑ｆ苏伊士运湃逦ｓ逡逑图１．２北极航道与传统航道逡逑北极地区蕴藏着大量的油气资源

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【参考文献】