摘要
近年来，北极地区越来越受到人们的关注，目前极地破冰设备还有很大的局限性，气垫破冰平台便通过其优秀的破冰和运载能力应运而生。关于高速模式气垫破冰的相关研究已经很深入，对气垫兴波破冰的各种模拟分析已经很完备，而对于运用低速原理破冰的气垫破冰平台的相关研究还非常少。气垫设备在各种航态下的数值仿真和模型试验已经很充分，但还没有对于气垫破冰设备在碎冰中航行的研究。本文将在上述研究的基础上，对气垫破冰平台的破冰能力进行计算研究。 本文首先对数值模拟中CFD控制方程与湍流模型、初始条件及边界条件、VOF方法这些基本原理进行简述。再分析气垫平台垫升状态，气垫平台在垫升时，PC—Q—h形成了一个稳定的平衡。基于这个气垫平台垫升原理，对气垫破冰平台进行建模，模拟其在静水中无冰和有冰状态下，在其底部形成气腔的形态。通过改变气垫气压及气垫尺寸，分析其在无冰状态下气腔变化规律。再改变冰与平台的相对位置，分析平台在冰上不同驶过距离时气腔的变化规律。 气垫破冰船在低速时破冰，相当于静止在冰面上，都是由PC—Q—h构成动平衡的垫升。根据气垫平台低速破冰原理，将冰层的部分区域可以看作一个悬臂梁，失去水的弹性支撑，处于只有冰的重力作用和气垫压力的作用。运用STAR-CCM+数值模拟气垫平台驶过冰层的情况，对不同工况进行冰层响应研究，并进行气垫破冰平台破冰能力分析。进行气垫平台在碎冰中航行阻力的计算，用数值模拟的方法求得不同工况的阻力值后，利用公式及模型试验进行验证，实现了气垫平台低速破冰能力的预报。 由于在气垫破冰平台的设计中要在考虑破冰性能的同时兼顾其经济性，综合考虑气垫破冰平台破冰能力研究结果及碎冰中航行阻力研究结果，对气垫平台的各种参数进行多目标优化。优化目标为破冰性能及阻力性能，优化参数为气垫压力及气垫平台尺寸，运用响应面法构建数学模型，并绘制了平台尺度、气垫压力、冰层应力响应、破冰能力、碎冰阻力图谱，完成了平台尺度方案优选。
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