摘要
随着全球气候不断变暖，北极地区的海冰加速融化，北极通航逐渐成为常态化。由于北极特殊的地理位置，环境较为恶劣，船舶在航行过程中可能会与冰山和冰脊等发生碰撞，导致船体表面破损，舱室进水。舱室大量进水会对船舶的浮态造成影响，对船上人员安全和船舶设备造成威胁。碎冰会影响船舶的运动和周围的流场，使得整个进水过程更为复杂。因此，本文基于计算流体动力学方法和离散元方法，对碎冰区航行船舶破舱进水过程展开研究。 首先，基于计算流体动力学方法对箱型驳船的破舱进水过程进行数值模拟，选取模型试验中的固定状态底部破损和自由漂浮状态下侧面破损两种工况进行计算。通过设置水位探头来监测舱内液面高度，数值模拟得到的舱内液面高度和运动响应结果与模型试验结果吻合良好，误差较小，验证了本文数值模拟方法的准确性。 其次，基于离散元方法，利用离散元模型来模拟碎冰，考虑碎冰分布的随机性，确定碎冰参数矩阵，并通过喷射器在流体计算域中生成碎冰模型。通过建立船-冰-水耦合模型对集装箱船在碎冰区的航行阻力进行模拟，并将模拟结果与模型试验结果进行对比，验证了该耦合模型的准确性。选取冰区多用途船和船型核电平台作为研究对象，利用欧拉多相流结合离散元方法模拟了两艘船在碎冰区航行时的破舱进水过程，并与无冰水域航行时的破舱进水过程进行了对比分析。碎冰对于进水过程中船舶的运动具有扰动作用，冰区多用途船受到的扰动作用更为明显。 然后，基于上述数值模拟方法分析了船舶航速、碎冰密集度对冰区多用途船破舱进水过程的影响。研究发现，航速越大，横摇角在稳定阶段的振荡幅度越小，纵摇角越小，垂荡值越大，船体下沉越多，但航速对破损舱室进水量影响较小。进水过程中的横摇最大值随着碎冰密集度的增加而逐渐增加，碎冰密集度对船体纵摇和垂荡运动响应以及舱室进水量的影响较小。 最后，基于三维数值波浪水池分析了不同波高对船型核电平台破舱进水过程的影响。研究发现，随着波高的增大，船体三自由度运动幅值增大，单位时间进水质量流量的振荡幅度增大，破损舱室最终进水量也随之增大。基于上述数值仿真方法模拟了碎冰流入破损舱室的过程，并分析了碎冰形状和波浪对破舱进冰过程的影响。研究结果可为碎冰区航行船舶发生破损事故后有效减损和浮态控制提供参考。
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