摘要
随着全球气候变暖，碎冰逐渐成为极地船舶航行时所遭遇的主要冰情之一。船舶与碎冰相互作用过程十分复杂且影响因素众多，碎冰分布和冰区环境呈现显著随机性与差异性。因此，亟需开展船舶在此环境中碎冰阻力的准确预报，进一步认识和明确冰阻力的形成机理及其影响规律，以确保船舶的安全和经济航行。针对上述问题，本文开展碎冰区航行船舶冰阻力数值模拟分析及其影响规律的研究。采用基于计算流体力学（CFD）和离散元法（DEM）的耦合方法，建立了充分考虑多体碰撞、流体近场粘性效应和自由液面变形的船-冰-水耦合数值模型，实现了对非冻结模型冰场中船舶与碎冰相互作用过程的有效模拟。同时从时域、频域两个角度分析船舶在水平方向上的冰载荷时历曲线的变化特点，并使用无量纲处理和修正 Morris 方法分析平均冰阻力对不同影响参数的敏感度，为冰阻力预报和极地船舶设计提供技术参考。本文的主要工作包括以下几个方面： （1）对本文使用的 CFD-DEM 数值耦合方法的基本理论展开介绍，归纳总结了流体相中的不可压缩流体控制方程、SST k-ω模型及VOF方法，同时，详细描述了固体相中的颗粒运动方程、船-冰-水耦合问题中的几种相间相互作用关系及线性弹簧接触模型。此外，对采用单向耦合CFD-DEM方法模拟碎冰区船舶航行过程的几个关键求解流程进行梳理。 （2）从基本试验条件、船模主要参数、冰模型设计与制备等方面展开论述，详细介绍了基于非冻结模型冰的常温水池试验。并说明了试验设计工况中航速、冰形状、冰尺寸及冰密集度的选取情况。在此基础上，采用CFD-DEM耦合方法开展多形状碎冰分布场中船舶航行冰载荷数值模拟，计算得到冰载荷时历曲线及其稳定区间的平均冰阻力，并与试验测量值进行对比，验证数值预测模型的有效性。此外，对船-冰-水复杂耦合作用过程进行具体分析，揭示了碎冰与船体碰撞后的运动特性及相互作用过程的三个主要阶段。研究发现船舶尾迹场特征以及多视角下的典型场景图与试验观测结果高度吻合，进一步说明所建立数值模型的准确性。 （3）基于上述搭建的数值模型开展了不同参数对冰阻力的敏感性研究。重点聚焦于三类参数：航行条件（船速、冰密集度），冰特征（冰厚、冰尺寸、冰形状）以及接触模型（摩擦系数、恢复系数）。对各工况下的纵向冰载荷时历曲线进行数据处理，并开展时域和频域分析，结合船舶与碎冰相互作用过程，揭示冰阻力随影响参数变化规律及形成机理。为评估不同参数对碎冰区船舶航行的相对重要性，将平均冰阻力随参数变化规律进行无量纲化处理，通过对比曲线走势可定性推测各参数对冰阻力的影响能力大小。在此基础上，采用修正Morris方法进一步定量分析了参数敏感性，为实际极地船舶运营改进提供支持与参考。
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