冰缘区船舶与波浪及海冰耦合作用研究与进展.pdf

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1、58卷第2期（总第222期）中国造船Vol.58No.2（SerialNo.222）2017年6月SHIPBUILDINGOFCHINAJun.2017文章编号：1000-4882（2017）02-0240-12冰缘区船舶与波浪及海冰耦合作用研究与进展骆婉珍，郭春雨，苏玉民，张海鹏（哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001）摘要随着北极地区政治、军事、经济意义的日益上升，途经北极航线的必经之地极地冰缘区的研究得到重视。论文针对冰缘区船舶、波浪、海冰相互作用问题，总结归纳了国内外对船舶与海冰、波浪与海冰及船舶-波浪-海冰理论数值模拟和试验研究现状，强调了冰缘区相关研究的重要性，并介

2、绍了本团队在国内首次开展的船舶-波浪-碎冰作用船模试验，很好地观测到碎冰在波浪及船舶共同作用下的翻转、堆积和重叠等一系列现象，为冰缘区相关试验研究奠定了基础，并展望了今后冰缘区研究方向。关键词：冰缘区；船舶；波浪；海冰+中图分类号：U661.311文献标识码：A0引言地球北极地区蕴藏着丰富的石油、天然气以及矿产资源，是重要的能源和资源基地。随着全球气候变暖，极地冰川融化，冰区覆盖面积减少，两极地区尤其是冰缘区的开发研究工作越来越受到相关国家的重视。位于北半球的中国，走北极航道可以大大缩短航线距离，节省大量的人力、物力及时间。船舶在穿越北极航线，从开阔水域进入冰区时，要经过一个过渡区域，

3、被称为极地冰缘区。极地冰缘区（marginalicezone，简称MIZ）是指最靠近开阔水域的冰区，是海冰与开阔水域交界的区域，也是受波浪影响最直接的区域，该区域处的海冰主要以碎冰的状态存在。波浪对海冰的影响主要发生在冰缘区，即海冰与开阔水域的交界处，是决定冰缘区形态结构的主要因素，冰缘区划分如图1所示。（1）在靠近冰缘线处较短的距离内（约60km），冰块非常小并保持较均匀的尺寸（直径约0.lm）。（2）然后在较长的一段距离内（约190km），冰块大小逐渐增加（直径从0.5m至8m）。（3）随后在距离大于190km时，冰块尺寸突然增大到100m甚至更大。浮冰中央浮冰区冰缘区开阔水域区图

4、1冰缘区划分收稿日期：2016-06-20；修改稿收稿日期：2017-05-05基金项目：国家自然科学基金（41176074，51209048，51379043，51409063）；工信部高技术船舶科研项目（G014613002）；哈尔滨工程大学青年骨干教师支持计划（HEUCFQ1408）58卷第2期（总第222期）骆婉珍，等：冰缘区船舶与波浪及海冰耦合作用研究与进展241破冰船、极地科考船、冰区运输船等冰区航行船舶在冰缘区的航行性能也成为研究工作的重点。研究冰缘区海冰的形状尺寸和物理性质、波浪的能量与衰减特性，船-冰-桨与波浪的相互作用过程，对于研究船舶在冰缘区的航行性能有着重要的意

5、义。1海冰与波浪作用研究波浪对海冰的影响主要集中在冰缘区，在远离边缘区的地方，波浪作用可以忽略。波浪与海冰的相互作用研究有以下几方面：海冰影响波浪的传播，会有消波现象产生，波浪会发生耗散，沈奚海莉在文献[1]中介绍了四种消波理论；其次，波浪对海冰的运动也会有影响，包括海冰的生成、破碎、碰撞、堆积等。1.1冰缘区波浪传播过程中的衰减和反射早期对波浪与海冰作用的理论研究把海冰想象成单个不相关浮体，从而研究海浪长波进入冰盖下的变化，但是没有解释消波的现象。之后的研究中海冰被当成弹性或粘弹性连续体,由于粘性的考虑,消[1]波的观念也开始有了数学模型。波浪在冰盖下的传播模型主要有三种，其理论研究

6、的重点，数值模型的应用范围或适用的海冰对象不尽相同。质量荷载模型主要适应于不连续的荷叶冰区；弹性薄板模型适用于连续冰盖区；粘性层模型主要适用于油脂冰区，粘-弹性模型可适当改变系数适用于整个冰缘区。[2][3]质量荷载模型最早由Peters（1950）和Weitz与Keller（1950）提出并发展，将浮冰假定为一系列不[4]相干的离散质量点，以建立冰区波浪色散关系的数值计算模型。弹性薄板模型（Wadhams，1986）假设冰盖面是一个很薄但均匀的弹性薄板，所以可采用弹性薄板弯曲理论。粘性层模型最先由Keller[5]（1998）推导并提出，海冰被假设为一层粘性流体，而海水则假设为无粘流

7、体。通过在海冰-海水和海冰-空气交界面处进行垂向速度和应力的匹配获得交界面的边界条件，并由此获得波浪的色散关系。在[6]此基础上，DeCarolis和Desiderio（2002）考虑了海水的粘性而发展出了双层粘性流体模型。2010年，[7]Wang和Shen发展了一种粘-弹性模型而将上述三种模型一般化，用于预测整个冰缘区不同海冰类型情况下波浪的传播。实际上，粘-弹性模型与粘性模型的思路是类似的，但是有效粘性系数不同，粘-弹性模型中考虑了海冰有