冰水池发展现状及趋势

梁云芳，王迎晖，廖又明，吴鸿程

(中国船舶科学研究中心，江苏 无锡214082)

0 引 言

近年来，极地海洋资源的开发和极地航运技术的不断发展，推动了破冰船、极地科考船、冰区运输船、冰区海洋工程船等冰区船舶及冰区海洋结构物的设计开发，与之相关的冰区船舶性能研究成为船舶工业界及航运界关注的热点问题。与常规水域航行的普通船舶不同，冰区船舶及冰区海洋结构物在设计时，需要针对特殊的极地海洋环境(尤其是海冰环境)开展船体结构、航行性能、主要设备(诸如动力系统、推进系统等)的适应性研究。

为验证船舶在冰区海洋环境下的航行性能和主要设备的可靠性，需要结合船体设计开发的要求，有针对性地开展冰水池模型试验。冰水池是一种服务于冰区船舶与海洋工程结构物设计、建造的模型试验水池。通过模拟海洋水平面的冻结状态，实现各种冰情环境条件的冰力学性质相似，实现对试验模型在冰区作业工况下主要参数的试验测量。

1 冰水池发展现状

1.1 国外冰水池概述

世界上最早的冰水池是由俄罗斯南北极研究院(AARI)于1955年建成。自此以后，各主要涉冰国家开始探索室内冰环境水池的建造方法，并建成了大量的小型冰水池(俗称一代冰池)。冰区船舶与海洋工程结构物的性能研究从室外实践型的单一模式转向了以开展大量室内冰环境条件下的性能参数测量与实尺度条件下的实船试验相结合的科学研究模式。

20世纪70－80年代，世界范围内形成了一个冰水池的建造热潮，加拿大、芬兰、俄罗斯、德国、日本等陆续开始建造自己的冰水池，有资料可循并建造完成的冰水池达15 座。相较于上一代冰池，这一时期建造的冰水池功能上更加完善，基本满足了同时期船舶性能试验研究的需要，并逐步改变了冰区船舶与海洋工程结构物的设计方式、建造方法。船舶设计者在方案完善前，便可以结合冰水池试验结果，有计划地开展设计方案的优选比对工作，使得冰区船舶的性能分析从船舶建造后的实船性能检验转向了在方案设计阶段的冰水池试验室性能测试验证，并有效避免了重大设计缺陷的发生。

近年来，随着北极航线的重要性日益凸显以及冰水池试验技术的不断发展成熟，俄罗斯、芬兰等国开始有计划地更新已有的冰水池。这些工作主要体现在水池尺度的扩建和试验设备的升级换代。迄今为止，国外有据可查的冰水池主要有:加拿大4 座、芬兰2 座、德国2 座、日本5 座、韩国1 座、美国4 座、俄罗斯2 座。日本虽然国土面积狭小、资源匮乏，但是十分重视海洋资源和船舶与海洋工程的开发，并一直保持相关技术的领先。尤其在冰区船舶与海洋工程领域，不仅国有的公立研究所拥有自身的冰水池，一些资金雄厚的大型公司在财团的支持下也纷纷建造冰水池，视为其保持在船舶与海洋工程领域优势的重要方面。

1.2 国内外主要试验设施发展现状

1)德国汉堡水池——冰水池

德国汉堡水池［1］(HSVA)目前拥有2 座冰水池。1 座是冰拖曳水池，于1977年建成，长78 m，宽10 m，高2.5～5 m (水深可调)。拖车速度0.1～3 m/s，结冰速率2 mm/h，可测试模型的最大长度为9 m，最大宽度为1.2 m (近海结构物为2 m)。可模拟平面冰、冰脊、破碎冰、融冰等冰条件。建成以来，已进行的试验项目包括冰中阻力和自航试验、冰中螺旋桨敞水试验、近海结构物在冰中力和张力测量等(见图1)。

图1 汉堡水池的大型冰拖曳水池Fig.1 HSVA's large ice tank

图2 汉堡水池极区环境试验水池Fig.2 HSVA's arctic environmental test basin

另1 座是极区环境试验水池(见图2)，于1990年建成，长30 m，宽6 m，高1.2 m，可模拟的温度范围为－20℃～20℃，结冰速率2 mm/h，水池配有造冰机和冰油分离器，可制平面冰、冰脊、破碎冰、融冰、浮冰块、多层冰以及荷叶冰等。水池建成以来，已进行的试验项目包括在各种冰情下溢油的性能试验;油和冰的分离试验;防溢油设备的试验;冰物理现象、冰力学以及极地海洋生物学研究;同时承接破冰船、数值冰技术、冰结构、极地工程、实船试验测量等任务。

2)俄罗斯克雷洛夫国家科学中心——冰水池

俄罗斯克雷洛夫国家科学中心最早的冰水池于1986年建成，水池长35 m，宽6 m，深1.75 m，可模拟的温度范围－32℃～30℃，拖车速度0.5～1.2 m/s，可模拟平冰和分层冰、碎冰、碎冰场、冰脊等冰条件。

随着模型试验要求的不断提升，老的冰水池限于尺寸问题无法开展某些试验，克雷洛夫国家科学中心于2014年12月启用了新的冰水池［2］(见图3)。新冰水池长80 m，宽10 m，深2 m (冰水池最后1/5 长度段为深度4 m的深水段)，可制作的冰厚范围10～100 mm;模型拖车的运动速度0.001～1.5 m/s，且该拖车既可沿直线运动，也可纵向回转，从而使模型沿任意轨迹运动。新冰水池可以模拟柱状冰及颗粒冰，还可实现模型水下部分与冰相互作用过程的可视化。

图3 克雷洛夫国家科学中心新冰水池Fig.3 Krylov's new ice model basin

新建的冰水池使得克雷洛夫国家科学中心能够开展更高层次的试验研究，包括研究船舶在冰区的机动性能，研究北极钻井平台，以及船舶在冰区条件下接近钻井平台等问题。

3)加拿大国家研究委员会海洋技术研究所——冰水池

加拿大国家研究委员会海洋技术研究所(NRCIOT)于1985年建成冰水池［3］，水池长90 m，宽12 m，深3 m，是目前世界上最长的冰水池，12 m的宽度使得进行大尺度模型试验成为可能。拖车速度0.002～4.0 m/s，可模拟的温度范围－30℃～15℃，可制作的冰厚范围10～150 mm，可试验模型尺度:船模长度2～12 m，海洋结构物直径0.5～4 m。已进行的试验项目包括船舶阻力和自航试验、敞水试验、系泊和固定结构的冰力研究、海洋结构物模拟等。

4)天津大学低温冰池实验室

20世纪80年代，天津大学海洋与船舶工程系在国内率先开展了冰力学与冰工程学研究并着手筹建实验室。1987年最初的小型冰工程实验室［4］建成并投入运转，冰水池长5.45 m，宽1.91 m，深0.76 m;1998年大型冰工程实验室建成并平稳运行，冰水池长20 m，宽5 m，深2 m，至此形成我国唯一的冰力学与冰工程学实验基地。主要进行各类海工结构物如桩、柱上的冰荷载预测及海冰荷载对海洋平台的破坏影响、人工岛冰载及结构动力和静力模型实验等冰力学与冰工程学研究。

2 冰水池模型试验关键技术

2.1 试验冰环境模拟技术

冰水池试验过程中，由于涉及到海冰与船体间的相互作用，需要对海冰进行模拟并保证模型冰符合相似性准则的要求。为了保证这样的力学相似准则，在试验冰环境模拟上，形成了2个重要的冰环境模拟技术。一是在冰水池的基础上，参考海水真实冻结过程，形成冻结模型冰，并满足力学相似准则。这一方向最早应用的模型冰是盐水冰，但是盐水冰的使用受限于抗弯强度而无法满足大多数冰池对于缩尺比的要求。1979年，Timco［5］提出了尿素模型冰的制备方法。作者在对多种掺和物进行研究、比较后提出了尿素的水溶液制成的冻结模型冰并被各地冰池广泛采用。1986年，Timco［6］制作出了新型的EG/AD/S模型冰，它是用乙二醇(EG)、脂肪族洗涤剂(AD)和糖(S)以一定比例配制而成的稀释溶液。作为模型冰有着显著的优点，可最大程度模拟真实海冰的力学特性，缺点是成本较高，大约为尿素的2 倍。

另一种思路是不考虑海水真实冻结过程，而是采用其他材料 (诸如聚丙烯、塑料、石蜡等)替代冻结模型冰，从力学性质上满足模型试验要求下的自然冰相似准则。这类非冻结模型冰的优点是模型试验可在常温下进行，避免了水作为介质的结冰冻结过程，减少了复杂的室内人为温控操作和昂贵的制冷保温设备投入。缺点是不能很好地模拟复杂模型冰况条件(如冰脊、碎冰、冰塞、覆雪冰等)以完成有效的冰区船舶综合性能分析评估。

2.2 螺旋桨冰水池试验技术

冰区螺旋桨的设计经历了几个主要阶段。最初船舶设计者在设计冰区螺旋桨时，通过改变船尾线型来尽可能避免螺旋桨与浮冰块的碰撞，从而保证冰区螺旋桨的水动力性能，提高推进效率，并减少桨叶片、轮毂、桨轴等部件的磨损。但在实际使用时，这样的考虑是徒劳的。尽管非常小心，船舶在冰区航行时，螺旋桨转动还是会打到浮冰。尤其是在冰区船舶上安装吊舱、全回转推进器以及尾部破冰、双推进的船舶冰区航行驾驶使用方式出现以后，冰区螺旋桨的设计从被动避让冰块的碰撞，转向利用螺旋桨高速旋转的特性主动切削冰块。这样的使用要求，使得冰区桨的结构强度大大加强。但仅考虑结构的加强远远不够。如何在冰水混合条件下，保证冰区螺旋桨推进效率更高非常重要，而传统水池、水筒不能够取代冰水池在冰区桨性能评估中的重要地位。

Shawn［7］进行了大侧斜螺旋桨和四叶传统冰级桨的冰水池试验。试验在加拿大国家研究委员会海洋技术研究所的冰水池中进行，目的是通过试验结果来验证理论预测从而提高理论和数值模拟的精度。使用客轮MV Caribou 号上的螺旋桨模型进行大侧斜螺旋桨在不同冰情下的冰荷载试验，使用R－级破冰船上的冰级桨模型进行不同冰情下的试验。总体而言，大侧斜螺旋桨与传统螺旋桨在冰中的表现相似，但是大侧斜螺旋桨更易受损害，如果要在冰海中应用此类螺旋桨，需要限制侧斜的角度或者重新设计叶梢。该试验填补了螺旋桨－冰相互作用方面的研究空白。

2.3 船舶在冰水池中航行性能试验技术

对船舶在冰区的航行性能进行测试，并准确预报其主机功率、破冰能力是世界各国建造冰水池的最主要目的。鉴于水池尺寸、模型冰制冰方法、冰力学特性受温度扰动变化等诸多因素的影响，冰水池模型试验较常规水池存在更多的不确定因素。这些不确定因素导致各主要冰水池的试验方法、试验规程很难统一。由于测量方法不同，也进一步导致各水池机构在对试验数据处理、外推、性能预报方法上的不一致。

Newbury［8］进行了加拿大R－级破冰船船模阻力试验。试验在加拿大国家委员会海洋技术研究所的冰水池中进行，船模缩尺比为1 ∶20，模型冰采用EG/AD/S (乙二醇/脂肪族洗涤剂/糖的配比溶液)。试验目的是研究此类模型试验中可能出现的试验误差，因此共冻结了9 次冰盖，进行了67 次平冰中的阻力试验。试验表明在同一冰盖下的阻力变动范围约为3%，在不同但是类似冰盖下的阻力变动范围约为2%～4%。

2006年，Jens－Holger［9］等进行了LNG 船的冰水池船模试验。试验在德国汉堡水池的大型冰拖曳水池展开，模型冰采用0.7%的氯化钠溶液冻结。为了得到冰和模型船体之间的摩擦系数，还对船体进行了特殊喷漆。鉴于在冰区航行时，LNG 船通常跟在破冰船后航行，因此试验中由2个现有破冰船进行碎冰，以得到更为真实的冰海通道。LNG 船在破碎冰通道中通行，通道宽度为LNG 船横梁的1.25～2 倍。试验目的是评估LNG 船宽阔冰通道中的破冰性能、螺旋桨－冰相互作用以及冰是如何被转移到船体旁边和船下部的。

2010年，Kenneth 等［10］在德国汉堡水池的冰拖曳水池中进行了冰山拖曳模型试验。试验目的是收集拖曳载荷和拖曳过程中冰山行为的数据。应用了2个冰山模型，模型缩尺比为1∶40，每个模型都在4 种不同冰密度下进行拖曳试验，所有试验中的拖绳力、冰山位移和旋转被记录下来。试验得出结论是冰密度50%以上的拖曳由于阻力太高不能完成，而在冰密度20%或敞水状态下，冰载荷显著降低，表明低密度冰下的拖曳可行。

2.4 结构冰载荷试验技术

为了使冰区船舶能够适应冰区航行，需要对各个系统采取强化措施以适应冰区航行的需要。在开展冰水池试验时，试验者应清楚目标对象与海冰相互作用下的动静载荷问题。例如:靠近于寒区海岸近海水域冰冻时，陆岸冰由于陆地与海洋之间的热传导作用形成的缓慢蠕变过程，此时对相邻水域的海洋平台产生一定的冰载荷，该载荷被假定为静载作用十分合理。而另一方面，当冰面受洋流、风的作用，以一定的运动速度持续对海洋结构物产生动载荷;破冰船在连续破冰状态下，动载荷作用也十分明显，海冰同时也表现出一定的脆性材料特性。

显而易见，海洋结构物动冰载荷的研究十分重要且非常困难。一方面根据几何缩比后的海冰模型在试验环境下测量得到的破坏冰载荷往往要高于实际自然环境下目标对象的测量结果。另一方面，当目标对象发生动响应时，如果按照几何缩比设计试验模型，模型的响应频率与原有结构的响应频率将存在偏差，试验测量结果的准确性将会被质疑。结构冰载荷试验技术是目前冰水池试验技术的研究热点，也是其水池试验能力的重要体现。

2.5 虚拟冰水池试验技术

传统上船舶与海工结构物水动力性能预报普遍采用模型试验方法，并辅之以实船试验，但两者均耗时耗力且成本较高，也颇难进行优化设计。随着计算机技术和计算技术的发展，数值模拟正成为研究问题和解决问题的一种重要手段，其中冰载荷的模拟和冰阻力的预报是研究的重要方向。

目前，冰水池数值计算方法主要分为间接计算和直接计算2 种方法。其中，间接计算方法主要是依据水池试验和实船试验得到的冰载荷数据，进行数据回归，得到相关的阻力预报计算公式。这一方法对与回归数据溯源的母型船相似船型的内插计算，其阻力数据较为准确，在其他条件得到的计算值仅可作为设计参考。尽管如此，这类方法对仿真计算和运动预报仍然是不可或缺的主要手段。Aksnes［11］提出了一种用于计算平整冰对系泊船只作用的半经验数值计算方法。该方法将冰的运动分为水线附近的冰层破坏、碎冰翻转以及水线以下由于冰与船体摩擦产生的运动，船体则被离散为平板，且最终计算得到的结果与模型试验数据比较后证明了该方法准确性较高。Tan［12］提出了一个描述冰与船体之间相互作用的六自由度模型，从而将船体的升沉、横摇和纵摇运动加入了模型的考虑范围。

直接计算方法是通过建立船冰相互作用的数学物理模型，来计算船舶所受到的冰载荷。这一类方法主要有:有限元法、离散元法、能量法、混合法等。在直接计算方法中，如何更为有效的建立海冰本构模型，研究海冰在施载过程中的破坏形式非常重要。Xiang［13］结合有限元和离散元2 种方法的优点，提出了FEM－DEM 方法。基于该方法，可以运用有限元方法来模拟冰层的碎裂并使用离散元方法来模拟碎冰的堆积过程，这样就可以结合2种方法的优势对破冰过程进行计算，得到更为准确的结果。Polojarvi和Tuhkuri［14］首先将该方法应用于冰脊龙骨的冲撞模拟中。这一尝试不但发展了FEM－DEM 方法在研究破冰过程方面的应用，而且推进了数值模型在模拟冰脊等特殊条件下的应用。

3 冰水池的发展趋势

3.1 冰水池向大型化发展，试验设备更为先进

从国外冰水池的发展路线可以看出，20世纪70～80年代建立起来的大部分冰水池长度在30～40 m左右，随着模型试验的需求不断增加，国外先进研究机构如克雷洛夫国家科学中心、芬兰Aker 北极科技公司等已经对老的冰水池进行了更新或重建。克雷洛夫国家科学中心2014年启用的新冰水池尺度较之老冰水池有了很大的拓展，使其进行大尺度模型试验成为可能;Aker 北极科技公司［15］2006年启用的新冰水池尺度较之老冰水池没有太大拓展，而是主要更新了试验设备，如更为先进的拖车、制冷设备，采用更接近自然海冰力学性质的模型冰(FGX)。两者共同的更新点在于通过增加水池底部和侧面的观察窗，使得可以实现模型水下部分与冰的可视化。

3.2 数值水池技术不断进步

船舶性能数值水池中进行的数值“试验”，正在逐步或部分取代物理水池中的性能试验。与物理模型试验相比，数值模拟具有费用低、无触点流场测量、无尺度效应，可获得较为详细的流场信息等优点而广受关注。

3.3 模型试验、数值模拟、实船试验互为结合

从已有的研究来看，冰水池模型试验、数值水池模拟、冰区船舶实船试验等3 项技术各有利弊。模型试验技术相比实船试验有准备时间短、花费低的优势，随着冰池试验技术的提高，目前的冰池试验结果已经能够满足一般科研和设计工作的需要。但是，实船试验获得的数据是在自然海况下的珍贵的第一手资料，其准确性和可靠性更高，缺点是成本高、准备时间长。数值模拟作为一种辅助手段在近年来飞速发展，已成为船舶优化设计的一项重要工具。将三者互为结合可以取长补短，更好地服务于冰区船舶设计。

4 结 语

北极航道的逐步“破冰”不光带来了巨大的发展机遇，也意味着新一轮的技术竞争即将到来。目前环北极国家都在积极打造自己的冰区船队，与此对应的冰水池的相关配套设施建设和试验技术的发展变得尤为迫切。我国目前还没有用于开发极地航行船舶的真正意义上的冰水池，仅有的天津大学低温冰池尺寸较小，主要服务于海洋平台的冰载荷预测研究。从长远来看，冰水池及其试验技术已成为限制我国极地船舶自主设计的关键因素，建设用于冰区船舶与海洋工程结构物性能预报的模型试验水池及配套设施，发展冰区船舶模型试验技术，是我国打造自主设计的冰区船队的必经之路。

［1］HSVA Homepage:http://hsva.de.

［2］Krylov Homepage:http://krylov-center.ru/eng/.

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