水下空化水射流载荷作用下的冰层失效机理：基于CFD和FEM的数值研究

《Marine Structures》：Ice failure mechanisms under submerged cavitating water jet loading: a numerical investigation using CFD and FEM

　　

• 基于CFD-DEM框架建立了淹没水射流破冰数值模型。
• 探讨了淹没水射流的空化效应与载荷特性。
• 揭示了参数影响下冰的失效模式转变规律。
• 基于失效单元比例定量评估了冰的损伤程度。

**引言**

随着极地海冰的减少，资源开采、科学研究及航运利益的增加使极地开发日益具有现实意义[1,2,3]。极地与常规海域的最大区别在于海冰的广泛覆盖。极地船舶在冰区航行时，冰阻力远大于其受到的水阻力，破冰方法无疑成为极地海洋设备开发中需要解决的核心问题[4,5,6]。其中，高压水射流技术是一种有效的辅助破冰方法。水射流辅助破冰技术的应用可有效降低破冰阻力，具有方向性好、损伤能力强、清洁环保等优点[7]。未来，该技术在极地设备被困自救、极地探测潜水器部署以及潜水器破冰上浮等领域具有潜在应用。然而，淹没射流流场载荷特性的复杂性以及海冰力学行为和断裂机制的随机性制约了淹没水射流破冰技术的发展[8,9,10]。

对淹没空化水射流的初步研究主要集中在流场形态演化、空化效应和载荷特性[11,12,13]。在实验研究中，Nobel等[14]利用皮托管测量了不同入口压力下淹没水射流沿程的驻点压力分布。研究表明空化降低了射流沿程驻点压力的衰减率。他们讨论了不同围压以及淡水与盐水环境对空化的影响，并建立了空化锥长度与空化数之间的函数关系。Wright等[15]利用高压氮气推动水柱产生高压淹没射流，研究了射流直径和出口速度对空化现象及空化云几何形状的影响。该研究给出了流动雷诺数、几何特征、传播距离、脉动频率和空化云截面速度之间的关系。观察到纵截面面积和传播距离随雷诺数增加而增大，而射流脉动频率随雷诺数增加而降低。Liu等[16]对淹没水射流的流动特性进行了实验研究，结果表明高压射流速度沿流动方向显著衰减，射流宽度近似线性增加，空化云经历起始、发展和溃灭三个阶段[17,18,19]。Hutli等[20]采用结合图像处理和统计分析的方法研究了淹没水射流中空化云的区域和振荡频率，发现扩散喷嘴产生的空化云比收缩喷嘴更具连贯性。

关于淹没射流的数值模拟，Wang等[21]采用计算流体力学（CFD）方法模拟喷嘴流场，开发了可靠的相平衡求解器以预测流场中的相变现象，并将其应用于解决淹没空化水射流相关问题。He等[22]建立了水下空化水射流的流固耦合（FSI）数值模型，分析了空化气泡产生的空化效应分布、冲击载荷以及作用在刚性板上的耦合力。研究发现气泡分布与湍流、涡流和压力分布密切相关[23]，空化气泡溃灭产生的微射流和冲击波载荷在壁面上产生环形应力。

淹没空化水射流的另一个重要研究方向是其对材料的损伤与侵蚀效应，因为研究表明空化射流产生的空化云的脱落和溃灭可有效增强侵蚀能力[24,25]。Hutli等[26]研究了淹没射流对铜试样的侵蚀作用，结果表明 standoff距离和冲击角对侵蚀率和试样质量损失有显著影响。通过一系列不同条件下的测试，确定了数值模型的最优 standoff距离和冲击角参数。Ben-Mansour[27]采用耦合的CFD和离散相模型（DPM）研究了淹没射流对不锈钢的侵蚀特性，考察了入口速度、颗粒尺寸、喷嘴形状与尺寸、 standoff距离和冲击角等各种流动和几何参数对冲击特性的影响。结果表明材料厚度损失随射流速度增加而增加，喷嘴直径增大则因颗粒冲击密度降低而导致最大侵蚀深度减小。Qiu[28]采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法建立了淹没水射流破土的数值模型，利用响应面法优化锥形喷嘴参数，以破碎深度和宽度为指标分析了喷嘴直径、收敛角和喷嘴长度对最终破土结果的影响，确定了给定工作条件下的最优喷嘴参数。

冰是自然界中常见但结构复杂的材料，在不同类型的载荷作用下表现出不同的结构响应。新型破冰方法通常采用瞬态高冲击载荷[29,30]，主要包括水下爆炸、高速弹丸冲击以及近期开发的高压气泡和高压水射流技术[31,32,33,34]。Chi等[35]和Zhang等[36]采用改进的分离式霍普金森压杆（SHPB）系统，实验研究了含缺陷冰试样在高速冲击载荷下的动态力学行为和裂纹扩展机制，特别关注其应变率敏感性，并通过与实验数据比较提出了冰动态断裂行为的预测模型。Zhang等[37]采用刚性细长弹丸作为冲击体，研究了破冰及水入射过程中冰板失效的演化及其相关载荷产生机制，考虑了冰厚度、冲击角和弹丸质量的影响。

对于水射流破冰，Yuan等[7]首次将水射流技术应用于破冰领域，对冰板进行了一系列水射流冲击试验，研究了射流的流场形态和壁面载荷分布，揭示了破冰机理，总结了水射流锤击压力和驻点压力下冰板的失效模式，证明了使用射流破冰的可行性。随后，Yuan等[38]对文丘里空化射流破冰进行了一系列实验，比较了空化射流与传统射流在破冰过程和破冰能力方面的差异。

关于数值模拟，Fan等[39]采用CFD-DEM（离散元方法）建立了一维耦合的射流破冰模型，研究了非淹没水射流的形态和载荷以及不同DEM参数对冰板特性的影响，指出离散元方法计算效率低，无法有效模拟冰板内的应力变化和裂纹扩展。Shi等[40]采用SPH-PD（光滑粒子流体力学-近场动力学）无网格方法建立了非淹没射流破冰模型，利用SPH方法模拟高压高速下水射流的可压缩性，采用PD方法建立冰板的本构模型，通过与实验对比解释了冰板中径向和周向裂纹萌生与扩展的机理。Yuan等[41]采用ALE-FEM（有限元法）耦合方法和JH-2（Johnson-Holmquist II）冰的本构模型，分析了非淹没射流载荷下冰的断裂过程，模拟成功捕捉了冰的复杂力学响应，在不同载荷条件下表现出显著不同的特征，尤其在高速冲击载荷下表现出明显的脆性失效行为。

表1总结了高压水射流破冰的实验和数值研究工作。根据不同极地设备运行场景，可分为淹没射流和非淹没射流；根据射流载荷特性和冰板厚度，破冰的主要射流载荷包括冲击载荷和侵蚀载荷。由于淹没射流破冰过程涉及复杂的相变、射流与周围流场间的剪切诱导空化以及冰板的脆性断裂，这种复杂性使得当代关于淹没射流-冰相互作用的研究主要依赖模型试验[42,43]。在数值模拟中，研究主要集中于非淹没射流与冰板的相互作用，因为非淹没状态下的射流形态和载荷特性相对更清晰且更易复现。在以往研究的基础上，本研究提出结合CFD模拟淹没射流流场和载荷特性的优势以及FEM模拟冰的力学响应、裂纹扩展和失效的优势，建立了淹没水射流载荷下冰损伤的数值模型，并通过与实验和理论结果的比较验证了其有效性。此外，还分析了冰板的断裂机制以及 standoff距离、冰厚度和冰板尺寸等参数的影响。

除这种小尺度研究外，淹没空化水射流技术在潜水器上浮和冰下作业过程中辅助破冰方面也具有潜力。在此背景下，可采用高压空化水射流在潜水器直接接触冰之前预先损伤冰层，从而降低其有效承载能力和施加于结构的破冰载荷[47,48,49]。未来的工作应考虑实际的冰下条件，包括不规则的冰底形态、冰下洋流和积雪覆盖，并将冰下感知与自适应射流控制相结合，以维持有效的 standoff距离。这些发展对于确保该技术在极地实际运行条件下的可靠和有效应用至关重要。

**片段**

**模型建立**

淹没水射流模型和边界条件建立如图1所示。右侧面板展示了配置的俯视图。射流喷嘴采用压力入口边界条件来复现实际运行参数。为近似无界流体域，在计算域的上边界和侧边界施加了压力出口边界条件。下边界配置采用了刚性壁面

**破冰模型建立**

直径115毫米的冰试样主要采用六面体单元进行离散化，并以金字塔过渡单元补充。中心网格分辨率为0.5毫米，细化标准要求固相域网格尺寸小于相邻流体网格以确保流固耦合界面分辨率的准确性。鉴于冰在高速冲击载荷下表现出脆性失效机制，采用Johnson-Holmquist II

**结论**

本研究使用CFD和FEM以及JH-2本构模型建立了淹没水射流破冰的数值模型。模型通过与理论公式和实验结果进行验证。首先，研究了淹没剪切空化条件下淹没空化射流的轴向动态压力变化和壁面载荷特性。将淹没水射流载荷简化为均匀载荷并施加于JH-2脆性冰板。研究了

**CRediT作者贡献声明**

Guangyu Yuan：撰写初稿、可视化、验证、软件、方法学、调查研究、正式分析、数据管理、概念化。Peng Liu：撰写初稿、方法学、调查研究、正式分析、数据管理、概念化。Baoyu Ni：撰写初稿、验证、监督、方法学、调查研究、正式分析、数据管理、概念化。Do-Kyun Kim：撰写—审阅与编辑、撰写初稿、可视化，

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

本工作得到国家自然科学基金（项目编号：52371270、52401318、52521009、52192690、52192693和W2541018）的支持。

本研究得到了首尔国立大学海洋系统工程研究院的支持。该研究是韩国海洋水产部资助的项目"培养高级船舶蓝色技术人才（RS-2025-02221147）"的一部分。广宇 袁 | 鹏 刘 | 宝玉 倪 | 都京 金