浮冰中滑行艇冰阻力的数值研究

《Cold Regions Science and Technology》：Numerical investigation on the ice resistance of a planing hull in floating ice

　　

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  基于约束船体运动的传统冰阻力预报方法不适用于滑行艇，因为忽略升沉和纵摇运动会显著低估冰阻力。
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  滑行艇的冰阻力与弗劳德数和冰密集度近似呈线性关系，这与传统极地船舶形成鲜明对比。
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  在从排水型向半滑行型过渡过程中，识别出一种独特的冰阻力缓冲工况。

引言

近年来，非冰级船舶在冰覆盖水域航行引起了越来越多的研究兴趣。Niclasen（2015）设计了一艘能够在斯德哥尔摩群岛冬季条件下运行的客船。Haskins等（2014）对配备三种不同螺旋桨的滑行艇进行了模型试验，以确定小型非冰强化船舶在冰覆盖水域中的运行包络线和最优操作程序。他们的结果强调了船体-冰相互作用机制的作用，并表明喷水推进系统可能更适合滑行艇在冰情条件下的运行。Song等（2016）对细长船舶的冰冲击进行了模型尺度试验，为现有美国海军舰艇的安全航速和设计建议提供了有效指导。在经常遇到浮冰场的作业场景中，滑行艇凭借其高速度和优越的机动性，在搜救、执法、补给和水道测量等任务中具有优势。相比之下，大型破冰船在浅水或受限水域、紧急情况以及需要较小转弯半径时表现出固有的局限性。

近年来，大量研究调查了滑行艇在静水和波浪条件下的运动，CFD（计算流体力学）方法逐渐成为运动预报的主要工具。Pacuraru等（2022）证明，优化网格生成、时间步长和湍流模型可以显著提高滑行艇运动模拟的精度。同样，重叠网格方法和适当的湍流模型选择在预测滑行艇升力、阻力、纵倾角和动态响应方面与试验结果吻合良好（Tavakoli等，2024）。此外，Jin等（2023）提出了非V型和V型滑行艇在静水条件下模拟的优化数值设置，为未来的数值研究提供了实用参考。其他研究人员（Niazmand Bilandi等，2024；Wheeler等，2021）使用STAR-CCM+进行静水模拟时采用的数值设置与Jin等（2023）提出的设置一致，模拟结果与试验数据吻合良好。Liu等（2025）进一步将这些数值设置应用于模拟WAM-V双体船（一种非常规船型）在不同波浪条件下的阻力、纵摇和横摇。尽管CFD在高速和复杂波浪环境中仍存在一些差异（Tavakoli等，2024），但它在静水中提供了令人满意的运动和流体动力性能预报。

一些初步尝试也利用简化理论模型或剖面模型来研究高速船体-冰相互作用问题。Marleaux等（2022）使用域分解方法研究了高速船舶沿冰场边缘运动的问题，其中开阔水域和冰覆盖区域分别处理。Chen等（2019）利用CFD和Wagner型理论模型研究了楔形体在单块浮冰附近入水的问题，表明冰的存在可以显著改变冲击力和压力分布。

对于在极地水域航行的船舶，冰区航行能力是关键性能指标之一，冰阻力是主导因素。与传统冰区航行船舶（如破冰船、散货船、油船等）相比，滑行艇尺寸更小、航速更高、机动性更好，表现出非线性的升沉和纵摇运动（Tavakoli等，2020），并产生更多非线性和横向尾流波（Kim等，2013）。在这种情况下，滑行艇在冰中的运动更加复杂，值得研究。

尽管很少有研究考察滑行艇在冰覆盖水域中的航行性能，但关于传统冰区航行船舶冰阻力的大量研究为本文工作提供了有价值的参考。在经验方法方面，Nogid（1959）和Bronnikov（1959）最早开展了船舶在碎冰中运行的模型试验，并提出经验公式表明冰阻力与船速的平方成正比。后续研究，包括Enkvist（1972）、Lindqvist（1989）、Aboul-Azm（1989）和Colbourne（2000），沿着同样的思路，基于实船测量、模型试验和理论分析，针对不同冰情和船型建立了经验公式。最近，Idrissova等（2019）提出了基于碰撞能量的船舶冰载荷预报方法，而Huang等（2021）考虑了船型影响，建立了散货船的碎冰阻力公式。

数值模拟也已成为预报船舶冰阻力的一种替代方法，并在冰覆盖水域船舶的设计和分析中发挥着重要作用（Li和Huang，2022）。西门子数字工业软件公司的Mucha（2019）在STAR-CCM+中提出了一种通用的CFD-DEM框架来模拟船舶在浮冰中航行，为后续研究奠定了基础。Huang等（2019）采用CFD-DEM模型模拟了船行波与浮冰相互作用的完整过程，并与试验结果取得了良好的一致性。Zhong等（2022）进一步应用CFD-DEM模型开发了一种评估船体局部冰载荷的数值方法，揭示了其空间分布，并分析了平均峰值载荷随速度和冰密集度的变化规律。Xue等（2024）将试验与CFD-DEM模拟相结合，证明数值模拟允许更灵活地配置碎冰环境，通常比经验公式具有更高的精度，并且与模型试验相比，在捕捉难以通过试验测量的量方面具有更强的能力。

尽管取得了这些进展，现有的CFD-DEM研究主要集中在排水型冰区航行船舶上，其航行过程中的姿态变化相对较小。滑行艇的冰-船体相互作用从根本上不同，因为船体姿态、湿表面积、尾流场和底部接触区域可能随速度显著变化。据作者所知，耦合CFD-DEM模型尚未应用于研究自由运动滑行艇在浮冰场中前进的冰阻力。因此，本研究与以往工作的不同之处不仅在于应用于这一特定问题的数值框架，还在于其关注滑行艇姿态变化与浮冰阻力之间的耦合关系。

在上述研究的基础上，本文旨在：（1）建立基于CFD-DEM的滑行艇在浮冰场中前进的数值框架，其中静水动力响应使用Savitsky方法进行验证；（2）通过比较约束运动和自由运动配置，研究升沉和纵摇自由度对冰阻力的影响；（3）识别从排水型向半滑行型过渡的运行范围，在该范围内冰阻力对Fr的依赖性显著减弱，并阐明与船体姿态变化、湿表面积变化和船底冰积聚相关的内在机制。

本文的其余部分组织如下。第2节描述CFD-DEM数值框架、建模假设、边界条件、阻力定义和网格验证。第3节使用Savitsky方法验证滑行艇的静水动力响应。第4节讨论约束运动和自由运动条件下的冰阻力特性，并分析冰阻力缓冲工况的形成机制。第5节总结本研究的主要结论和局限性。

章节摘要

数值方法

本节描述用于模拟滑行艇在浮冰场中运动和冰阻力的数值框架。依次介绍计算对象、建模假设、CFD和DEM公式、船体运动处理、阻力评估方法和网格验证程序。

滑行艇静水动力学的开阔水域验证

在将CFD-DEM模型应用于冰覆盖条件之前，先进行静水模拟以考察滑行艇的流体动力响应。将预报的阻力和纵倾角与Savitsky方法获得的结果进行比较，以验证当前CFD设置能否合理捕捉船体主要的静水特性。这些静水结果也为后续冰阻力分析提供了流体动力参考。

浮冰场中的冰阻力

现有关于船舶在浮冰中航行的研究大多集中在大型排水型船舶上，其航行过程中的姿态变化通常较小，在冰阻力分析中常被忽略（Xue等，2024；Huang等，2021）。然而，对于滑行艇，升沉和纵摇运动可能显著改变湿表面积、船首姿态和冰-船体接触模式。为了阐明船体运动的影响，本文考虑两种数值配置：

结论

本研究采用耦合CFD-DEM数值方法，研究了滑行艇在浮冰场中前进的冰阻力特性。特别关注升沉和纵摇运动对冰-船体相互作用模式及由此产生的阻力响应的影响。通过比较约束运动和自由运动配置，本研究考察了通常用于排水型冰区航行船舶的运动假设是否仍然适用于小型

CRediT作者贡献声明

傅宇潇：写作——初稿。李志远：写作——审阅与编辑，方法论。钟凯：监督，软件，项目管理。倪宝玉：写作——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的相互竞争经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金的资助（项目编号：52521009、W2541018、52371270、52401318、52192690和52192693）。

傅宇潇|李志远|钟凯|倪宝玉