离散浮冰中高密度聚乙烯无人水面艇阻力的数值研究

《Journal of Marine Science and Engineering》：Numerical Study of HDPE Unmanned Surface Vehicle Resistance in Discrete Floe Ice

　　

离散浮冰增加了小型无人水面艇（USV）的推进阻力，并产生脉冲性的船首和舷侧载荷。对于高密度聚乙烯（HDPE）USV，这些载荷决定了推进需求，并为结构评估提供了输入。现有研究分别针对常规船舶的浮冰阻力和HDPE材料特性进行了探讨。本研究利用一艘HDPE USV的几何外形，结合了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程、流体体积（VOF）方法和离散元法（DEM）。该模型计算了在不同航速、冰密集度和冰厚条件下的静水阻力与纵向载荷。数值方法针对KRISO集装箱船（KCS）在静水和浮冰中的试验进行了评估。静水阻力在2节至4节航速范围内从49.2 N增加到230.7 N。在60%冰密集度和0.02 m冰厚条件下，平均总载荷在此速度范围内从125.6 N增加到428.9 N。航速增加同时提高了流体阻力和接触力，而更高的密集度和厚度则主要增加了接触力；在0.04 m冰厚条件下，峰值载荷达到929.2 N。这些固定姿态预测结果为该HDPE USV的推进评估及后续结构分析提供了可比较的载荷估算。

研究背景与问题

在极地或寒冷水域中，离散浮冰会显著增加船舶的航行阻力，并对船体产生瞬态冲击载荷。对于采用高密度聚乙烯（HDPE）材料建造的小型无人水面艇（USV）而言，准确量化其在浮冰区的推进阻力与碰撞载荷，是其动力系统匹配设计和结构强度评估的关键前提。然而，现有的研究存在明显缺口：一方面，关于浮冰阻力的研究主要集中在大型常规船舶或极地船上；另一方面，对HDPE材料力学性能的研究与USV水动力学研究相互独立。因此，针对特定HDPE USV在离散浮冰环境下的阻力和接触载荷进行综合量化分析，成为一项亟待解决的科学问题。

研究内容与结论

为填补这一空白，研究人员基于一艘HDPE USV的实际船型，建立了一个耦合的数值模型。该模型的核心发现包括：

1. 1.
   静水阻力特性：在2到4节的航速范围内，静水阻力呈非线性增长，从49.2 N增至230.7 N。其中，压差阻力占比从约59%（2节）上升至68%（4节），是总阻力增加的主导因素。
2. 2.
   基线冰况下的载荷：在3节航速、60%冰密集度、0.02米冰厚的基线工况下，平均总载荷为228.2 N，峰值达到467.1 N，约为均值的2.05倍，表明USV需承受持续的推进载荷和显著的瞬时冲击。
3. 3.
   参数影响分析：
   • •
     航速影响：航速从2节升至4节，平均总载荷从125.6 N激增至428.9 N。载荷分解显示，流体阻力和离散元法（DEM）接触力分别增长了345.7%和160.8%，表明航速提升同时加剧了流体动力和冰碰撞效应。
   • •
     冰密集度影响：密集度从50%增至70%，平均总载荷由215.8 N升至268.9 N。此增量几乎完全源于接触力的增加（增幅55.1%），而流体阻力基本不变，说明密集度主要通过增加冰-船碰撞频率和强度来提升载荷。
   • •
     冰厚影响：冰厚从0.01 m增至0.04 m，平均总载荷从164.4 N急剧攀升至405.8 N，峰值载荷高达929.2 N。接触力在此过程中增长了553.5%，其占总载荷的比例从26.5%跃升至70.2%。这表明冰厚是影响载荷水平和波动幅度的最敏感因素。
4. 4.
   模型验证与敏感性分析：通过与KRISO集装箱船（KCS）的静水和浮冰试验数据对比，静水阻力误差低于2%，浮冰总载荷误差在可接受范围内。此外，释放纵摇和升沉运动、延长计算时长以及调整接触参数等检验均表明，固定姿态假设下的均值载荷计算结果具有较好的稳健性。

关键技术方法

为开展此项研究，研究人员采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   耦合数值模型：建立了基于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的流体求解器、用于捕捉自由液面的流体体积（VOF）方法，以及与描述冰运动与碰撞的离散元法（DEM）的双向耦合模型。
2. 2.
   接触模型：采用线性弹簧-阻尼接触模型模拟浮冰之间以及浮冰与船体之间的相互作用，并引入库仑摩擦定律。
3. 3.
   计算设置：在Simcenter STAR-CCM+软件中实施计算，船体被视为刚性边界，浮冰简化为刚性圆柱体。计算域尺寸为42×28×14 m，网格数量约431万。

研究结果总结

以下是各小标题下的具体研究结果：

• •
  4.1 静水阻力与推进需求：随着航速从2节升至4节，总阻力从49.2 N增至230.7 N，有效功率从约50.6 W增至474.8 W。压差阻力是总阻力增加的主要贡献者。
• •
  4.2 基线条件下的冰场与载荷：在基线冰况下，浮冰在船首被推向两侧，形成稀疏的尾迹通道。总载荷时间历程呈现连续的脉冲式波动，70-90秒统计窗口内的均值为228.2 N，峰值为467.1 N。
• •
  4.3 航速的影响：提高航速导致总载荷曲线整体上移，均值和峰值均显著增大。载荷分解表明，流体阻力和DEM接触力同步增加，但流体阻力增长更快，导致接触力占比从2节时的56.3%降至4节时的43.0%。
• •
  4.4 冰密集度的影响：提高冰密集度主要增加了船体周围的浮冰数量，使接触力大幅提升（55.1%），而流体阻力变化极小。总载荷的增加主要由冰碰撞主导。
• •
  4.5 冰厚的影响：冰厚增加极大地提升了单个浮冰的质量和惯性，导致接触力飙升（553.5%），其占总载荷比例超过70%。同时，载荷的波动幅度（如标准差和P5-P95区间宽度）也显著增大。
• •
  4.6 三种因素的综合比较：航速同时影响流体力和接触力；而冰密集度和冰厚主要通过影响接触力来改变总载荷。在厚冰条件下，控制航速是管理载荷的有效策略。
• •
  4.7 观测窗口敏感性：将0.04 m冰厚案例的计算延长至120秒后，均值与百分位数变化小于2%，但采样到的最大载荷增加了7.00%，表明峰值对记录长度更为敏感。
• •
  4.8 释放纵摇和升沉的影响：释放这两个自由度后，平均总载荷仅变化2.78%，支持了固定姿态假设在该案例中的适用性。
• •
  4.9 接触参数敏感性：将接触刚度加倍或将静摩擦系数提高1.3倍，平均总载荷的变化分别为+1.47%和+0.43%，表明均值载荷对接触参数不敏感。

讨论与结论

研究结论部分指出，该耦合VOF-DEM方法成功应用于评估HDPE USV在离散浮冰中的阻力和碰撞载荷。主要结论如下：（1）KCS验证模型的静水阻力误差低于2%，浮冰总载荷误差在合理范围；（2）静水阻力随航速非线性增加，压差阻力为主导；在浮冰中，船首接触导致载荷产生连续脉冲波动；（3）航速、冰密集度和冰厚均会增加平均总载荷，但其主导机制不同：航速同时增加流体力和接触力，而密集度和厚度主要通过增加接触力起作用。特别是冰厚增加使接触力占比达70.2%，峰值载荷达929.2 N；（4）在0.04 m冰厚案例中，释放运动和延长计算时间对均值影响较小，但对峰值载荷更敏感；接触参数的改变对均值载荷影响有限。该模型为刚性船体和完整浮冰假设，未考虑船体变形和浮冰破碎，所得载荷为后续HDPE结构的应力和变形分析提供了关键输入。