知识窗▏当前极地水面装备的研究热点与技术发展趋势

极地海洋环境具有低温、海冰覆盖、强风、极夜以及复杂电磁条件等典型特征，传统海洋工程装备难以满足极区长期、安全与高效作业需求。与此同时，冰-结构相互作用涉及流体力学、结构力学、热力学、多体动力学等多学科强耦合问题，其高度非线性与随机性给极地装备设计、结构安全与环境适应性带来了巨大挑战。极地工程装备是指专为极寒、高冰、低能见度等极端环境研发的特种系统，本文重点介绍极地水面装备，包含破冰船、海洋平台和气垫船等。

极地工程装备

极地船舶是指在极地海冰区域开展科学研究、商业航行、油气开发和旅游休闲等活动船舶装备的总称。目前极地船舶已经发展为涵盖极地油船、极地天然气船、极地集装箱船、极地海洋工程船以及极地破冰船等多功能全方位支撑极地探险、航运、科考的装备体系。

据不完全统计：俄罗斯拥有世界最多的破冰船，在役极地破冰船42艘，其中重型破冰船8艘；美国在役3艘，其中重型破冰船1艘，在建11艘；加拿大12艘，其中重型破冰船2艘；我国仅有3艘，尚无重型破冰船，其中，雪龙号是1993年从乌克兰购买，雪龙2号）由芬兰Aker北极公司完成基本设计，中山大学极地号由加拿大海军设计院设计，我国在专业破冰船的自主设计技术方面仍存在较大技术挑战。

雪龙号和雪龙2号破冰船

破冰船典型的分类方式是依据冰级进行分类，国际船级社协会（IACS）于2006年颁布了针对极地船舶的《极地船级要求》，根据海冰状况、结构可承受的冰厚范围和最小破冰能力等方面对极地船冰级进行区分，将极地船舶的冰级（PolarClass,PC）分为PC1～PC7共7个等级。

表1 IACS极地船冰级

注：最小破冰能力指船舶航速4kn下连续破冰厚度（m）。

破冰船的常用破冰方式根据冰况和冰厚的不同主要分为2类，即连续式破冰和冲撞式破冰。与开敞水域相比，船舶在极地航行最大的挑战就是海冰，海冰形成过程和类型复杂，确定极地船舶冰区航行的冰阻力对于极地船舶的设计、建造来说至关重要。

针对特定的船型和适用区间，国内外研究学者给出了预报层冰区船舶阻力的经验公式。SPENCER模型较为清晰地对冰区航行的船舶所受到的冰阻力进行了分类，将总阻力分为敞水阻力、浮冰阻力、破冰阻力和清冰阻力4个部分。LINDQVIST模型考虑参数较多，可作为船型设计过程中的工具，对于小冰厚情况计算结果较为准确，但对于较大冰厚结果会偏大。RISKA模型中的经验系数是通过大量的实船试验获得的，特别适用于波罗的海地区的冰阻力计算，船宽的变化对计算结果影响较大。JEONG等模型给出了标准破冰船的冰阻力估算公式，冰弯曲强度的变化对其预报计算结果影响显著。

试验方法是解决冰力学问题的重要手段。试验方法可分为原型试验和模型试验，其中原型试验是冰力学机制最直接的表现，原型测试的数据是可贵的“第一手”资料。模型试验通常在冰水池内进行，通过制备模型冰试样，模拟冰与结构物的相互作用。与现场测试相比，其具有较好的环境可控性、明显的经济性等优点。

模型律是指导冰工程模型试验研究的理论基础，冰模型试验同时具有以下2种试验的双重性：一是流体试验（傅汝德数）；二是冰材料试验（柯西数），在模型试验中，在几何相似的基础上，应尽可能满足流体模型试验的模型律以及冰强度的冰工程模型试验的相似律。

数值研究方面，总体上可以将建模思路分为二种：一是将冰视为连续材料，如有限元方法（FEM）、有限体积法（FVM）、有限差分法（FDM）等，将待求解的连续域进行离散化处理，离散成有限个小单元，并对单元的各个节点数值进行插值近似，从而求得待求域的未知场函数；二是将冰视为离散的颗粒或是单元，每个离散元素都具备冰的性质，离散元素的集合与结构的相互作用即可代表冰的行为。这种思路发展出了离散元法（DEM）以及光滑粒子流体动力学（SPH）等，其通过任意分布的坐标节点构造插值函数离散控制方程，无须产生计算网格。NI等基于计算流体动力学（CFD）和离散元法（DEM）的耦合方法首次构建了考虑流体效应可破碎的层冰模型，并对其与船舶的相互作用过程进行了数值模拟，观察到了包括径向和环向裂纹在内的冰裂纹扩展过程，将数值结果与前人的试验数据进行了比较，验证了CFD-DEM模型的可靠性。结果表明，在破冰过程中水阻力通常比冰阻力小一个数量级。冰阻力随着冰层破坏过程呈现出强烈的振荡，且显著受到船速和冰层厚度的影响，见下图。

船-冰相互作用的试验和数值研究

XUE等开展了船舶和碎冰相互作用的试验和数值研究，在室外冰水池中采用聚丙烯材料模拟不可破碎的小尺度碎冰模型，上图图右为船体-碎冰相互作用的CFD-DEM模拟效果以及其与模型试验的对比情况，可以看出CFD-DEM方法可以较好地模拟出船首向外推开碎冰、碎冰在船侧向后滑移、船后无冰航道形成等现象。另外，基于分布式的压力传感器和数值模型处理技术，系统分析和总结了在层冰、碎冰、冰脊等工况下船体表面的冰载荷分布特性和规律。

现阶段，极地破冰船重要的研究方向主要包含：一是复杂海冰建模及其与结构物的耦合特性研究，极地区域的海冰通常并非单一类型，而是碎冰、层冰、冰脊等多种冰况组合，构建复杂海冰类型的组合冰场以进一步明确极地船舶的冰区航行性能；二是辅助破冰方法，传统的船首挤压和重力弯曲破冰存在效率不足，冰困风险大等问题，亟须发展高效、可靠的辅助破冰技术；三是提升我国高冰级破冰船（重型破冰船）的自主研发设计能力，突破冰载荷预报、航行性能和结构安全性能评估等关键难题，建立重型破冰船的破冰能力预报方法。

极地地区资源蕴藏丰富，是未来重要的能源和资源基地，据美国地质调查局估算，北极圈内已探明且现有技术可开采的石油储量为900亿桶，约占世界已探明储量的13%；天然气储量为57万亿m³，约占世界已探明储量的30%；液化天然气储量为440亿桶，约占世界已探明储量的20%，海洋油气资源开采区域逐渐向极地地区延伸。

我国石油企业已在北极取得开发资格，例如，中国石油天然气股份有限公司等企业中方占股29.9%参与亚马尔油气田开发项目，中国海洋石油有限公司等企业中方占股20.0%参与北极LNG-2项目等。在极地油气开发领域，其带动相关产业快速发展，如亚马尔油气田开发过程中，我国在北极海油模块建造领域实现技术突破，成功中标36个核心模块建设；沪东中华造船（集团）有限公司承接了亚马尔项目4艘大型液化天然气（LNG）船的建造任务，促进了我国极地高端船海装备的快速发展，增强了我国极地装备综合实力和国际竞争力。

作为极地海上油气开采的重要依托装备，海洋平台在北极海域勘探作业中，面临寒流、强风及低能见度等环境因素的严重威胁。各类海冰是北极海域区别于其他油气产区最明显的特征，也是影响极地油气设备设计和作业的最重要因素。

用于极地资源开采的海洋工程结构包括钻探平台、半潜式平台及导管架等，见下图。北极的海冰类复杂，常以单一或多种混杂状态分布在冰区的海域，其与结构之间存在复杂的相互作用，会对结构物的稳定性与安全产生不利影响。海冰与结构物接触时会发生挤压破坏、弯曲破坏及屈曲等多种破坏模式，且破坏模式的差异对结构冰载荷影响巨大。由海冰导致的结构物损伤事故时有发生，国内渤海海域曾屡次遭遇严重冰灾：2000年辽东湾大面积平整冰持续作用于JZ20-2海域的油气平台，最终导致其油气管线发生疲劳断裂；2010年渤海暴发近30年最严重冰灾，总计约7000艘船舶和大量渔业养殖设施受到损毁，造成了巨大的经济损失。

典型冰区海洋结构物

冰载荷是海洋平台设计时须考虑的主要载荷，最初的研究主要集中于单桩腿结构的冰载荷分析，基于试验和数值结果，给出了冰载荷的经验公式估算方法，但是各种方式的计算结果相差较大，仅在特定的适用范围内具有较好的估算合理性。数值方面，LIU等采用近场动力学（PD）模拟了平整冰与圆柱形垂直刚性结构在不同速度下的相互作用，将淡水冰简化为弹脆性材料，研究其冰力的周期性特征，计算了挤压破坏模式的损伤区长度，并得出损伤区长度为冰厚度的0.15～0.20倍。

NI等通过室外冰池的船-冰脊碰撞模型试验，结合非线性有限元法，采用随机删除单元法构建了考虑宏观孔隙率建模方式的数值冰脊模型，并通过模拟SPAR平台与冰脊的相互作用过程，验证冰脊孔隙模型的准确性，分析了龙骨深度对冰脊破坏机制和冰荷载的影响。同时研究了多次冲撞下的破坏进程以及破坏冰脊所需的撞击次数，见下图。

平台结构与冰脊碰撞过程的应力分布

另一个关键的研究方向是多桩结构，在多桩结构与冰层相互作用期间，冰的破坏过程以及破碎冰块的流动过程都会因群桩效应而发生显著变化。研究已经证明，确定多桩结构冰载荷的关键在于评估群桩效应，通过该效应可降低单桩上的冰载荷，即不能通过单桩的简单叠加来分析桩群结构的冰载荷。LI等进行了一系列模型试验以评估作用于多桩结构上的冰载荷以及相应的群桩效应。在不同条件下观察到了多种冰的破坏模式，导致冰载荷发生变化，将每根桩上测量到的冰力与ISO标准的计算结果进行了比较，对群桩效应进行了深入讨论，包括干扰效应、遮蔽效应、非同时破坏效应，并引入了综合折减系数和非同时破坏系数来描述这些效应的影响。

海冰作用下海洋平台结构的主导危险机制，主要包括冰激振动和极端冰载荷引发的结构破坏。在冲击和挤压作用下海冰对海洋平台结构安全性提出严峻挑战，除了静态和准静态冰载荷外，冰层与直立结构和锥体结构发生作用时，均有可能引起冰激振动现象。部分学者认为冰激振动会引起结构的大幅振动或结构总体冰载荷量级的增加，严重影响结构安全性。关于冰激振动的控制机理、冰层和结构物耦合下的失效模式及多参数对冰载荷的影响规律有待进一步的研究。

气垫船是一种通过使用垫升风机对围裙内部充气，使高压气体在船体下方密闭空间内形成高压气垫，进而抵抗船体重力，使气垫船与水面和冰面分隔，具有可在复杂条件下行驶等优点的高性能船舶。由于具有航速高、两栖性能好等优点，气垫船已广泛应用于抢滩登陆、物资人员运输等领域，可为极地的物资及人员运输、极地环境监测等科研任务提供作业平台与运输支撑，满足我国对极地科考保障能力和完善极地环境观测手段的需求。

极地气垫船的实船应用，最早可追溯到1991年，第1艘到达北极的柴油驱动破冰船采用了一艘泄流高度0.12m、有效载荷350kg的小型气垫船进行辅助作业。自2003年开始，英国石油公司采用气垫船在离岸约17km的普拉德霍湾和北极星岛的石油生产设施之间进行后勤支持。而直到2008年，气垫船才被投入到南极考察的科研任务中。目前，加拿大、美国、俄罗斯等环北极国家，均已展开了极地全垫升气垫船的研究，具备较为先进的冰区气垫船设计建造技术并已经应用在极地油气开发及运输等过程中。

气垫船工作原理为通过增压风机向气垫船的底部持续喷射高压高速气体，由于地面效应影响，船底与水面或冰面之间的高速气流会形成一层空气垫，垫升增压风机的出口空气流量增加会使气垫内部的空气压力变大，当气垫内部产生的气垫压力大于船体质量时，气垫船与水面或冰面会分离，其受到水面和冰面的阻力迅速减小，因此气垫船一般来说具有良好的耐波性，并且由于气垫船航行过程完全与支撑面分离，仅部分围裙囊指会与水面或冰面接触，其受到的流体阻力影响大幅降低，使得气垫船在运动过程中可以拥有较高的航行速度。气垫船的破冰原理主要为通过在冰水界面喷射高压气体，使得冰下形成空气腔，缺少流体弹性支撑的冰面近似于“悬臂梁”结构，因此很容易在气垫船的重力作用下发生弯曲破坏失效，见下图所示。

气垫船低速破冰原理示意图

根据气垫船的围裙组成及航行条件，一般将气垫船分为全垫升式气垫船和侧壁式气垫船2种。极地气垫船通常在水面、冰面及冰水混合面航行，需要在极地环境复杂的冰面上完成运输及航行任务，全垫升式气垫船地形适应性好，具备良好的两栖性能，可应付极地复杂的环境条件，完成科研及运输任务，所以通常选择全垫升式气垫船作为极地科研平台来使用。

极地气垫船冰面运动、操作和破冰特性十分复杂，未来可进一步改进和完善的研究方向主要包含：一是极地冰区环境复杂，除了常规冰面外还经常存在覆雪冰面、冰水混合界面的情况，应进一步考虑复杂冰况对气垫船的运动和操作特性的影响；二是对于气垫船冰面航行安全限界研究，需要进一步对气垫船冰面应急等情况下的操纵控制方法进行研究；三是对于气垫船破冰技术来说，应进一步基于理论和试验研究分析给出较大冰层厚度条件下目标气垫船设计方案所需关键参数。

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