黃 焱 孫劍橋 田育豐

（1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室 天津 300350；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院 天津 300350；3.天津大學(xué) 港口與海洋工程天津市重點實驗室 天津 300350）

0 引言

對于航行船舶來講，快速性與操縱性是描述其基本性能的兩大方面?？焖傩允侵复霸谥鳈C額定功率下以一定速度航行的能力，通常包括船舶阻力和船舶推進兩大部分：前者研究船舶航行時所遭受的阻力，后者研究克服阻力的推進器及其與船體和主機之間的相互協(xié)調(diào)一致。操縱性一般包括船舶在航行中按照駕駛者的意圖保持既定航向的能力（即航向穩(wěn)定性）和改變航行方向的能力（即回轉(zhuǎn)性）。對于冰區(qū)航行的極地船舶來講，上述兩類性能將受到航行過程中遭遇的海冰環(huán)境條件及其載荷過程的顯著影響。同時，即便面對同樣的海冰條件，船型的差異也會導(dǎo)致海冰破壞與運動過程發(fā)生改變，進而造成載荷過程的變化[1]。由此可見，極地船舶具有十分復(fù)雜的冰區(qū)航行特性，而對這些特性形成系統(tǒng)性認識和合理描述，則是形成航行安全性保障技術(shù)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

對于極地船舶而言，設(shè)計建造中必須依據(jù)先驗性的航行安全性能認識，而目前國際上可以借鑒的實船航行經(jīng)驗與公開數(shù)據(jù)極度匱乏，這就必須借助有效可靠的預(yù)報方法。然而，當(dāng)前海冰力學(xué)與工程學(xué)的發(fā)展仍處于機理性探索階段，因此，在理論解析與數(shù)值模擬上難以形成對冰區(qū)航行船舶安全性進行可靠預(yù)報的方法。據(jù)此，國際學(xué)術(shù)界和工程界已形成共識，冰水池模型試驗是當(dāng)前預(yù)報與評估船舶冰區(qū)航行性能的唯一可靠途徑，并已在極地船舶相關(guān)規(guī)范和指南中予以明確[2-3]。

從歷史研究來看，冰水池模型試驗自20 世紀50 年代起便服務(wù)于極地破冰船的設(shè)計[4]，并隨著極區(qū)海域資源開發(fā)和商業(yè)航行的興起而不斷發(fā)展與更新。冰水池試驗是利用低溫拖曳冰水池，在室內(nèi)模擬極地海冰環(huán)境，通過探究模型冰與船體（或其他類型的海洋工程結(jié)構(gòu)）之間的相互作用過程，為極地船舶的設(shè)計和運行提供必要的參考。目前，在極地船舶冰區(qū)航行性能冰水池試驗預(yù)報技術(shù)的發(fā)展方面，國際拖曳水池會議（ITTC）冰委員會（the specialist committee on ice）扮演著重要的角色。ITTC 冰委員會由世界各主要冰水池組成，通過試驗技術(shù)交流開展對比驗證試驗，定期發(fā)布ITTC 冰水池試驗推薦規(guī)程，促使不同冰水池開展的各類試驗?zāi)軌蛉〉靡恢滦越Y(jié)果[5]。本文以國內(nèi)外相關(guān)研究與試驗技術(shù)的發(fā)展動態(tài)回顧為基礎(chǔ)，結(jié)合ITTC 相關(guān)試驗規(guī)程，從阻力、快速性與操縱性3 個方面，對極地船舶冰區(qū)航行性能的試驗預(yù)報技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行介紹，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進行梳理。

1 冰阻力試驗

開展冰區(qū)船舶航行阻力試驗的目的是測量已知船、冰條件下船體受到的冰阻力，并評價船體線型在破冰和清冰過程中的有效性。一般來講，冰阻力試驗可根據(jù)所模擬的冰環(huán)境特征分為4 類：

（1）平整冰條件下的連續(xù)破冰航行阻力試驗；

（2）浮冰區(qū)中的非連續(xù)破冰航行阻力試驗；

（3）碎冰航道中的航行阻力試驗；

（4）碎冰層疊區(qū)/冰脊中的航行阻力試驗。

因此，業(yè)界在針對船舶冰區(qū)航行阻力的試驗?zāi)M與預(yù)報技術(shù)的早期研究中，一方面關(guān)注針對復(fù)雜海冰環(huán)境條件的有效模擬，以提高試驗場景的相似性與結(jié)果的預(yù)報精度；另一方面則關(guān)注冰阻力的構(gòu)成及產(chǎn)生機理，并研發(fā)相應(yīng)的測試技術(shù)。

1.1 復(fù)雜海冰環(huán)境的室內(nèi)模擬

極地船舶在航行過程中所遭遇的冰條件呈現(xiàn)出多種突出性特征，除了常規(guī)的平整冰（level ice）、浮冰場（pack ice）以外，還包括變形冰（deformed ice）。變形冰是高緯度極地海域特有的海冰存在形態(tài)，是天然海冰在海洋水動力環(huán)境以及人類經(jīng)濟活動作用下發(fā)生相互作用或變形破壞，并進一步演變出的海冰存在形態(tài)，包括反復(fù)凍結(jié)的碎冰航道（brash ice channel，下頁圖1）、碎冰場（rubble field，下頁圖2）與冰脊（ice ridge，下頁圖3）等。碎冰航道是不同船舶多次駛過同一航道時，航道中的碎冰經(jīng)過“凍結(jié)-碾壓-破碎-再凍結(jié)”的反復(fù)過程而形成。碎冰場通常是指由專業(yè)破冰船或冰區(qū)管理船在人工干涉的情況下，將平整冰破碎后形成較大范圍的碎冰區(qū)。碎冰場的制造一般是為了減小極地海域海洋平臺的冰載荷。冰脊是漂浮的海冰在風(fēng)、流的推動下，邊緣互相擠壓、重疊、堆積而形成。冰脊一般由3 部分組成，即水上的碎冰堆積層（sail layer）、中間的凍結(jié)層（consolidated layer）及水下的碎冰堆積層（keel layer）。根據(jù)已公開發(fā)表的文獻資料[6]，冰脊水下碎冰堆積的深度可達到其水上堆積高度的5 倍以上，水下堆積的寬度一般為水上堆積寬度2～ 3 倍。

圖1 碎冰航道

圖2 碎冰場

圖3 冰脊示意圖及水下照片

與模型冰制備工藝存在多樣性[5,7]的情況類似，國內(nèi)外各大冰水池針對以變形冰為代表的復(fù)雜海冰環(huán)境條件的室內(nèi)模擬方法也不盡相同。ITTC 在針對變形冰模擬的推薦規(guī)程方面，也經(jīng)歷了多次的論證、增刪與修改，直至近年才提出了較為全面且操作性強的指導(dǎo)方案[8]。國內(nèi)天津大學(xué)冰水池在過去十年中，基于成熟的室內(nèi)低溫模型冰制備技術(shù)與國際首創(chuàng)的覆雪平整冰模擬技術(shù)[9]，研發(fā)了變形冰的冰水池模擬技術(shù)，并在極地多用途船與雙向破冰極地油船的穿越冰脊試驗[10]中予以應(yīng)用，如圖4所示。

圖4 天津大學(xué)冰水池開展的冰脊試驗相關(guān)場景

1.2 冰阻力的分項解析與測試

針對船舶冰區(qū)航行阻力，冰水池試驗研究工作大多致力于將阻力成分進行分解，并將各阻力成分與船體參數(shù)、冰條件之間的聯(lián)系，通過半理論半經(jīng)驗的公式予以表達，進而指導(dǎo)極地船舶的優(yōu)化設(shè)計。在加拿大學(xué)者JONES 發(fā)表的文獻綜述中[11]，KASHTELJAN 等[12]被認為是首次對破冰船在平整冰區(qū)航行中的阻力構(gòu)成進行分析，通過對Ermak號破冰船的模型和實船試驗數(shù)據(jù)進行分析，提出了一個計算總阻力的公式，公式中包含4 個阻力分量：冰破碎力、與重量相關(guān)的力（包括碎冰下潛與翻轉(zhuǎn)造成的力、船體位置改變引起的力、干摩擦阻力等）、船體穿越碎冰所受到的力和水流阻力。EDWARDS等[13]開展了一系列針對五大湖破冰船Mackinaw 號的現(xiàn)場及模型試驗工作，為后續(xù)學(xué)者的研究提供了大量的數(shù)據(jù)。VANCE[14]通過對5 組模型試驗與現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，得到了1 個“最優(yōu)回歸方程”，用來計算船舶在冰區(qū)航行的阻力。此方程中的總冰力由3 部分構(gòu)成，即冰破碎力、冰下潛力和1 個與速度相關(guān)的阻力項。ENKVIST[15]針對3 艘冰區(qū)船Moskva 號、Finncarrier 號和Jelppari 號進行了模型試驗，并將試驗結(jié)果與現(xiàn)場觀測結(jié)果進行了比較；基于對試驗結(jié)果的分析，并結(jié)合量綱分析與一定的理論假設(shè)，提出了1 個半經(jīng)驗方法——Enkvist 法，對船體在平整冰區(qū)航行中的冰力組成進行評估。后續(xù)，ENKVIST[16]為對冰破壞阻力所占比例形成評估，提出了基于“預(yù)切割冰”（presawn ice）試驗的碎冰下潛阻力測試方法，并在冰水池實驗室和現(xiàn)場試驗中予以應(yīng)用，如圖5[16]所示。ETTEMA 等[17]通過一系列模型試驗，對自由運動和固定約束下船模的冰阻力差異進行分析，并得出了在較明顯升沉和縱搖運動條件下的船模冰阻力均值和極值，均大于固定拖曳模式下冰阻力均值和極值的結(jié)論。此外，他們的研究還表明，在較小冰厚和較大航速下，自由運動和固定約束下船模的冰阻力差異逐漸縮小并趨于一致。上述研究工作也為ITTC 冰阻力試驗推薦規(guī)程的制定和更新奠定了基礎(chǔ)。目前的ITTC 規(guī)程針對冰阻力試驗推薦了2 種船模拖曳方式：一種方式是將船模放置于拖車下方，通過1 個多軸測力傳感器連接；另一種方式是船模位于拖車后方，通過拖曳桿連接，測力傳感器布置在拖曳桿一端。這2 種拖曳方式均要求保證船?？勺杂蓹M搖、縱搖和垂蕩，并限制縱蕩、橫蕩和艏搖，這與ETTEMA 等[17]的研究結(jié)論保持一致。若要通過阻力試驗評估特定船型的破冰性能和排冰性能，除了掌握船舶在特定冰況和航速下受到的總阻力之外，還需對總阻力中的關(guān)鍵成分進行分解。針對此問題，ITTC 以平整冰為例，給出了如式（1）所示的表達形式：

圖5 Enkvist 開展的船模預(yù)切割冰阻力試驗場景

式中：RIT為冰中總阻力，N；Rbr是冰破壞所產(chǎn)生阻力，N；Rc是動態(tài)清冰阻力（包含冰塊的翻轉(zhuǎn)、加速等），N；Rb是靜態(tài)清冰阻力（冰塊的浮力），N；RIW是冰條件下的水阻力，N。

針對上述阻力分項的測試，ITTC 結(jié)合敞水阻力試驗，引入了ENKVIST[16]提出的“預(yù)切割冰”試驗方法予以實現(xiàn)。其中，敞水阻力試驗即在冰水池中清理出一片無冰水面，按照阻力試驗方法測試敞水阻力RIW。預(yù)切割冰阻力試驗即在平整冰面預(yù)先按照船首破冰的形狀進行切割，如圖5 所示，從而近似地認為在冰阻力中排除破冰阻力Rbr成分。將預(yù)切割冰試驗結(jié)果減去敞水阻力試驗結(jié)果，即可得到清冰阻力成分Rc+Rb；在極小航速下（例如VM=0.02 m/s）開展預(yù)切割冰試驗，即近似地認為冰塊的翻轉(zhuǎn)、加速等動態(tài)進程可以忽略，則可以得到靜態(tài)清冰阻力成分Rb，由此即可獲得各項阻力成分的大小。

上述ITTC 冰阻力試驗操作規(guī)程，僅適用于常規(guī)的平整冰阻力的解析。隨著極地船舶向大型化、高冰級方向的不斷發(fā)展，船舶在冰區(qū)所面臨的破冰場景也越來越多樣化，如沖撞式破冰、雙向破冰與穿越冰脊等。早期建立的一些冰阻力經(jīng)驗公式在新型船舶應(yīng)用上的誤差越來越大，諸多破冰場景也逐漸超出了其適用范圍。在此背景下，針對這些多樣化破冰場景及冰阻力經(jīng)驗評估方法修正后的冰水池試驗研究得以進一步細化和深入。ETTEMA 等[18]針對船舶在碎冰場中的航行阻力進行了模型試驗，并重點考察了碎冰尺寸對阻力的影響。GLEN 等[19]通過一系列的模型試驗比較了船體在4 種不同艏部構(gòu)型下的冰阻力，并初步給出了各艏部構(gòu)型的適用條件。LEIVISK?[20]針對船舶穿越冰脊的航行阻力進行模型試驗，將船體穿越冰脊的過程分為了9 個階段，并構(gòu)建了冰脊阻力與船體參數(shù)和冰脊參數(shù)的關(guān)系。JUURMAA 等[21]針對新型阿芙拉級極地雙向航行運輸船，分別進行了不同冰條件下艏向和艉向航行的冰阻力模型試驗，并指出在較為嚴重冰條件下艉向航行的優(yōu)越性。LEIVISK? 等[22]對船舶在碎冰航道中的航行阻力進行了試驗分析，并對阻力隨航速及航道-船寬比的變化關(guān)系進行考察。HERREROS等[23]針對球鼻艏船在不同冰條件下的航行阻力進行了模型試驗，并對不同冰條件下的航行阻力大小進行比較。M?RD[24]針對冰區(qū)三體船進行航行阻力試驗，重點對三體船航行過程中的冰排的破壞模式進行觀測，并考察了阻力隨主-側(cè)船體間距的變化關(guān)系。MYLAND 和EHLERS[25-26]通過一系列模型試驗考察了不同破冰船首線型對破冰阻力的影響，通過對破冰尺寸的觀測和數(shù)據(jù)統(tǒng)計（如圖6 所示），提出了Lindqvist 冰阻力經(jīng)驗公式[27]的修正方法。

圖6 MYLAND 和EHLERS 給出的船底碎冰尺寸及分布形態(tài)

國內(nèi)對冰阻力的試驗研究起步較晚，但在近年來的技術(shù)攻關(guān)下，取得了一些有益的結(jié)論。為彌補“預(yù)切割冰”法中總阻力與冰破壞阻力“非同步測量”的缺陷，黃思洋[28]采用柔性觸覺式表面壓力傳感器（如圖7 所示），實現(xiàn)了對船體冰破壞阻力成分的直接測量及其與總阻力的同步提取，在此基礎(chǔ)上分析了受船體線型變化影響的冰阻力分布特征（如下頁圖8 所示），并對3 種不同船型的破冰能力與排冰能力形成了量化評價。該項試驗技術(shù)后續(xù)在某型極地破冰船的艏部線型優(yōu)化中予以應(yīng)用。HUANG 等[29]在國際范圍內(nèi)首次實現(xiàn)了冰水池實驗室覆雪冰條件的模擬，并將此用于覆雪條件對極地船舶冰阻力影響的試驗評估上，如下頁圖9 所示，同時討論了Lindqvist 公式在覆雪冰條件下的修正策略。

圖7 觸覺傳感器在船模冰阻力試驗中的應(yīng)用

圖8 試驗測得的船首冰壓力分布

圖9 HUANG 等給出的覆雪與無雪條件下平整冰的破壞差異

2 冰區(qū)快速性試驗

開展冰區(qū)快速性試驗的主要目的是：預(yù)報特定冰條件下可達到的航速和所需的推進功率；獲取推進系數(shù)，確定船舶推進系統(tǒng)效率；明確冰與推進系統(tǒng)（如螺旋槳）之間的相互作用關(guān)系等。從國內(nèi)外各大冰水池的操作實踐來看，推進試驗的方式可分為冰水池拖曳自航試驗、敞水過載試驗和冰水池全自航試驗。

2.1 冰水池拖曳自航試驗

俄羅斯克雷洛夫國家科學(xué)中心冰水池、德國漢堡水池、國內(nèi)天津大學(xué)冰水池等常采用冰水池拖曳自航試驗的方法進行推進試驗。該項試驗常以拖車拖曳船模穿越冰蓋的方式進行，試驗中力的平衡關(guān)系如圖10 和式（2）所示。

圖10 冰水池拖曳自航試驗船模受力狀態(tài)

式中：Teff為螺旋槳發(fā)出的有效推力，F(xiàn)X為拖曳力，RI+RIW為冰中航行總阻力，N。

當(dāng)拖曳力FX=0 時，船模有效推力和阻力達到平衡，由此確定船模的自航點。在拖曳自航試驗中，螺旋槳轉(zhuǎn)速的選取十分重要，然而實際操作中，由于冰阻力的波動較大，往往很難找到適當(dāng)?shù)穆菪龢D(zhuǎn)速使得船模所受到的推力恰好能夠克服船體阻力。因此，自航點的確定通常需要設(shè)定多種轉(zhuǎn)速，即低于自航點的低轉(zhuǎn)速和高于自航點的高轉(zhuǎn)速（參考系柱試驗結(jié)果），然后通過擬合插值得到。在得到自航點后，可根據(jù)船模自航試驗曲線，得到對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和扭矩。通過模型比尺還原至原型后，進而得到特定冰厚和航速下，船體克服冰區(qū)航行阻力所需要的收到功率。

通過進行多航速條件下的試驗，可得到特定冰厚下螺旋槳收到功率隨航速的變化關(guān)系，即P-V曲線。通過P-V曲線還可以得到在既定功率和冰厚下，船舶可以達到的穩(wěn)定航速。在此基礎(chǔ)上，通過對多種冰厚進行試驗，還可以得到船舶穩(wěn)定航行速度與連續(xù)破冰厚度之間的關(guān)系，即h-V曲線，進而對船舶的連續(xù)破冰能力形成評價。

2.2 敞水過載試驗

敞水過載試驗，是在冰水池內(nèi)開展船舶冰阻力試驗后，相應(yīng)的推進試驗轉(zhuǎn)至常規(guī)拖曳水池或無冰條件下進行。所謂“過載”，是將螺旋槳提升至較高轉(zhuǎn)速，使得螺旋槳發(fā)出的推力遠大于船模敞水阻力。此時，拖曳系統(tǒng)對船模的拖曳力即成為限制船模保持特定航速的強制力。當(dāng)強制力等于同等航速下先期阻力試驗中獲得的凈冰阻力時，船模達到自航點。敞水過載試驗的主要缺陷是無法考慮漂移碎冰對船后伴流場及螺旋槳水動力性能的影響。為對此進行修正，需額外進行1～ 2 次同等冰厚條件的冰水池拖曳自航試驗，用于考察船后槳冰相互作用情況。敞水過載的試驗方式在加拿大國家研究委員會（NRC-IOT）冰水池中較多使用。通過此種方法，JONES 和LAU[30]對Healy 號破冰船的破冰能力進行預(yù)報，并與實船測試結(jié)果取得良好的一致性。

2.3 冰水池全自航試驗

在全自航試驗中，船模不受拖曳力作用，處于完全自由航行的狀態(tài)。此時，船模航速主要受螺旋槳推力控制。由于螺旋槳輸出推力并非恒定，因此需要在試驗中保證足夠長的試驗段，以試驗段測得的航速均值作為船模速度。全自航試驗與船舶真實破冰航行場景相似，為保證試驗結(jié)果的準確性，航行中各載荷值均需具有良好的相似性。這是因為確定自航點的依據(jù)是螺旋槳推力與總阻力的平衡，模型冰力學(xué)特性的偏離將直接導(dǎo)致自航點的變化，從而導(dǎo)致螺旋槳與冰相互作用過程的改變，進一步放大試驗偏差。因此，對模型冰力學(xué)參數(shù)和摩擦系數(shù)的相似性要求高于拖曳自航試驗。得益于大量的實船設(shè)計與測試經(jīng)驗，芬蘭Aker Arctic 冰水池常采用該種方式對船舶的冰區(qū)快速性進行預(yù)報。

2.4 冰槳相互作用評估

對于冰條件下螺旋槳的載荷與水動力性能分析，同樣是冰水池推進試驗的重要研究內(nèi)容。為評價船舶在冰區(qū)航行中的冰槳作用情況，第17 屆ITTC 大會中提出了“冰效率系數(shù)ηI”。在同等轉(zhuǎn)速和進速下，定義螺旋槳的推力差為dTeff=TI?TOW，槳軸上的扭矩差為dQ=QI?QOW。式中的下標I、OW分別表示冰和敞水情況。冰效率系數(shù)ηI通過下式（3）計算：

船舶在冰區(qū)航行過程中的冰槳相互作用受到多種因素的影響，如船型、冰條件和破冰場景等，學(xué)術(shù)界針對這些因素的影響規(guī)律已開展了大量試驗研究工作。TAMURA 等[31]通過斜板下壓冰塊的方式，模擬了碎冰塊與導(dǎo)管槳的水下碰撞過程，并重點考察了冰強度與冰塊尺寸對螺旋槳水動力性能的影響。LEIVISK?[32]針對一配備全回轉(zhuǎn)吊艙式推進器的極地運輸船，開展了敞水與平整冰中的船模拖曳自航試驗，并重點考察了冰中艏向與艉向航行的推力減額分數(shù)差異。WANG 等[33]針對吊艙式推進器進行了一系列冰水池切削試驗，指出了槳葉切削冰過程中的遮蔽效應(yīng)。黃焱等[34]針對典型冰困情形下螺旋槳的銑冰過程，在冰水池內(nèi)進行了一系列模型試驗，如圖11 所示，并初步探討不同切削深度下螺旋槳推力、扭矩及冰載荷的變化規(guī)律。針對吊艙式推進器在穿越冰脊過程中的冰載荷評估問題，黃焱等[35]在冰水池內(nèi)開展了不同轉(zhuǎn)速、舵向角及浸沒深度下的單吊艙穿越冰脊試驗，如圖12 所示，并將試驗的載荷預(yù)報值與規(guī)范計算值進行了對比。這些工作對相關(guān)試驗規(guī)程或船舶設(shè)計規(guī)范的更新起到了推動作用。

圖11 冰槳切削過程的試驗場景

圖12 單吊艙穿越冰脊的試驗場景

3 冰區(qū)操縱性試驗

冰水池船舶操縱性試驗的主要目的是研究船舶在冰區(qū)的轉(zhuǎn)向性能，并評價船舶轉(zhuǎn)向裝置（如舵、側(cè)向推進器和全回轉(zhuǎn)吊艙式推進器等的有效性）。同時，在操縱性試驗中，也研究船舶轉(zhuǎn)向航行時船體周圍浮冰的運動情況。冰水池船舶操縱性試驗一般包括回轉(zhuǎn)試驗、破離航道試驗和星形轉(zhuǎn)向試驗等。

3.1 回轉(zhuǎn)試驗

回轉(zhuǎn)試驗是為了確定船舶在冰區(qū)航行時進行回轉(zhuǎn)操作所需的最小半徑。由于室內(nèi)冰水池操作空間的限制，目前世界上僅有芬蘭、加拿大和韓國的方形冰水池可完成船模在冰中的全回轉(zhuǎn)試驗，如圖13 所示。當(dāng)回轉(zhuǎn)軌跡較短時，估算的回轉(zhuǎn)直徑和半徑結(jié)果可能存在誤差。ITTC 在冰區(qū)操縱性試驗的推薦規(guī)程中指出，當(dāng)回轉(zhuǎn)角度超過135°時，回轉(zhuǎn)直徑的估計誤差相對較小[36]。通過回轉(zhuǎn)模型試驗測試得到的回轉(zhuǎn)直徑和軌跡，可以按照幾何比尺還原至原型，回轉(zhuǎn)時間的相似比尺由弗勞德數(shù)控制。

圖13 芬蘭Aalto 冰水池開展的全回轉(zhuǎn)試驗場景

另外，由于船?；剞D(zhuǎn)過程中，船肩、船尾會與冰層接觸并令其發(fā)生破壞，保證模型冰抗壓強度的相似性是提高試驗結(jié)果準確性的重要條件。針對回轉(zhuǎn)過程中船肩、船舯與船尾受到擠壓冰載荷作用進程，吳煒和黃焱[37]開展了冰水池模型試驗，通過觸覺式表面壓力傳感器，考察了冰載荷空間分布的“點接觸”和“線接觸”特征隨不同轉(zhuǎn)向角度的變化規(guī)律。

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3.2 破離航道試驗

在很多情況下，船舶在冰區(qū)航行時會沿著破冰船或其他船只開辟的航道前進。當(dāng)船舶需要轉(zhuǎn)向時，就必須破壞航道兩側(cè)平整冰層，從而駛離航道，如圖14[36]所示。為模擬船舶在航道中不同的航行狀態(tài)，ITTC 在冰區(qū)操縱性試驗的推薦規(guī)程中指出，船舶在破離航道試驗中的初始狀態(tài)可以從靜止開始，或以特定速度航行；舵角可以在初始狀態(tài)下設(shè)置好，也可以在航行中打舵。

圖14 破離航道試驗示意圖

另一方面，航道冰條件也會對試驗結(jié)果造成明顯影響，包括航道寬度、航道邊緣形狀及航道內(nèi)浮冰形態(tài)等。由于航道寬度有限，船舶轉(zhuǎn)向破冰的加速距離很短，如果船首結(jié)構(gòu)型式不利于破冰作業(yè)，會出現(xiàn)被一側(cè)航道彈回的現(xiàn)象。當(dāng)船舶被航道反彈時，船體穩(wěn)性和運動狀態(tài)會受到很大影響，不利于后續(xù)的破冰進程，因此，首次碰撞對破離航道十分重要。針對這一場景，國內(nèi)黃焱等[38]在冰水池內(nèi)開展了某極地油船的破離航道試驗，如圖15 所示，通過航道拓寬次數(shù)、總行程和破離時轉(zhuǎn)向角等指標，對不同冰厚與航道寬度下的破離能力進行了量化評估。

圖15 船舶破離航道的試驗場景與軌跡記錄

3.3 星形轉(zhuǎn)向試驗

當(dāng)船舶需要在航道的有限空間內(nèi)完成180°轉(zhuǎn)向時，通常采用星形轉(zhuǎn)向操作，即船長通過反復(fù)的“正車-倒車”操作完成狹窄空間內(nèi)的轉(zhuǎn)向活動，如圖16 所示。破離航道可視為星形轉(zhuǎn)向操縱的第一步。目前，針對星形轉(zhuǎn)向場景，可供參考的試驗研究工作較為匱乏，國外已開展的研究主要包括現(xiàn)場操作經(jīng)驗的總結(jié)[39]及初步的理論解析[40]。

圖16 星形轉(zhuǎn)向試驗示意圖[36]

4 結(jié)語：試驗技術(shù)的未來發(fā)展方向

4.1 針對冰阻力試驗

如前所述，早期建立的一些冰阻力經(jīng)驗公式在新型船舶與復(fù)雜破冰場景的應(yīng)用上，面臨著預(yù)報精度較差、適用范圍過窄的瓶頸。在缺乏實船冰區(qū)航行數(shù)據(jù)的情況下，冰水池模型試驗成為了研究該項問題的唯一可靠途徑。因此，未來仍需在多種船型、航速與冰條件的冰水池試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用適當(dāng)?shù)臒o量綱化分析方法，形成冰阻力經(jīng)驗公式的修正或推陳出新。同時，需進一步探究現(xiàn)有“弗勞德-柯西”相似體系對復(fù)雜破冰場景（如穿越碎冰場、冰脊等）的適用性，通過對模型冰關(guān)鍵力學(xué)性質(zhì)的控制、冰破壞與運動過程的精細化觀測，實現(xiàn)冰阻力試驗預(yù)報精度的提升。

4.2 針對冰區(qū)快速性試驗

極地船舶的高冰級化發(fā)展意味著船舶將遭遇更厚、強度更大的冰條件，這將進一步加劇螺旋槳與冰的相互作用。這一情形對于艉向航行船舶而言更是如此。這便要求在快速性試驗中對冰槳相互作用進程形成精細觀測，并對螺旋槳在冰中的水動力性能形成可靠預(yù)報。然而，從敞水試驗的操作實踐來看，螺旋槳的水動力性能評估遵循著以“進速系數(shù)”為核心的試驗相似體系。如何將這一相似體系與冰水池試驗的“弗勞德-柯西”相似體系進行匹配、融合，是冰水池快速性試驗面臨的主要問題，這一問題仍需在未來研究中予以重點關(guān)注。

4.3 針對冰區(qū)操縱性試驗

如前所述，針對星形轉(zhuǎn)向操縱場景，已公開發(fā)表的試驗研究工作較為匱乏。在全球氣候變暖、極地航行日趨頻繁的當(dāng)今，非冰區(qū)船舶在未來可能面臨極區(qū)航行任務(wù)。因此，合理的操船策略成為船長或操船人員在面臨多種冰區(qū)作業(yè)場景時的必需。該策略的制定除了參考已有航行經(jīng)驗以外，仍需通過冰水池模型試驗，在獲得船舶冰區(qū)操縱性能評估的基礎(chǔ)上，結(jié)合多工況、多組次的模型試驗，形成操船策略的驗證、修訂或最優(yōu)方案評判。