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国外舰船结冰和防冻研究

访问次数: 1543 次    作者: 远望智库特约研究员 战培国    发布时间: 2021-05-14

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舰船在极地科考、北极新航路等海上寒冷恶劣气候环境下航行时,舰船上层结构会遭遇结冰问题。舰船严重结冰影响舰船航行稳定性、安全性和设备的正常运行。从国外20世纪40-80年代统计数据看,船舶结冰导致船舶损失事故近百起。最早的舰船结冰科学研究,可以追溯到1886年《自然》杂志上发表的“一个异常沉船案例”论文。北纬35°以上且航海活动发达的国家,如美国、俄罗斯、加拿大、挪威、芬兰、日本等,舰船结冰研究比较活跃,美国陆军工程研究与发展中心寒区研究和工程实验室、俄罗斯克雷洛夫中央船舶研究院、加拿大国家研究委员会机械工程部低温实验室、日本海事地球科技局海事技术工程中心等科研院所,对舰船海上结冰都开展有持续深入的研究。




1 舰船结冰环境条件


开展舰船上层结构结冰研究的前提条件是采集海上水文气象数据,通过统计分析,弄清舰船海上航行结冰环境条件,建立舰船结冰边界条件数据库,目的是为舰船航行结冰预警、全尺寸海上结冰实验研究、实验室结冰和防除冰研究、理论计算研究等提供基本条件,同时,促进人们对舰船结冰的认知和防除冰技术的发展。海上舰船海上结冰环境条件研究主要包括两部分:
1.1海上大气条件
空气温度和海风、过冷雾、雨雪、水温等被认为是海上结冰的主要大气环境条件,是舰船上层结构上淡水结冰的成因。北纬40°以上的高纬度海域是舰船结冰的常发地,近年来,随着气候变化,拉尼娜和厄尔尼诺现象造成的极端气象条件增多,北纬40°以下海域,如我国的渤海、黄海,舰船也经常遭遇结冰。20世纪60-80年代,俄、美等国曾对海上结冰开展调查研究。俄罗斯Borrisenkov和Panov统计了东/西部海域、东北大西洋、挪威和格林兰海域、北大西洋、巴伦支海、波罗地海、巴芬湾和哈德逊湾、白令海、纽芬兰地区、鄂霍茨克海、日本海、西北太平洋和北极海的冬春季舰船结冰发生情况,共计约3000起,主要发生在12月-3月期间。美国海军气象服务司令部Guttman研究了世界范围的雾、雨、过冷低空云和冻结温度,给出了全球全年每个月的过冷雾分布情况。美国陆军冷区研究工程实验室David Minsk的海上气象调研报告给出了多国气象组织海上舰船上层结构结冰的气象数据。许多学者研究了大气温度/风速与大气中雾、雪等沉降物在舰船上层结构上沉积结冰的关系,但大多数研究数据是基于陆地测量结果;也有学者进一步对雨雪沉降物与空气湿度、海上平流雾和蒸发雾、海水表面温度和盐度等对结构上积冰形成的可能性、严重程度进行了研究。将气温、风速和水温,直接简化形成海上结冰气象预报是一种相对简易的做法。
1.2盐水结冰条件
舰船特征、风浪特征、水文特性等,是舰船上层结构上含盐海水结冰的成因。盐水结冰条件主要包括:气温和水温、造成海浪的风以及船和大气相互作用产生的表面风的风向和风速、风持续时间、海浪发展的阶段、海浪的涌动、水深、海水盐度、雨雪和雾等。舰船物理特征,包括尺寸大小、海平面以上结构高度、船头部形状、航行速度和航向等,也是影响海水飞溅到舰船上层结构结冰的因素。
气温、水温和风速是舰船结冰的重要水文气象条件。Kravsov等人研究结果,大气温度0~-26、风速0~30m/s,会发生舰船结冰;而Fein等人研究结果,气温低于-18,不会发生飞溅结冰。有的研究认为,海水温度高于6不会发生结冰,但也有水温6~8结冰的案例。由此可见,海上水文气象条件十分复杂,影响舰船结冰的因素较多。



2 舰船上层结构结冰


舰船上层结构结冰主要有两种类型:一是海水飞溅结冰,主要以含盐海水冰为主;二是大气结冰,主要以淡水冰为主。据有关文献对大量渔船结冰事件的统计,海水飞溅结冰占总结冰统计数量的89.8%;大气结冰占2.7%;飞溅结冰伴随雨或雾占6.4%;飞溅结冰伴随雪占2.7%。北极海域船舶结冰统计表明,飞溅结冰占50%;飞溅结冰伴随大气结冰占41% ;飞溅结冰伴随雨雪占6%;飞溅结冰伴随雾占3%。
舰船结冰强度以24小时结冰厚度为计量标准,轻度结冰:10~36mm;中度结冰:36~66mm;重度结冰:66~145mm;严重结冰:145mm以上。


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 图:两种舰船结冰类型成因



2.1飞溅结冰
舰船航行时,船头与海浪撞击,海水被船体挤压破碎,形成雾化水滴,雾化水滴也可能因风吹海浪形成。因此,海浪的撞击飞溅和风吹飞溅是飞溅结冰的两种形式。雾化水滴在海面风和舰船航行速度的共同作用下,向舰船后方飞扬。如果气温较低,雾化小水滴在运动过程中可能形成过冷小水滴,并与舰船上层结构碰撞时形成结冰。即使未形成过冷水滴,它们撞击舰船上层结构后,也可能因物体结构表面温度过低而冻结。水滴飞溅的高度和结冰区域是由舰船与海浪撞击状态、风速、水滴质量和船体结构等决定。据世界气象组织早期研究统计数据,受水滴质量影响,舰船上层结构飞溅结冰的高度一般小于15-20m,也有一些更高的案例,如芬兰高速涡轮机船飞溅结冰高度可达30m。但随着高度增加,飞溅水滴的密度呈指数形式快速下降,结冰危害影响降低。



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(a)船头飞溅

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(b)上层结构结冰区


图:舰船飞溅结冰    



飞溅结冰受海水盐度和时间等影响,过程非常复杂。飞溅海水不是完全冻结,形成的冰通常是海绵状,含有冰、盐窝和气泡。国外飞溅结冰研究主要集中在水滴轨迹、飞溅流量、液态水含量、相变界面热平衡和冻结方程等。

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2.2大气结冰

现代大型舰船上层建筑结构比较高,如航母甲板距海面二十米左右,舰岛则更高,海上恶劣气候下的大气沉降物是大型舰船结冰的主要因素。2018年,美国“杜鲁门”号航母进入北极圈,甲板遭遇严重结冰;2021年,俄罗斯“库兹涅佐夫海军上将”号停靠在摩尔曼斯克市造船厂等待维修,该船厂位于巴伦支海沿岸,甲板、舰岛已为冰雪覆盖。



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(a)“杜鲁门”号(上图)

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(b)“库兹涅佐夫海军上将”号(下图)

图:航母上大气结冰



与飞溅结冰不同,大气结冰是不含盐的淡水冰,由过冷毛毛雨或雨、雪或雨夹雪、过冷雾和霜等形成。大气结冰可以分为:1)明冰,由冻雨或雪、毛毛雨而成,密度约为0.7~0.9g/cm3,一般形成条件是气温0~-3、风速1~20m/s;2)白霜,由水蒸汽以冰晶形态沉降而成;3)霜冰,由过冷云或雾滴而成,可细分为硬霜冰、软霜冰。硬霜冰密度约为0.1~0.6g/cm3,一般形成条件是气温-3~-8、风速5~10m/s;软霜冰密度约为0.01~0.08g/cm3,一般形成条件是气温-5~-25、风速1~5m/s。三种形态的冰与风速、大气温度有关,又可以细分成硬/软霜冰、明冰与硬霜冰、明冰与湿雪、明冰与软霜冰、硬和软霜冰各种组合形态。




3 结冰实验和计算研究



实验和计算是开展舰船结冰研究的主要手段。国外利用结冰风洞、室外结冰设备、舰船海上实测等方式开展舰船结冰相关实验研究。通过实验和理论分析,发展理论计算和数值计算方法。
3.1 结冰实验
美国陆军工程研究发展中心(EDRC)冷区研究工程实验室(CRREL)建设了独特的冰工程实验设备(IEF),用于冷区与结冰有关工程问题的实验研究,其中包括冰与舰船结构相互作用力的研究。CRREL长期致力于海上舰船等建筑结构的结冰实验研究,在20世纪90年代,该研究室研究人员利用美国海岸警备队巡逻艇(USCGC)在白令海执行任务的时机,跟船开展了2个月的实船飞溅结冰的测量研究,对舰首护栏、炮塔、驾驶舱、甲板舱口等部位进行了飞溅结冰实测,研究了舰船上层结构明冰的物理特性。
美国海军研究实验室(NRL)、大卫.泰勒海军舰船研究发展中心(DTNSRDC)开展了海上风浪环境和舰船结冰条件的监测工作。日本海事地球科技局海事技术工程中心(JAMSTEC)发展了海洋水文观测浮标装置对海上结冰气象条件进行测量。


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图: 周期性海水飞溅实验

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图: 海上结冰条件测量




4 舰船防冰研究成果


基于长期的舰船结冰实验和理论计算研究,舰船防冰除冰研究形成了一些研究成果,如安标准、防除冰技术和商业产品等。提高了舰船在寒区或恶劣海洋结冰环境下的安全性和航行机动能力。
2010年以来,国外在新型北极巡逻艇设计中,加强了防冰设计。美国海军水面作战中心(NSWC)舰船创新设计中心(CISD)在“绿色北极巡逻船”(GAPV)设计中,不断迭代改进设计,采用双船体(降低飞溅结冰)、疏水防冰涂层、电热和太阳能等措施,对甲板、直升机平台、上层建筑结构、舰炮武器系统等部位,加强防除冰设计。加拿大海军(AOPS)、挪威海岸巡逻船(KV Svalbard)优化了船头和船上建筑的构型,降低海浪撞击飞溅结冰。


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(a)美国GAPV

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(b)加拿大AOPS

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(c)挪威KV Svalbard

图:新型北极巡逻艇设计


冰防护技术是保护舰船结构、防止结构功能因结冰而失效的技术,通常分为防冰技术、除冰技术和冰探测技术三大类。国外发展的舰船防除冰技术主要有:化学品技术、涂层和表面处理技术、覆盖技术、设计技术、驱逐技术、热技术、高速流体技术、红外和激光技术、人工除冰技术、磁电技术、气动技术、振动技术等;冰探测技术根据主要基于的原理可分为:光学的、超声波的、图像的、金属橡胶的等。上述冰防护技术有些已经成为成熟的商业产品,在船舶领域得到应用。
近年来,随着北极资源开发利用潜力显现,现代舰船等海上运行平台的防除冰技术研究需求和重要性凸显。从国外舰船结冰研究看,尽管舰船与飞机属于不同的工程技术领域,但二者在结冰研究上,有很多方面是交融的,如大气结冰的基本机理、一些结冰试验设备、结冰测量/探测技术、计算技术、发展的防除冰技术等。

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