在极地冰层逐年消融、能源紧缺的时代，极地航线和能源开发利用愈发显得迫切[1-2]．人类在极地海域的一切活动无可避免地受到海冰的影响，破冰船承担着难以替代的作用．目前极地破冰船较为流行的辅助技术包括快速倾斜系统、喷水系统、气泡辅助系统等[3]．气泡辅助系统已成功应用于美、俄、加等国的破冰船，目前俄罗斯新建的LK-25型Victor Chernomyrdin号和加拿大在建的John G Diefenbaker号破冰船都应用了该技术．尽管气泡辅助系统已有应用，但是鉴于各种原因，目前国际上几乎没有发表关于气泡辅助的研究，国内相关研究也十分匮乏，关于气泡辅助系统减阻效果的研究仍未见报道．近几年，文献[4-5]对气泡辅助系统与平整层冰及非冻结模型冰相互作用进行了机理实验，但没有进行减阻的测量．船模冰水池试验一般被认为是较为可靠的船舶冰阻力预报方法．船模冰区试验可分为冻结冰模型试验与非冻结冰模型试验，前者需要专门的冰水池进行试验[6]．文献[7-8]进行过大型运输船在平整冰区及碎冰区域的阻力性能试验，并还原至实船阻力．对于非冻结冰船模拖曳试验，文献[9]进行了第一次石蜡非冻结模型冰船模试验．文献[10-11]采用石蜡非冻结模型冰和冻结冰进行了对照试验，对比发现两者冰阻力非常接近，验证了非冻结模型冰的可行性．文献[12]采用聚丙烯模型冰，发现冰阻力在较高航速下对比良好．文献[13-14]也利用石蜡模型冰进行了碎冰航道下船模阻力性能试验，结果与文献[10-11]研究相关性较好．文献[15]采用石蜡模型冰，对碎冰区船舶阻力、伴流场特性及航行姿态的变化进行了研究[15]．本研究通过在室外冰水池中进行一系列气泡辅助系统船模实验，观测气泡辅助系统开启前后船体与浮冰作用过程的差别、碎冰航道现象的变化，基于试验结果，分析气泡辅助系统与海冰相互作用机理，得到航行阻力数据，验证该系统的可行性．1 试验模型及方案设计1.1　试验模型及气泡辅助系统布置本研究开展室外冰池船模阻力试验的船模原型是雪龙2号极地科考破冰船，模型试验缩尺比λ=60，该试验船模的船体主要几何参数如表1所示．10.13245/j.hust.220414.T001表1雪龙2号破冰船原型/模型的主要几何参数参数原型模型船长/m122.502.04水线长/m116.201.93型宽/m22.300.37吃水/m7.800.13艏柱角/(°)2020水线角/(°)4040本研究在具体气泡辅助系统喷气孔开孔数量及布置方面参考文献[4]在机理实验中的布置，在船体两侧共开孔16个，单个气孔直径为6 mm，气孔沿船体中纵剖面称对称分布．船舯平行中体开孔位置位于舷侧下沿靠近舭部位置，垂直舷侧表面等距开孔；船艏倾斜部分开孔位置为开孔高度水线面边缘，垂直船壳表面开孔．船体开孔示意图如图1所示．10.13245/j.hust.220414.F001图1船体三维模型及开孔示意图1.2　试验方案设计本研究所进行的碎冰条件下船模拖曳阻力特性试验依托哈尔滨工程大学室外冰水池进行，针对气泡辅助系统的减阻机理及减阻效果，分别对不同碎冰密集度、不同船模航速及不同通气量参数下的阻力特性变化规律展开研究．1.2.1　模型率及相似准数模型率及相似准数对于模型缩尺试验来说是必须要考虑的问题，是整个阻力实验研究中的重要理论基础．当冰水池进行碎冰航道中的船模阻力试验时，不仅须要满足敞水条件下的实船与船模之间的相似准数，还须要满足模型冰的相似．但本研究进行的是非冻结模型冰的碎冰试验，不考虑碎冰模型与船体发生碰撞后的二次破碎，所以与普通船模实验类似，须要遵循流体模型试验中的相应模型律，即满足弗汝德数与雷诺数相等[16]．实际条件下并不存在同时满足这两个相似准数相等的流体，因此在实际的船模试验中要求满足雷诺数大于临界雷诺数且弗汝德数相同的条件，即弗汝德相似准则Fr=v/gL，式中：v为碎冰区航行速度；g为重力加速度；L为特征长度(此处取船长)．原则上，气体运动也须要满足对应的相似准数[17-18]，然而由于目前并不掌握实船的喷气规律及气泡运动特征，因此在本试验中暂时不考虑气体的相似规律．通过上述相似准则建立该试验的模型律，船模几何长度及模型冰冰厚的缩尺比均为λ，试验过程中测试时间及航速的缩尺比为λ1/2，力的缩尺比为λ3．1.2.2　模型冰本研究选用聚丙烯材料制作模型冰，参考了文献[19]，将聚丙烯板加工为尺寸一致的正方形形状，根据北极海冰的分布规律，综合不同尺寸及形状碎冰的出现概率及试验本身条件及缩尺，定制了边长为0.065 m×0.065 m的正方形，厚度为0.017 m的聚丙烯模型碎冰块(换算到实尺度碎冰块尺寸约为4 m×4 m×1 m)共4 000块．在拖曳水池中划分出用于试验测量的碎冰航段，在该碎冰航段内布置模型冰，设置高低两种碎冰密集度，分别为50%及80%密集度．聚丙烯模型冰及不同密集度下的碎冰航道场景如图2所示．10.13245/j.hust.220414.F002图2不同密集度下碎冰航道场景试验过程中将碎冰块均匀布在宽为2 m、长为10 m的碎冰航段内，碎冰密集度通过调节碎冰数量来实现，经过计算：当碎冰密集度为50%时，航段碎冰数量为2 227块；当碎冰密集度为80%时，碎冰数量为3 564块．1.2.3　试验工况开启气泡辅助系统情况下进行了不同碎冰密集度、不同航速、不同通气量下的一系列试验，选取了低碎冰密集度-低航速(50%-0.5 m/s)、低碎冰密集度-高航速(50%-0.7 m/s)、高碎冰密集度-低航速(80%-0.5 m/s)、高碎冰密集度-高航速(80%-0.7 m/s)4个典型工况，进行不通气及4个不同单孔通气量(7，14，21，28 L/min)下共计20组不同工况下的阻力特性试验．2 气泡运动特性与船-冰相互作用现象分析2.1　气泡运动特性观测首先在敞水区域对该气泡辅助系统气泡发生及运动过程进行观测，此过程不涉及船体或气泡与碎冰的相互作用，仅观测气泡上浮及形成气流过程中气泡运动特性．该气泡发生系统的特点在于在船舶两侧，准确说是船艏及船舯两侧靠近舭部的位置，设置一系列用于通气的水下开孔．通过这些排气孔，气体得以排入水中，沿船艏及舷侧形成一股强烈的向上的气水混合流，气水混合流将在船体和破碎的海冰之间形成一层润滑层，有效地降低碎冰、覆雪对船体的摩擦力，从而降低破冰船阻力成分中的清冰阻力(即摩擦阻力)．通过水下摄像机观测，对比在开启气泡辅助系统后船舶静止及运动时的气泡运动特性，如图3所示．当静止时，观测到由于开孔距水面有一定距离，在气体源源不断由喷孔喷出之后，会形成气流，气流上浮过程中气-液交界面受到扰动导致气流中断，而形成连续气泡．当船体静止时，气流运动方向基本沿船体表面垂直水面向上，舷侧的气泡流形状较为稳定，气泡大小相近间距较小，能观测到所有气泡几乎沿一条直线向上运动．船艏气泡受到船艏角度及表面曲率的影响，自下而上呈扇形扩散，扇形顶角即为喷气孔位置，接近水面时气体覆盖面积较舷侧大．当船体开始以一定速度向前运动时，船侧紧贴船体表面垂直向上运动的气流受到上游来流的影响而改变方向向船尾运动，逐渐形成稳定的沿船体表面与垂向法线呈一定夹角的气流，船艏气泡运动则更为复杂，在向船尾方向扩散的过程中，扇形气流产生了破碎、分离及融合等多种形式的运动．10.13245/j.hust.220414.F003图3船体静止与航行过程中气流运动对比不同航速下气流的运动也呈现出不同的规律，选取相同通气量下航速为0.4 m/s及0.6 m/s时气流图像如图4所示．当航速为0.4 m/s时，舷侧一系列气孔所形成的气流沿船体表面向斜上方运动，船侧各气孔所形成的气流角度近乎平行，选取由船艏向船尾方向第5个喷气孔测量得到该气孔产生的气流与垂向法线夹角角度约为53°，如图4(a)所示；船艏气流形状较为复杂，呈现不连续、气腔范围大、相邻气流融合发展的特性．当航速为0.6 m/s时，取相同喷气孔测量得到该气孔产生的气流与垂向法线夹角角度约为62°，如图4(b)所示，说明在较高航速下气流受到的流体拖曳作用更明显，所形成的气流与垂向法线夹角更大；类似地，受到流体作用，0.6 m/s航速时的船艏气泡抵达水面的位置明显比0.4 m/s航速时的更靠近船肩位置．10.13245/j.hust.220414.F004图4不同航速下气流沿舷侧运动示意图2.2　气泡与碎冰相互作用机理观察开启气泡辅助系统后发现不同通气量下船-冰相互作用过程存在差异，进而探究气泡辅助系统对破冰船在碎冰航道中航行的减阻机理．图5为开启气泡辅助系统后，在50%碎冰密集度、0.5 m/s航速下不同通气量现象对比．在单孔通气量为7 L/min的工况下(见5(a))，在该喷气量下船艏部分仍有大量碎冰被压在船艏底部，船前仍有碎冰积压，但船侧的碎冰受到气泡上浮及气水混合流的作用，在舷侧发生翻转并开始向远离船体方向运动，可以观察在船体舷侧与碎冰之间形成了一条较窄的润滑带，润滑带范围即船平行中体部分几乎无船冰接触摩擦．由于该气泡辅助系统开孔位置仅至船舯，因此船尾部分并未存在气水混合流的润滑带，碎冰块当运动至靠近船尾时，两侧碎冰相互碰撞挤压作用，碎冰又漂向靠近船体位置，与船体产生摩擦；逐渐增大通气量，观察到润滑带宽度逐渐增大，当单孔通气量提高至28 L/min时(见图5(b))，虽然仍有部分碎冰在船艏位置被压至船体底部，但该通气量下船肩位置已经形成稳定的气水混合流，在自由液面形成了能量较大的紊流，被压在船底的碎冰运动至船肩处，就在气水混合流作用下翻转至船侧，并在船侧产生的紊流作用下开始离开船体．此工况碎冰密集度较小，航速较低，船两侧形成紊流有充分作用时间，同时较大的气流量保证了碎冰脱离船体的位置更靠近船艏，碎冰渐渐漂离船体，在船体舷侧形成一条较宽的无冰带，在该范围内几乎没有船体与碎冰的相互接触，达到了显著降低阻力的效果．10.13245/j.hust.220414.F005图5不同通气量现象对比图6为在50%碎冰密集度、0.5 m/s航速工况下有无气泡系统船模航行过后碎冰航道对比．在开启气泡辅助系统之后，在50%碎冰密集度下，可以显著观察到船体两侧的碎冰不仅仅受到船体的碰撞挤压力，船侧的气水混合流及其造成的紊流兴波也对碎冰块起到了很好的吹散效果，在开启气泡辅助系统之后船后所形成的开阔航道宽度明显大于未开启气泡辅助系统的工况．10.13245/j.hust.220414.F006图650%碎冰密集度、0.5 m/s航速工况下有无气泡系统船模航行过后碎冰航道对比图7为在80%碎冰密集度、0.5 m/s航速工况下，有无气泡系统船模航行过后碎冰航道对比．在80%的碎冰密集度下，由于航道两侧碎冰过于密集，相互之间的碰撞及挤压力作用较大，因此气泡辅助系统在该工况下的吹散效果并不如低碎冰密集度工况下显著(见图7)，碎冰在船体尾流及相互间的挤压作用下逐渐向中间靠拢．开启气泡辅助系统后碎冰的聚拢减弱，在船后所形成的无冰航道在长度及宽度上都要大于未开启时工况．10.13245/j.hust.220414.F007图780%碎冰密集度、0.5 m/s航速工况下有无气泡系统船模航行过后碎冰航道对比3 碎冰航道阻力测试结果分析图8为80%碎冰密集度、0.7 m/s航速时通过数据采集仪采集到的船模碎冰航道总阻力时历曲线，选用500 Hz的采样频率．由于试验设备的特性导致船模在启动及停止时会有瞬时较大的加速度和峰值阻力出现，因此每组试验数据仅选取船模进入碎冰航段后阻力值趋于稳定的时段进行碎冰阻力的分析，例如图8中工况选取25~37 s时段作为时历数据稳定段．本研究选取该稳定段的阻力平均值为碎冰航道总阻力均值．不同工况及通气量下船模阻力数据汇总见表2．10.13245/j.hust.220414.F008图8碎冰航道总阻力时历曲线10.13245/j.hust.220414.T002表2不同通气量下碎冰航道总阻力值通气量/(L•min-1)50%碎冰密集度下速度/ (m•s-1)80%碎冰密集度下速度/(m•s-1)0.50.70.50.704.015.646.638.6973.364.935.668.41143.224.516.148.24212.964.155.167.74282.534.314.097.72N将4种典型工况下，碎冰航道总阻力随通气量变化曲线及各典型工况下未通气时的阻力数据统计绘制成图9．10.13245/j.hust.220414.F009图9碎冰航道总阻力随通气量变化曲线如图9所示，在图中实线表示4种典型工况下的阻力随通气量变化曲线，而相应的虚线则表明在未通气时该工况下的碎冰航道阻力，可以观察到开启气泡辅助系统后无论是任何工况下总阻力值均有一定程度降低，而且总阻力趋势是随着通气量的增大而减小的，在同一碎冰密集度及速度工况下，通气量越大阻力值越小．也存在特殊情况，如在80%碎冰密集度、0.5 m/s速度工况下，曲线在通气量为14 L/min时出现拐点，阻力值较通气量为7 L/min时更大，该点可能受到了碎冰分布不均匀的影响．在50%碎冰密集度、0.7 m/s速度工况下，通气量为28 L/min时的阻力值仅略大于通气量为21 L/min时的阻力值，这可能是因为通气对于碎冰阻力降低程度具有一个最大值，在通气量超过该值之后，增大气流量对于降低碎冰航道阻力的贡献不再明显，同时由于碎冰分布的随机性，相同碎冰密集度下每次实验所得碎冰航道阻力值也存在小幅差异．从表3中可见：在足够的通气量下(如28 L/min)，最高减阻率达到了38.31%，最低减阻率也有11.16%；在较低通气量下(如7 L/min)，最高减阻率为16.21%，最低减阻率为3.22%，进一步说明了减阻率随通气量的增加而增大．为了更直观地对比不同工况下的减阻率，对4种典型工况下减阻率随通气量变化曲线进行汇总，如图10所示．10.13245/j.hust.220414.T003表3减阻率随通气量变化通气量/(L•min-1)50%碎冰密集度下速度/ (m•s-1)80%碎冰密集度下速度/(m•s-1)0.50.70.50.7716.2112.5914.633.221419.7020.047.395.182126.1826.4222.1710.932836.9123.5838.3111.16%10.13245/j.hust.220414.F010图10减阻率随通气量变化曲线为了进一步比较不同工况及不同气流量对该气泡辅助系统减阻效果的影响，计算了每组工况下的减阻率，结果如图10所示．在相同碎冰密集度(如50%碎冰密集度)下，当通气量为7 L/min时，速度为0.5 m/s的减阻率比速度为0.7 m/s的减阻率高约4%左右；当通气量为14 L/min及21 L/min时，高低两个速度下减阻率十分接近，相差不超过0.5%；当通气量增加至28 L/min时，低速(0.5 m/s)条件下的减阻率与高速(0.7 m/s)条件下的减阻率差距增大，低速条件下的减阻率高出高速条件下13%左右．在80%碎冰密集度下，当速度为0.5 m/s时，每一个通气量下的减阻率都较速度为0.7 m/s时的要更大．当通气量为14 L/min时是一个较特殊点，除此之外，其他三个通气量下的低速0.5 m/s工况的减阻率均在高速0.7 m/s工况2倍以上，这说明该气泡系统在船模低速运动工况下减阻效果更优，这是因为当低速时，船体两侧的气流有充分的作用时间，保证了气体润滑带的宽度，同时气泡浮出水面位置与高速时相比也更加提前，引起的润滑带位置也更靠前．在相同速度下(如0.5 m/s)，仅当通气量为28 L/min时，低碎冰密集度50%的减阻率与高碎冰密集度80%的减阻率接近，其他通气量条件下均是低密集度工况减阻率高于高密集度工况；当速度为0.7 m/s时，这种碎冰密集度对于减阻率的影响体现得更为明显，低密集度50%下所有通气量条件的减阻率均为高密集度80%下减阻率的2~3倍，说明该气泡系统在低密集度碎冰航道下减阻效果更优，这是因为在较高的碎冰密集度下，由于航道两侧碎冰过于密集，相互之间的碰撞及挤压力作用较大，因此气泡辅助系统在该工况下的吹散效果并不如低碎冰密集度工况下显著，碎冰在相互间的挤压作用下更快向中间靠拢．通过对高低两个碎冰密集度、高低两个航速下4种不同典型工况的减阻率分析可见，气泡辅助系统在低碎冰密集度低航速工况下的减阻效果更好．表3中4种典型工况下不同通气量的减阻率的平均值也很好地验证了这个结论，在高碎冰密集度高航速下平均减阻率最低为7.62%，高碎冰密集度低航速下及低碎冰密集度高航速下平均减阻率十分接近，分别为20.63%和20.66%，而低密集度低航速下的平均减阻率最高为24.75%.4 结论a. 对开启气泡辅助系统后气泡产生、扩散、沿船体上浮及抵达水面破碎引起紊流兴波的整个过程进行了详细观测，对比分析了静止状态及不同航速下船艏、船侧所形成的气腔及连续气流在形态、角度及位置分布上的差异．b. 对该系统工作时气泡与碎冰相互作用机理进行了分析，船体两侧的碎冰会受到气泡上浮及气水混合流的作用，发生翻转并向远离船体方向运动，在船体与碎冰之间形成了一条无冰带，在该范围内几乎没有船体与碎冰的相互接触，以此达到降低阻力的效果．开启气泡辅助系统后在船后所形成的无冰航道在长度及宽度上都要大于未开启时工况．c. 对阻力测试结果进行分析，当开启气泡辅助系统时，减阻率受碎冰密集度、航速、通气量三者共同影响，减阻率总趋势是随通气量的增加而增加的，对于碎冰密集度和航速各选取了两个情况，是为了代表现实中的4种代表工况，即碎冰间的运动彼此影响较小的低密集度工况和碎冰间运动干扰严重的高密集度工况两种密集度，与较低航速和较高航速两种航速的组合，并由平均减阻率的对比发现该系统在低碎冰密集度、低航速工况下的减阻效果更好．