极地航行船舶桅杆积冰预报_刘驻.pdf

极地航行船舶桅杆积冰预报极地航行船舶桅杆积冰预报刘驻，章继峰(哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150001)摘 要:在极地航行船舶开展科考活动和航运过程中，所处寒冷多雾的环境极易造成桅杆积冰，影响航行安全。利用 Fluent 和 Fensap-ice 对桅杆进行积冰预报，研究不同气象条件下的积冰分布情况。数值模拟结果表明：随着风速从 2m/s 增加至 10m/s，桅杆积冰量从 0.10g 增加至 3.66g；随着液态水含量的增加，桅杆积冰量从 1.11g 增加到 5.55g，并且呈线性增加。但液态水含量不会改变桅杆表面的水滴收集系数，随着平均水滴直径的增加，桅杆表面的积冰量随之增加。本文研究对提高极地航行船舶的航行安全具有一定指导意义。关键词：极地船舶桅杆；积冰预报；稳定性；航行安全中图分类号：U663.6文献标识码：A文章编号：16727649(2023)12000806doi：10.3404/j.issn.16727619.2023.12.002Prediction of mast icing on polar shipsLIUZhu,ZHANGJi-feng(CollegeofAerospaceandArchitectureEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)Abstract:Incarryingoutscientificresearchactivitiesandshippingforpolarnavigationships,thecoldandfoggyenvir-onmentisstraightforwardtocausemasticing,whichaffectsnavigationsafety.FluentandFensap-iceareusedtoforecasttheiceaccretiononthemast,andtheiceaccretiondistributionunderdifferentmeteorologicalconditionsisstudied.Thenumer-icalsimulationresultsshowthatwiththeincreaseofwindspeedfrom2m/sto10m/s,theamountoficeonthemastin-creasesfrom0.10gto3.66g.Withtheriseofliquidwatercontent,theamountoficeonthemastincreasesfrom1.11gto5.55g,anditincreaseslinearly.However,theliquidwatercontentwillnotchangethewaterdropletcollectioncoefficientonthemastsurface.Withtheincreaseofaveragedropletdiameter,theamountoficeonthemastsurfaceincreases.There-searchcontentofthispaperhasspecificguidingsignificanceforincreasingthenavigationsafetyofpolarnavigationships.Key words:polarshipmast；iceaccumulationprediction；stability；navigationsafety0引言极地地区自然资源种类丰富，其中包括淡水资源、海洋生物资源、矿产资源和潜在资源，具有重要的科考价值和战略价值1。北极航线的开通可以减少我国对常规航线的依赖，降低运输的成本与风险2。船舶在极区开展科考活动和航运的过程中，所处寒冷多雾的环境易造成桅杆积冰。桅杆积冰会导致船体重心上移，航行不稳，严重时会导致船体翻覆，船毁人亡。因此，为了减少类似事故的发生，提高船舶在极区航行的稳定性和安全性，需要对船舶桅杆进行积冰预报。现代舰船上的桅杆已不再是桁架式桅杆，而是更加注重隐身性能和作战性能的集成桅杆3。但现今对桅杆积冰的研究较少，大多数关于积冰的研究均集中k在航空航天领域，尤其是机翼积冰。Pouryoussefi 等4研究了展向脊冰、角冰和回流冰对 NACA23012 翼型空气动力特性的影响。Janjua 等5研究了在机翼生长界面上以固体雾凇冰颗粒和水的结合形式沉积的过冷液滴的局部冻结形成混合冰的过程；Bhatia 等6使用 SST湍流模型研究了积冰对 NACA23012 机翼气动性能的影响。数值模拟结果表明，积冰导致机翼的升力降低了 75.3%，阻力增加了 280%。Kalyulin 等7研究了飞行条件、气象条件对翼型气动剖面特性的影响，从而评估气体流体动力学参数对机翼剖面气动特性的影响。Jin 等8对 NACA0012 和 NACA23012 翼型的积冰增长过程进行了参数化研究。结果表明，翼型的几何形状和尺寸会影响积冰的速率和分布。Takahashi 等9研究了过冷大水滴对 NACA0012翼型的积冰形状和积第 45卷第12期舰船科学技术Vol.45,No.122023年6月SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYJun.,2023收稿日期:20220720作者简介:刘驻(1997)，男，硕士研究生，研究方向为极地积冰预报。冰位置的影响。结果表明，飞溅和反弹对 NACA0012翼型的积冰现象有相当大的影响，而变形和破碎现象的影响则可以忽略不计。桅杆属于舰船上层建筑，其积冰过程与机翼相似，二者均属于大气积冰，所以机翼积冰的分析方法适用于桅杆积冰。本文借鉴荷兰 Holland 级巡逻舰桅杆进行建模，通过求解 Navier-Stokes 方程获得空气流场，使用欧拉法求解水滴的撞击特性，基于 Messing-er 模型研究桅杆表面积冰生长情况，进而研究气象条件对桅杆积冰分布的影响。1积冰数值模拟计算方法 1.1 空气流场计算方法过冷水滴的运动轨迹与撞击物面的特性很大程度上取决于物体周围的流场情况，流场计算是水滴轨迹计算与积冰生成计算的首要条件与重要步骤。目前大多数 CFD 软件都采用求解 Navier-Stokes 方程（N-S 方程）的方法求解空气流场。N-S 方程的张量形式表示如下：连续性方程t+ujxj=0，(1)动量方程t(ui)+xj(uiuj)=xj(ij)，(2)能量方程t(H p)+xj(ujH)=xj(uiij)xj(Prhxj)。(3)ij=(uixj+ujxi)+23ukxkij其中，为粘性系数。当求解的流体模型为湍流模型时，无法直接求解N-S 方程对空气流场进行计算。通常采用雷诺平均法进行求解，即先将参数时均化，再模化，形成雷诺时均方程再进行求解。其张量形式为：连续性方程t+?ujxj=0，(4)动量方程t(?ui)+xj(?ui?uj+pij)=xj(u+ut)(?uixj+?ujxi)+?ukxkij，(5)能量方程t(?H p)+xj(?uj?H)=xj|(Pr+tPrt)?hxj|+xj?ui(+i)(?uixj+?ujxi)+?ukxkijxj(+tk)kxj。(6)k在对参数时均化的过程中，引入了雷诺应力和湍流热 2 个未知参数，从而导致方程中未知数的个数多于方程的个数，无法对其进行求解。这时则需要引入湍流模型进行补充，使方程封闭。针对本文所计算的模型，采用 RNG湍流模型10进行补充求解即可。1.2 水滴撞击特性计算方法在用欧拉法进行水滴撞击特性计算前，做出如下假设：1）水滴在运动过程中始终为球体；2）水滴在运动过程中只受到重力和空气阻力；3）水滴在运动过程中，不考虑水滴的传质传热；4）水滴在撞击壁面时，不发生反弹与飞溅现象。对流场中的单个水滴应用牛顿第二定律可以得到水滴的运动轨迹方程：dudt=18aCDRe24d2p(uau)+ag。(7)uaaaCDgRe其中：t 为时间；u 为水滴速度；为空气速度；为空气动力粘度；为过冷水滴密度；为空气密度；为阻力系数；为重力加速度；为雷诺数，可由下式计算：Re=a|uau|dpa。(8)欧拉法将水滴看作连续相，建立水滴的连续性方程和动量方程如下：(u)t+(uu)=18aCDRe24d2p(uau)+ag，(9)t+(u)=0。(10)式中，为水滴容积分数，可通过下式求解：=LWC。(11)第45卷刘驻，等：极地航行船舶桅杆积冰预报9其中，LWC 为空气中液态水含量。通过欧拉法得到的水滴收集系数 为：=(unn)n|u|。(12)unun式中：为壁面处的水滴速度；n 为壁面的法向单位向量；为远场速度；为壁面的水滴容积分数；为远场自由流的水滴容积分数。1.3 积冰生成计算方法积冰生成计算就是利用传质传热过程中的守恒定律模拟物体表面的积冰方法。Messinger 提出了一个完整的积冰数学模型，并一直沿用至今。Messinger 模型中的控制体单元如图 1 所示。图1控制单元内的质量和能量交换示意图Fig.1Schematicdiagramofmassandenergyexchangewithinacontrolunit.建立该控制体单元的质量守恒方程和能量守恒方程如下：Min+Mim+Mev+Mout+Mice=0，(13)Qin+QimQevQoutQfreQconv=0。(14)MinMimMevMoutMiceQin其中：为上一个控制体单元流入当前控制体单元的水量；为空气中水滴撞击到当前控制体单元的水量；为从当前控制体单元蒸发或升华的水量；为从当前控制体单元流向下一个控制体单元的水量；为当前控制体单元积冰的水量。为上一个QimQevQoutQfreQconv控制体单元流入当前控制体单元的水所带来的能量；为空气中水滴撞击到当前控制体单元所带来的能量；为从当前控制体单元蒸发或升华的水所带走的能量；为从当前控制体单元流向下一个控制体单元的水所带走的能量；为当前控制体单元内液态水冻结所吸收的能量；为当前控制体单元与空气对流换热所带走的热量。f为了求解积冰量，引入冻结系数，表示为控制体单元内已冻结的水量与可冻结的水量之比，即f=MiceMin+Mim。(15)结合式(10)可以得出紧靠驻点的第 1 个控制体单元的冻结系数为：f1=Mice,1Mim,1。(16)f=1f (0,1)f=0f1f2,f3,.,fn,.当时，表明此控制体单元内所有可冻结的水全部冻结；当时，表明只有部分水冻结；当时，表明没有水冻结。计算完第 1 个控制体单元的冻结系数，就可以计算下一个控制体单元的冻结系数直至最后一个控制体单元。每个控制体单元的冻结系数计算出来后，相应的积冰量就可以计算得出：Mice=f(Min+Mim)。(17)1.4 方法验证桅杆积冰的研究方法共有 3 种：海上试验、冰风洞试验和数值模拟。海上试验可以直接观测到积冰过程，能反映最真实的积冰情况，但相对来说投资大，周期长，并且对试验条件也有一定的限制。冰风洞试验的显著优点为便捷、安全，可以在理想的环境下进行试验，但冰风洞在我国发展较晚，技术不成熟且造价高昂，无法进行大批量试验。随着计算机技术以及计算流体力学（CFD）的发展，数值模拟方法由于其经济、高效和可重复性等优点受到广泛的认可与推广11。本文采用数值模拟方法对极地船舶桅杆进行积冰预报。选择引射式冰风洞12内圆柱体的积冰试验数据作为数值模拟验证依据。试验条件如下：圆柱体直径d=25.4mm，风速 v=30m/s，温度 T=258.15K，液态水含量 LWC=1.2g/m3，平均水滴直径 MVD=20m，积冰时间 t=100s。图 2 为圆柱体的网格划分情况。其中，inlet 为流体入口，outlet 为流体出口，wall 为无滑移壁面。图 3 为数值模拟结果与试验结果的对比图。图中，x/d 和 y/d 分别为 x 轴和 y 轴相对于圆柱直径的无量纲坐标，实线为通过冰风洞试验所得到的积冰轮廓，虚线为