吊舱推进器与冰水混合介质耦合作用预报方法研究

The ice ship with podded propulsor can avoid maneuverability problems, such as changing direction and turning round, when navigating in the ice-covered waters. Therefore, the podded propulsor is widely used in the ice ship. At present, study on the coupling effect of the podded propulsor with the ice-water medium is mostly through experimental method, and the numerical method is incomplete. Especially in our country the numerical methods and experimental technology are both blank. In this project, mainly based on theoretical derivation and numerical analysis, the coupling numerical model for the podded propulsor with the ice-water medium will be established and verified by experimental results. Research includes the following four aspects: (1) Based on peridynamic method, the numerical model for podded propulsor-ice contact will be established by introducing contact detection algorism; (2) Based on SPH method, the prediction method of podded propulsor hydrodynamic performance will be researched by advanced numerical processing technology; (3) Considering real complex interaction process, PD-SPH numerical model for the interaction between the podded propulsor and the ice-water medium are established, then the features of ice failure and loads will be studied under different operational conditions; (4) The experimental apparatus for the interaction of podded propulsor and the ice-water medium will be setup in ship model towing tank and the experimental technology will be mattered.

吊舱推进器在极地船舶中的应用，可避免冰区航行中转向、调头困难等操纵问题，是极地船舶广泛采用的推进形式。目前，吊舱推进器与冰水混合介质耦合作用的研究主要借助实验方法，而数值模拟方法尚未完善，尤其在国内数值方法和实验技术几乎空白。本项目以理论推导及数值分析为主，建立吊舱推进器与冰水混合介质耦合的数值模型，以实验方法对所建立的数值模型进行验证。拟开展如下四方面的研究：（1）以近场动力学方法为基础，引入接触检测算法，建立冰与吊舱推进器的接触数值求解模型；（2）以SPH方法为基础，借助先进数值处理技术，开展三维SPH方法的吊舱推进器水动力性能预报方法研究；（3）考虑实际复杂作用过程，从耦合作用机理出发，形成吊舱推进器与冰水混合介质作用的PD-SPH数值模型，开展多种工况下的冰块破碎和载荷特性研究；（4）搭建冰水混合介质下的吊舱推进器试验平台，形成相应试验技术。

极地破冰船是我国实施极地强国战略必不可少的装备，其研发和建造近年来得到了越来越多研究者的关注。吊舱推进器在极地船舶中的应用，可避免冰区航行中转向、调头困难等操纵问题，是极地船舶广泛采用的推进形式。然而，目前对于吊舱推进器与冰水混合介质耦合作用机理还认识不深，难以支撑冰区吊舱推进器的设计。本课题针对吊舱推进器与冰水混合介质耦合作用预报方法研究开展了系统研究，具体内容包括：建立了吊舱推进器与冰接触作用的预报方法；建立了吊舱推进器与水耦合作用的预报方法；建立了冰水介质与吊舱推进器耦合作用预报方法；研制了一套冰水混合介质中吊舱推进器的模型试验测试技术。本项目建立数值方法载荷预报结果和模型试验结果对比吻合度较高,验证了所建立方法的可行性，可准确预报冰与吊舱推进器作用下海冰的破碎形式、瞬时载荷以及流场特征。进行了不同工况下吊舱推进器与冰水混合介质耦合数值模拟，掌握冰块与螺旋桨、舱体、支架作用下的运动形式和破碎特点以及冰水混合介质与吊舱推进器作用的流场特性以及载荷动态变化特点。通过本项目的研究，在《Ocean Engineering》《Ships and Offshore Structures》等期刊上发表论文14余篇，包括被SCI检索9篇，被EI检索5篇，获国家发明专利5项、软件著作权6项，出版专著1部。本项目工作内容有较好的研究意义和应用前景，研究成果可支撑冰区推进器的设计，从而保障我国极地船舶在冰区航行安全。