[發(fā)明專利]一種覆雪模型冰蓋的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310756056.5
• 申請(qǐng)日: 2013-12-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103723245B
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-10-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃焱;史慶增
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B63B9/00
• 分類(lèi)號(hào): B63B9/00;F25C1/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 程毓英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于海洋工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種模擬覆蓋有降雪層海冰的模型冰蓋的生成和制備方法。

背景技術(shù)

覆蓋有降雪層的海上冰蓋是海冰在天然環(huán)境中的一種存在常態(tài)。覆雪冰排上部雪層和下部冰層會(huì)對(duì)另一層材料的物理力學(xué)特性造成影響，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)、冰排上覆雪同時(shí)影響海冰表面的熱平衡，抑制海冰的生長(zhǎng)；

2)、冰排上覆雪通過(guò)變質(zhì)作用變?yōu)檠┍蔀楹１L(zhǎng)的動(dòng)力之一；

3)、冰排上覆雪的重量使冰排的干舷高度降低；

4)、冰排上的覆雪層增大了海冰表面的粗糙度；

5)、冰排上覆雪會(huì)影響冰排的鹽度；

6)、冰排表面的含鹽液態(tài)水會(huì)對(duì)覆雪的物理力學(xué)性質(zhì)造成影響。

天然海冰的存在形式總是與不同程度和類(lèi)型的覆雪條件相伴的，因此，在現(xiàn)實(shí)的冰-結(jié)構(gòu)相互作用進(jìn)程中，覆雪層的參與通常是貫穿始終的。目前國(guó)際上最新的研究成果表明，冰排上是否有雪覆蓋對(duì)上述進(jìn)程具有重要的影響。在冰與結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)程中，覆雪層的出現(xiàn)將改變冰蓋上表面的裂紋擴(kuò)展模式，進(jìn)而可能直接引發(fā)這一進(jìn)程中一些關(guān)鍵性率相關(guān)規(guī)律的變化。同時(shí)，覆雪還會(huì)在冰與結(jié)構(gòu)接觸區(qū)域增加碎冰顆粒的滑動(dòng)性能，進(jìn)而改變局部冰材料的變形特征，以致宏觀表現(xiàn)為冰荷載分布以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)模式的變化。在冰與錐型結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)程中，覆雪層的出現(xiàn)將直接改變冰排的滑動(dòng)摩擦特性、裂紋擴(kuò)展模式，從而在冰排斷裂長(zhǎng)度的演變規(guī)律、碎冰的堆積進(jìn)程、冰荷載的分布及作用形式上形成重要影響。

同時(shí)，隨著高等級(jí)冰區(qū)船舶技術(shù)研究的開(kāi)展，研究人員發(fā)現(xiàn)碎冰滑動(dòng)對(duì)船體產(chǎn)生的摩阻力，對(duì)船舶總體的航行阻力具有較大的貢獻(xiàn)，尤其是冰蓋上有一定的覆雪水平時(shí)，相應(yīng)的摩阻力就不容小視。目前國(guó)際學(xué)術(shù)界與工程界已形成共識(shí)，即冰排覆雪會(huì)增加碎冰塊滑動(dòng)進(jìn)程中對(duì)船舶所產(chǎn)生的摩擦阻礙效應(yīng)。基于此，F(xiàn)SICR（Finnish–Swedish?Ice?Class?Rules）、DNV、BV和LR等國(guó)際船舶規(guī)范中，對(duì)高等級(jí)冰區(qū)船舶的破冰性能要求中均增加了冰蓋上覆雪水平的規(guī)定。如最新的LR規(guī)范中指出：“具有獨(dú)立破冰能力的冰區(qū)加強(qiáng)船舶，應(yīng)能發(fā)出足夠的推力，以便在航速至少為5節(jié)時(shí)，在厚度等于所申請(qǐng)的冰級(jí)規(guī)定的名義值的冰中，且冰上至少覆蓋有0.3m厚的積雪條件下，能以連續(xù)方式破冰。”

然而截至目前為止，國(guó)際范圍內(nèi)仍未有針對(duì)冰排上的覆雪水平對(duì)冰-結(jié)構(gòu)相互作用進(jìn)程的影響展開(kāi)系統(tǒng)研究的報(bào)道出現(xiàn)。導(dǎo)致這種局面的出現(xiàn)主要有兩方面原因：

1）、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)難于進(jìn)行。由于現(xiàn)場(chǎng)條件下利用現(xiàn)有的觀測(cè)手段，難以獲得準(zhǔn)確反映冰排上的覆雪水平以及冰排破壞進(jìn)程改變效應(yīng)的有效數(shù)據(jù)，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)法開(kāi)展揭示物理現(xiàn)象的深入研究。

2）、物理模型試驗(yàn)研究受到較大的限制。通常，當(dāng)原型觀測(cè)無(wú)法提供有效數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)行物理模型試驗(yàn)就成為決定性的研究手段。然而，冰力學(xué)與冰工程模型試驗(yàn)具有相當(dāng)特殊的要求，即要求模型冰材料與天然冰材料在各方面特征上具備相似性。盡管學(xué)術(shù)界已在模型冰的制取上具備了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，但目前還未在冰蓋覆雪條件的模擬技術(shù)上獲得突破，從而導(dǎo)致已進(jìn)行的物理模型試驗(yàn)研究中，均僅模擬出了單層冰排與結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)程。

由此可知，目前學(xué)術(shù)界與工程界探究覆雪冰排與結(jié)構(gòu)相互作用進(jìn)程的唯一可行方法即為模型試驗(yàn)研究，然而，目前現(xiàn)有的人工造雪方法并不能滿足冰力學(xué)與冰工程模型試驗(yàn)的技術(shù)要求。模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的區(qū)別和聯(lián)系即在于，模型試驗(yàn)中是將現(xiàn)場(chǎng)情況下的各種參數(shù)進(jìn)行了一定比例尺度的縮小，由于這種比例尺度的縮小是在模型試驗(yàn)結(jié)果向現(xiàn)實(shí)情況可還原的要求下的，因此就要求模型與原型在各方面的準(zhǔn)確相似。在這一系列的相似關(guān)系中，覆雪模型冰材料在破壞進(jìn)程與模式上與天然覆雪海冰具備高度的相似性尤為重要，這是因?yàn)楦惭┍懦霈F(xiàn)多種模式的破壞是其與結(jié)構(gòu)相互作用進(jìn)程的重要特征，進(jìn)而要求在模型試驗(yàn)中能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)天然覆雪冰排的破壞特征。

采用現(xiàn)有的人工造雪方法所生成的雪層，是無(wú)法滿足上述模型試驗(yàn)技術(shù)要求的，主要原因是這種人造雪層存在以下缺陷：

1）、現(xiàn)有人造雪層晶體尺寸過(guò)大，不滿足比尺縮小要求。