黃 焱，侯月陽，田育豐

（天津大學a.水利工程仿真與安全國家重點實驗室；b.港口與海洋工程天津市重點實驗室，天津 300350）

0 引 言

氣墊船是一種在船體周邊全部或部分用“圍裙”封閉，利用大功率墊升風機將空氣抽吸后吹入船底，在船底與水面之間形成空氣氣墊，進而將船體頂托墊升的高性能船舶[1]。氣墊船以優(yōu)異的全地形行進能力，被廣泛應用于軍事、工程建設(shè)和科學研究等領(lǐng)域[2-3]。在氣墊船誕生幾十年后，人們發(fā)現(xiàn)了將氣墊船用于河流破冰的可能性，從而可為冬春交替季節(jié)的防汛工作提供幫助。這一工程應用設(shè)想最初源自加拿大工程人員的偶然發(fā)現(xiàn)，在結(jié)冰湖面低速拖曳氣墊平臺移位時，破壞了周圍近1 m 厚的冰層[4-5]。據(jù)此，加拿大學者和工程技術(shù)人員在隨后的幾年間，使用該氣墊平臺在北極周邊地區(qū)進行了多次破冰試驗，如圖1（a）所示[5-6]。1972年，英國海軍為評估BH7氣墊船在不同氣候條件下的性能，分別在瑞典和博思尼亞灣等地進行了試驗，成功實現(xiàn)了氣墊船的破冰作業(yè)[7]。1977 年，美國海岸警衛(wèi)隊研發(fā)中心在密西西比河開展了LACV-30 氣墊船的破冰試驗，并對氣墊破冰船的設(shè)計標準、操縱性和制造成本等內(nèi)容進行了評估[8]。1979年，Muller[9]探討了氣墊船的尺寸和墊升壓力對破冰能力的影響，并建立了簡單的數(shù)學模型。1980 年，Mellor 提出了兩種不同的氣墊船破冰模式：低速模式與高速模式。在低速模式下，墊升壓力將冰層下方的水體排開，誘發(fā)冰排的懸臂梁效應而斷裂破環(huán)；在高速模式下，氣墊船在冰內(nèi)引起重力波并向前傳播，導致冰層發(fā)生破環(huán)[10]。1995 年，Hinchey 等[11]對加拿大歷次平臺破冰試驗進行了總結(jié)，也提出了將氣墊平臺的破冰模式分為低速破冰和高速破冰兩種的論述。2002年，英國利用氣墊船的高速破冰原理，制造了世界上第一艘以柴油發(fā)動機為動力的氣墊船AP.1-88/200，并在圣勞倫斯河開展破冰試驗，如圖1（b）所示[12-13]。

圖1 氣墊平臺破冰試驗Fig.1 Icebreaking test of ACV

對于氣墊船高速破冰模式的力學機理，已有大量研究工作相繼開展。Kozin 等[14-15]研究了碎冰場中波浪對氣墊船航行阻力的影響，提出了降低氣墊船破浪阻力的方法，并通過模型試驗和理論分析，驗證了使用應力波干涉方法可提高冰蓋共振破壞的效率；Wang等基于靜（動）載荷作用下彈性薄板的振動微分方程，建立了氣墊船破冰過程的數(shù)學模型，并提出了物理模型試驗中各參數(shù)的計算方法[16]；薛彥卓等[17]基于重力流理論，通過理論分析方法建立了氣墊船低速破冰能力評估模型，得到了破冰厚度與墊升壓力之間的關(guān)系，并與Wade 實船測試數(shù)據(jù)進行了對比；Zuev 等[18-19]分析了長徑比、速度、壓力等參數(shù)對氣墊船模型破冰阻力的影響，提出了氣墊船在水中運動的阻力計算公式。

目前國內(nèi)外學者對氣墊船高速航行時的破冰機理，已形成了較為一致的認識，即氣墊船在冰面高速運動時引發(fā)冰內(nèi)的聚能共振增幅效應，從而導致冰排發(fā)生變形和破壞。而對于氣墊船低速航行時的破冰機理，目前已開展的針對性研究工作相對較少，關(guān)鍵性機理尚未得到完全揭示。自加拿大停止了對ACT-100 氣墊平臺破冰機理的研究起，對低速模式破冰機理的研究工作主要以數(shù)值仿真為手段開展，缺少相應模型試驗和實測數(shù)據(jù)對仿真結(jié)果的關(guān)鍵性支撐。另一方面，當氣墊船以高速模式破冰時，會引起冰面的大范圍破壞，如圖1（b）所示。而當氣墊船以低速模式破冰時，可在冰面開辟一條較規(guī)整的航道，從而具有更廣闊的的應用前景。

由此可見，亟需補充模型試驗研究工作，對氣墊船在低速航行時的破冰機理進行研究。本文即以一艘內(nèi)河自航氣墊破冰船為原型，在低溫拖曳冰水池中開展了一系列低速破冰模型試驗。基于模型試驗現(xiàn)象和測試結(jié)果，對低速破冰過程中的關(guān)鍵性機理進行討論。

1 氣墊船低速破冰機理的初步認識

目前，已有研究工作對氣墊船低速破冰機理的初步認識為[12]：氣墊船在開敞水域墊升后，氣墊船底部噴射的高壓氣流沿水體與氣墊船之間的空隙向外逃逸，促使水面產(chǎn)生興波；由于低速航行下氣墊產(chǎn)生興波的傳遞速度遠大于其航速，所以當氣墊船還未到達冰排時，興波便已先行傳遞至冰排下方的水體，如圖2（a）所示；興波在進入冰下水體的過程中，將裹挾部分空氣一起潛入冰層下方，形成冰下氣腔。冰下氣腔的存在使得這一范圍內(nèi)冰體失去了水的彈性支撐作用，形成當前初步認識中所謂的“懸臂梁效應”；當氣墊船艏部運動至冰排前緣后，墊升風壓將在具有“懸臂梁效應”的冰排前端產(chǎn)生一個下壓載荷作用，進而在“懸臂”冰排的后端，即冰下氣腔的擴展邊界位置，產(chǎn)生彎曲力矩；這樣，當這一彎曲力矩產(chǎn)生的應力達到冰的抗彎強度時，即會引發(fā)冰排前緣的彎曲破壞，如圖2(b)所示。由此可知，在這種初步認識的指引下，氣墊船低速破冰能力取決于兩個方面：一是墊升風壓的大??；另一則是冰下氣腔的規(guī)模。墊升風壓往往是一個僅與船體重量和飛高相關(guān)的參數(shù)，不具備可調(diào)空間。而冰下氣腔的規(guī)模，則與水面興波的波長及波幅大小正相關(guān)。波長或波幅越大，在冰下能形成的氣腔范圍就越大，致使具有“懸臂梁效應”的冰排范圍增大，氣墊船的破冰能力隨之增強。為驗證上述認識的合理性，本文開展了氣墊船低速破冰的系列模型試驗。

圖2 氣墊船低速破冰原理[12]Fig.2 Icebreaking mechanism of ACV at low speed[12]

2 模型試驗概述

2.1 試驗設(shè)施

本文開展的氣墊船低速破冰模型試驗在天津大學冰力學與冰工程實驗室的低溫拖曳冰水池內(nèi)完成（如圖3所示）。該低溫拖曳冰水池的尺寸為40.0 m長、6.0 m寬、1.8 m深，可制取1.0～30.0 cm的模型冰。冰水池置于一個320.0 m2的低溫實驗室內(nèi)，通過制冷壓縮機組和冷風循環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度。實驗室內(nèi)氣溫可實現(xiàn)0～-25℃范圍內(nèi)的精準調(diào)節(jié)，并通過冷風循環(huán)系統(tǒng)可控制水面（冰面）各處的冷風風速均小于0.5 m/s，從而保證室內(nèi)同高度位置溫差小于1.0℃。實驗室內(nèi)配有兩臺拖車，一臺試驗拖車，一臺服務(wù)車。其中，試驗拖車主要用于固定結(jié)構(gòu)模型，并驅(qū)動模型穿越模型冰。試驗拖車車速可實現(xiàn)在0.001～1.0 m/s范圍內(nèi)的無級調(diào)節(jié)，也可以固定速度恒速行駛。服務(wù)車主要用于輔助模型安裝和模型冰制備，并在部分試驗中驅(qū)動模型冰運動，車速可在0.001～0.5 m/s范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)。

圖3 天津大學冰力學與冰工程實驗室低溫拖曳冰水池Fig.3 Ice tank in the ice mechanics and engineering laboratory of Tianjin University

2.2 模型律和模型比尺

冰模型試驗同時具有流體試驗和材料試驗的特點，選取適當?shù)哪Ｐ吐墒潜ＷC試驗結(jié)果準確的關(guān)鍵。本文開展的氣墊船低速破冰模型試驗面對的情況更為復雜，結(jié)構(gòu)與冰的相互作用過程涉及空氣、水、冰和柔性材料等多種因素。由于可壓流體與不可壓流體的相似準則互不兼容，這就需要在模型試驗中聚焦核心物理過程，并以此作為確定相似準則的標準。氣墊船低速破冰過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是冰在外力作用下發(fā)生彎曲破壞，破壞過程中慣性力（重力）和彈性力的作用占主導地位。另一方面，氣墊船的墊升壓力與圍裙內(nèi)的風壓和風速相關(guān)，但墊升壓力可由氣墊船最終呈現(xiàn)的墊升狀態(tài)（墊升高度或吃水）來表征，從而可將墊升狀態(tài)納入統(tǒng)一的模型試驗相似準則中。據(jù)此，選擇弗汝德和柯西相似準則作為本系列模型試驗的相似準則，從而確定各物理參數(shù)的相似比尺，如表1所示。

表1 主要物理量的模型比尺Tab.1 Model scale of primary physical quantities

2.3 試驗模型

本系列氣墊船低速破冰模型試驗的原型結(jié)構(gòu)是一艘內(nèi)河自航氣墊破冰船，如圖4 所示。該氣墊船為典型長條形構(gòu)型，兩臺墊升風機左右對稱布置于甲板，風機出口固定在內(nèi)嵌于船身的氣道結(jié)構(gòu)上。船身周圍由柔性圍裙包裹，該圍裙是由大囊和滑板指氣囊組成的嚢指型圍裙。同時，船體底部還布置有橫穩(wěn)圍裙與縱穩(wěn)圍裙，用于維系氣墊船的平衡。風機出口連接氣道結(jié)構(gòu)，將高壓空氣壓入氣道，繼而進入柔性圍裙內(nèi)使其充氣成型。圍裙成型后，高壓氣流從底部氣囊的開口噴出，在船底形成氣墊。氣墊船的船身整體由高強度鋼形成剛性支撐框架。根據(jù)原型結(jié)構(gòu)尺寸和實驗室條件，在試驗中確定幾何縮尺比λ=1:5，部分氣墊船原型和模型結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表2。該船的設(shè)計破冰厚度為0.3 m（冰抗彎強度為500 kPa），對應模型冰厚為0.06 m（模型冰抗彎強度為100 kPa），墊升高度為8 mm。

圖4 氣墊船原型Fig.4 Air cushion vehicle prototype

依據(jù)氣墊船原型結(jié)構(gòu)特征，氣墊船模型設(shè)計包括墊升風機、氣道結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和圍裙結(jié)構(gòu)四部分。其中，氣墊船模型支撐結(jié)構(gòu)是由不銹鋼型材加工而成的框架結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)尺寸和重量根據(jù)原型尺寸和模型比尺確定，如圖5（a）所示。根據(jù)原型圍裙結(jié)構(gòu)特征和模型支撐結(jié)構(gòu)型式，將圍裙結(jié)構(gòu)模型分為三部分，包括固定在支撐框架上的大囊、連接于大囊下部的滑板指氣囊、以及船底的橫穩(wěn)圍裙和縱穩(wěn)圍裙。參考原型氣道結(jié)構(gòu)特點，選用密度小、柔韌度高的特種板材加工制作氣道結(jié)構(gòu)，形成與原型氣道相同的布置規(guī)則。對氣道結(jié)構(gòu)與不銹鋼支撐框架的連接位置進行了氣密處理。根據(jù)原型結(jié)構(gòu)重量和墊升風機參數(shù)，對墊升風機模型進行選型。選型工作的技術(shù)要點在于保證墊升風機的重量、出口風壓和流量與設(shè)計要求相匹配。采用經(jīng)驗公式法對相關(guān)參數(shù)進行估算：

式中：Q為風機出口流量；a=5～10，考慮到本試驗需根據(jù)各部分設(shè)計進行風機的適配選型，在此選取a為10，以滿足風機的適用范圍；W為氣墊船重量。最終選定某型渦輪風機，并以此為基礎(chǔ)進行改造。改造工作主要是將渦輪風機的變頻電機換裝為伺服電機，通過精準控制風機轉(zhuǎn)速，細致調(diào)節(jié)風機出口的流量和風壓，從而使氣墊船模型達到目標墊升高度，模擬與原型一致的墊升狀態(tài)。裝配成型的氣墊船模型如圖5（b）所示。

圖5 氣墊船模型Fig.5 Air cushion vehicle model

2.4 拖曳裝置與測試系統(tǒng)

在本文氣墊船低速破冰模型試驗中，使用試驗拖車拖曳氣墊船模型穿越模型冰排，模型連接方式如圖5（a）所示。結(jié)構(gòu)模型通過剛性拖曳桿與試驗拖車相連，在剛性拖曳桿兩端均設(shè)有萬向節(jié)，從而保證氣墊船模型在垂向與橫向上可以自由運動。使用兩條彈性纜繩限制剛性拖曳桿在水平面內(nèi)的運動，抑制氣墊船模型的艏搖和橫蕩運動。在這種拖曳方式下，氣墊船模型的艏搖、縱蕩和橫蕩運動受限，而縱搖、橫搖和垂蕩運動放開。在橫向牽引梁上布置了1個輪輻式拉壓傳感器（如圖6所示），測試結(jié)構(gòu)模型的航行阻力。在每臺墊升風機出口處布置了1 個風速傳感器（見圖7（a））及1 個風壓傳感器（見圖7（b）），用以監(jiān)測風機出口的流量和風壓。在氣墊船模型框架的底板上，前后對稱布置了2個風壓傳感器，測試船底的實時墊升風壓。

圖7 風速及風壓傳感器Fig.7 Wind speed and pressure sensors

2.5 低溫凍結(jié)模型冰

在模型試驗中使用第4代改進的尿素模型冰，即以尿素為模型冰溶液主要添加劑，經(jīng)低溫凍結(jié)制備得到。模型冰制備過程主要包括配置尿素水溶液、制冷降溫、噴霧引晶、回溫調(diào)節(jié)和參數(shù)檢測等環(huán)節(jié)。制備得到的低溫凍結(jié)模型冰具有與天然海冰相似的晶體結(jié)構(gòu)，表層為細密的粒狀結(jié)晶層（約占總冰厚的1/10～1/9），下層為垂向分布的柱狀結(jié)晶層（如圖8 所示），從而保證模型冰的力學性質(zhì)滿足相似性要求。通過回溫調(diào)節(jié)模型冰力學性質(zhì)，在低溫拖曳冰水池內(nèi)進行懸臂梁彎曲強度測試，當測試結(jié)果達到目標強度時即開始模型試驗。

圖8 模型冰截面圖Fig.8 Section of the model ice

2.6 試驗流程與試驗工況

制備得到滿足要求的模型冰排后，按以下步驟開展冰水池模型試驗：

（1）氣墊船模型在平整地面進行墊升測試，調(diào)節(jié)伺服電機轉(zhuǎn)速使模型墊升高度達到設(shè)計目標，并測試全墊升狀態(tài)下的墊升壓力和風速。

（2）將氣墊船模型轉(zhuǎn)運至低溫拖曳冰水池，啟動風機令模型以全墊升狀態(tài)拖至開敞水面，標定各傳感器。

（3）按照試驗工況的墊升狀態(tài)要求，通過調(diào)節(jié)氣墊船模型上的配重控制墊升高度或吃水。

（4）開啟各傳感器和攝像機，在試驗過程中保持全程測試。啟動試驗拖車，以設(shè)計航速拖曳氣墊船模型穿越模型冰排。

（5）停車并停止采集，試驗拖車后退一段距離，令結(jié)構(gòu)模型與模型冰排脫離接觸，重復步驟（3）～（5）進行下一組試驗。

在試驗過程中，氣墊船模型全墊升工況的試驗參數(shù)見表3。

表3 試驗工況Tab.3 Model test conditions

3 全墊升工況試驗現(xiàn)象

在試驗工況1 中，將模型拖曳至開敞水面后，由船體底部噴出的高壓氣流向水面持續(xù)施壓，在船體與水面間形成高壓氣墊，并將船體完全墊升。同時，水面在高壓氣流的作用下形成凹陷，并在高壓射流的作用下形成興波向四周擴散。部分高壓氣體沿船體與水面的間隙向外散逸，裹挾大量水體形成水霧飛濺的現(xiàn)象（如圖9（a）所示）。興波擴散的過程中帶動部分氣墊內(nèi)氣體外流，墊升風壓也因此發(fā)生脈動變化，促使船體出現(xiàn)周期性的升沉運動。氣墊船模型在試驗拖車的拖曳下航行至模型冰排前緣。此時，由于圍裙底部水面凹陷，冰排前緣完全暴露于凹陷區(qū)水線面之上，圍裙與冰排發(fā)生瞬態(tài)撞擊。冰排前緣在瞬態(tài)撞擊下發(fā)生局部破壞，并出現(xiàn)整體下彎變形，而艏部圍裙也在這一撞擊事件中出現(xiàn)小幅度彎折變形，如圖9（b）所示。隨后，船體以“前仰后傾”的姿態(tài)沿下彎冰面上爬，此時冰面并未因船體重量的施加而發(fā)生大規(guī)模彎曲破壞。最終，氣墊船模型由水面快速爬升至冰面，并以冰面全墊升狀態(tài)繼續(xù)低速航行，如圖9（c）所示。船體在冰面航行時，冰排在船底噴出的高壓射流作用下發(fā)生可見的下陷變形，并形成前文中所論及的冰面興波，由船體向四周擴散，但冰排未因此而發(fā)生破壞。

在試驗工況1中，氣墊船模型受到的阻力如圖9所示。由圖可見，在試驗初始階段，氣墊船在開敞水面運動時受到的阻力很小（阻力均值為6.5 N）。在船體底部風壓波動和水面興波擴散的影響下，阻力曲線表現(xiàn)出明顯的波動。繼而，艏部圍裙與冰排發(fā)生瞬態(tài)撞擊，阻力水平突升。在隨后船體沿冰面上爬過程中，冰排前緣與圍裙底部發(fā)生持續(xù)的摩擦作用，使得阻力在高水平上波動（持續(xù)了近1 s）。待氣墊船模型全部上爬至冰面后，進入冰面全墊升航行狀態(tài)，此時阻力水平迅速回落，但仍明顯大于其在水面航行時所受的阻力（阻力均值為60.83 N），如圖9中紅線所示。

圖9 試驗工況1現(xiàn)象和阻力時程Fig.9 Test phenomena and resistance curve in Condition 1

4 非全墊升工況試驗現(xiàn)象

由全墊升工況試驗現(xiàn)象可知，氣墊船在該狀態(tài)下是難以實現(xiàn)有效破冰的。究其原因，可歸結(jié)為由水面興波擴散形成的冰下氣腔并不能產(chǎn)生所謂的“懸臂梁效應”。在試驗中發(fā)現(xiàn)，由氣墊船模型底部噴出的高壓氣流，因圍裙氣囊底部與冰排邊緣之間存在縫隙而快速散逸，未能沖入冰下匯集成為穩(wěn)定氣腔。這樣一來，在興波的傳播過程中，帶入冰下的空氣就十分有限，并且未與氣墊船底部的高壓空間形成連通，因此大部分氣體很快被靜水壓推出冰下而散逸。僅存的少部分氣體則以小氣泡的形式散布于冰體之下，難以形成有效的氣腔空間。此時，水體對冰排的彈性支撐作用仍舊有效，并支撐平臺上爬至冰面進行全墊升航行。

根據(jù)Hinchey和Colbourne對氣墊破冰平臺的研究[11]，加拿大在上世紀70 年代開展的大量氣墊平臺低速破冰試驗中，均發(fā)現(xiàn)平臺會促使冰面下形成一個氣體空腔，并在隨后接觸冰面的運動過程中導致冰體破壞。同時，有影像資料顯示，烏克蘭一座在役氣墊破冰平臺是以非全墊升狀態(tài)進行破冰操作的，如圖10 所示。據(jù)此，本文進一步開展了一系列探究有效破冰模式與機理的非墊升試驗，試驗工況如表4所示。

圖10 烏克蘭氣墊破冰平臺Fig.10 Icebreaking air cushion vehicles in Ukraine

表4 非全墊升試驗工況Tab.4 Model test conditions

4.1 非全墊升試驗破冰失效試驗現(xiàn)象

由試驗工況2～5 可知，不斷調(diào)整氣墊船模型的吃水深度。只有在試驗工況5，即氣墊船模型的吃水深度達到90 mm 時，才能實現(xiàn)有效破冰，其他各組試驗現(xiàn)象與試驗工況1相近。這一節(jié)中以試驗工況2 為例，介紹非全墊升狀態(tài)破冰失效的一般現(xiàn)象。在試驗工況2 中，圍裙底部的滑板指氣囊始終浸沒于水中。由氣囊噴出的高壓氣流受到水體抑制，在船體周圍出現(xiàn)氣泡持續(xù)泄放現(xiàn)象，水面不斷翻滾，難以形成穩(wěn)定的水面興波，如圖11（a）所示。當船體抵達冰排前緣時，艏部圍裙與模型冰排發(fā)生碰撞擠壓，造成冰排整體下彎變形，艏部圍裙也發(fā)生了較大的彎折變形，船體呈現(xiàn)出“前傾后仰”的姿態(tài)。更重要的是，此時冰排前緣下方形成了一個明顯的環(huán)狀氣腔。在氣墊船模型的持續(xù)下壓作用下，在氣腔距艏部最遠處開始出現(xiàn)裂紋。裂紋沿氣腔邊緣向冰排前緣快速發(fā)展，沿冰排前緣發(fā)生由單條環(huán)向裂紋貫穿引起的整體彎曲破壞，如圖11（b）所示。在單條環(huán)向裂紋擴展的同時，接觸區(qū)域不斷產(chǎn)生徑向裂紋，并向前方的環(huán)向裂紋延伸，從而將船艏前整體破壞的冰面切割為數(shù)塊面積較小的碎冰塊，呈現(xiàn)出冰面“龜裂”的現(xiàn)象。同時，在模型的整個破冰進程中，還伴隨著多條環(huán)向裂紋交錯擴展的局部破壞模式。局部破壞一般發(fā)生于某次整體破壞過程之后。在陸續(xù)發(fā)生2～3次的局部破壞事件后，模型艏部沿下彎變形的冰面迅速爬升至冰排表面，如圖11（c）所示。此時船體在冰面上滑行，圍裙底部與冰面接觸并發(fā)生變形，與冰面發(fā)生持續(xù)的摩擦作用。

圖11 所示為試驗工況2 中氣墊船模型受到的阻力時程。模型由敞水航行到初次撞擊冰排時，同樣出現(xiàn)了阻力水平的躍升，這是冰排的整體破壞引發(fā)的。在之后的2 s 內(nèi)，冰排又發(fā)生了多次的局部破壞，阻力水平呈逐步下降的趨勢。在之后航行的某個時刻，模型迅速上爬至冰面，進入冰面滑行狀態(tài)，阻力水平也相應迅速下降并逐漸穩(wěn)定。氣墊船模型在冰面滑行的阻力要遠高于在敞水區(qū)航行時的阻力，也遠高于在冰面以全墊升狀態(tài)航行時的阻力。

圖11 工況2試驗現(xiàn)象和阻力時程圖Fig.11 Test phenomena and resistance curve in Condition 2

4.2 非全墊升試驗有效破冰試驗現(xiàn)象

在試驗工況5中，氣墊船模型可以實現(xiàn)有效破冰。在試驗初始階段，模型在開敞水面航行時的試驗現(xiàn)象與上文所述相同，如圖12 所示。當模型到達冰排前緣時，可以發(fā)現(xiàn)前方冰排下面出現(xiàn)了環(huán)狀氣腔。即便只從水上觀測，仍可以看到艏部前方冰下存在一個巨大的白色空腔，如圖13所示。

另一方面，由于此時結(jié)構(gòu)有一定吃水，與冰排接觸的不再僅僅是圍裙氣囊的下邊緣，而是圍裙氣囊下部，更準確地說，是由于彎折變形而下壓的環(huán)形圍裙表面。隨著船體繼續(xù)向前推進，冰排的下彎變形持續(xù)發(fā)展。同時，氣腔邊緣向模型前進方向和船舷兩側(cè)擴展，形成長度略大于船寬的環(huán)形氣腔域。模型繼續(xù)航行，促使冰排發(fā)生整體破壞，如圖14（a）所示。徑向裂紋也同樣出現(xiàn)并將整體破壞后的環(huán)形冰面分割為更小的碎冰塊。如前所述，冰面的整體破壞會在冰面留下不規(guī)則的環(huán)形切面，艏部圍裙幾乎同時與環(huán)形冰面邊緣接觸。在這種情況下，圍裙兩側(cè)變形較大，前端變形較小，如圖14（b）所示。當氣墊船模型繼續(xù)向前航行時，船艏圍裙對冰排前緣環(huán)形區(qū)域兩側(cè)的作用力持續(xù)增大。在接觸點附近開始出現(xiàn)一系列直徑很小的環(huán)向裂紋，將接觸區(qū)域冰排分割為尺寸更小的碎冰塊。這些碎冰塊呈不規(guī)則形狀，大小相近，平均尺寸為24 cm×16 cm，鋪滿氣墊船模型航道，如圖15所示。試驗中還發(fā)現(xiàn)，冰排在發(fā)生局部破壞和整體破壞時，氣墊船模型在冰力作用下會發(fā)生小幅度的艏搖運動。

圖15 航道內(nèi)冰況Fig.15 Ice condition in the channel

圖14 所示為試驗工況5 中氣墊船模型受到的阻力。由圖可見，當冰排發(fā)生局部破壞時，船體模型受到的破冰阻力明顯小于冰排發(fā)生整體破壞時的阻力水平。這種局部破壞模式會維持相當長一段時間，并在某一時刻又突然轉(zhuǎn)變?yōu)檎w破壞模式。冰排整體破壞與局部破壞的交替出現(xiàn)也成為試驗中的重要現(xiàn)象。由圖14還可以發(fā)現(xiàn)，冰排在發(fā)生整體破壞和局部破壞時，都會促使破冰阻力隨時間呈現(xiàn)出顯著的加載-卸載周期性波動特征。

圖14 工況5試驗現(xiàn)象和阻力時程Fig.14 Test phenomena and resistance curve in Condition 5

5 試驗結(jié)果與分析

由低溫拖曳冰水池氣墊船模型低速破冰系列模型試驗結(jié)果可知，當氣墊船以全墊升姿態(tài)（墊升高度為40 mm）按照1 kn 的航速航行時，無法有效破壞設(shè)計破冰厚度（0.3 m）和彎曲強度（500 kPa）的平整冰。通過逐漸增大吃水調(diào)節(jié)氣墊船的墊升姿態(tài)，當結(jié)構(gòu)吃水達到0.45 m時，可以在1 kn的航速下連續(xù)破壞目標平整冰（冰厚為0.3 m，彎曲強度為500 kPa）。由試驗工況1 中的現(xiàn)象可知，模型結(jié)構(gòu)抵達冰排邊緣時，圍裙底部的水面興波在冰下水體靜水壓力的作用下，將發(fā)生快速的能量耗散，難以形成聚能效應。興波傳遞至冰下很小一段距離便被水體推出，難以形成有效的破冰過程。同時，興波傳播過程帶入冰下的少量氣體，由于缺少持續(xù)的氣體供應，也很快被靜水壓推出散逸。殘留于冰下的小部分氣體則被水體包圍，以單獨小氣泡的形式分布于船艏前方，互不連通，無法形成整塊的冰下氣腔。

另一方面，圍裙底部噴出的高壓射流，由于圍裙與冰排之間存在縫隙而快速散逸，同樣未能沖入冰下形成穩(wěn)定氣腔，上述過程如圖16（a）所示。由此可見，全墊升狀態(tài)下冰下難以形成穩(wěn)定氣腔，水體對冰排的彈性支撐作用仍舊有效，從而支撐氣墊船模型最終上爬至冰面。

隨著氣墊船模型墊升高度的調(diào)節(jié)，模型由全墊升狀態(tài)轉(zhuǎn)換為具有一定吃水深度的非全墊升狀態(tài)。此時圍裙氣囊完全被水體包圍，由氣囊噴出的高壓射流會在模型底部形成一個具有壓力維持能力的氣墊氣腔。模型在敞水航行時，氣墊氣腔內(nèi)的高壓氣體不斷向周圍水體擴散，形成內(nèi)部具有高壓氣體的氣泡群。氣泡群在浮力作用下快速上浮至水面，在水面破碎以釋放壓力。當模型運動至冰排邊緣時，艏部圍裙下方形成的高壓氣泡群向前運動，上浮至水面后受到冰面限制，快速匯聚成具有一定規(guī)模的氣腔域，并以體積擴展的方式釋放壓力。同時，船體底部的氣墊氣腔逐漸與冰下氣腔域連通，從而可以為冰下氣腔規(guī)模的擴展和壓力維持提供充足的氣體輸入，如圖16（b）所示。

圖16 氣墊船模型低速破冰原理Fig.16 Icebreaking mechanism of ACV model at low speed

冰下氣腔的形成排開了冰下水體，從而消除了水體對冰排的彈性支撐。在氣墊氣腔壓力的持續(xù)供給下，冰下氣腔壓力不斷增加，使得氣腔壓力作用于冰排底面，形成了超過冰排自重的上頂壓力。在船體行進過程中，冰排的受力情況為：圍裙在冰排邊緣上表面的作用力，即不斷增大的下壓力Fs；冰排下表面承受來自氣腔內(nèi)高壓氣體的均布上頂壓力Pair。隨著氣墊船模型向前運動，作用于冰排邊緣的下壓力不斷增大，冰下氣腔的上頂壓力Pair也持續(xù)增大。冰下氣腔域體積持續(xù)擴展，將冰下更多的水體排開，形成更大的上頂載荷面。據(jù)此，在下壓力Fs與上頂壓力Pair的共同作用下，在冰下氣腔邊緣位置引發(fā)由下至上的裂紋貫穿，在冰面形成環(huán)向裂紋，從而促使冰排發(fā)生向下的彎曲破壞。由試驗現(xiàn)象還可發(fā)現(xiàn)，只有當達到一定吃水深度后，氣墊船模型才能實現(xiàn)持續(xù)的破冰操作。這是因為隨著模型吃水深度的增加，由圍裙底部噴出的高壓氣體，會在冰下形成規(guī)模更大的氣腔，從而令更大范圍內(nèi)的冰排失去底部水體支撐。另一方面，氣墊船模型吃水的增加也會形成更大的下壓力Fs。如此，在下壓力、上頂壓力和更大氣腔規(guī)模的共同作用下，具備足夠吃水深度的模型可完成對冰層的持續(xù)破壞。

6 結(jié) 論

本文對一艘內(nèi)河自航氣墊破冰船在低速航行時的破冰機理進行了模型試驗研究。在一種航速條件和冰條件下，開展了不同墊升狀態(tài)的系列模型試驗。在試驗中測試了氣墊船模型的航行阻力，并對破冰過程進行了細致觀測。通過模型試驗得到以下主要結(jié)論：

（1）氣墊船能夠有效破冰的關(guān)鍵機理是在冰層下方形成穩(wěn)定氣腔。氣腔可將冰層下方的水體排開并持續(xù)擴散，導致冰排失去水體的彈性支撐，氣墊船下壓力和氣腔上頂壓力的共同作用促使冰排發(fā)生彎曲破壞。

（2）氣墊船以較低航速行進時，只有達到一定的吃水深度，才能在冰層下方形成穩(wěn)定氣腔。

（3）氣墊船在破冰過程中會出現(xiàn)小幅的艏搖運動，這是氣墊船受到不均勻冰力作用引起的。

綜上所述，氣墊船在進行破冰作業(yè)時，必須配備大功率推進裝置，并能穩(wěn)定控制船體姿態(tài)，才能保障結(jié)構(gòu)連續(xù)破冰作業(yè)的安全有效。