田于逵，岳前進(jìn)，孔 帥，王迎暉，季少鵬，剛旭皓

（1.大連理工大學(xué)，遼寧大連 116024；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082）

0 引 言

作為近北極國家和南極條約協(xié)約國，我國在極地?fù)碛袠O其重要的國家利益。型式多樣、功能強(qiáng)大的極地裝備是我國進(jìn)入、認(rèn)識、開發(fā)極地的基本前提。相比于常規(guī)海域，極地海洋環(huán)境極其復(fù)雜苛刻，其中海冰引起的裝備結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、破壞、沉沒及冰困等安全事件屢有發(fā)生[1]，相應(yīng)極地裝備需要滿足較高級別的設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)。然而，我國極地裝備研發(fā)水平目前尚處于起步階段，自主研發(fā)能力不足，工程應(yīng)用大多參照國外工程經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范。

極地船舶和海洋平臺等極地裝備與海冰相互作用中的冰載荷、冰激結(jié)構(gòu)響應(yīng)、抗/破冰能力及航行操縱性能等是極地裝備設(shè)計(jì)、建造、維護(hù)及冰區(qū)運(yùn)營中必須面對的工程技術(shù)問題，其研究方法可分為理論分析[2-3]、數(shù)值模擬[4-6]、現(xiàn)場測試[7-8]和冰水池試驗(yàn)[9-12]等。其中，冰水池試驗(yàn)是指在低溫環(huán)境下生成模型冰并模擬構(gòu)建出極地裝備作業(yè)海域的海冰條件，利用縮尺模型對結(jié)構(gòu)破冰/抗冰過程中的冰力和冰激響應(yīng)進(jìn)行測量分析的技術(shù)手段[9-12]。冰水池試驗(yàn)對于檢驗(yàn)數(shù)值與理論研究的準(zhǔn)確性和適用性不可或缺，同時也是極地裝備從設(shè)計(jì)研究到工程應(yīng)用技術(shù)鏈中最為關(guān)鍵的一環(huán)，可全面提升極地裝備研發(fā)水平。冰水池試驗(yàn)的優(yōu)勢在于經(jīng)濟(jì)（成本較低）、環(huán)境條件可控、力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)測量方便，且與數(shù)值模擬相比其結(jié)果更真實(shí)，可在極地裝備建成前預(yù)測現(xiàn)場的作業(yè)情況。

室內(nèi)冰水池是進(jìn)行極地裝備模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)設(shè)施。1955 年，前蘇聯(lián)的列寧格勒南北極研究院建造了世界上首座冰水池試驗(yàn)室[13]；德國[14]、加拿大[15]、芬蘭[16]、日本[17]及韓國[18]等國也都相繼建造了冰水池，在極地船舶和海工裝備的冰水池模型試驗(yàn)方面積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和測試數(shù)據(jù)。我國的冰水池試驗(yàn)室建設(shè)起步較晚。1987 年天津大學(xué)建成了國內(nèi)第一座小型冰水池[19]，后于2016 年在新校區(qū)建成國內(nèi)新一代的低溫冰工程實(shí)驗(yàn)室并投入運(yùn)行。同年，中國船舶科學(xué)研究中心建成了一座小型冰水池[20]，與天津大學(xué)冰水池形成了我國“一中一小”的冰水池試驗(yàn)?zāi)芰ΑＶ行⌒捅卦诮Y(jié)構(gòu)冰載荷時空演化規(guī)律研究[21]、固定式結(jié)構(gòu)冰激振動分析[22]及船體結(jié)構(gòu)冰阻力測量[23]等方面具有一定的可行性。然而，限于試驗(yàn)縮比范圍、硬件設(shè)施尺度及試驗(yàn)技術(shù)條件，目前國內(nèi)冰水池尚不完全具備極地船舶海工裝備研發(fā)所需的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

極地裝備抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有賴于冰荷載的確立，為此必須深入開展冰力學(xué)行為研究。根據(jù)冰區(qū)現(xiàn)場觀測可知，海冰與結(jié)構(gòu)作用時會同時出現(xiàn)擠壓破碎、彎曲斷裂、屈曲破壞及劈裂等多種失效模式，海冰不同的破壞模式直接影響到結(jié)構(gòu)冰載荷特征，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的安全性。影響海冰破壞模式的因素有結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)、運(yùn)動約束形式及海冰形態(tài)與物理力學(xué)性質(zhì)等。為有效復(fù)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與冰相互作用過程，冰水池試驗(yàn)的理想條件是制備的模型冰與原型冰在力學(xué)特性上相似，抗壓、抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度、彈性模量、摩擦系數(shù)及內(nèi)聚力等滿足模型比要求，且其晶體結(jié)構(gòu)應(yīng)基本一致。冰水池中海冰模擬的目標(biāo)，就是要通過精確的溫度控制和特殊的制冰工藝，在試驗(yàn)縮比條件下，生成滿足幾何、物理及力學(xué)主要特性與真實(shí)海冰相似的模型冰。室內(nèi)試驗(yàn)的模型冰制備基于對冰力學(xué)行為的認(rèn)識，海冰的模擬技術(shù)始終是冰水池試驗(yàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，決定了試驗(yàn)結(jié)果的可信性。

為了對冰水池試驗(yàn)?zāi)芰Πl(fā)展提供參考性建議，本文對冰水池海冰模擬技術(shù)進(jìn)行綜述性分析研究。通過概述各國冰水池海冰模擬技術(shù)現(xiàn)狀，對比兩種類型海冰模擬的模型冰性能，闡述冰水池中海冰模擬制冰的關(guān)鍵問題并對其未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 冰水池中海冰模擬技術(shù)現(xiàn)狀

自然界（極地）海冰組成復(fù)雜，是由純冰晶、鹵水、氣泡和其他雜質(zhì)組成的獨(dú)特的材料。海冰按結(jié)構(gòu)類型來分有粒狀冰（各向同性）、柱狀冰（各向異性）或是兼有不同型式的混合體。海冰材料的失效行為與其晶體結(jié)構(gòu)、加載速率、加載方式等因素相關(guān)性較大，如單軸壓縮時海冰在低、高加載速率下分別表現(xiàn)出韌性破壞和脆性破壞，其對應(yīng)破壞模式及其轉(zhuǎn)換機(jī)制影響海冰的壓潰行為，進(jìn)而影響到結(jié)構(gòu)冰載荷的時頻特性。同樣，海冰的細(xì)觀結(jié)構(gòu)形式、化學(xué)成分與其物理特性，如密度、鹽度、溫度等緊密關(guān)聯(lián)，對主要力學(xué)行為諸參數(shù)，如壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性模量、剪切強(qiáng)度、附著強(qiáng)度、摩擦系數(shù)等有關(guān)鍵影響。由于其復(fù)雜性，在室內(nèi)冰水池中開展海冰模擬并不是一件容易的事。

在前蘇聯(lián)南北極研究院冰水池的第一次海冰模擬試驗(yàn)中，模型冰是通過冷凍含有相對較高濃度氯化鈉鹽的水溶液（約3%）制備的。然而這種模型冰并不令人滿意，因?yàn)樗膹椥阅Ａ刻?，表現(xiàn)出不符合實(shí)際的塑性變形。為制出合格的模型冰，各國冰水池在制冰技術(shù)方面展開了近70年不斷的探索，其海冰模擬技術(shù)的差別主要體現(xiàn)在制冰工藝及硬件設(shè)施上，制冰方法可分為濕播種法和噴灑層疊法兩類。各冰水池內(nèi)水溶液的溶質(zhì)選擇，如氯化鈉（NaCl）、酒精（Alcohol）、尿素（Urea）、乙二醇（Ethyl?ene glycol）、丙二醇（Propylene Glycol）、脂肪清潔劑（Aliphatic detergent）、糖（Sugar）等，及濃度配比有所差別，制冷溫度、冰生長速度和是否采用氣泡發(fā)生系統(tǒng)也因冰水池而異。表1 為各冰水池的主要尺寸、制冷溫度及模型冰主要參數(shù)的比較。

表1 各冰水池制冰技術(shù)比較Tab.1 Comparison of ice modeling techniques of different ice model basins

現(xiàn)今冰水池模型冰制冰方法大多采用濕播種法，其制冰過程大致為水體預(yù)冷-引晶(濕播種)-冷凍-回溫。第一步為預(yù)冷，冷卻水池內(nèi)空氣，降低池中水溶液溫度。滿足結(jié)冰初始條件后開始冰晶播撒，即所謂“濕播種”，霧化水汽被噴出后立即凍結(jié)為細(xì)小冰晶并均勻地落在水面上，形成一層薄薄的冰晶層。隨后，啟動制冷系統(tǒng)，設(shè)定制冰溫度，冰層開始從表層向下呈柱狀生長（與自然中生長類似）。在冰層凍結(jié)過程中，可以使用水下氣泡發(fā)生系統(tǒng)釋放汽水混合物，調(diào)節(jié)模型冰的物理力學(xué)特性。冰層生長達(dá)到預(yù)定厚度，停止冷凍，進(jìn)行回溫處理，根據(jù)目標(biāo)海冰力學(xué)特性調(diào)制出相應(yīng)的模型冰。采用濕播種法的典型冰水池有德國漢堡（HSVA）、加拿大國家研究委員會海洋技術(shù)研究所（OCRC NRC）、日本國家海洋研究所（NMRI）、韓國海洋科學(xué)與技術(shù)研究所（Kriso）、天津大學(xué)（Tianjin University）和中國船舶科學(xué)研究中心（CSSRC），圖1（a）所示為采用濕播種法的典型冰水池—德國漢堡冰水池，可見冰晶播撒結(jié)束后，霧化水汽沉降消散的場景。

不同于濕播種法的制冰方法，芬蘭及俄羅斯采取所謂“噴灑層疊法”，從已預(yù)冷的冰水池中取液，在較低室溫中反復(fù)噴灑至水體表面，噴液急速凍結(jié)為細(xì)冰粒降至初始冰層。噴灑過程持續(xù)不斷，細(xì)冰粒逐漸從下往上層疊直至所需的冰厚。隨后結(jié)束噴灑，通過延長冷卻時間進(jìn)行低溫凍結(jié)硬化，繼而回溫軟化，如此調(diào)整模型冰強(qiáng)度，使其滿足目標(biāo)海冰力學(xué)特性相似，然后即可以利用模型冰開展試驗(yàn)[24]。目前采用噴灑法制冰的研究機(jī)構(gòu)主要有芬蘭阿克北冰水池（Aker Arctic）、芬蘭阿爾托大學(xué)冰水池（Aalto University）和俄羅斯克雷洛夫（Krylov）冰水池。圖1（b）所示為采用噴灑法的典型冰水池——芬蘭阿爾托大學(xué)冰水池中拖車帶動噴灑裝置噴灑作業(yè)的情形。

圖1 制備兩種類型模型冰的典型冰水池Fig.1 Typical ice model basins for ice-making of two categories

基本上，各冰水池的詳細(xì)制冰工藝都是以經(jīng)驗(yàn)摸索為主而開發(fā)的。為規(guī)范和檢驗(yàn)各冰水池模型冰的性能和質(zhì)量，國際拖曳水池會議（International Towing Tank Conference，ITTC）對模型冰物理力學(xué)性質(zhì)測試、復(fù)雜冰型構(gòu)建等方面作了規(guī)定[25]。因此，掌握兩種類型模型冰的性能指標(biāo)將有助于靶向提升冰水池的制冰工藝水平。

2 兩種類型模型冰的對比分析

無論是哪種制冰工藝，其最終目標(biāo)是制出的模型冰和真實(shí)海冰的物理力學(xué)特性應(yīng)相似，且其與結(jié)構(gòu)物作用時的破壞特征與真實(shí)海冰的破壞模式及冰載荷特征應(yīng)相近。相比于平整冰，南北極的多年冰脊、冰山、重疊冰等冰型對船舶和海工平臺的運(yùn)營影響更大，對應(yīng)的冰型參數(shù)具有很強(qiáng)離散性，其直接成型制作工藝處于探索階段。因此，ITTC規(guī)范僅對平整冰的冰力學(xué)參數(shù)及其測試方法進(jìn)行了明確?，F(xiàn)有的冰水池制冰技術(shù)也都是對標(biāo)平整冰（層冰）的物理力學(xué)性質(zhì)。在平整冰制備的基礎(chǔ)上，浮碎冰及冰脊等冰型可經(jīng)冰塊切割、排列、堆疊等操作形成。圖2為利用平整冰進(jìn)行不同冰情模擬的簡圖。

圖2 冰水池冰情模擬簡圖Fig.2 Schematic diagram of ice conditions modeling with ice sheet

相似律在冰水池模型試驗(yàn)中占據(jù)重要地位，是指導(dǎo)試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)。在開展結(jié)構(gòu)與冰相互作用的模型試驗(yàn)時，需兼顧水動力試驗(yàn)和材料試驗(yàn)雙重相似特性要求，一般需滿足Froude 相似準(zhǔn)則和Cau?thy相似準(zhǔn)則。根據(jù)ITTC 關(guān)于模型冰的相似原則，推薦的一般模型試驗(yàn)縮比取為1:20～1:40，可保證模型冰的制備質(zhì)量，如果模擬多年冰，該縮比可放大至1:20～1:50[25]。對于極地船舶和海工結(jié)構(gòu)冰水池試驗(yàn)，模型冰的細(xì)觀冰晶結(jié)構(gòu)和冰厚、密度、彎曲強(qiáng)度、單軸壓縮強(qiáng)度、彈性模量/彎曲強(qiáng)度比等物理力學(xué)參數(shù)以及制冰效率等是關(guān)鍵的影響因素。下面從這些方面簡要對比兩種類型模型冰的基本特性。

2.1 模型冰細(xì)觀結(jié)構(gòu)

模型冰的細(xì)觀結(jié)構(gòu)深刻影響模型冰的物理力學(xué)特征。自然條件下海冰細(xì)觀結(jié)構(gòu)由冰晶體、鹵水和空氣等組成，由熱力學(xué)過程與動力學(xué)過程共同決定。宏觀來說，海冰生長時的排鹽（Na+、Cl-、Mg2+等離子組成的鹽）過程決定了海冰的細(xì)觀冰晶結(jié)構(gòu)。圖3 所示為海冰典型的柱狀細(xì)觀結(jié)構(gòu)和粒狀細(xì)觀結(jié)構(gòu)[26]。粒狀冰因其結(jié)構(gòu)空間對稱性而導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出各向同性的特征，而柱狀冰則體現(xiàn)各向異性的特征。在極地的不同地區(qū)和不同冰生長周期，會同時存在柱狀和粒狀兩種海冰類型。在早期發(fā)展階段，海冰以顆粒狀為主，柱狀冰則在冬季后期出現(xiàn)。一般情況下，采用濕播種法制出的模型冰細(xì)觀結(jié)構(gòu)整體上呈現(xiàn)出柱狀特征，而經(jīng)由噴灑層疊法制出的模型冰在細(xì)觀結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出粒狀特征。因此，由濕播種法制出的模型冰細(xì)觀冰晶結(jié)構(gòu)與多數(shù)真實(shí)海冰冰晶結(jié)構(gòu)更為接近。

圖3 海冰典型細(xì)觀結(jié)構(gòu)［26］Fig.3 Typical micro-structures of sea ice［26］

2.2 模型冰厚度

參考ITTC 對模型冰制備的試驗(yàn)相似比要求，對照極地單年冰冰厚范圍一般分布在0～200 cm[27]，則模型冰對標(biāo)的范圍在0～100 mm。圖4 所示為ITTC 公布的各國冰水池制出的模型冰冰厚范圍[25]，可知模型冰均能滿足海冰厚度模擬要求，且大多集中在10～150 mm之間。

圖4 各冰水池模型冰厚度范圍與縮比后海冰冰厚分布范圍對比[25]Fig.4 Thickness range of model ice in different ice model basins vs.thickness range of scaled sea ice[25]

2.3 模型冰彎曲強(qiáng)度

根據(jù)Timco 和O’Brien 的2000 多組海冰彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯總資料，縮比換算后可知其對應(yīng)的模型冰彎曲強(qiáng)度范圍為11～56 kPa[28]。常用目標(biāo)模擬海冰的彎曲強(qiáng)度可以調(diào)制在5～50 kPa之間。圖5所示為不同模型冰的彎曲強(qiáng)度和海冰縮比后的范圍對比[29]，其模型冰類型按水池內(nèi)溶質(zhì)及含量分類。從中可以看出在一定縮比范圍內(nèi)，兩類模型冰的彎曲強(qiáng)度均可滿足這個強(qiáng)度范圍。然而，自然海冰上下表面的彎曲強(qiáng)度是不同的。柱狀模型冰具有與其相似的特性，而粒狀模型冰的彎曲強(qiáng)度卻是各向同性的，與加載方向無關(guān)[30]。

圖5 模型冰彎曲強(qiáng)度范圍與縮比后海冰彎曲強(qiáng)度范圍對比[29]Fig.5 Range of flexural strength:model ice vs.scaled sea ice[29]

2.4 模型冰單軸壓縮強(qiáng)度

海冰單軸壓縮強(qiáng)度是冰在結(jié)構(gòu)上發(fā)生擠壓破壞時的關(guān)鍵強(qiáng)度參數(shù)，如單年冰的壓縮強(qiáng)度分布范圍為0.5～5 MPa，縮比后對應(yīng)范圍為11.25～250 kPa。圖6 所示為不同模型冰的單軸壓縮強(qiáng)度和海冰縮比后單軸壓縮強(qiáng)度范圍對比[29]，可知粒狀冰的強(qiáng)度范圍與海冰更為接近[31]。因冰晶生長方向的影響，海冰的單軸壓縮強(qiáng)度與加載方向相關(guān)，平行于冰晶生長方向的單軸壓縮強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度的比值為7～10，而垂直于冰晶生長方向的比值為3～4。一般情況下，海冰壓縮強(qiáng)度為彎曲強(qiáng)度的2～6 倍，實(shí)際

圖6 模型冰單軸壓縮強(qiáng)度范圍與縮比后海冰單軸壓縮強(qiáng)度范圍對比[29]Fig.6 Range of uniaxial compression strength:model ice vs.scaled sea ice[29]

試驗(yàn)時也應(yīng)滿足此比值關(guān)系。統(tǒng)計(jì)可知柱狀模型冰的比值為2～3，而粒狀模型冰的比值為1～2。相比較而言，柱狀模型冰單軸壓縮強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度比值更貼合于實(shí)際海冰。

2.5 模型冰彈性模量

真實(shí)海冰彈性模量可達(dá)數(shù)千兆帕，海冰彈性模量/彎曲強(qiáng)度比值一般在2000～8000之間[32]。圖7為不同模型冰的彈性模量/彎曲強(qiáng)度比值和海冰的比值范圍對比圖[29，31]?？芍蟛糠种鶢钅Ｐ捅土钅Ｐ捅茈y達(dá)到此比值范圍，鹽水柱狀模型冰相對較好，比值基本為2000 以上。根據(jù)Tim?co[27]和各冰池相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，模型冰彈性模量/彎曲強(qiáng)度比值介于500～2000 之間，大致滿足工程要求。從這個意義上講，兩類模型冰（尿素粒狀冰除外）大多可用。

圖7 模型冰彈性模量/彎曲強(qiáng)度比值范圍與海冰的比值范圍對比[29，31]Fig.7 Range of elastic modulus/flexural strength:model ice vs.sea ice[29，31]

2.6 模型冰密度

真實(shí)海冰密度的分布范圍較寬，大者可居于900～960 kg/m3之間，通常在845～925 kg/m3之間。對模型冰而言，密度穩(wěn)定在880～920 kg/m3取值是合適的。圖8 所示為不同模型冰的密度和海冰密度范圍對比[28，31]，可知除了尿素粒狀模型冰密度較大，大部分柱狀和粒狀模型冰均可滿足此范圍。

圖8 模型冰密度范圍與海冰密度范圍對比[28，31]Fig.8 Range of density:model ice vs.sea ice[28，31]

2.7 制冰效率

制冰效率的高低直接決定試驗(yàn)的執(zhí)行效率。Ha 等（2015）[30]在MOERI 冰水池利用含有乙二醇及脂肪清潔劑的水溶液分別制作了等厚度（40 mm）的粒狀冰和柱狀冰。圖9 所示為兩種類型模型冰制冰的時間周期圖。對比發(fā)現(xiàn)，柱狀模型冰盡管只需要一次引晶，但需要較長時間的制冷階段。粒狀模型冰的凍結(jié)和回溫時間都要短，故其制冰效率要明顯高于柱狀模型冰制冰效率。

圖9 典型模型冰制冰時間周期圖[30]Fig.9 Typical period circle diagram of model ice making[30]

綜合以上對比分析可知，雖然柱狀模型冰在制冰效率方面要低于粒狀模型冰，但柱狀模型冰在細(xì)觀冰晶結(jié)構(gòu)相似度和彎曲強(qiáng)度、單軸壓縮強(qiáng)度及彈性模量比值等方面的模擬更具優(yōu)勢?？傮w來說，柱狀模型冰的性能更優(yōu)，其應(yīng)用范圍更寬。另外，應(yīng)注意到，鑒于噴灑層疊法的制冰工藝尚處于專利保護(hù)階段，目前大部分冰水池的制冰工藝采用的還是濕播種法，相應(yīng)地也積累了更多的經(jīng)驗(yàn)，因而柱狀模型冰更加適合我國在制冰技術(shù)開發(fā)中參考選取。

3 冰水池中海冰模擬的關(guān)鍵問題

自然界（極地）海冰破壞存在韌性行為、脆性行為及蠕變行為等，在一定條件下處于韌-脆轉(zhuǎn)變區(qū)間。在冰水池室內(nèi)試驗(yàn)制備模擬海冰時，應(yīng)當(dāng)保障海冰的破碎特征相似；模擬海冰與結(jié)構(gòu)相互作用時，應(yīng)當(dāng)保障海冰的力學(xué)行為相似。因而對冰水池中海冰模擬的基本要求包括模型冰與原型冰在力學(xué)特性上相似，晶格分布及生成、生長過程基本一致。

目前國際上仍未提出標(biāo)準(zhǔn)化的制冰工藝方案，制冰工藝探索存在較多困難，主要是：一方面，幾乎所有的制冰工藝參數(shù)對模型冰質(zhì)量影響都較大，制冰參數(shù)與模型冰質(zhì)量之間的映射難以明確；另一方面，制冰工藝中很多技術(shù)參數(shù)不能完全定量化處理，進(jìn)而影響到制冰參數(shù)的固化。

綜合冰水池中人工控制的制冷環(huán)境和水體環(huán)境，可對典型的基于濕播種法并融合氣泡注入技術(shù)的模型冰制冰工藝方案[33-34]做抽象分析，如圖10 所示。可見，制冰環(huán)境涉及空氣、冰層及水體三個部分。模型冰制作是在多控制系統(tǒng)配合運(yùn)行下依序發(fā)生的多步流程。一個基本的制冰流程包含環(huán)境預(yù)冷（降溫）、引晶（冰起始）、冷凍（冰生長）和回溫（冰發(fā)展）等主要步驟。對于每一輪回的制冰過程，水體-冰層-氣流場-溫度場在時間與空間分布上均應(yīng)可控可調(diào)。最終模型冰的生成是相應(yīng)多相物理場耦合的結(jié)果，其中所涉及的熱力交換、動力作用及相變過程十分復(fù)雜。

圖10 制冰工藝方案系統(tǒng)簡圖[33-34]Fig.10 Schematic diagram of ice modeling system[33-34]

制冰條件與控制參數(shù)（溫度、鹽度、通氣量等）及過程的精確調(diào)控與最優(yōu)化選取，將直接關(guān)系到模型冰的質(zhì)量及其與真實(shí)海冰的相似度。針對典型的基于濕播種法的鹽水柱狀模型冰制冰過程，其中關(guān)鍵技術(shù)問題及相關(guān)說明梳理如下：

（1）冰水池制冰環(huán)境氣流場/溫度場設(shè)計(jì)優(yōu)化

模型冰的良好生長主要依靠持續(xù)穩(wěn)定的低溫試驗(yàn)環(huán)境，其中氣流場主要用于調(diào)控制冷空氣循環(huán)，進(jìn)而影響溫度場的分布特性，而水池制冰空間特征與制冷設(shè)備難以通過簡單的統(tǒng)籌調(diào)配即形成穩(wěn)定優(yōu)良的制冷效果。

（2）模型冰細(xì)觀結(jié)構(gòu)缺陷控制技術(shù)

溫鹽條件、通氣量及鹵水排放過程是控制冰生長過程及其細(xì)觀缺陷的主要條件，而模型冰力學(xué)特征及其與天然海冰的相似性均是由其自身細(xì)觀結(jié)構(gòu)決定的。但這些影響條件對模型冰生長趨勢而言具有較強(qiáng)的區(qū)間適配性，需要建立其與模型冰細(xì)觀缺陷全生長周期演化進(jìn)程間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而制定出模型冰內(nèi)部缺陷的控制方法。

（3）引發(fā)柱狀模型冰生長的引晶過程精確控制

柱狀模型冰作為目前應(yīng)用較多的模型冰類型，其生長過程中引晶工藝（如噴霧濃度、噴霧時間等）對模型冰初始粒狀層的形成具有較強(qiáng)的引導(dǎo)性，進(jìn)而決定了模型冰后續(xù)的生長過程，其初始粒狀層與柱狀層間復(fù)合特性決定了模型冰整體的質(zhì)量。

如果將整個冰水池制冰系統(tǒng)視作多變量輸入的控制系統(tǒng)，可以單項(xiàng)、復(fù)合或正交優(yōu)化地改變各相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行反復(fù)的“調(diào)試-校核”。圖11 所示為確定模型冰制冰工藝的基本路線，按設(shè)定制冰參數(shù)-模型冰制作-模型冰參數(shù)測量-對標(biāo)實(shí)測海冰參數(shù)及優(yōu)化制冰方案的程序循環(huán)，通過不斷調(diào)整，最終獲得理想的制冰工藝。

圖11 制冰工藝研發(fā)路線簡圖Fig.11 Flow chart for exploration of ice modeling technology

相應(yīng)地，為盡可能地縮短冰水池中海冰模擬技術(shù)調(diào)試摸索時間，靶向提升制冰技術(shù)研發(fā)效率，事半功倍地獲得最優(yōu)化的制冰工藝，應(yīng)在如下方面著力探索：

（1）冰熱力生長過程取決于低溫環(huán)境下的多物理場耦合作用，可重點(diǎn)開展冰水池低溫可控可調(diào)環(huán)境下氣－水－冰多相物理場耦合與冰生成發(fā)展機(jī)理研究，建立并指導(dǎo)冰水池環(huán)境下模型冰的熱動力生長預(yù)報(bào)模型。

（2）模型冰細(xì)觀結(jié)構(gòu)的缺陷控制是調(diào)控模型冰質(zhì)量的關(guān)鍵，而影響模型冰細(xì)觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素涵蓋水溶液、制冷條件及引晶系統(tǒng)等參數(shù)，可重點(diǎn)分析水體成分與制冷環(huán)境參數(shù)控制及引晶操作對模型冰生發(fā)過程和關(guān)鍵力學(xué)性能的影響規(guī)律。

（3）模型冰生長過程的影響因素眾多且相互關(guān)聯(lián)互饋，難以通過簡單的數(shù)學(xué)公式對其關(guān)系進(jìn)行表征，可基于依存分析、相關(guān)分析及假設(shè)檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)學(xué)理論建立描述模型冰主要力學(xué)性能和物理性質(zhì)與制冰控制參數(shù)相關(guān)性的關(guān)系式。

（4）世界各國冰水池制冰工藝公開資料雖已揭示了制冰工藝的主要流程方法，但涉及到具體操作的參數(shù)調(diào)控仍具有較強(qiáng)的特殊性，難以提煉出通用可行的制冰工藝，可利用已有條件下的制冰數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，修正冰層生長公式及制冰參數(shù)-冰特性關(guān)系式，并預(yù)測其它條件和控制參數(shù)下的冰層生長狀況，實(shí)現(xiàn)制冰技術(shù)外推應(yīng)用。

進(jìn)而，可系統(tǒng)性地確定冰水池模型冰制冰參數(shù)與過程控制優(yōu)化策略，形成對模型冰力學(xué)性能和物理性質(zhì)的精確控制能力，建立滿足極地海冰主要特性相似要求的模型冰成套制備方法。

4 結(jié)論和展望

本文主要對冰水池中海冰模擬的現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，總結(jié)了兩種類型的制冰工藝，比較了兩類模型冰的特性，同時分析了冰水池制冰技術(shù)的關(guān)鍵問題，提出了未來冰水池海冰模擬研發(fā)的方向，得出幾點(diǎn)結(jié)論并展望如下：

（1）冰水池是開發(fā)極地船舶海洋工程的關(guān)鍵基礎(chǔ)，其首要任務(wù)是通過一定的制冰工藝制出能夠模擬真實(shí)極地海冰、滿足物理力學(xué)特性相似要求的模型冰，國外冰水池在海冰模擬試驗(yàn)技術(shù)上積累較多，而國內(nèi)在該方面的能力亟待加強(qiáng)；

（2）冰水池海冰模擬技術(shù)主要分為濕播種法和噴灑層疊法兩種，通過追溯相應(yīng)的柱狀和粒狀兩類模型冰的發(fā)展歷史，綜合比對模型冰與真實(shí)海冰的物理力學(xué)特性，可知柱狀模型冰具有較好的模擬優(yōu)勢和更寬的適用范圍；

（3）模型冰制作的多物理場耦合所涉及的熱力交換、動力作用及相變機(jī)理等十分復(fù)雜，通常采取基于經(jīng)驗(yàn)摸索的反復(fù)“調(diào)試-校核”來找尋適用的制冰方法，而以系統(tǒng)性方法分析模型冰制作的關(guān)鍵問題，確定制冰最優(yōu)控制策略是冰水池中海冰模擬技術(shù)的研發(fā)趨勢；

（4）針對未來冰水池發(fā)展，可以以多學(xué)科理論分析、多手段模擬、試驗(yàn)和驗(yàn)證為基本途徑來研究解決冰水池中海冰模擬的相關(guān)科學(xué)技術(shù)問題，同時促進(jìn)現(xiàn)代冰水池工程技術(shù)與基礎(chǔ)科學(xué)融通發(fā)展。

致 謝：

德國極地技術(shù)咨詢公司專家Peter Jochmann 對研究工作給予了技術(shù)支持，特此致謝！