[发明专利]一种控制尿素模型冰晶体生长结构的方法

说明书

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种模拟海冰的模型晶体生长控制方法。

背景技术

全球的海洋中，海冰的分布面积为3770万平方公里，占全球洋面的11.8%。如果加入冰山分布海域，则包括流冰在内的海冰面积为7260万平方公里，占全球洋面的22.9%。由此可见，海冰在海洋中占据了重要的地位。而正是在这些长期或短期被海冰覆盖的海域中，蕴藏了丰富的海洋资源，进而促使近三十年来，各国在寒冷海域中开展的经济活动呈高速增长的态势。其中，以海上油气资源的开发、海洋可再生能源的利用和航运活动的发展最为迅猛，海上油气开采平台、海上风电机组等各类海洋工程结构相继矗立在寒冷海域，这些海洋工程结构的安全性能就必然面临着大面积流冰作用的威胁。因此，认识、利用和开发海洋资源就不能不研究海冰。

现代冰力学解决工程问题的基本做法是理论分析同原型试验、模型试验三者紧密地结合。其中原型测试是对理论最直接的检验，是冰力学机制最直接的表现，原型测试的数据是可贵的“第一手”资料。进行海冰作用的原型测试，要耗费较多的人力、物力，必须有周密的规划部署，而且必须将理论分析和模型试验互相结合，才能最大限度地发挥它应用有的作用。因为在原型即现场条件下，各项环境参数的出现是由客观的自然过程决定的，不依人的意志而改变，而且一般是不会重复出现的，只有配合模型试验，通过在实验室重演并人为控制各项参数及其组合，才能更深刻地解释在原型测试中所发现的各种现象之间的内在联系。原型测试直接得到的是个别现象的图像，只有通过模型试验及理论分析，才能得出有指导意义的一般规律。室内模型试验以其对环境的可控性、比现场测试明显的经济性等优点而居于不可替代的地位。

模型试验技术的开发必然要求模型与原型在各方面的准确相似，和其它模型试验相比，冰力学与冰工程模型试验是一种相当特殊的试验，因为它同时具有以下两种试验的双重性：一种是流体模型试验，另一种是材料试验。这不仅要求模型试验中冰排的运动状态与原型相似，鉴于冰排出现多种模式的破坏是冰与结构相互作用进程的重要特征，这就更要求模型冰材料在破坏进程与模式上与天然海冰具备高度的相似性，因此冰力学与冰工程模型试验的关键正在于对天然冰排破坏进程的准确模拟。冰是一种晶体材料，因而晶体生长结构特征决定了冰材料的变形破坏特征，由此可见，实验室内制备的模型冰只有在晶体生长结构上与天然海冰具备高度的相似性，才能在室内模型试验中得到可以反映现实情况的测试结果。因此，能够控制模型冰晶体生长结构，促使其与天然海冰晶体生长结构达到一致的方法，是冰力学与冰工程模型试验中的关键性基础技术。

天然盐水冰作为第一代模型冰曾于1957年在列宁格勒冰池中被前苏联学者采用，制取的方法是在水中掺加2～3%的盐分冻结成冰。试验时，通过冻结在冰内的盐分的融化使冰强度降低，以满足模型比对冰强度的要求。但冰力模型试验是一种缩尺试验，在缩尺模型试验中，要求模型冰的力学指标依据模型比尺而下降，即要求模型冰不同强度之间的比值如弹性模量与抗弯强度之比和原型冰相同，但天然盐水冰达不到这一要求。天然盐水冰的致命缺陷是各项力学指标的下降不同步，而且缩尺越小，不同步也越明显，因此作为模型冰并不适用。

1975年德国学者Schwarz发展了回温降低冰强度的技术，并把含盐量降低为0.6%，由此制成的模型冰内部结构与原型冰有一定的相似度，且有较高的弹性模量与弯曲强度比值，从而改善了模型冰的质量和制冰技术。但这种模型冰对抗弯强度的模拟仅局限于10～15的模型比范围内，限制了冰力模型试验的应用范围。

加拿大学者Timco研制了一种在水中掺加尿素再冻结而成的尿素模型冰（UREA冰），在缩尺试验中其物理量可以满足模型比尺的要求，目前正被各国大多数冰池试验采用，称为第二代模型冰。这种模型冰的模拟范围最高可达到1:40。模型冰中所含尿素类似于原型海冰中的盐水泡，还可促使冰融化，从而加大孔隙率，降低冰强度，以更好的满足模型比的要求。目前，我国的低温冰池实验室内采用的正是这种尿素模型冰。

目前，国际上采用的尿素模型冰生成制备流程为：

1).按照1.5%的比例，在水池中掺加尿素，搅拌成均匀的尿素水溶液；

2).室内降温：所有的冰池实验室中的水池均被一个三维方向上均设置保温层的密闭空间包围，实验室外的制冷压缩机将制冷剂压缩至密闭室内的冷风机中，而后通过冷风机组向实验室内吹送冷风，形成室内降温过程。