[发明专利]一种覆雪模型冰盖的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种模拟覆盖有降雪层海冰的模型冰盖的生成和制备方法。

背景技术

覆盖有降雪层的海上冰盖是海冰在天然环境中的一种存在常态。覆雪冰排上部雪层和下部冰层会对另一层材料的物理力学特性造成影响，主要表现在以下几个方面：

1)、冰排上覆雪同时影响海冰表面的热平衡，抑制海冰的生长；

2)、冰排上覆雪通过变质作用变为雪冰，成为海冰生长的动力之一；

3)、冰排上覆雪的重量使冰排的干舷高度降低；

4)、冰排上的覆雪层增大了海冰表面的粗糙度；

5)、冰排上覆雪会影响冰排的盐度；

6)、冰排表面的含盐液态水会对覆雪的物理力学性质造成影响。

天然海冰的存在形式总是与不同程度和类型的覆雪条件相伴的，因此，在现实的冰-结构相互作用进程中，覆雪层的参与通常是贯穿始终的。目前国际上最新的研究成果表明，冰排上是否有雪覆盖对上述进程具有重要的影响。在冰与结构的相互作用进程中，覆雪层的出现将改变冰盖上表面的裂纹扩展模式，进而可能直接引发这一进程中一些关键性率相关规律的变化。同时，覆雪还会在冰与结构接触区域增加碎冰颗粒的滑动性能，进而改变局部冰材料的变形特征，以致宏观表现为冰荷载分布以及结构动力响应模式的变化。在冰与锥型结构的相互作用进程中，覆雪层的出现将直接改变冰排的滑动摩擦特性、裂纹扩展模式，从而在冰排断裂长度的演变规律、碎冰的堆积进程、冰荷载的分布及作用形式上形成重要影响。

同时，随着高等级冰区船舶技术研究的开展，研究人员发现碎冰滑动对船体产生的摩阻力，对船舶总体的航行阻力具有较大的贡献，尤其是冰盖上有一定的覆雪水平时，相应的摩阻力就不容小视。目前国际学术界与工程界已形成共识，即冰排覆雪会增加碎冰块滑动进程中对船舶所产生的摩擦阻碍效应。基于此，FSICR（Finnish–Swedish Ice Class Rules）、DNV、BV和LR等国际船舶规范中，对高等级冰区船舶的破冰性能要求中均增加了冰盖上覆雪水平的规定。如最新的LR规范中指出：“具有独立破冰能力的冰区加强船舶，应能发出足够的推力，以便在航速至少为5节时，在厚度等于所申请的冰级规定的名义值的冰中，且冰上至少覆盖有0.3m厚的积雪条件下，能以连续方式破冰。”

然而截至目前为止，国际范围内仍未有针对冰排上的覆雪水平对冰-结构相互作用进程的影响展开系统研究的报道出现。导致这种局面的出现主要有两方面原因：

1）、现场观测难于进行。由于现场条件下利用现有的观测手段，难以获得准确反映冰排上的覆雪水平以及冰排破坏进程改变效应的有效数据，进而导致无法开展揭示物理现象的深入研究。

2）、物理模型试验研究受到较大的限制。通常，当原型观测无法提供有效数据时，进行物理模型试验就成为决定性的研究手段。然而，冰力学与冰工程模型试验具有相当特殊的要求，即要求模型冰材料与天然冰材料在各方面特征上具备相似性。尽管学术界已在模型冰的制取上具备了一定的技术基础，但目前还未在冰盖覆雪条件的模拟技术上获得突破，从而导致已进行的物理模型试验研究中，均仅模拟出了单层冰排与结构的相互作用进程。

由此可知，目前学术界与工程界探究覆雪冰排与结构相互作用进程的唯一可行方法即为模型试验研究，然而，目前现有的人工造雪方法并不能满足冰力学与冰工程模型试验的技术要求。模型试验与现场测试的区别和联系即在于，模型试验中是将现场情况下的各种参数进行了一定比例尺度的缩小，由于这种比例尺度的缩小是在模型试验结果向现实情况可还原的要求下的，因此就要求模型与原型在各方面的准确相似。在这一系列的相似关系中，覆雪模型冰材料在破坏进程与模式上与天然覆雪海冰具备高度的相似性尤为重要，这是因为覆雪冰排出现多种模式的破坏是其与结构相互作用进程的重要特征，进而要求在模型试验中能够准确再现天然覆雪冰排的破坏特征。

采用现有的人工造雪方法所生成的雪层，是无法满足上述模型试验技术要求的，主要原因是这种人造雪层存在以下缺陷：

1）、现有人造雪层晶体尺寸过大，不满足比尺缩小要求。