极地开发的迫切需求促使了极地船舶的大力发展。与开敞水域不同，极地船舶遭受的主要环境载荷由波浪变为了海冰，海冰引起的船舶航行性能的巨大变化已经成为制约极地船舶设计研发和安全运行面临的核心问题之一。由于海冰力学性质和船-冰作用过程的复杂性，对于极地船舶的阻力、推进和操纵等航行特性，无论在理论、数值还是实验分析上都存在巨大挑战。以此为背景，《极地船舶的冰区航行性能》围绕极地船舶的冰区航行性能这一主题，遵循“海冰和极地船舶（两基础）→阻力、推进和操纵性能（三核心）→结冰稳性、风险评估和破冰方法（三扩展）”的逻辑，分别介绍了海冰基本性质和极地船舶的分类及特点，极地船舶的阻力、推进及操纵性能，极地船舶的结冰稳性，风险评估和辅助破冰方法等内容。

第1章海冰基本性质
　　1.1概述
　　近年来受全球气候变暖影响，极地海冰面积逐渐缩减，极地通航、资源开发及环境保护等问题受到广泛关注。北极冰雪融化加速，北极在经济、科研、环保等方面的价值不断提升，北极航道通航和极地资源开发正逐步落实。南极有丰富的生物、矿产和淡水等资源，在全球生物资源多样性及全球气候平衡等方面都扮演着重要的角色，具有环境、历史、教育、科研、自然等方面的价值。由于气候的变化与科技的发展，南极的人类活动增多，南极保护区、南极旅游、生物勘探和南极大陆未来的开发利用等问题引起世界各国的关注。随着极地研究的深入，极地装备的研究越发重要，但是极地水域存在大量海冰，极地装备必须在冰水親合环境中运行，因此冰-水-结构物的复杂耦合作用成为极地船舶和海洋工程结构物设计和运行的核心问题之一。
　　研究冰-7JC-结构物在复杂耦合作用下的极地结构物设计等问题的前提是充分了解海冰的基本性质，知悉海冰复杂的组成成分和结构。海冰不同于淡水冰，其种类较多，晶体结构复杂，冰晶尺寸各有不同，内部存在如杂质、卤水等宏观缺陷；同时海冰的形成发展受到温度、受力情况等外界因素的影响。海冰的物理性能、力学性能、破坏机理会受内部构造和外界因素的影响，海冰动力学和热力学问题具有重要的研究意义。由于海冰性质受诸多因素影响，海冰与冰区船舶和海洋结构物的作用目前仍无固定适用的数学物理模型，对于海冰的本构模型研究仍是一大难点。因此，海冰的物理力学性质、动力学与热力学过程的相关探索对研究极地/冰区装备与海冰相互作用问题具有重要作用。本章将从海冰的分类方法、海冰的物理性质、海冰的力学性质、海冰的动力学本构关系与热力学过程等几个方面介绍海冰的基本性质。
　　1.2海冰的分类
　　海冰作为自然界存在的一种现象，涵盖在海上所见到的由海水冻结而成的任何形式的冰，亦包括进入海洋中的大陆冰川（冰川和冰岛）、河冰及湖冰，由固定冰和流冰组成。同时，海冰可以根据海冰发展阶段、海冰表层形态、海冰密集度、海冰冰型等进行划分。
　　1.2.1依据海冰发展阶段分类
　　海冰发展阶段是指海冰生成的过程，主要依据海冰的形状或厚度差异划分。根据海冰的发展阶段将海冰分为：初生冰、尼罗冰、莲叶冰、初期冰、一年冰、老年冰等。初生冰是*初形成的冰的总称，由松散冰晶冻结在一起，只有聚集漂浮在海面时才具有一定的形状，根据形态又可细分为针状冰、油脂状冰、黏冰和海绵状冰。尼罗冰是指厚度小于10cm的有弹性的薄冰壳层，表面无光泽，在波浪和外力作用下易于弯*和破碎，并能产生“指状”重叠现象。莲叶冰丨饼冰）在涌浪小时，可由油脂状冰、黏冰或海绵状冰冻结而成，也可由尼罗冰破
　　碎以及在大风浪或涌浪作用中的灰冰破碎而成。莲叶冰（饼冰）有时也在一定深度的不同物理特性水体的界面上形成后浮到海面，并可以迅速覆盖广大海面，如图1.1所示。初期冰是指尼罗冰向一年冰过渡阶段中的冰，厚度为10～30cm，包括灰冰和灰白冰，如图1.2所示。一年冰（当年冰）是指由初期冰发展而成的，厚度为30～200cm，生长时间不超过一个冬季的冰。老年冰是指至少经过一个夏季而未融尽的冰，典型冰厚能达到3m或更厚，外貌的主要特征是表面比一年冰平滑W。海冰发展阶段的具体划分详见表1.1。
　　1.2.2依据海冰表层形态分类
　　海冰在形成和发展阶段其受力状况不断变化，其变形情况也有所不同，根据海冰受变形作用的影响程度导致表层形态的差异，可分类为平整冰和变形冰，变形冰又可分重叠冰、冰脊、冰丘和堆积冰等类型W，由于其分类较为复杂，仅介绍以上典型冰况的成因及特征，详见表1.2。
　　1.2.3依据海冰密集度分类
　　海冰密集度指海冰覆盖面积占海冰分布海面的成数，包括海区内海冰总密集度和各发展阶段海冰的密集度。总密集度表示海区内海冰总密集度，即以1/10为单位描述被海冰覆盖的海面占整个所考虑海域面积的比率。按照海冰密集度可将海冰分为开阔水面、极稀疏漂流冰、稀疏漂流冰、密集聚冰、极密集聚冰、密实冰丨冻连冰），其具体划分详见表1.3。
　　1.2.4依据海冰冰型分类
　　冰型是指海冰在生成和发展过程中所表现的形式，包括浮冰冰型和固定冰冰型。浮冰冰型主要包括：莲叶冰（饼冰）、小冰块、碎冰、冰块、浮冰盘、冰山、浮冰岛。固定冰冰型主要包括：冰架、冰川舌、沿岸冰、冰脚、搁浅冰[1]。
　　1.2.4.1浮冰冰型
　　浮冰在海上生成发展过程中不断冻结，扩展，消融，其外观和大小成为区分其类型的重要标准，浮冰分类、尺度及特征详见表1.4。
　　其中冰山极其特殊，由冰川或冰架上的冰川冰等陆源冰（淡水冰）脱离后形成，冰山内部通常不包含盐分。需要特别指出，冰山按其外观可分为冰川冰山、平顶（桌状）冰山、圆顶冰山、斜顶冰山、尖顶冰山；按其大小可分为碎冰山、小冰山、中冰山、大冰山、巨冰山。
　　此外，碎冰常见于海冰消融季与生长季的交替期，在生长季初期，海冰以碎冰的形式在海面上生成，但无法覆盖海面；在消融季，洋流将海冰冲刷至开阔区域，海冰断裂后的残骸聚集物形成碎冰；同时破冰船的干预也会使完整冰形成碎冰。
　　1.2.4.2固定冰冰型
　　冰架指与海岸相连的、高出海面2～50m或更高的相当厚的浮动冰盖。其表面平滑或略起伏，由陆地冰川或与大陆架相连的冰体（如北极冰架）向海里的延伸而成，冰架部分区域可能会搁浅，向海一边的边缘被称为冰崖。
　　冰川舌指冰川向海一边的舌状伸展，通常是漂浮在水面上。
　　沿岸冰指沿着海岸、浅滩或冰架形成，并与其牢固地冻结在一起的海冰。沿岸冰可以随海面的升降做垂直运动。其中，初期沿岸冰指由尼罗冰或初期冰形成的自岸线起宽度在200m以内的固定冰。
　　冰脚指固着在海岸上的狭窄沿岸冰带，是沿岸冰流走后的残留部分，不随潮汐变化而升降。
　　搁浅冰指漂浮在海面，退潮时留在岸上的冰。
　　1.3海冰的物理性质
　　海冰的形成与发展与海面状况和大气条件有关，由于形成条件复杂，海冰不同于淡水冰，海冰的组成成分和内部结构更加复杂，主要由淡水冰晶、多种卤化物、固态盐及空气等组成，这导致海冰的物理性质受多方面因素的影响，而海冰的力学性质的复杂性与其物理性质关系密切。因此本节从晶体结构、结冰过程、主要物理参数（即密度、温度、盐度、孔隙率、卤水体积）来介绍海冰的物理性质。
　　1.3.1海冰的晶体结构
　　海冰在形成过程中受热力学因素和动力学因素（洋流、波浪、风）的影响，会产生不同的晶体结构。海冰的结构可以理解为各成分的排列组合，目前研究发现，冰可以具有13种晶体结构和两种非晶体形态，其中13种晶体结构又可以分为四类，而海冰按晶体结构类型可分为颗粒冰、柱状冰、板状冰和雪冰，其中颗粒冰和柱状冰这两种结构类型*常见因此本节将详细介绍13种晶体结构，颗粒冰、柱状冰等典型内部结构以及具有代表性的南北极海冰的结构特点。
　　1.3.1.1晶体结构
　　海冰的晶体结构主要包括冰晶体形态、冰晶体大小（粒径），以及冰晶c轴空间分布方位等。为研究冰晶的基本组构，将垂直于基面的方向称为c轴（光轴），位于基面内六边环三个对角线方向的称为a轴。*常见的冰晶构型一Ih型冰的每一个氧原子占据四面体的中心，其周围具有四个其他氧原子和它连接，Ih型冰的晶体结构如图1.7所示。
　　MichelW依据平均粒径大小，在定性描述上把粒径分为五个等级：巨粒（平均粒径各维度长度以米计）、极粗粒丨平均粒径>20mm）、粗粒（平均粒径为5～20mm）、中粒（平均粒径为1～5mm）、细粒（平均粒径　　冰晶c轴在空间优选方向，归纳起来应有五种典型情况，如图1.8所示：c轴方向垂直于水平面；c轴方向在整个空间随机分布；c轴方向垂直于水平面并在整个空间随机分布；c轴方向在水平面内随机分布；c轴方向在水平面某一方向定向分布

目录
前言
符号表
第1章 海冰基本性质 1
1.1 概述 1
1.2 海冰的分类 1
1.2.1 依据海冰发展阶段分类 1
1.2.2 依据海冰表层形态分类 3
1.2.3 依据海冰密集度分类 4
1.2.4 依据海冰冰型分类 4
1.3 海冰的物理性质 5
1.3.1 海冰的晶体结构 5
1.3.2 海冰的结冰过程简述 9
1.3.3 海冰的主要物理参数 9
1.4 海冰的力学性质 14
1.4.1 海冰的强度及主要破坏模式 14
1.4.2 海冰的力学性质试验 15
1.4.3 影响海冰强度的物理因素 23
1.5 海冰的动力学本构关系和热力学过程 27
1.5.1 海冰动力学本构关系 27
1.5.2 海冰热力学过程 30
1.6 小结 33
参考文献 33
第2章 极地船舶的分类及特点 36
2.1 概述 36
2.2 极地船舶的分类 36
2.2.1 依据用途分类 36
2.2.2 依据冰级分类 39
2.3 极地船舶的典型特征 40
2.3.1 船舶结构与布置 40
2.3.2 船舶防寒 45
2.4 小结 48
参考文献 48
第3章 极地船舶的阻力特性 50
3.1 概述 50
3.2 冰阻力经验预报方法 51
3.2.1 平整冰区冰阻力预报方法 51
3.2.2 浮冰区冰阻力预报方法 55
3.3 冰阻力模型试验研究方法 57
3.3.1 模型律和模型比尺 57
3.3.2 模型试验方法 58
3.3.3 模型试验结果分析方法 61
3.4 冰阻力数值模拟方法 63
3.4.1 CFD-DEM耦合模拟基本理论 63
3.4.2 CFD-DEM耦合模拟应用案例 67
3.5 极地船舶的减阻技术 70
3.5.1 气泡辅助破冰系统 70
3.5.2 冲水润滑辅助系统 73
3.6 小结 74
参考文献 74
第4章 极地船舶的推进特性和主机功率预报 77
4.1 概述 77
4.2 海冰与极地船舶推进器的相互作用 77
4.2.1 极地船舶推进器选型 77
4.2.2 海冰对螺旋桨的影响 80
4.2.3 冰桨接触理论预报方法 81
4.2.4 冰桨接触试验预报方法 86
4.2.5 冰桨接触数值模拟方法 88
4.3 极地船舶主机功率的预报方法 91
4.3.1 航速–阻力经验公式预报法 91
4.3.2 规范预报法 92
4.3.3 数值模拟及试验预报方法 93
4.4 小结 96
参考文献 96
第5章 极地船舶的操纵特性 98
5.1 概述 98
5.2 经验预报方法98
5.2.1 操纵运动方程 98
5.2.2 裸船体力和力矩 99
5.2.3 螺旋桨和舵的力和力矩 101
5.2.4 冰力和冰力矩 102
5.3 试验预报方法 107
5.3.1 回转试验 107
5.3.2 破离航道试验 109
5.3.3 星型操纵试验 110
5.4 数值预报方法 111
5.4.1 船舶敞水操纵性验证 111
5.4.2 船舶冰区操纵性数值模拟 112
5.4.3 极地冰区船舶操纵性影响因素分析 113
5.5 小结 115
参考文献 115
第6章 极地船舶的结冰稳性 117
6.1 概述 117
6.2 结冰原因及危害 117
6.2.1 结冰发生区域 117
6.2.2 极地船舶结冰分类 118
6.2.3 船舶结冰危害 119
6.3 结冰机理及积冰预报方法 119
6.3.1 海水飞沫结冰物理过程 119
6.3.2 结冰研究进展及难点 120
6.3.3 船舶积冰计算方法 124
6.4 计及结冰因素的船舶稳性 126
6.4.1 船舶结冰稳性研究进展 126
6.4.2 积冰对船舶稳性的影响 127
6.5 小结 130
参考文献 131
第7章 极地船舶的风险评估.133
7.1 概述 133
7.2 风险评估原理.133
7.2.1 风险的定义 133
7.2.2 风险评估内容及流程 133
7.2.3 风险接受准则 134
7.2.4 风险评估中的不确定性 136
7.3 不确定性条件下极地船舶冰困风险评估 137
7.3.1 极地船舶冰困风险因素识别 137
7.3.2 极地船舶冰困概率与后果建模研究 140
7.4 小结 147
参考文献 148
第8章 气垫破冰船及其破冰原理 150
8.1 概述 150
8.2 气垫破冰船低速破冰原理 152
8.2.1 冰下气腔的形成与传播 152
8.2.2 气垫破冰船低速破冰能力评估 156
8.3 气垫破冰船高速破冰原理 159
8.3.1 兴波特点及临界速度 160
8.3.2 气垫破冰船高速破冰能力影响因素分析 162
8.4 小结 165
参考文献 166