科创中国

一、项目意义

目前，中国与俄罗斯已经提出开展北极航道合作，共同打造“冰上丝绸之路”的宏大构想。国家层面的支持为研究极地科学技术、研发极地海洋装备提供了广阔发展空间。北极航道作为亚欧之间的海上运输线，其通航可以大大节约航运途中的用时和燃料消耗。同时，北极地区拥有丰富的化石能源，北极资源的开发利用已经成为了世界各国关注的焦点问题。作为极地开发的重要载体，极地航行船舶的设计建造技术不仅能够缓解我国迅速增加的能源压力，还可以促进北极航道的国际贸易，助推北方地区各大港口的发展，推动我国由造船大国迈向造船强国。

二、技术优势

高精度的冰载荷预报是极地船型开发与航行安全评估的首要条件，然而极地海冰力学特性复杂、形态多变，冰载荷预报是一项重大挑战，缺乏可靠且成熟的科学理论支撑。如何揭示极地环境下的海冰冻结机理，提出数值模拟结冰的方法，如何探明海冰力学特性，厘清海冰破坏机理，开发冰载荷预报软件系统，进而实现对冰载荷的高精度预报，是困扰极地船舶与海洋工程领域装备研发的一大难题。

（1）冷气驱动条件下海水冻结机理与数值模拟方法

基于概率统计理论分析极地海洋环境参数的随机性规律，考虑气-液两相之间的运动耦合和热传递过程，采用相场法、VOF方法和能量平衡方程，建立包括生长流体运动、枝晶生长、温度场预报和海水冻结的多物理场数值分析模型，模拟多种冷气驱动条件下计算域内晶核生长过程，研究在不同冷气驱动条件下海水温度场变化与相变冻结之间的内在联系，提出冷气驱动条件下海水冻结过程的数值模拟方法。

（2）基于海冰环向裂纹法的冰载荷预报方法

分析挤压阻力、弯曲阻力和水下碎冰等不同阻力成分之间的关系，建立一种基于局部挤压破坏进而导致冰体弯曲断裂的动态船-冰作用模型，根据船体水线面附近的具体形状，利用几何算法搜寻船-冰局部碰撞区域，计算接触面上的局部冰力，模拟冰体断裂形状并据此更新层冰边界，提出了基于海冰环向裂纹法的冰阻力数值预报方法，经冰水池模型试验验证，数值预报与模型试验的误差在15%左右。

（3）高精度的冰载荷预报软件系统

以极地运输船设计建造与检验发证中的冰载荷应用需求为导向，基于环向裂纹法开发了高精度的冰载荷预报软件系统，揭示了船舶在极地复杂冰场环境下的冰载荷时空演化规律，包括：船舶动态运动轨迹、冰阻力历时曲线、船体表面冰压力分布、冰压力统计规律等，研究编制了《极地船舶指南》，将该软件作为CCS COMPASS规范审图软件的重要组成部分。

三、应用前景

我国极地工程装备技术的研究起步晚，国内关于极地船舶方面的规范技术标准长期处于空白状态。以突破极地工程领域的关键技术为牵引，项目组在国际上率先公开出版了CCS《极地船舶指南》（GD05-2016）和CCS《极地水域操作手册编写指南》（GD29-2016），系统阐述了极地船舶设计建造和安全运营方面瓶颈问题的技术解决方案，填补了极地船舶规范和标准领域的技术空白，为国内极地船型的研发提供了权威的科技指导。

四、社会与经济效益

作为该领域的奠基人之一，俄罗斯科学院院士Alexander Bekker引用了5篇本项目的科技论文，肯定了项目组在冰阻力高精度预报方面的贡献：传统方法的误差为22~32%，自己方法的误差为9~17%，而项目组的方法误差仅为4~6%。挪威技术科学院院士、挪威科技大学教授Bernt J. Leira和英国皇家工程院、中国工程院外籍院士Torgeir Moan教授将项目组提出的系泊系统与冰脊相互作用数值方法列为冰阻力预报世界六大数值方法之一。

本项目面向极地工程领域的前沿科学和应用需求，采用科学理论推导、数值模拟分析、实船算例验证等相结合的方法，解决了极地运输船抗冰结构设计关键技术及应用方面的瓶颈问题，在关于极地船舶操作能力与限制方法计算分析、船舶冰阻力预报方法、极地螺旋桨设计方法、抗冰结构设计技术、极地船舶结冰过程模拟与预报系统、极地水动力湿表面计算模型和质量模型、极地运输船高精度建造等方面取得了突破性成果，包括发明专利、科技论文、规范指南、软件著作权等。项目成果应用于中国船级社、广船国际有限公司、沪东中华造船（集团）有限公司、江苏省船舶设计研究所有限公司、江苏现代造船技术有限公司、江苏新时代造船有限公司、江苏新扬子造船有限公司、江苏扬子鑫福造船有限公司、江苏镇江船厂（集团）有限公司、南通中远海运川崎船舶工程有限公司、上海外高桥造船公司、中国船舶科学研究中心新型船舶研究设计部、舟山中远海运重工有限公司、中国船舶科学研究中心上海分部，在业界进行了广泛的推广应用，取得了显著的经济效益和社会效益。

五、转化需求

（1）本成果技术市场需求大，但研发周期较长，需要政府给予一定的政策和资金扶持。（2）本技术成果也可在其它极地研究行业应用，但需要做进一步的针对性研究。