第1章绪论
1.1研究背景
近年来，全球气候变暖，对极地冰层影响较大，引起海冰的大量融化。如图1.1所示，根据美国国家航空航天局（NASA）发布的1979～ 2019年北极冰层变化报告可知，这40年来，极地整体每年的*大冰层覆盖面积随时间的增加而振荡减小。冰层覆盖面积的逐步减少，在影响极地生物多样性、给人类带来前所未有挑战的同时，也使得大家把更多的目光投向了冰区航道的研究，其主要原因如下。
第一，极地地区的自然资源储量极为丰富。据美国地质调查局勘探统计，极地地区约有全球13%的石油储量、30%的天然气储量以及9%的煤炭储量未开发[1]。我国作为发展中国家，且属于人口大国，对自然资源的需求缺口依然较大。而海冰的消融与重新组合，以及破冰船与其他极地装备的开发使用，使得我们通过冰区航道，合理开发和运输极地资源的可能性大大提高，因此，冰区航道作业装备性能的研究对我国经济发展具有重要意义。
第二，由于海冰厚度和覆盖面积的不断缩减，北极航道的开辟与良好运行可行性与经济性也更值得关注[2]。据统计，利用破冰船等设备在极地开辟的冰区航道，与传统航道（如巴拿马运河航线、苏伊士运河航线）相比，将大大缩短整个航程，进而形成联系亚欧美三大洲*短航线[3]。例如，荷兰鹿特丹港一日本横滨港，传统航道从苏伊士运河走，全程11200海里，如果走北极航道，则全程可缩减为6500海里（图1.2（a））；荷兰鹿特丹港一美国西雅图港，传统航道从巴拿马运河走，全程9000海里，如果走北极航道，则可缩减至7000海里（图1.2（b））。因此北极航道的开发利用，将会大大降低航运经济成本。
第三，极地地区地理位置特殊，北极地区以北冰洋为中心，周围濒临亚洲、欧洲、北美洲，南极地区以南极洲为中心，周围濒临太平洋、大西洋、印度洋。连绵覆盖的极地冰层可提供天然而优越的隐蔽性条件，极地地区必然成为关系国家利益的“战略新疆域”因此，对冰区航道装备水动力与水波特性方面进行深入的基础研究十分必要，可为我国建设海洋强国提供极为重要的技术保障。
此外，近年来我国国家发展政策对极地航道港口方面更加重视。2017年4月，在习近平主席访问芬兰期间，双方提出加强北极事务合作。2017年7月，中俄两国提出要开展北极航道合作，共同打造“冰上丝绸之路”2018年1月，我国发布了首份北极政策文件《中国的北极政策》白皮书，指出中国愿与各方共建“冰上丝绸之路”这意味着冰区航道港口的顺利运行与维护至关重要，有利于国际之间政治、经济、文化等多方面的交流与互惠。
在此大背景之下，冰区水动力研究具有极为重要的战略意义和经济价值。
然而，极地船舶与结构物在冰区航道港口之中，所处的极地冰况是较为恶劣的。除了考虑风、浪、流的作用之外，影响其运动性能的重要因素之一还有极地的海冰。大面积海冰在流场脉动压力的作用下会发生弹性变形，从而产生行进弯曲重力波。对于极地航道（图1.3），当浮体扰动流场引起的重力波传播至冰层覆盖流域时，色散关系发生改变，波浪能量会部分反射，进而往返作用于浮体自身，对船舶运动带来巨大影响。对于港口，由于港口内水域受限制，港口自身存在固有频率，导致在港口固有频率附近会出现剧烈的水波振荡，严重影响人员舒适性，威胁船舶、港口航道安全性。而港口内海冰的存在（图1.4），使得整个水波、冰、结构物多耦合作用问题更为复杂，研究更为困难。
因此，本书拟针对极地船舶与结构物在一些典型冰区航道港口处与海冰的相互作用问题，建立冰间航道内浮体运动计算模型，构造多冰间航道水波散射模型，构建极地非结冰港口浮体运动计算模型，建立冰层覆盖港口水波散射数值模型，旨在实现典型冰况下极地航道与港口内浮体运动与水波散射的准确数值模拟。本书通过自主编制开发的极地航道与港口浮体运动与水波散射数值模拟程序，深入探讨了这些典型极地航道港口环境下结构物水动力与水波散射现象与机理，以期为极地船舶与结构物设计的运动与载荷评估，提供重要理论依据和技术支撑。
1.2国内外研究现状
水波作用下的浮体或结构物水动力与水波散射数值计算方法的发展，与计算机技术的不断更新有极为密切的关系。经过多年发展，涌现出众多优秀的方法，如边界元法（BEM）、有限元法（FEM）、计算流体力学法（CFD）、无网格法（SPH）等，这些方法在自由表面波与结构物相互作用中逐步得到广泛应用。通常我们研究的自由表面波是指海水与空气直接接触情况下的波。国内外学者在自由表面波与结构物的相互作用上做了大量的工作[4-12]，这一领域的研究相对较为成熟。相比于开敞水域（即自由面流域），对于覆盖海冰情况下，水波、海冰与结构物的相互作用研究还处于比较初步的阶段。因此，本节主要从水波、海冰相互作用，水波、海冰与结构物相互作用两个方面进行研究现状的阐述。
1.2.1水波、海冰相互作用
1.2.1.1海冰的分类和特征
在极地冰区流域，海冰对流场有着不可忽视的影响。由于极地气候环境变幻莫测，海冰呈现多种类型，如图1.5所示，包括但不限于莲叶冰（pancake ice）、碎冰（brash ice）、浮冰（floe ice）、冰间湖（polynya）、冰脊（ice ridge）、冰山（iceberg）等多种形式[13，14]。当海水温度低于-2°C，海洋表面会逐渐产生冰晶体，这些冰晶体快速地凝聚，在海面形成一层薄薄的冰皮，这就是新冰。新冰厚度相对比较薄，在海洋各种环境因素作用下，新冰会迅速破碎，进而生成各具形态的莲叶冰。这些新冰与莲叶冰会重聚，进而形成相对稳定、表面相对坚固的冰层，这就是当年冰。当年冰由于受诸多因素（如气温、洋流、地表径流等）影响，每年会融化与重新冻结，在海洋环境的作用下，经过多年的累积变化逐渐转变为多年冰。
极地环境极为复杂，形成了多种尺度大小的海冰。一种分类方法是将海冰分为0.001m到0.1m之间专注于冰晶结构特征的细观尺度，0.1m到10m左右的海冰模型试验尺度，1m到100m之间的海冰与船舶、结构物耦合作用的结构尺度，10m至10km之间的重叠、堆积的浮冰尺度，以及超过100km的地球物理尺度[15]。另一种较为粗放的分法是把海冰分成小、中、大三种尺度，其尺度大小分别对应1km以内、1～ 10km、大于10km[16]，小尺度海冰根据冰的形态和具体需求会进一步细化分类。一般来说，对尺度较小的海冰（如碎冰）的研究主要注重于冰之间的碰撞，冰的断裂、破碎、堆积等物理现象；对于尺度较大的海冰冰层，多认为冰层是各向同性、连续的，多关注冰层对整片水域流场的影响。
如图1.6所示，常见的冰区环境可以划分为：连续冰层（ice sheets），多为平整冰，在北极尤其是北极中心地带较为常见；海冰边缘区（marginal ice zone，MIZ），该区域由靠近开敞水域的浮冰组成，浮冰多呈饼状，波浪的作用使得海冰破碎成为离散的浮冰，这些离散浮冰聚集在一起，成为海冰边缘区。波在海冰边缘区冰面以下的传播是一个复杂的过程，因该区域内部含有庞大的浮冰群。接近海冰边缘区，强度逐渐增大、峰值周期逐渐减小的波浪，会使海冰边缘区的冰再次破碎，形成复杂的冰水流场。沿海冰边缘区深入，存在巨大的浮冰，波浪在其下以弯曲重力波的形式传播，在遇见各种冰间湖通道或者冰脊时不断耗散能量。在风浪作用下，连续冰层之下产生新的波浪能量，这些能量相对比较小，但是海冰也会绕过这些碎冰、浮冰边界，填满北冰洋和南极大陆陆地的港口或入口[17]。经过长年累月的积累，这些海冰层变得非常厚。在一般情况下，只有当地的春天受暴风的影响或者夏天，冰层厚度才会有所变小，或者碎成单块浮冰。此外，浮冰的作用放大了开敞水域下短周期波能谱分量，因此浮冰的应变能谱通常比开敞水域的要宽。
Robm[18]和Sqmre[19]经过实地观测指出，不管是连续冰层，还是裂缝、冰间湖、冰脊，或是离散浮冰，冰下均存在波浪传播。海冰层会导致水波能量以弯曲重力波的形式在冰层以下继续传播。波浪从远处开敞水域传播至冰层覆盖流域的过程中，在海冰作用下发生弯曲变形。而由于海冰的存在，色散关系发生改变，波浪能量会发生部分反射与部分透射，波浪经过海冰边缘时，短波被阻挡，进而引起波浪整体能量的耗散。不仅如此，波浪还会导致海冰的破碎，该现象在海冰边缘区比较常见。波浪在冰层以下传播，会引起冰层下的波浪在海冰区的振荡弯曲，削弱海冰强度，并在海冰中形成应力应变，如果应力足够大，会造成海冰的断裂、破碎等，在冰的*小尺寸限制下，引起海冰边缘区的变化，*终使该区域达到稳态。波浪对连续冰层的破坏也是不可小觑的，会迫使平整冰层产生裂缝，在风和洋流的作用下，裂缝进一步开裂成为冰与冰之间的通道，更严重的会造成整个连续冰层的消亡。图1.7和图1.8分别为典型的冰区环境作用下形成的单侧冰层覆盖域和冰间航道。波浪还会影响海冰的生长，进而影响海冰成熟时的*终状态，该现象常见于冬季的南大洋。由于气候变暖，剧烈的暴风在海洋中变得较为常见，其产生的高幅值波浪会使冰层加速破碎成碎冰，变得更像开敞水域，Comiso、Rothrock、Wadhams[28]均观察到了这种现象。
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