论文总字数：19356字

摘 要

开辟北极航道，建设冰上丝绸之路，有利于加强中国与北极国家、欧洲国家及北美国家之间的贸易合作。与传统中欧航线相比，北极航线可缩短航程、减少油耗及废气排放。然而，北极航道通航现状并不乐观，受航道内季节性海冰的影响，每年仅有近三个月的通航期，难以满足航运需求。

基于此现状，本文通过环形水槽试验，得到结冰情况下水流流速与航道气温之间的线性关系，然后根据测量气温计算所需流速。据此，在北极东北航道内设计航道通航方案，本方案利用北极风力资源发电提供能源、多级离心泵提供动力加速水流，使航道水流处于流动状态，达到通航的目的。最后使用ICEM CFD建立物理模型与网格划分、使用FLUENT进行水流流场模拟，得到水流流场仿真图及水流流速数值模拟结果，验证了本方案的可行性。在使用上述方案后，北极航道可实现全年通航，拓展了北极航道的通航能力。本研究对促进我国乃至全世界航运经济发展有着重大意义。

关键词：极地航行 通航能力 水流流速 流场模拟

Abstract

Opening up Arctic routes and building the Maritime Silk Road will help strengthen trade cooperation between China and Arctic countries, European countries and North American countries. Compared with the traditional China-Europe route, the Arctic route can shorten the voyage, reduce fuel consumption and exhaust emissions. However, the navigability of the Arctic route is not optimistic. Due to the seasonal sea ice in the waterway, the navigation period of less than three months per year is difficult to meet the shipping needs.

Based on this situation, this paper has done the experiment of annular water tank. Obtain the linear relationship between water flow velocity and airway temperature under icing conditions, and then calculate the required flow velocity based on the measured temperature. According to this, a channel navigation scheme is designed in the Northeast Channel of the Arctic. This scheme uses Arctic wind resources to generate energy to provide energy, and multi-stage centrifugal pumps to provide power to accelerate the water flow, so that the water flow in the channel is in a flowing state to achieve navigation. Finally, the physical model and meshing are established using ICEM CFD, and the flow field is simulated using FLUENT to obtain the water flow. The flow field simulation diagram and the numerical simulation results of water flow velocity verify the feasibility of this scheme. After using this scheme, the Arctic waterway can be open to navigation throughout the year, expanding the navigation capacity of the Arctic waterway. This research is of great significance to promote the development of shipping economy in China and the world.

Keywords: Polar navigation navigation capacity water flow velocity flow field simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究现状 1

1.3研究内容与技术路线 2

第2章 北极航道通航能力研究 4

2.1北极航道概况 4

2.2东北航道概况 5

2.2.1东北航道通航环境及特点 5

2.2.2东北航道航线选择 7

2.3东北航道水域冰情 8

2.4东北航道通航能力现状 10

第3章 新型极地航行方法探讨 12

3.1地效翼船 12

3.2极地破冰船 12

3.3极地海底隧道 13

3.4北极航道通航能力拓展 13

第4章 动水结冰规律与冰区航行 14

4.1环形水槽试验 14

4.1.1环形水槽试验系统 14

4.1.2分组试验设计 15

4.2动水结冰过程分析 16

4.2.1结冰情况下流速与气温的关系 16

4.2.2动水结冰规律分析 16

4.3海冰对船舶航行的影响 16

第5章 北极航道通航能力拓展研究 18

5.1北极风电 18

5.1.1东北航道北极风电应用 18

5.2航道通航设计方案模型建立 18

5.3设计方案水流流场研究 19

5.3.1数学模型 20

5.3.2 CFD物理模型建立与网格划分 21

5.3.3边界条件设置 22

5.3.4求解方法 22

5.4仿真结果分析与讨论 23

第6章 结论与展望 26

6.1结论 26

6.2展望 26

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1研究背景

北极航道是东亚各国通往西欧国家和北美国家的最短海上通道，与传统航线相比，可缩短航程，降低运输成本。2013年，中远海运特运“永盛”轮由北极东北航道顺利完成由中国至西欧的北极首航任务^[1]。现在，北极航线航行船舶逐年增加，北极航道已经成为常态化航线。然而，北极航道通航现状并不乐观，受航道季节性海冰分布影响，每年仅有三个月不到的通航期，除夏季外部分航道常年处于冰堵状态，船舶无法航行^[2]。

目前国际局势多变，受全球蔓延性新冠肺炎的影响，我国通往欧洲大陆及亚洲各国的铁路、公路运输受到限制，对我国经济贸易冲击较大^[3]。在疫情不断蔓延的同时，世界经济倒退，美国为首的西方国家对我国进行贸易打压，战略惊吓。另外，我国目前在南海的局势动荡不安,菲律宾、越南等国屡次挑衅和侵犯了我国位于南沙群岛的绝大部分领土主权,南亚的航行路线存在不确定危险 ^[4]。我国实施一带一路的战略划分为两条，分别是海上丝绸之路与陆上丝绸之路,具有积极促进沿线地区和国家的贸易与合作、推动中国和世界区域经济共同发展的重要作用。当前，陆上丝绸之路建设存在难题：印巴对克什米尔地区主权存在争议，若克什米尔地区战争不断，将会对我国一带一路经济发展造成很大的影响^[5]。海上丝绸之路发展困难，由于索马里海盗盛行、马六甲海峡和苏伊士运河存在封锁危机，传统西欧航线航行存在危险性、通航要塞面临可能被封锁的问题。

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