本發(fā)明涉及鹽水結(jié)冰過程模擬，尤其涉及極地船舶典型構(gòu)件表面鹽水膜結(jié)冰過程的模擬。

背景技術(shù)：

1、在北極等高緯度地區(qū)航行的船舶上層建筑經(jīng)常面臨結(jié)冰問題，大量積冰會影響船舶穩(wěn)性，阻礙設(shè)備正常作業(yè)，甚至危害人員安全。以極地航行船舶結(jié)冰為例，其過程如圖4所示，船艏與海浪碰撞后會形成大量飛沫團，部分飛沫團在自身重力及外力作用下運動并覆蓋上層建筑，由于海水中鹽的存在，飛沫團中過冷鹽水滴只有在溫度低于-23℃時才會在空氣中凍結(jié)成固體顆粒，但空氣溫度通常高于-23℃，因此飛沫團中水滴在空氣中多為液態(tài)，當(dāng)空氣溫度低于海水凝固溫度（約-2℃）并且過冷鹽水滴撞擊結(jié)構(gòu)表面時，飛沫團才會開始結(jié)冰，冷空氣攜帶大量液態(tài)水滴（飛沫團）撞擊結(jié)構(gòu)表面形成液態(tài)水膜，水膜內(nèi)的大部分水會在重力作用下以“徑流（run-off）”形式離開表面，少數(shù)水附著在結(jié)構(gòu)表面形成積冰，這種發(fā)生在結(jié)構(gòu)表面的冰生長過程通常被稱為“濕生長”。

2、海水結(jié)冰過程中伴隨有純水冰晶生長、鹽分遷移和析出現(xiàn)象，冰晶間隙的鹽分聚集后會形成鹵水胞，多個鹵水胞連接從而形成鹵水通道（高鹽度溶液通道）。鹵水通道沿冰晶間隙不規(guī)則分布，會影響海冰強度，當(dāng)鹵水體積分?jǐn)?shù)由10%增大為30%時，對應(yīng)海冰剪切強度及彎曲強度分別降低70%和64%。

3、海水飛沫結(jié)冰是一個既包含鹽水膜徑流、冰層生長、高濃度鹽溶液流動等宏觀現(xiàn)象（尺度大于1mm），又涉及過冷水滴撞擊凍結(jié)、冰晶成核生長、鹽分析出等細觀現(xiàn)象（尺度介于1nm~1mm）的復(fù)雜熱物理過程，同時會受到船舶上層建筑結(jié)構(gòu)表面傾斜角度、潤濕性等因素的影響，對其精確模擬尚需攻克排鹽現(xiàn)象建模、氣液固耦合、過冷水滴動力學(xué)與熱力學(xué)行為分析等技術(shù)難點。

4、現(xiàn)有鹽水結(jié)冰相關(guān)研究（或海水飛沫結(jié)冰模型）存在以下問題：

5、（1）現(xiàn)有海水飛沫結(jié)冰模型中多基于經(jīng)驗公式、理論或商業(yè)軟件，聚焦于對宏觀大尺度積冰厚度的預(yù)測，而不關(guān)注結(jié)冰過程中鹽水膜內(nèi)部的鹵水通道演化、徑流等影響最終結(jié)冰形態(tài)的重要現(xiàn)象，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果偏粗放、定性；

6、（2）現(xiàn)有細觀尺度水膜的研究多針對水平表面場景，但船舶上層建筑結(jié)構(gòu)表面還包含大量的傾斜、豎直結(jié)構(gòu)表面，僅靠水平表面鹽水膜研究無法體現(xiàn)徑流、重力作用下的鹵水通道走向因素；因此，有必要開發(fā)一種可模擬帶角度的孤立冷板上鹽水膜結(jié)冰的方法，進而完善船舶上層建筑結(jié)冰預(yù)報研究體系；

7、（3）現(xiàn)有鹽水結(jié)冰相關(guān)研究大多僅考慮鹽度對結(jié)冰凝固點的靜態(tài)影響，即純水的凝固溫度為0℃，考慮鹽度后，對應(yīng)凝固溫度為低于0℃值，進而影響凝固過程，這種設(shè)定僅能體現(xiàn)鹽度的靜態(tài)影響，而忽略或簡化鹽分遷移對結(jié)冰過程的動態(tài)影響，限制了海水飛沫結(jié)冰的精細化預(yù)測、評估；

8、（4）極地船舶結(jié)冰環(huán)境中的水滴為過冷鹽水滴（即在溫度低于凝固溫度值時仍能保持為液相），處于亞穩(wěn)態(tài)平衡的過冷鹽水滴只需要微小擾動即可觸發(fā)凝固而變成穩(wěn)態(tài)固相冰，過冷鹽水滴溫度與凝固點的差值稱為過冷度，過冷度會影響水滴凍結(jié)時的冰晶成核等過程，而且單個過冷水滴運動至結(jié)構(gòu)表面時，在不同表面潤濕性、空氣溫度及運動速度等條件下，可能呈現(xiàn)未碰撞、碰撞鋪展、回縮彈離、底端滑落、溢流、粘附凍結(jié)等多種動力學(xué)及熱力學(xué)行為，因此數(shù)值模擬時需考慮水滴過冷度、表面張力、熱量及初始動能等因素；而傳統(tǒng)模型中將水滴簡化為外形、質(zhì)量不變的球形單元，對這些因素均沒有考慮；

9、（5）不同材質(zhì)表面粗糙度不同，會引起表面滯后效應(yīng)，在水滴撞擊結(jié)構(gòu)表面模擬中還需要考慮滯后效應(yīng)引起的接觸角動態(tài)變化問題，現(xiàn)有模型中沒有考慮這些問題。

10、綜上，現(xiàn)有鹽水結(jié)冰過程的研究過于簡化，對結(jié)冰過程中鹽水膜內(nèi)部的鹵水通道演化和徑流，傾斜或豎直結(jié)構(gòu)表面，水滴過冷度、表面張力、熱量及初始動能，鹽分遷移對結(jié)冰過程的動態(tài)影響，以及滯后效應(yīng)引起的動態(tài)接觸角變化等因素缺乏考慮，導(dǎo)致海水飛沫結(jié)冰過程的模擬不夠精確的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了極地船舶典型構(gòu)件表面鹽水膜結(jié)冰過程模擬方法及裝置，解決了現(xiàn)有鹽水結(jié)冰過程的研究過于簡化，對結(jié)冰過程中鹽水膜內(nèi)部的鹵水通道演化和徑流，傾斜或豎直結(jié)構(gòu)表面，水滴過冷度、表面張力、熱量及初始動能，鹽分遷移對結(jié)冰過程的動態(tài)影響，以及滯后效應(yīng)引起的動態(tài)接觸角變化等因素缺乏考慮，導(dǎo)致海水飛沫結(jié)冰過程的模擬不夠精確的問題。

2、本發(fā)明所述的極地船舶典型構(gòu)件表面鹽水膜結(jié)冰過程模擬方法，其技術(shù)方案如下：

3、所述方法包括以下步驟：

4、輸入步驟：用于根據(jù)極地航行船舶典型構(gòu)件特征和航行環(huán)境信息，獲得鹽水膜結(jié)冰數(shù)值模型的輸入?yún)?shù)；

5、鹽水膜結(jié)冰數(shù)值模型的輸入?yún)?shù)包括物性參數(shù)和計算參數(shù)；

6、所述物性參數(shù)包括海水密度和鹽度、液態(tài)水含量、動力粘度、初始溫度、共晶濃度、共晶溫度、分配系數(shù)、液相潛熱、比熱容、熱擴散系數(shù)、組分?jǐn)U散系數(shù)、膨脹系數(shù)、反擴散系數(shù)、糊狀系數(shù)、潛熱更新松弛因子以及液相分?jǐn)?shù)；

7、所述計算參數(shù)包括計算區(qū)域、網(wǎng)格數(shù)、時間步長、初始條件、邊界條件、水滴釋放間隔以及水滴數(shù)量；

8、求解步驟：用于根據(jù)鹽水膜結(jié)冰數(shù)值模型的輸入?yún)?shù)，求解動量方程、能量方程及濃度方程，獲得鹽水膜結(jié)冰數(shù)值模型的輸出參數(shù)；

9、所述動量方程為遵守牛頓第二定律建立的流體方程；

10、所述能量方程為能量守恒方程，遵守?zé)崃W(xué)第一定律，以溫度為待求變量；

11、所述濃度方程為組分守恒方程，遵守組分質(zhì)量守恒定律，用于獲得計算域中濃度參數(shù)值；

12、所述輸出參數(shù)為溫度、鹽度、速度、壓力、液相分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)、符號距離函數(shù)以及混合分?jǐn)?shù)；

13、所述求解步驟包括動態(tài)接觸角施加步驟、孤立冷板步驟、固液界面追蹤步驟、氣液界面追蹤步驟、微觀反擴散模型選擇步驟以及通用組件步驟；

14、所述動態(tài)接觸角施加步驟：用于設(shè)置冷板表面接觸角邊界條件，以體現(xiàn)冷板表面不同潤濕性，同時考慮不同潤濕性引起的表面滯后效應(yīng)；

15、所述孤立冷板步驟：用于在空氣計算域內(nèi)設(shè)置與外邊界不相連的孤立冷板區(qū)域，以模擬鹽水膜的徑流現(xiàn)象；

16、所述固液界面追蹤步驟：用于求解能量方程，獲取計算區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格節(jié)點的溫度及液相分?jǐn)?shù)；

17、所述氣液界面追蹤步驟：用于求解表征氣液界面的體積分?jǐn)?shù)和符號距離函數(shù)，選用voset氣液界面追蹤方法處理水滴運動過程中的氣液界面變化；還用于在動量方程中添加關(guān)于液相分?jǐn)?shù)的源項，通過設(shè)定源項的系數(shù)，以在液相比例較高時保持流動性，在液相比例低時抑制流動；還用于基于速度壓力修正理論的ideal算法求解動量方程；

18、所述微觀反擴散模型選擇步驟用于采用全隱式時間積分方案求解濃度方程；還用于選擇反擴散模型表征濃度分配；

19、所述通用組件步驟包括代數(shù)方程組步驟、控制方程離散系數(shù)步驟、網(wǎng)格坐標(biāo)步驟以及系數(shù)歸零步驟，其中：

20、所述代數(shù)方程組步驟用于求解離散后的動量、溫度及濃度控制方程，用于被固液界面追蹤步驟和微觀反擴散模型選擇步驟調(diào)用；

21、所述控制方程離散系數(shù)步驟用于求解動量方程中速度及壓力方程的系數(shù)，從而為代數(shù)方程組步驟提供輸入；

22、所述網(wǎng)格坐標(biāo)步驟用于劃分計算區(qū)域，定義計算區(qū)域中的各網(wǎng)格坐標(biāo)值；

23、所述系數(shù)歸零步驟用于在控制方程離散系數(shù)步驟之前將控制方程的系數(shù)歸零，從而可重復(fù)執(zhí)行控制方程離散系數(shù)步驟；

24、輸出步驟：用于根據(jù)鹽水膜結(jié)冰數(shù)值模型的輸出參數(shù)獲得輸出結(jié)果；所述輸出結(jié)果包括表面冰層生長速度、積冰特征以及不同因素對積冰特征的影響規(guī)律。

25、進一步的，提供一個優(yōu)選實施方式，所述輸出參數(shù)中的混合分?jǐn)?shù)的值為液相分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)求和的一半，用于解決液相分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)單獨使用，無法同時體現(xiàn)和區(qū)分固液氣三相的問題。

26、進一步的，提供一個優(yōu)選實施方式，所述設(shè)置冷板表面接觸角邊界條件，以體現(xiàn)冷板表面不同潤濕性，同時考慮不同潤濕性引起的表面滯后效應(yīng)包括：

27、實時求解水滴運動過程中的動態(tài)接觸角，并為氣液界面追蹤步驟提供動態(tài)接觸角輸入，進而修正固體邊界處的符號距離函數(shù)值，從而在鹽水膜結(jié)冰數(shù)值模型中，體現(xiàn)冷板表面的不同潤濕性;

28、所述不同潤濕性包括親水性、疏水性及超疏水性；

29、所述親水性為接觸角小于90°；

30、所述疏水性為接觸角在90°~150°之間；

31、所述超疏水性為接觸角大于150°；

32、所述考慮不同潤濕性引起的表面滯后效應(yīng)為水滴在鋪展回縮過程中，與固體表面接觸角動態(tài)變化。

33、進一步的，提供一個優(yōu)選實施方式，所述實時求解水滴運動過程中的動態(tài)接觸角包括：

34、采用kistler動態(tài)接觸角模型，求解動態(tài)接觸角：

35、

36、式中，是hoffman光順函數(shù)，通過下式計算獲得：

37、

38、式中，自變量定義為：

39、

40、式中，是hoffman光順函數(shù)的逆函數(shù)，通過下式迭代求解：

41、

42、其中，是毛細管數(shù)，用于表征粘度和表面張力的比值；為平衡接觸角，通過引入關(guān)于的逆函數(shù)，用于體現(xiàn)接觸角滯后效應(yīng)；

43、根據(jù)水滴-空氣-固定表面三維的三相接觸點速度的方向來確定：

44、

45、在水滴運動實際場景中，通過下式求解：

46、

47、其中，

48、

49、其中，為三相接觸點距離水滴初始撞擊點的距離。

50、進一步的，提供一個優(yōu)選實施方式，在所述孤立冷板步驟中：

51、將孤立冷板納入流體計算域內(nèi)作為一個整體進行求解，使令孤立冷板區(qū)域內(nèi)速度為零，溫度為給定零下值：

52、采用大系數(shù)法使孤立冷板區(qū)域內(nèi)溫度取給定值：

53、在求解溫度代數(shù)方程組前，令孤立冷板區(qū)域內(nèi)節(jié)點對應(yīng)離散方程：

54、；

55、式中，，，其中，為不小于的一較大值；

56、以使孤立冷板區(qū)域內(nèi)節(jié)點對應(yīng)溫度恒取給定值；

57、將對應(yīng)位置取值為0，以使孤立冷板區(qū)域內(nèi)速度場恒為零；

58、為避免孤立冷板區(qū)域內(nèi)壓力對速度修正，進而破壞速度為零條件，在每一時間步內(nèi)重復(fù)進行如下設(shè)置：

59、第1處設(shè)置：在每次迭代前令孤立冷板區(qū)域內(nèi)速度為0；由于采用交錯網(wǎng)格，所以當(dāng)為孤立冷板區(qū)域內(nèi)邊界節(jié)點時，令，同理為右邊界時，；

60、第2處設(shè)置：在求解速度代數(shù)方程組前，令孤立冷板區(qū)域內(nèi)各速度離散矩陣中主對角系數(shù)為不小于的一較大值，從而保證計算得到的中間速度；

61、第3處設(shè)置：采用ideal算法進行壓力-速度耦合求解，在兩次內(nèi)迭代中分別計算壓力修正值，為避免孤立冷板區(qū)域內(nèi)壓力修正值對速度進行修正，令速度修正方程系數(shù)取一不大于的極小值。

62、進一步的，提供一個優(yōu)選實施方式，在所述固液界面追蹤步驟中，所述計算區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格節(jié)點的溫度及液相分?jǐn)?shù)采用以下方法獲?。?/p>

63、能量方程源項中包含液相分?jǐn)?shù)的瞬態(tài)項；

64、對液相分?jǐn)?shù)進行迭代求解，獲得收斂結(jié)果后獲得溫度；

65、在迭代求解時，同一時層內(nèi)僅需一層迭代：

66、在當(dāng)前時層速度壓力求解完成后，更新液相分?jǐn)?shù)，并規(guī)定其上下限，進而獲得能量方程源項和離散方程系數(shù)；

67、采用代數(shù)方程組步驟，求解能量方程獲得溫度值，判斷源項及離散方程系數(shù)，求解代數(shù)方程組獲得當(dāng)前時刻溫度；

68、上述步驟反復(fù)迭代多次，直至當(dāng)前時層的溫度和液相分?jǐn)?shù)達到一致收斂條件。

69、本發(fā)明還提出了極地船舶典型構(gòu)件表面鹽水膜結(jié)冰過程模擬裝置，其技術(shù)方案如下：

70、所述裝置包括以下模塊：

71、輸入模塊：用于根據(jù)極地航行船舶典型構(gòu)件特征和航行環(huán)境信息，獲得鹽水膜結(jié)冰數(shù)值模型的輸入?yún)?shù)；

72、鹽水膜結(jié)冰數(shù)值模型的輸入?yún)?shù)包括物性參數(shù)和計算參數(shù)；

73、所述物性參數(shù)包括海水密度和鹽度、液態(tài)水含量、動力粘度、初始溫度、共晶濃度、共晶溫度、分配系數(shù)、液相潛熱、比熱容、熱擴散系數(shù)、組分?jǐn)U散系數(shù)、膨脹系數(shù)、反擴散系數(shù)、糊狀系數(shù)、潛熱更新松弛因子以及液相分?jǐn)?shù)；

74、所述計算參數(shù)包括計算區(qū)域、網(wǎng)格數(shù)、時間步長、初始條件、邊界條件、水滴釋放間隔以及水滴數(shù)量；

75、求解器：用于根據(jù)鹽水膜結(jié)冰數(shù)值模型的輸入?yún)?shù)，求解動量方程、能量方程及濃度方程，獲得鹽水膜結(jié)冰數(shù)值模型的輸出參數(shù)；

76、所述動量方程為遵守牛頓第二定律建立的流體方程；

77、所述能量方程為能量守恒方程，遵守?zé)崃W(xué)第一定律，以溫度為待求變量；

78、所述濃度方程為組分守恒方程，遵守組分質(zhì)量守恒定律，用于獲得計算域中濃度參數(shù)值；

79、所述輸出參數(shù)為溫度、鹽度、速度、壓力、液相分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)、符號距離函數(shù)以及混合分?jǐn)?shù)；

80、所述求解模塊包括動態(tài)接觸角施加組件、孤立冷板組件、固液界面追蹤組件、氣液界面追蹤組件、微觀反擴散模型選擇組件以及通用組件；

81、所述動態(tài)接觸角施加組件：用于設(shè)置冷板表面接觸角邊界條件，以體現(xiàn)冷板表面不同潤濕性，同時考慮不同潤濕性引起的表面滯后效應(yīng)；

82、所述孤立冷板組件：用于在空氣計算域內(nèi)設(shè)置與外邊界不相連的孤立冷板區(qū)域，以模擬鹽水膜的徑流現(xiàn)象；

83、所述固液界面追蹤組件：用于求解能量方程，獲取計算區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格節(jié)點的溫度及液相分?jǐn)?shù)；

84、所述氣液界面追蹤組件：用于求解表征氣液界面的體積分?jǐn)?shù)和符號距離函數(shù)，選用voset氣液界面追蹤方法處理水滴運動過程中的氣液界面變化；還用于在動量方程中添加關(guān)于液相分?jǐn)?shù)的源項，通過設(shè)定源項的系數(shù)，以在液相比例較高時保持流動性，在液相比例低時抑制流動；還用于基于速度壓力修正理論的ideal算法求解動量方程；

85、所述微觀反擴散模型選擇組件用于采用全隱式時間積分方案求解濃度方程；還用于選擇反擴散模型表征濃度分配；

86、所述通用組件組件包括代數(shù)方程組模塊、控制方程離散系數(shù)模塊、網(wǎng)格坐標(biāo)模塊以及系數(shù)歸零模塊，其中：

87、所述代數(shù)方程組模塊用于求解離散后的動量、溫度及濃度控制方程，用于被固液界面追蹤步驟和微觀反擴散模型選擇步驟調(diào)用；

88、所述控制方程離散系數(shù)模塊用于求解動量方程中速度及壓力方程的系數(shù)，從而為代數(shù)方程組步驟提供輸入；

89、所述網(wǎng)格坐標(biāo)模塊用于劃分計算區(qū)域，定義計算區(qū)域中的各網(wǎng)格坐標(biāo)值；

90、所述系數(shù)歸零模塊用于在控制方程離散系數(shù)步驟之前將控制方程的系數(shù)歸零，從而可重復(fù)執(zhí)行控制方程離散系數(shù)步驟；

91、輸出模塊：用于根據(jù)鹽水膜結(jié)冰數(shù)值模型的輸出參數(shù)獲得輸出結(jié)果；所述輸出結(jié)果包括表面冰層生長速度、積冰特征以及不同因素對積冰特征的影響規(guī)律。

92、本發(fā)明還提出了一種計算機設(shè)備，其技術(shù)方案如下：

93、一種計算機設(shè)備，包括：處理器和存儲器，所述存儲器用于存儲所述處理器的可執(zhí)行指令，所述處理器配置為經(jīng)由執(zhí)行所述可執(zhí)行指令來執(zhí)行上述的極地船舶典型構(gòu)件表面鹽水膜結(jié)冰過程模擬方法。

94、本發(fā)明還提出了一種計算機存儲介質(zhì)，其技術(shù)方案如下：

95、一種計算機存儲介質(zhì)，所述存儲介質(zhì)中存儲有計算機程序，所述計算機程序運行時，執(zhí)行上述的極地船舶典型構(gòu)件表面鹽水膜結(jié)冰過程模擬方法。

96、本發(fā)明還提出了一種計算機程序產(chǎn)品，其技術(shù)方案如下：

97、一種計算機程序產(chǎn)品，包括計算機程序/指令，該計算機程序/指令被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)上述的極地船舶典型構(gòu)件表面鹽水膜結(jié)冰過程模擬方法的步驟。

98、本發(fā)明有以下有益效果：

99、本發(fā)明所述的極地船舶典型構(gòu)件表面鹽水膜結(jié)冰過程模擬方法，從過冷水滴運動-凍結(jié)場景出發(fā)，基于“孤島”理論，建立考慮過冷效應(yīng)和滯后效應(yīng)的鹽水膜結(jié)冰數(shù)值方法，該方法可模擬多水滴撞擊典型部件后形成鹽水膜、膜內(nèi)純水凍結(jié)、鹽的排放等過程，揭示鹵水通道形成及演化機理，為改進傳統(tǒng)海水飛沫結(jié)冰數(shù)值模型提供參考，提高了海水飛沫結(jié)冰預(yù)報方法精確度。

100、本發(fā)明所述的極地船舶典型構(gòu)件表面鹽水膜結(jié)冰過程模擬方法及裝置，適用于對極地船舶典型構(gòu)件表面鹽水膜結(jié)冰過程進行模擬。