抢占极地市场先机 为船海装备研究奠定理论根基

作者:吴秀霞 单位:宣传部、法制办公室 出处:中国船舶报  浏览次数:372 发布时间:2019-06-05

近日,在国家自然科学基金和英国劳氏教育基金的支持下,江苏科技大学吴国雄教授带领的研究小组,围绕极地冰区船舶与海洋工程水动力学基础理论,取得多项重要研究进展,并在流体力学领域国际知名期刊上发表系列研究成果,包括首次揭示了弯曲重力波布拉格共振对断裂冰层带海洋结构物水动力特性的影响规律、开发了大尺度冰区航道内浮体水动力的快速近似计算方法等,为我国极地船海装备研发提供了重要的理论支撑。近日,本报记者对该研究小组成员、江苏科大船舶与海洋工程学院李志富进行了专访,深入解读系列研究成果的重要意义。

■ 记者 吴秀霞 江苏报道

“我国北极科学研究尚处于起步阶段,针对北极特殊条件下的应用技术研究几乎接近空白。”李志富指出,江苏科大的研究成果颠覆了以往学者们普遍认为的“在极地非连续冰区脉动源扰动流场不存在显示积分解”的观点,不仅改变了国际上的认知偏差,而且找到了导致这一现象的原因,对我国船舶研究设计院所在极地船海装备研发设计方面具有重要的指导意义。他建议,加大极地科学理论研究力度,加强国际领域的科技合作,突破极地船海装备核心技术,推动产学研用一体化,使研究成果早日实现应用,为我国船舶工业储备技术实力。

储备技术实力

为装备研发提供理论支撑

近年来,各国争夺极地资源之战愈演愈烈,已有51个国家参与极地科学考察。

从航运角度而言,随着北极地区海冰厚度和覆盖面积不断缩减,北极航道逐步开通。北极航道是联系亚欧美三大洲的最短航线,与传统苏伊士运河和巴拿马运河航线相比,使用北极航道能够缩短数千公里航程,而且避开了苏伊士运河航线因航程较长、受周边国家政治因素影响的弊端。因此,北极航道的开通将会极大降低商业运输成本,同时将形成包括俄罗斯、北美、欧洲、东亚的环北极经济圈。

从资源勘探角度而言,虽然各国在极地进行实际开采还有很长的路要走,但对于全球能源逐渐匮乏的现状来说,极地无疑是地球“最后的宝藏”。随着全球气候变暖,较大规模地开发北极资源也逐渐成为可能。据评估,北极拥有全球13%未开采的石油储量,以及30%未开发的天然气储量。据美国科技协会所属“美国北极资源中心”披露,保守估计,北极地区潜在的可采石油储量有1000亿至2000亿桶。煤炭资源估计占世界煤炭资源总量的9%。除了能源,北极还有大量的铜—镍—钚复合矿,以及金、金刚石、铀等矿藏。目前,我国已成为北极理事永久观察员,丰富的北极油气资源,将为我国油气安全战略提供新的保障。

在上述背景下,江苏科大吴国雄教授从2016年开始,带领研究小组并联合国际团队,围绕极地冰区船舶与海洋工程水动力,从基础理论着手展开研究,解决船舶及海洋平台等工程装备在极地冰区服役时的载荷及运动状态问题。

“在传统水动力学研究中,一般认为船舶与海洋工程结构物服役水域为无限开敞的自由表面。但是,北极的自然环境不同,北极尽管海冰已经开始融化,但是依然有冰存在。特别是处在冰区航道内的船舶,其自身所受水动力载荷随频率变化呈现出一系列极值。类似的水动力载荷振荡特性,对处在冰间湖内的浮式平台也有发现。”李志富表示,当浮体扰动流场产生的波浪传播至冰层边缘时,部分波浪能量会被反射,从而再次作用于浮体本身,如此反复,形成类似于完全封闭水域的波浪共振,进而诱导产生大幅水动力载荷,对冰区船舶与海洋工程装备的安全性构成极大威胁。经过大量研究发现,与开敞水域中波物作用不同,不论是冰区航道的船舶以及冰间湖内的浮式平台,还是断裂冰层带覆盖流场中的浸没结构物,其所受水动力载荷均随频率表现出振荡变化特性,在波浪入射场中更容易发生大幅共振运动。同时,吴国雄带领的研究小组还首次揭示了弯曲重力波布拉格共振对断裂冰层带海洋结构物水动力特性的影响规律,即在阻带(stopping band)内,物体的水动力特性基本不随两侧断裂冰层数目发生变化,而在stopping band外,随着两侧断裂冰层数目的增加,物体的水动力将随频率变化震荡更加剧烈。

李志富告诉记者,研究小组以北极航道和极地资源开发应用为研究背景,经过大量基础理论和工程应用研究,该研发团队在极地冰区波浪环境特征、冰区航道内船舶水动力性能、极地浮式平台与海冰耦合运动分析、冰区水下航行器流体性能评估方法四个主要研究方向中取得了丰富的科研成果,团队共计在流体力学领域公认的顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》等发表SCI论文十余篇,在冰水池造波机构、运动测量机构、极地破冰船等方面受理、授权发明专利多项。

加大产学研用合作

抢占极地新兴市场先机

“我们的研究不仅改变了国际上以往学者们普遍认为的在极地非连续冰区脉动源扰动流场不存在显示积分解的观点认知偏差,而且找到了导致这一现象的原因,同时开发了多套冰区流场水动力数值分析方法,如:冰区航道、冰间湖、断裂冰层带等,对船舶研究设计院所在极地船海装备研发设计方面具有重要的指导意义。”李志富说,江苏科大以该学科方向学术成果为依托,以《极地流体动力学:波浪、冰、体的相互作用》为主题,在国内外多所涉海高校进行了学术宣传报告,引起了大家的广泛关注。

如今,虽然我国极地研究个别领域有部分研究成果达到了较高水平,但尚未形成稳定的前沿研究团队。而且,很多核心装备还是依赖国外进口。极地的开发与挺进是一个系统的战略工程,涉及进入、探测、运输、冰区管理、平台供应和应急救援等多项问题,需要攻克更多、更重要的关键技术难题。业内相关人士提出要在极地实现“进得去、待得住、管得了”。 李志富也常常思考这样一个问题,国外的船海装备为何设计成这样?又如何知道在极地环境下确定船舶能够安全航行?分析问题的根源在于对核心技术的掌控。

李志富表示,华为事件就充分说明了掌握核心技术的重要性,船舶行业也存在同样的问题。开发极地新兴市场,需要摒弃以往船舶工业仅停留在建造阶段的老路,加大核心技术装备的研制力度。未来,一旦极地资源彻底对外敞开,我国的商船要经过北极航道,或者进入极地水域进行商业运输以及科学考察、资源开发和渔业捕捞等活动,必先发展适应我国的极地船舶装备。而且,抢占极地资源开采先机,离不开核心技术及设计能力的支撑,江苏科大将在这一领域坚守“船舶”特色,为我国挺进极地新兴市场提供相应的基础理论支撑。

随着北极考察活动不断成为人们关注的焦点,越来越多的国家加入极地探险之路。从基础科研的角度来说,目前我国尚缺乏相应的大型冰水池,以及相配套的冰载荷和流体载荷计算分析软件。此前,法国船级社(BV)、DNV-GL、美国船级社(ABS)等船级社已经研发出浮体在开敞水域中的载荷和运动数值预报软件,但是尚缺少浮体在冰区水动力性能分析功能。江苏科大快人一步,在取得系列理论研究成果的基础上,率先开发出了浮体在冰区水动力载荷及运动数值预报软件。不过,当前面临的最大问题就是如何将这一研究成果尽早推广应用。

“产学研重要的一个因素就是要抢占先机,如果我们的研究成果是第一,但没有第一时间得到应用,就会失去先机。”李志富表示,希望政府及相关企业能携手推进科研成果转化,使研究成果早日得到应用。

中国船舶报 2019年6月5日 8版·综合新闻 头条