一种气泡破冰方法与流程

本发明属于海洋与内河破冰技术领域，具体涉及一种气泡破冰方法。

背景技术：

目前，破冰技术主要有两种形式，一种是物理机械破冰，另一种是化学爆炸破冰。机械破冰主要方式是，在冰区航行的破冰船利用自身船重压碎船艏下方冰面并将碎冰排开到两侧，达到疏通航道的目的。在极地海洋勘测中，出于对极地生态环境的保护，无法使用爆炸破冰，因此主要使用破冰船破冰。而在黄河、松花江等内河流域防凌防汛方面，可以使用化学爆炸破冰。春季气温上升导致冰面逐渐融化。当上游的冰区先于下游融化时，易导致冰凌堵塞下游河道，形成冰塞、冰坝等现象，如不及时妥善处理极易导致洪水灾情的发生。为了解决上述问题，一种方法为利用火炮发射榴弹或利用飞机空投航弹的方法破冰，或者采用在冰面或冰下进行爆破的方法破冰。

目前的两种破冰方式主要存在以下缺点。首先，对于物理机械破冰，需要特别设计制造破冰船，前期投入成本非常大。破冰船的人员、燃料、维修等一系列运营成本也非常可观。船体和其他机械结构在冰的撞击下容易损坏，而且破冰船航速较低，破冰厚度有限；遇到较厚冰层往往无能为力或必须采用反复冲撞等方式破冰，效率较低。第二，对于化学爆炸破冰，爆炸物和布置爆炸等财力物力成本也非常高，而且存在安全隐患，例如哑弹等情况，以及爆炸产生的巨大载荷可能对附近桥梁等设施造成破坏。综上所述，在实际破冰工程中传统的破冰方法都具有难以克服的不足之处，需要一种更加廉价、安全、环保、可重复的破冰方法取代以往的破冰方式。

气泡脉动可以携带可观的能量，可以用于破冰。此处气泡脉动是指，在水中生成的内部压力高于水体压力的气泡。这种气泡将在内外压力差的作用下过度膨胀并随后收缩、坍塌。首先，气泡的膨胀和坍塌会在周围流场中形成滞后流，使周围固体受到力矩作用，发生破坏；第二，气泡在收缩的同时会产生射流，其速度可达数十至数百米每秒；射流的巨大能量可以使水下固体结构发生重大破坏(例如船体破口甚至折断等)。气泡的这种作用也称为“气泡锤”。第三，气泡在坍塌时，内部气体急剧压缩，形成高压，高压驱使气泡重新膨胀，并在气泡重新膨胀的一瞬间释放冲击波。该冲击波将传递到水中固体上，引起损伤。此外，气泡的气体将水体排开，水中物体受到的局部浮力减小，可能在重力作用下发生破坏。上述气泡运动特征已经得到了广泛的理论、实验论证。但是尚未有将之用于破冰的先例。

高压气枪是海洋地震勘探的重要装备之一，具有安全、环保、便携、可控性强、可重复利用等诸多优点，从而逐渐代替了落后的炸药，成为主流的海洋资源勘探震源。气枪内充高压气体，释放后产生高压气泡。这种气泡在水中将膨胀、坍塌、再膨胀，符合本发明所需要的气泡特性；因此气枪可以作为本发明的气泡生成装置。此外，通过正负电极在水下进行瞬间高电压放电，可以将水瞬间气化，形成高压气泡，气泡将膨胀、坍塌、再膨胀，也符合本发明所需要的气泡特性，亦可以作为本发明的气泡生成装置；爆炸物在水下爆炸也将产生上述高压脉动的气泡，符合本发明所需气泡特性，其在环保方面有所欠缺，可以作为本发明的备选气泡生成方法。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种与传统方法相比成本更低、效率更高、更加安全的气泡破冰方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种气泡破冰方法，使用气泡生成装置在冰层下方与冰层垂直距离为d处生成脉动的气泡，其中0<d<2r，r为气泡生成装置生成的气泡在同样水深但没有冰层的情况下能达到的最大半径，通过水下动气泡的运动对附近冰层造成的破坏，进行破冰，在水中生成一个或多个气泡，气泡膨胀并随后收缩，通过以下四种形式中至少一种，造成冰层的破坏：

(1)气泡的膨胀和收缩引起水的运动，对冰层施加排斥力或吸引力，导致冰层受到中拱或中垂弯矩；

(2)气泡的变形运动引起水射流，对冰层施加力的作用；

(3)气泡的变形运动引起冲击波，对冰层施加力的作用；

(4)气泡中气体排开冰下的水，使冰所受浮力减小，从而破裂。

所述的气泡生成装置为高压气枪，水下放电装置，或者爆炸物。

利用水面或水下航行器进行作业，将上述气泡生成装置通过机械臂放置在指定位置；或者利用气囊使气泡生成装置悬浮于水中，通过线缆拖拽使其达到指定位置。

采用多个上述气泡生成装置，同时或依次生成气泡。

本发明的有益效果在于：本发明不需要设计和制造破冰船，不须投放炸弹、炸药等，节约成本；不存在机械结构与冰的直接撞击，避免船体或机械的损坏；由于不须使用炸药等物质，没有爆炸污染物，更加环保也更加安全。

附图说明

图1为气泡的膨胀和收缩引起冰层受力破碎示意图；(从左向右依次为同一气泡的不同运动阶段，下同)

图2为气泡射流引起冰层受力破碎示意图

图3为气泡引起的冲击波使冰层受力破坏示意图

图4为气泡破冰的一种具体实施方式：船拖高压气枪阵列生成气泡破冰示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明利用水下动气泡的运动对附近冰层造成的破坏，进行破冰。其中：

在水中生成一个或多个气泡，气泡将膨胀并随后收缩，通过以下四种形式中至少一种，造成冰层的破坏：1.气泡的膨胀和收缩引起水的运动，对冰层施加排斥力或吸引力，导致冰层受到中拱或中垂弯矩；2.气泡的变形运动引起水射流，对冰层施加力的作用；3.气泡的变形运动引起冲击波，对冰层施加力的作用；4.气泡中气体排开冰下的水，使冰所受浮力减小，从而破裂。

下面结合附图具体说明上述四种方法如何对冰层造成破坏：

如附图1所示，气泡3将膨胀(4)并随后收缩(8)，带动周围水运动，将对冰层1产生力的作用——这是气泡破冰的第一种方式。冰层靠近气泡之处在气泡膨胀时受到中拱弯矩6(隆起)，在气泡收缩时受到中垂弯矩7(凹陷)。由于冰能承受的最大弯矩较小，因此这种方法易于使冰层发生断裂(5)。

如附图2所示，气泡3的收缩过程中，在附近物体的作用下将产生射流9——这是气泡破冰的第二种方式。射流即气泡一侧的水不断汇聚，此处气泡形状向内凹陷，形成一股快速运动的水流，其速度可以达到100m/s以上。水流将穿过气泡的内部，从气泡另一侧射出，冲击该侧的水或者物体。当气泡周围有硬度较高的固体物质时，射流总是从远离固体的一侧形成，向固体所在的方向射出。因此冰下运动的气泡产生的射流将射向冰层1，从而使冰层受到破坏5。足够大的气泡射流具有可观的动量，易于取得良好的破冰效果。

如附图3所示，气泡破冰的第三种方式是通过冲击波。气泡3收缩过程中，周围的水在惯性的作用下将使气泡过度压缩，即气泡内部气体的压力最终将远高于水中压力，此时气泡将突然停止收缩并在内部气体的高压作用下重新剧烈地膨胀。剧烈的膨胀将产生一股冲击波10向四周传播，该冲击波可以使冰层发生破碎5。

最后，气泡运动衰减后，大量气体将浮到冰层下方，减小了冰层浮力，可能使气体上方的冰层在自重的作用下受到破坏——这是气泡破冰的第四种方式。

对于每个脉动的气泡，以上四种破坏方式，可能仅出现一种，也可能多种同时出现。具体那种破坏方式起到更大的作用，取决于气泡与冰层之间的距离，下面用d表示。为保证达到理想的破冰效果，需要将d限制在一定范围内，保证上述破坏方式出现并起到作用。

本发明为一种破冰方法，技术领域涉及海洋与内河破冰技术、冰区航行、船舶与海洋工程、气泡动力学等。本发明以气泡的运动引起的载荷进行破冰，可取代现有的化学爆炸破冰和破冰船破冰。

实施破冰时，需要保证气泡与冰层距离d位于一定范围内，方可确保前述4种气泡破坏冰层的方式能够发生并起到作用。具体的范围是：0<d<2r。在此，定义气泡与冰层的距离d为气泡中心到冰层下方的垂直距离。定义气泡最大半径r为在没有冰层或其他固体的水域内气泡呈球形膨胀能达到的最大半径。r与气泡生成装置及其参数(如气枪充气气压)，以及气泡中心所处的水深(即周围静水压力)有关。如果采用气枪生成气泡，则认为上述气泡中心位于气枪气室的形心；如果采用放电生成气泡，则认为气泡中心位于正负电极中间；如果采用爆炸物生成气泡，则认为气泡中心位于爆炸物的形心。上述范围是通过大量有关气泡的实验和理论研究确定的。

为保证上述距离d的范围，可以采取以下措施：首先，求得几种气泡生成装置生成的气泡的最大半径r。通过水听器监测气泡坍塌时释放的压力波的时间，从而得到气泡周期t，再利用rayleigh-plesset气泡公式反推可得r。或者也可以通过数值模拟、高速摄像或查阅气枪性能参数的方法得到r。然后，采用水面舰船或水下航行器作为作业船，在其上安装机械臂。机械臂从船体上伸出，将气泡生成装置固定在支架末端。在船上或潜器上可以操纵支架的运动，从而将气泡生成装置从未结冰的水面送入冰下，并调整位置，使0<d<2r，生成气泡，进行破冰。完成后，重置气泡生成装置(气枪充气、放电装置充电、爆炸物重则重新装药，可以通过机械臂附带的管路等来完成)，航行到新位置重复上述过程。

气泡生成装置可以采用以下几种装置之一：1.利用气枪生成气泡：气枪内充入高压气体，并在冰层下方释放。例如，采用一种名为sleeve的容积150立方英寸的气枪，内充气体的最大压强为2000psi(约为13mpa)，释放时，高压气体向外急速扩张，并形成最半径r＝0.55米的气泡。2.利用水下放电生成气泡：将电极置于需要生成气泡的位置，瞬间施加足够高的电压。如果正负电极之间相互接触，则产生高电流，在电阻较大处(通常是电极相接触的地方)将产生高热，使此处的水(有时也包含构成电极的物质)瞬间气化；由于气化非常迅速，产生气体的压力将高于水中压力，从而形成所需要的气泡。如果正负电极之间不接触，则高电压将水击穿，也产生高压气体，形成所需气泡。上述电能可以由作业船上预先充电的电容提供。3.利用爆炸生成气泡：炸药物爆炸产生高压气体，从而形成所需气泡。由于本发明主要依靠气泡而不是爆炸，因此在爆炸物的选择上有了更多余地，可以选择能量低但产物更环保的爆炸物。

此外，还可以采用多个气泡生成装置，采用上述一种或几种方法生成多个气泡，以增加破冰的威力。多个气泡既可以同时生成，也可以依次生成，以达到两个目的。第一个目的是由多个气泡融合成一个更大的气泡，好处是具有更高的能量，从而能破坏更厚的冰层。此时一般使多个气泡在较近的距离上(小于最大气泡半径r)同时生成。第二个目的是扩大破冰的面积，此时应将气泡生成装置以较大的间距进行布置。好处是一次作业可以开辟的航道更长，作业船前进过程中有更多时间准备下次作业，还可以避免气泡之间互相干扰。此外，还可以通过调整多个气泡生成装置启动的位置和顺序，来获得叠加变强的冲击波，增强破冰能力。

下面以气枪作为气泡生成装置，结合附图举例对本发明做更详细地描述。

如图4所示：通过作业船11或潜器16携带多个高压气枪组成的阵列14，通过机械臂4或缆绳17将高压气枪阵列送达冰层1下方一定距离，通过机械臂4或缆绳17给高压气枪阵列14充气，充气完成后开启气枪，生成气泡，气泡运动使冰层1破碎，完成一次破冰过程。可以通过改变气枪的容积、数量、排列方式、启动先后顺序等，调整气枪气泡的威力。冰层1破碎后，作业船前进并将气枪阵列14送入未破碎冰层下方，重复上述破冰过程。