本發(fā)明屬于海洋與內(nèi)河破冰技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氣泡破冰方法。

背景技術(shù)：

目前，破冰技術(shù)主要有兩種形式，一種是物理機(jī)械破冰，另一種是化學(xué)爆炸破冰。機(jī)械破冰主要方式是，在冰區(qū)航行的破冰船利用自身船重壓碎船艏下方冰面并將碎冰排開(kāi)到兩側(cè)，達(dá)到疏通航道的目的。在極地海洋勘測(cè)中，出于對(duì)極地生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，無(wú)法使用爆炸破冰，因此主要使用破冰船破冰。而在黃河、松花江等內(nèi)河流域防凌防汛方面，可以使用化學(xué)爆炸破冰。春季氣溫上升導(dǎo)致冰面逐漸融化。當(dāng)上游的冰區(qū)先于下游融化時(shí)，易導(dǎo)致冰凌堵塞下游河道，形成冰塞、冰壩等現(xiàn)象，如不及時(shí)妥善處理極易導(dǎo)致洪水災(zāi)情的發(fā)生。為了解決上述問(wèn)題，一種方法為利用火炮發(fā)射榴彈或利用飛機(jī)空投航彈的方法破冰，或者采用在冰面或冰下進(jìn)行爆破的方法破冰。

目前的兩種破冰方式主要存在以下缺點(diǎn)。首先，對(duì)于物理機(jī)械破冰，需要特別設(shè)計(jì)制造破冰船，前期投入成本非常大。破冰船的人員、燃料、維修等一系列運(yùn)營(yíng)成本也非?？捎^。船體和其他機(jī)械結(jié)構(gòu)在冰的撞擊下容易損壞，而且破冰船航速較低，破冰厚度有限；遇到較厚冰層往往無(wú)能為力或必須采用反復(fù)沖撞等方式破冰，效率較低。第二，對(duì)于化學(xué)爆炸破冰，爆炸物和布置爆炸等財(cái)力物力成本也非常高，而且存在安全隱患，例如啞彈等情況，以及爆炸產(chǎn)生的巨大載荷可能對(duì)附近橋梁等設(shè)施造成破壞。綜上所述，在實(shí)際破冰工程中傳統(tǒng)的破冰方法都具有難以克服的不足之處，需要一種更加廉價(jià)、安全、環(huán)保、可重復(fù)的破冰方法取代以往的破冰方式。

氣泡脈動(dòng)可以攜帶可觀的能量，可以用于破冰。此處氣泡脈動(dòng)是指，在水中生成的內(nèi)部壓力高于水體壓力的氣泡。這種氣泡將在內(nèi)外壓力差的作用下過(guò)度膨脹并隨后收縮、坍塌。首先，氣泡的膨脹和坍塌會(huì)在周圍流場(chǎng)中形成滯后流，使周圍固體受到力矩作用，發(fā)生破壞；第二，氣泡在收縮的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生射流，其速度可達(dá)數(shù)十至數(shù)百米每秒；射流的巨大能量可以使水下固體結(jié)構(gòu)發(fā)生重大破壞(例如船體破口甚至折斷等)。氣泡的這種作用也稱為“氣泡錘”。第三，氣泡在坍塌時(shí)，內(nèi)部氣體急劇壓縮，形成高壓，高壓驅(qū)使氣泡重新膨脹，并在氣泡重新膨脹的一瞬間釋放沖擊波。該沖擊波將傳遞到水中固體上，引起損傷。此外，氣泡的氣體將水體排開(kāi)，水中物體受到的局部浮力減小，可能在重力作用下發(fā)生破壞。上述氣泡運(yùn)動(dòng)特征已經(jīng)得到了廣泛的理論、實(shí)驗(yàn)論證。但是尚未有將之用于破冰的先例。

高壓氣槍是海洋地震勘探的重要裝備之一，具有安全、環(huán)保、便攜、可控性強(qiáng)、可重復(fù)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)，從而逐漸代替了落后的炸藥，成為主流的海洋資源勘探震源。氣槍內(nèi)充高壓氣體，釋放后產(chǎn)生高壓氣泡。這種氣泡在水中將膨脹、坍塌、再膨脹，符合本發(fā)明所需要的氣泡特性；因此氣槍可以作為本發(fā)明的氣泡生成裝置。此外，通過(guò)正負(fù)電極在水下進(jìn)行瞬間高電壓放電，可以將水瞬間氣化，形成高壓氣泡，氣泡將膨脹、坍塌、再膨脹，也符合本發(fā)明所需要的氣泡特性，亦可以作為本發(fā)明的氣泡生成裝置；爆炸物在水下爆炸也將產(chǎn)生上述高壓脈動(dòng)的氣泡，符合本發(fā)明所需氣泡特性，其在環(huán)保方面有所欠缺，可以作為本發(fā)明的備選氣泡生成方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種與傳統(tǒng)方法相比成本更低、效率更高、更加安全的氣泡破冰方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種氣泡破冰方法，使用氣泡生成裝置在冰層下方與冰層垂直距離為d處生成脈動(dòng)的氣泡，其中0<d<2r，r為氣泡生成裝置生成的氣泡在同樣水深但沒(méi)有冰層的情況下能達(dá)到的最大半徑，通過(guò)水下動(dòng)氣泡的運(yùn)動(dòng)對(duì)附近冰層造成的破壞，進(jìn)行破冰，在水中生成一個(gè)或多個(gè)氣泡，氣泡膨脹并隨后收縮，通過(guò)以下四種形式中至少一種，造成冰層的破壞：

(1)氣泡的膨脹和收縮引起水的運(yùn)動(dòng)，對(duì)冰層施加排斥力或吸引力，導(dǎo)致冰層受到中拱或中垂彎矩；

(2)氣泡的變形運(yùn)動(dòng)引起水射流，對(duì)冰層施加力的作用；

(3)氣泡的變形運(yùn)動(dòng)引起沖擊波，對(duì)冰層施加力的作用；

(4)氣泡中氣體排開(kāi)冰下的水，使冰所受浮力減小，從而破裂。

所述的氣泡生成裝置為高壓氣槍，水下放電裝置，或者爆炸物。

利用水面或水下航行器進(jìn)行作業(yè)，將上述氣泡生成裝置通過(guò)機(jī)械臂放置在指定位置；或者利用氣囊使氣泡生成裝置懸浮于水中，通過(guò)線纜拖拽使其達(dá)到指定位置。

采用多個(gè)上述氣泡生成裝置，同時(shí)或依次生成氣泡。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明不需要設(shè)計(jì)和制造破冰船，不須投放炸彈、炸藥等，節(jié)約成本；不存在機(jī)械結(jié)構(gòu)與冰的直接撞擊，避免船體或機(jī)械的損壞；由于不須使用炸藥等物質(zhì)，沒(méi)有爆炸污染物，更加環(huán)保也更加安全。

附圖說(shuō)明

圖1為氣泡的膨脹和收縮引起冰層受力破碎示意圖；(從左向右依次為同一氣泡的不同運(yùn)動(dòng)階段，下同)

圖2為氣泡射流引起冰層受力破碎示意圖

圖3為氣泡引起的沖擊波使冰層受力破壞示意圖

圖4為氣泡破冰的一種具體實(shí)施方式：船拖高壓氣槍陣列生成氣泡破冰示意圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

本發(fā)明利用水下動(dòng)氣泡的運(yùn)動(dòng)對(duì)附近冰層造成的破壞，進(jìn)行破冰。其中：

在水中生成一個(gè)或多個(gè)氣泡，氣泡將膨脹并隨后收縮，通過(guò)以下四種形式中至少一種，造成冰層的破壞：1.氣泡的膨脹和收縮引起水的運(yùn)動(dòng)，對(duì)冰層施加排斥力或吸引力，導(dǎo)致冰層受到中拱或中垂彎矩；2.氣泡的變形運(yùn)動(dòng)引起水射流，對(duì)冰層施加力的作用；3.氣泡的變形運(yùn)動(dòng)引起沖擊波，對(duì)冰層施加力的作用；4.氣泡中氣體排開(kāi)冰下的水，使冰所受浮力減小，從而破裂。

下面結(jié)合附圖具體說(shuō)明上述四種方法如何對(duì)冰層造成破壞：

如附圖1所示，氣泡3將膨脹(4)并隨后收縮(8)，帶動(dòng)周圍水運(yùn)動(dòng)，將對(duì)冰層1產(chǎn)生力的作用——這是氣泡破冰的第一種方式。冰層靠近氣泡之處在氣泡膨脹時(shí)受到中拱彎矩6(隆起)，在氣泡收縮時(shí)受到中垂彎矩7(凹陷)。由于冰能承受的最大彎矩較小，因此這種方法易于使冰層發(fā)生斷裂(5)。

如附圖2所示，氣泡3的收縮過(guò)程中，在附近物體的作用下將產(chǎn)生射流9——這是氣泡破冰的第二種方式。射流即氣泡一側(cè)的水不斷匯聚，此處氣泡形狀向內(nèi)凹陷，形成一股快速運(yùn)動(dòng)的水流，其速度可以達(dá)到100m/s以上。水流將穿過(guò)氣泡的內(nèi)部，從氣泡另一側(cè)射出，沖擊該側(cè)的水或者物體。當(dāng)氣泡周圍有硬度較高的固體物質(zhì)時(shí)，射流總是從遠(yuǎn)離固體的一側(cè)形成，向固體所在的方向射出。因此冰下運(yùn)動(dòng)的氣泡產(chǎn)生的射流將射向冰層1，從而使冰層受到破壞5。足夠大的氣泡射流具有可觀的動(dòng)量，易于取得良好的破冰效果。

如附圖3所示，氣泡破冰的第三種方式是通過(guò)沖擊波。氣泡3收縮過(guò)程中，周圍的水在慣性的作用下將使氣泡過(guò)度壓縮，即氣泡內(nèi)部氣體的壓力最終將遠(yuǎn)高于水中壓力，此時(shí)氣泡將突然停止收縮并在內(nèi)部氣體的高壓作用下重新劇烈地膨脹。劇烈的膨脹將產(chǎn)生一股沖擊波10向四周傳播，該沖擊波可以使冰層發(fā)生破碎5。

最后，氣泡運(yùn)動(dòng)衰減后，大量氣體將浮到冰層下方，減小了冰層浮力，可能使氣體上方的冰層在自重的作用下受到破壞——這是氣泡破冰的第四種方式。

對(duì)于每個(gè)脈動(dòng)的氣泡，以上四種破壞方式，可能僅出現(xiàn)一種，也可能多種同時(shí)出現(xiàn)。具體那種破壞方式起到更大的作用，取決于氣泡與冰層之間的距離，下面用d表示。為保證達(dá)到理想的破冰效果，需要將d限制在一定范圍內(nèi)，保證上述破壞方式出現(xiàn)并起到作用。

本發(fā)明為一種破冰方法，技術(shù)領(lǐng)域涉及海洋與內(nèi)河破冰技術(shù)、冰區(qū)航行、船舶與海洋工程、氣泡動(dòng)力學(xué)等。本發(fā)明以氣泡的運(yùn)動(dòng)引起的載荷進(jìn)行破冰，可取代現(xiàn)有的化學(xué)爆炸破冰和破冰船破冰。

實(shí)施破冰時(shí)，需要保證氣泡與冰層距離d位于一定范圍內(nèi)，方可確保前述4種氣泡破壞冰層的方式能夠發(fā)生并起到作用。具體的范圍是：0<d<2r。在此，定義氣泡與冰層的距離d為氣泡中心到冰層下方的垂直距離。定義氣泡最大半徑r為在沒(méi)有冰層或其他固體的水域內(nèi)氣泡呈球形膨脹能達(dá)到的最大半徑。r與氣泡生成裝置及其參數(shù)(如氣槍充氣氣壓)，以及氣泡中心所處的水深(即周圍靜水壓力)有關(guān)。如果采用氣槍生成氣泡，則認(rèn)為上述氣泡中心位于氣槍氣室的形心；如果采用放電生成氣泡，則認(rèn)為氣泡中心位于正負(fù)電極中間；如果采用爆炸物生成氣泡，則認(rèn)為氣泡中心位于爆炸物的形心。上述范圍是通過(guò)大量有關(guān)氣泡的實(shí)驗(yàn)和理論研究確定的。

為保證上述距離d的范圍，可以采取以下措施：首先，求得幾種氣泡生成裝置生成的氣泡的最大半徑r。通過(guò)水聽(tīng)器監(jiān)測(cè)氣泡坍塌時(shí)釋放的壓力波的時(shí)間，從而得到氣泡周期t，再利用rayleigh-plesset氣泡公式反推可得r?；蛘咭部梢酝ㄟ^(guò)數(shù)值模擬、高速攝像或查閱氣槍性能參數(shù)的方法得到r。然后，采用水面艦船或水下航行器作為作業(yè)船，在其上安裝機(jī)械臂。機(jī)械臂從船體上伸出，將氣泡生成裝置固定在支架末端。在船上或潛器上可以操縱支架的運(yùn)動(dòng)，從而將氣泡生成裝置從未結(jié)冰的水面送入冰下，并調(diào)整位置，使0<d<2r，生成氣泡，進(jìn)行破冰。完成后，重置氣泡生成裝置(氣槍充氣、放電裝置充電、爆炸物重則重新裝藥，可以通過(guò)機(jī)械臂附帶的管路等來(lái)完成)，航行到新位置重復(fù)上述過(guò)程。

氣泡生成裝置可以采用以下幾種裝置之一：1.利用氣槍生成氣泡：氣槍內(nèi)充入高壓氣體，并在冰層下方釋放。例如，采用一種名為sleeve的容積150立方英寸的氣槍，內(nèi)充氣體的最大壓強(qiáng)為2000psi(約為13mpa)，釋放時(shí)，高壓氣體向外急速擴(kuò)張，并形成最半徑r＝0.55米的氣泡。2.利用水下放電生成氣泡：將電極置于需要生成氣泡的位置，瞬間施加足夠高的電壓。如果正負(fù)電極之間相互接觸，則產(chǎn)生高電流，在電阻較大處(通常是電極相接觸的地方)將產(chǎn)生高熱，使此處的水(有時(shí)也包含構(gòu)成電極的物質(zhì))瞬間氣化；由于氣化非常迅速，產(chǎn)生氣體的壓力將高于水中壓力，從而形成所需要的氣泡。如果正負(fù)電極之間不接觸，則高電壓將水擊穿，也產(chǎn)生高壓氣體，形成所需氣泡。上述電能可以由作業(yè)船上預(yù)先充電的電容提供。3.利用爆炸生成氣泡：炸藥物爆炸產(chǎn)生高壓氣體，從而形成所需氣泡。由于本發(fā)明主要依靠氣泡而不是爆炸，因此在爆炸物的選擇上有了更多余地，可以選擇能量低但產(chǎn)物更環(huán)保的爆炸物。

此外，還可以采用多個(gè)氣泡生成裝置，采用上述一種或幾種方法生成多個(gè)氣泡，以增加破冰的威力。多個(gè)氣泡既可以同時(shí)生成，也可以依次生成，以達(dá)到兩個(gè)目的。第一個(gè)目的是由多個(gè)氣泡融合成一個(gè)更大的氣泡，好處是具有更高的能量，從而能破壞更厚的冰層。此時(shí)一般使多個(gè)氣泡在較近的距離上(小于最大氣泡半徑r)同時(shí)生成。第二個(gè)目的是擴(kuò)大破冰的面積，此時(shí)應(yīng)將氣泡生成裝置以較大的間距進(jìn)行布置。好處是一次作業(yè)可以開(kāi)辟的航道更長(zhǎng)，作業(yè)船前進(jìn)過(guò)程中有更多時(shí)間準(zhǔn)備下次作業(yè)，還可以避免氣泡之間互相干擾。此外，還可以通過(guò)調(diào)整多個(gè)氣泡生成裝置啟動(dòng)的位置和順序，來(lái)獲得疊加變強(qiáng)的沖擊波，增強(qiáng)破冰能力。

下面以氣槍作為氣泡生成裝置，結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述。

如圖4所示：通過(guò)作業(yè)船11或潛器16攜帶多個(gè)高壓氣槍組成的陣列14，通過(guò)機(jī)械臂4或纜繩17將高壓氣槍陣列送達(dá)冰層1下方一定距離，通過(guò)機(jī)械臂4或纜繩17給高壓氣槍陣列14充氣，充氣完成后開(kāi)啟氣槍，生成氣泡，氣泡運(yùn)動(dòng)使冰層1破碎，完成一次破冰過(guò)程?？梢酝ㄟ^(guò)改變氣槍的容積、數(shù)量、排列方式、啟動(dòng)先后順序等，調(diào)整氣槍氣泡的威力。冰層1破碎后，作業(yè)船前進(jìn)并將氣槍陣列14送入未破碎冰層下方，重復(fù)上述破冰過(guò)程。