Образование льда за счет феномена морского спрея, генерируемого волнами, должно рассматриваться как один из факторов риска при проведении операционной деятельности в Арктике. Основные риски, вызванные обледенением, связаны с безопасностью жизнедеятельности людей, структурной целостностью инженерных конструкций, управляемостью и стабильностью объектов в море.
Проект ICELOAD фокусируется на глобальном запросе, от науки и индустрии, численных моделей, описывающих образование льда и обладающих большей прогнозной силой, чем имеющиеся современные аналоги. Неопределенности во входных параметрах и упрощения, принимаемые в существующих моделях, приводят к расхождению прогнозных результатов с действительностью, в отдельных случаях, в 1000 раз. Часто в таких моделях размер капель в морском спрее используется как свободно настраиваемый параметр, что некорректно, когда на повестке дня стоит разработка моделей для реалистичного предсказания процесса ледообразования.
Проект ICELOAD направлен на решение задаче по тематическому направлению «Исследования, связанные с проблемами образования льда и обледенения морских нефтяных установок и оборудования». Основная задача проекта, предоставить методику корректного численного описания взаимодействия морских волн и морского спрея со стационарными и плавучими инженерными конструкциями, а также предоставить научной и индустриальной общественности наборы достоверных экспериментальных данных, необходимых для валидации предиктивных моделей и общего понимания процесса ледообразования в арктических условиях. Разработанные в проекте численные методы и многомасштабные программные инструменты будут предоставлены общественности в виде программ с отрытым кодом. Это позволит будущим пользователям адаптировать программный продукт и реализованные в нем методики к еще более широкому спектру задач, связанных с феноменом ледообразования в Арктике.

Описание фундаментальной научной задачи, на решение которой направлено
исследование.

Расширение глобальных рынков и быстрое появление новых современных технологических решений предоставляют пул возможностей по развитию арктического региона в целом и акватории Баренцева моря, в частности. Инженерная сторона такого развития часто связана с обустройством крупных промышленных объектов на морском дне, плавучих комплексов по добыче, хранению и отгрузке углеводородного сырья, морских судов и кораблей. Весь спектр морских инженерных конструкций, в ходе строительства и эксплуатации в арктических условиях, подвергается интенсивному процессу образования льда. Нарастание льда на инженерных конструкциях представляет угрозу безопасной эксплуатации как объектов в открытом море, так и наземных комплексов и сооружений. Хотя проблема ледообразования наиболее характерна для арктических и антарктических широт, сооружения и конструкции, расположенные в более низких широтах, также подвергаются образованию и накоплению льда, когда температурные показатели переходят к низким значениям.

Процесс ледообразования в морских условиях в основном связан с наличием в воздухе и выпадением на поверхность конструкций капель морской воды из водяного спрея, создаваемого морскими волнами. Различают два механизма образования спрея: (1) взаимодействие воздушных масс с перекатывающейся массой воды приводит к захвату водой воздушных пузырей, далее следует подъем пузырей из толщи волны на ее поверхность, схлопывание пузырей с выбросом микрометровых капель в приповерхностную зону волны, образование и снос вспененных шапок с верхней части волны за счет ветрового воздействия, что приводит к образованию водяного спрея (Рис. 1); (2) соударение волны с естественными или искусственными элементами береговой инфраструктуры, а также с инженерными конструкциями, находящимися в море, приводит к образованию водяного спрея за счет ударного воздействия и выброса в приповерхностную зону морской толщи большого количества микро- и макро капель морской воды. Первый вид спрея способствует постоянному непрерывному образованию существенного количества микро-капель, взвешенных в воздухе, но слабо участвует в процессе накопления льда на поверхности инфраструктурных объектов. Второй вид спрея генерируется не непрерывно, а соразмерно временным характеристикам движения волн, однако основной прирост льдистой массы обеспечивается именно вторым видом водяного спрея – временами этот процесс достигает критических значений (Рис. 2).

В регионах с низкими температурными показателями, капли воды в составе морского спрея часто находятся в переохлажденном состоянии, что, при соударении летящих капель с холодной твердой поверхностью, приводит к исключительно быстрому формированию крупных льдистых образований. Крупные образования льда на поверхности инженерных конструкций вызывает перераспределение напряжений и нарушение механических характеристик конструкции за счет локального воздействия расширяющейся при смене агрегатного состояния воды и глобального перераспределения масс в объеме объекта, что приводит к нарушению стабильности стационарной или движущейся конструкции. Помимо механического воздействия на структуру инженерных объектов, образование льда приводит к появлению скользких зон на палубах и открытых участках, обледенению, а, следовательно, снижению доступности, критически важных объектов, закрепленных на внешней поверхности кораблей и платформ, таких как лебедки, краны, антенны, шлюпки, элементы перевозимого груза, оборудование пожаротушения и спасения экипажа (Рис.3).

Образование льда на поверхности инженерных объектов возможно частично купировать применением специальных технических средств, но более оптимальным представляется правильный учет ледообразования и распределения льдистых масс на поверхности конкретной проектируемой конструкции, как в стационарном положении, так и в динамике (например, на плывущем судне). Для корректного решения задачи ледообразования в научной и индустриальной среде крайне востребованы качественные предиктивные расчетные модели, позволяющие построить прогноз образования и распределения льда, в зависимости от погодных условий и типа взаимодействия инженерного объекта с окружающей средой.

Ранее, научными коллективами были предприняты попытки исследовать и учесть в численных моделях процессы выпадения водяного спрея на поверхность искусственных объектов и образования льда на таких объектах, однако, недостаточно внимания было уделено точным характеристикам и правильным алгоритмическим решениям по моделированию морского спрея, несмотря на его гигантский вклад в процесс ледообразования. Такой недостаток внимания к данному процессу частично объясняется отсутствием экспериментальных данных о поведении морского спрея в реалистичных, особенно в арктических, морских условиях, а также отсутствием до недавнего времени численных алгоритмов, позволяющих проводить моделирование большого количества микрометровых объектов, таких как летящие водяные капли, в моделях, использующих вычислительные сетки с метровыми размерами. Указанные факторы предопределили отсутствие на текущий момент успешных математических или численных моделей, позволяющих с высокой степенью достоверности предсказать формирование льда на поверхности искусственных сооружений (модельный прогноз часто отличается от экспериментальных наблюдений на порядки).

Основная цель данного проекта заключается в разработке предиктивной расчетной модели, позволяющей рассчитать процесс образования льда на стационарных и движущихся объектах в арктических условиях. Данная цель реализуется российским и норвежским научными коллективами в рамках скоординированного выполнения научных исследований в области численного моделирования на основе новых многомасштабных алгоритмов и экспериментальных исследований физических процессов, приводящих к образованию льда, в реалистичных условиях, типичных для арктического региона.

Актуальность исследования.

Ледообразование на элементах судов и других искусственных сооружений в Арктике представляет определенные операционные риски. Предлагаемая к разработке предиктивная расчетная модель ледообразования позволит строить прогнозы обледенения для объектов представляющих интерес и, либо на этапе дизайна и строительства объектов внедрять определенные технические решения, позволяющие снижать риски будущей эксплуатации, либо на этапе эксплуатации существующих объектов оперативно реагировать на прогнозируемую угрозу и принимать комплекс мер по предотвращению негативных последствий, что, в комплексе, позволит снижать операционные риски, связанные с погодными условиями, в арктическом регионе.

Предиктивные модели образования льда высоко востребованы научным и индустриальным сообществом при решении научно-технологических, конструкторских и операционных задач в арктическом-регионе. Однако, существующие модели выдают удовлетворительные прогнозы для стационарных объектов (например, морские платформы), но не учитывают динамику взаимодействия морских волн с движущимися судами, что приводит к крайне низкой предсказательной способности для большого класса объектов, используемых в арктическом регионе.

Существующие модели образования льда не используют в полной мере всех возможностей, предлагаемых современными многомасштабными вычислительными алгоритмами. Это приводит к невозможности принятия во внимания локальных эффектов, оказываемых морским спреем на микромасштабе, при расчете крупных объектов на макромасштабе. Именно локальный вклад морского спрея в образование льда оказывает наибольшее влияние на динамику нарастания льдистой массы.

Доступные на текущий момент наборы экспериментальных данных, описывающих характеристики водяного спрея получены в ограниченном количестве, часто в лабораторных условиях с множеством упрощений при проведении экспериментов. Такой подход сильно ограничивает возможное использование указанных данных в расчетных моделях. Более того, использование данных, замеренных в Тихом или Атлантическом океанах дает высокие погрешности для расчетов, проводимых для арктического бассейна.

Данные по взаимодействию водяных капель, поодиночке или в составе спрея, с представительными для арктического использования материалами и покрытиями в литературе отсутствуют. Немногочисленные проводимые эксперименты часто ограничиваются использованием дистиллированной воды и проводятся в стандартных условиях. Такие данные не несут в себе вклада минерализации воды и ее биологического состава в процесс адгезии жидкости к твердым подложкам и изменения агрегатного состояния при понижении температур.

Долгосрочные эксперименты по динамике нарастания льда на инженерных сооружения в Арктике с тщательной регистрацией параметров при помощи научной аппаратуры также не описаны в литературе, а сами данные не доступны к использованию. Такие данные позволили бы изучать профили роста льда во времени и использовать их для валидации численных моделей на макромасштабе.

Таким образом, актуальность предлагаемого исследования обусловлена следующими факторами:
- Высокая востребованность качественных предиктивных моделей ледообразования, ввиду интенсивного развития арктического региона
- Отсутствие достоверных существующих предиктивных моделей образования льда
- Отсутствие численных моделей, позволяющих рассчитывать объекты размером в десятки и сотни метров, при этом правильным образом учитывая особенности образования морского спрея – как основного источника формирования ледяных масс на искусственных объектах – и его вклад в процесс нарастания ледяной массы
- Отсутствие качественных данных, характеризующих морской спрей с точки зрения массо- тепло-переноса, особенно в части распределения массы в объеме спрея
- Отсутствие достоверных экспериментальных данных по взаимодействию капель морской воды – как основных составляющих компонентов морского спрея – с типичными материалами и покрытиями, использующимися в арктическом регионе, в условиях, приближенных к арктическим
- Отсутствие данных по формированию и росту крупных ледяных образований на поверхности искусственных объектов, качественно зафиксированных научной аппаратурой, в том числе, с определением профилей и скорости роста отдельных участков, на протяжении длительных временных промежутков

Предлагаемое исследование позволит в той или иной степени адресовать все перечисленные факторы, разработать, инициализировать и валидировать предиктивную расчетную модель образования льда, повысить предсказательную силу доступных численных моделей за счет использования качественно новых экспериментальных данных, предоставить разработанную модель в виде общедоступного программного продукта представителям научной и индустриальной среды, занимающимся развитием арктического региона в целом и бассейна Баренцева моря, в частности.