The CFD-DEM simulations are performed to investigate the suitable ship-ice contact model and research the full-scale ship-ice interaction characteristics in the restricted brash ice channel. The discrete element method has been coupled in the viscous flow CFD solver to establish the brash ice model, combining with the VOF model of Euler Multiphase flow to simulate the interaction between the ship and brash ice. The AFRAMAX oil tanker ice test in Hamburg Ship Model Basin (HSVA) has been taken as the research reference. Firstly, the computed mean total ice resistance of different density grids show the monotonic convergence and meet the experimental results well. Secondly, three ship-ice contact models are applied to simulate the ship-ice collision, and the maximum relative error of total ice resistance is within −5.5%. Thirdly, the parametric study of ice shape and restitution coefficient is researched, which shows the ice shape could be the vital factor affecting the simulated total ice resistance. Finally, The full-scale total ice resistance under Finnish-Swedish Ice Class Rules (FSICR) IA and IB ice conditions are compared and discussed among the experiment, FSICR method, Dobrovin's empirical method, and CFD-DEM simulations. Moreover, the characteristics of collision, accumulation, extrusion, rolling, and sliding in the ship-ice interaction process are well consistent with the observations in the ice tank test, which indicates the proposed full-scale CFD-DEM approach of direct evaluating the ship-brash ice interaction shows reasonable results and practical value.

执行 CFD-DEM 模拟以研究合适的船冰接触模型并研究受限碎冰通道中的全尺寸船冰相互作用特性。在粘滞流CFD求解器中耦合离散元法建立碎冰模型，结合欧拉多相流的VOF模型模拟船舶与碎冰的相互作用。AFRAMAX油轮在汉堡船模盆地（HSVA）的冰试验作为研究参考。首先，计算出的不同密度网格的平均总冰阻力表现出单调收敛性，很好地满足了实验结果。其次，采用三种船冰接触模型模拟船冰碰撞，总冰阻最大相对误差在-5.5%以内。第三，研究了冰形和恢复系数的参数化研究，表明冰形可能是影响模拟总冰阻力的重要因素。最后，在实验、FSICR 方法、Dobrovin 的经验方法和 CFD-DEM 模拟之间比较和讨论了芬兰-瑞典冰级规则 (FSICR) IA 和 IB 冰条件下的全尺寸总冰阻力。此外，船冰相互作用过程中碰撞、堆积、挤压、滚动和滑动的特征与冰槽试验中的观察结果非常一致，这表明所提出的直接评估船舶的全尺寸CFD-DEM方法-brash冰交互显示出合理的结果和实用价值。这表明冰的形状可能是影响模拟总冰阻力的重要因素。最后，在实验、FSICR 方法、Dobrovin 的经验方法和 CFD-DEM 模拟之间比较和讨论了芬兰-瑞典冰级规则 (FSICR) IA 和 IB 冰条件下的全尺寸总冰阻力。此外，船冰相互作用过程中碰撞、堆积、挤压、滚动和滑动的特征与冰槽试验中的观察结果非常一致，这表明所提出的直接评估船舶的全尺寸CFD-DEM方法-brash冰交互显示出合理的结果和实用价值。这表明冰的形状可能是影响模拟总冰阻力的重要因素。最后，在实验、FSICR 方法、Dobrovin 的经验方法和 CFD-DEM 模拟之间比较和讨论了芬兰-瑞典冰级规则 (FSICR) IA 和 IB 冰条件下的全尺寸总冰阻力。此外，船冰相互作用过程中碰撞、堆积、挤压、滚动和滑动的特征与冰槽试验中的观察结果非常一致，这表明所提出的直接评估船舶的全尺寸CFD-DEM方法-brash冰交互显示出合理的结果和实用价值。在实验、FSICR 方法、Dobrovin 的经验方法和 CFD-DEM 模拟之间比较和讨论了芬兰-瑞典冰级规则 (FSICR) IA 和 IB 冰条件下的全尺寸总冰阻力。此外，船冰相互作用过程中碰撞、堆积、挤压、滚动和滑动的特征与冰槽试验中的观察结果非常一致，这表明所提出的直接评估船舶的全尺寸CFD-DEM方法-brash冰交互显示出合理的结果和实用价值。在实验、FSICR 方法、Dobrovin 的经验方法和 CFD-DEM 模拟之间比较和讨论了芬兰-瑞典冰级规则 (FSICR) IA 和 IB 冰条件下的全尺寸总冰阻力。此外，船冰相互作用过程中碰撞、堆积、挤压、滚动和滑动的特征与冰槽试验中的观察结果非常一致，这表明所提出的直接评估船舶的全尺寸CFD-DEM方法-brash冰交互显示出合理的结果和实用价值。