Study of navigable ice channel evolution
Authors: Карулин Е.Б. , Карулина М.М. , Жугина Е.В. 
Published: June 2024

В статье представлены результаты теоретических исследований эволюции поперечного сечения ледового судоходного канала в течение его эксплуатации. Многократное использование судоходных каналов, проложенных в ледяном покрове, приводит к накоплению в них ледяной каши – смеси мелких обломков льда и воды – и последующему ее смерзанию. Эти процессы негативно сказываются на ходкости судов, следующих по каналу, что обусловило интерес к изучению указанной проблемы. Ранее разработанные теоретические модели эволюции ледового канала являются полуэмпирическими и используются результаты натурных измерений в регионах с мягкими или умеренными ледовыми условиями. Целью настоящих исследований было предложить расчетную модель эволюции ледового канала, которую можно применить к суровым ледовым условиям Арктики. Процессы теплообмена на границах воздух-лед и лед-вода, смерзания и накопления льда в канале математически описаны с использованием законов термодинамики и задачи Стефана. В расчетной схеме учтено перемещение части ледяной каши под кромки канала. Разработанная модель применена для исследования эволюции ледового канала в северной части Обской губы при различной интенсивности прохождения судов по нему. Имеющиеся отдельные измерения толщины слоя ледяной каши, сделанные экипажами судов при движении по ледовому каналу в припае Обской губы, хорошо соотносятся с полученными расчетными оценками. Описанный алгоритм прогнозирования геометрии ледового канала может быть использован при решении логистических задач движения транспортных судов в арктических водах, если часть их маршрутов включает ледовые каналы.

The paper introduces results of investigation into evolution of navigation channel’ cross-section during its operation. Multiple use of navigation channels made in ice cover leads to accumulation of brash ice – a mixture of small ice pieces and water – therein with its subsequent consolidation. These processes negatively affect the performance of ships sailing through the chanel, which has led to interest in studying this problem. Previously developed theoretical models of ice channel evolution are semi-empirical and use the results of field measurements in regions with mild or moderate ice conditions. The goal of the present studies was to propose a computational model of ice channel evolution that can be applied to the severe ice conditions of the Arctic. The processes of heat exchange at the air-ice and ice-water boundaries, freezing and accumulation of ice in the channel are mathematically described using the laws of thermodynamics and the Stefan problem. The calculation scheme takes into account a partial relocation of brash ice beneath the ice channel edges. The developed model was used to study the evolution of the ice channel in the northern part of the Ob Bay at different intensities of vessel passage through it. Some available measurements of the brash ice thickness, made by the ship crews while moving through the channel in the Ob Bay fast ice, correlate well with the obtained calculation results. The described algorithm for predicting the ice channel geometry can serve to ensure logistical tasks for the movement of transport vessels in Arctic waters, if part of their routes includes ice channels.